정확한 금속 주조를 위한 패턴 여유 최적화

적절한 크기와 형상의 주물을 생산하기 위한 패턴 여유는 제품 설계, 몰드 설계, 주조 금속의 수축 및 수축 특성 등에 부분적으로 의존합니다. 실제로 어떤 규칙을 수학적으로 정확히 예측하기는 매우 어렵으며, 원하는 결과를 얻기 위해 패턴 치수를 조정하는 데는 시행착오 과정이 가장 좋습니다.

1. 수축 여유(Shrinkage Allowance)

금속이 냉각되면 자연스럽게 크기가 줄어듭니다. 주물 총 수축은 세 가지 요소로 구성됩니다: 주입 온도에서 어는 온도까지 액체 수축, 액체에서 고체로 상변화에 따른 수축, 어는 온도에서 주변 온도까지 고체 주물의 최종 수축. 처음 두 수축은 주물 설계에서 고려되며, 마지막 효과는 패턴을 더 크게 설계하여 보상합니다.

실제 제품을 패턴으로 사용하면 결과 주물이 원하는 것보다 약간 작아집니다. 이를 보상하기 위해 패턴 치수 측정에 수축 자(shrink rule)를 사용합니다. 주철용 수축 자는 표준 자보다 미터당 10mm(주철 평균 수축) 더 깁니다.

주요 주조 재료의 대표적 수축 여유(mm/m)는 다음과 같습니다: 회주철 7~10.5, 백주철 21, 가단주철 15, 강 20, 황동 14, 알루미늄 18, 알루미늄 합금 13~16, 청동 10.5~21, 마그네슘 18. 실제로는 주물 설계, 두께 및 기타 치수, 금속 종류, 주입 온도, 돌출 러그, 코어, 주물 설계 및 복잡성, 몰딩 재료 및 경도, 몰딩 방법 등에 따라 수축 여유가 달라집니다.

원본 패턴에서 금속 패턴을 주조할 때는 이중 수축을 고려해야 합니다.

2. 드래프트 여유(Draft Allowance)

패턴을 몰드에서 빼낼 때 패턴과 접촉한 몰드 가장자리가 찢어지는 경향은, 패턴 표면에 빼내는 방향과 평행한 방향으로 약간의 테이퍼를 주면 크게 감소합니다(그림 3.15 참조).

이 패턴 측면 테이퍼링을 드래프트(draft)라고 하며, 패턴을 들어 올릴 때 약간의 간극을 제공합니다. 필요한 드래프트량은 주물 형상과 크기(패턴 수직 면 길이), 몰딩 방법, 생산 방식, 패턴 복잡성, 수작업 또는 기계 몰딩 여부에 따라 달라집니다. 기계 몰딩은 최소 드래프트가 필요합니다.

외부 표면 드래프트량은 미터당 약 10~20mm입니다. 상당히 작은 내부 구멍의 경우 드래프트는 미터당 약 30mm여야 합니다. 그린 샌드 몰딩에서는 내부 표면이 외부 표면보다 더 많은 드래프트를 필요로 합니다.

3. 가공 여유(Finishing Allowance)

도면 설계자가 제작할 부품 세부 사항을 그릴 때, 가공할 각 표면은 피니시 마크로 표시됩니다. 이 마크는 해당 지점에 추가 금속이 제공되어야 함을 나타내며, 가공할 금속이 남아 있게 합니다. 추가량은 주물 크기와 형상에 따라 달라지지만, 일반적으로 소형 및 중형 주물의 경우 철계 주물 3mm, 비철 주물 1.5mm입니다.

가능한 한 가공 표면은 몰드 드래그 측에 주조되도록 해야 합니다. 그러나 완성 표면이 코프에 주조될 경우 추가 여유를 두어야 합니다. 가공/마감 여유는 가공 방법(선삭, 보링, 연삭 등), 금속 특성(철계, 비철계, 연질, 가공 용이성), 주조 방법(원심 주조는 내측에 더 많은 여유 필요), 주물 크기와 형상(불순물이 모이는 상면은 더 많은 여유 필요, 긴 주물은 휨 경향), 요구 표면 조도에 따라 달라집니다.

4. 변형/캠버 여유(Distortion or Camber Allowance)

이 여유는 U자형이나 넓은 평평한 영역이 있는 등 냉각 과정에서 금속 수축으로 인해 변형되는 불규칙 형상 주물에만 적용됩니다. 예를 들어 U자형 주물은 다리가 평행하지 않고 발산 형태로 변형됩니다. 이를 보상하기 위해 패턴은 다리가 수렴되게 만드는데, 냉각 시 주물 다리가 펴집니다. 이런 여유는 금속 수축 특성을 이해하는 패턴 제작자의 판단과 경험에 의존합니다.

5. 래핑/셰이킹 여유(Rapping or Shaking Allowance)

패턴이 몰드에서 빠져나가기 전에 몰드 내에서 흔들리면 몰드 캐비티가 약간 커집니다. 평균 크기 주물에서는 이 크기 증가를 무시할 수 있습니다. 그러나 대형 주물이거나 가공 없이 맞물려야 하는 주물에서는 패턴을 약간 작게 만들어 셰이크 여유를 고려해야 합니다.