KR100193730B1 - 중력다이캐스팅에 의한 피스톤 주조물의 제조방법 및 장치 - Google Patents

중력다이캐스팅에 의한 피스톤 주조물의 제조방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피스톤 주조물의 생산을 우한 방법 및 장치에 관한 것으로, 효용성을 증가시키기위해 부분적으로 응고한 주조물이 다이로부터 제거될 수 있는 다이구성 및 사용방법이 설명되어 있다. 다이는 스커트형성부분으로부터 분리할 수 있는 크라운형성부분을 갖는다. 피스톤 주조물의 생산방법에 있어, 다이의 스커트형성부분을 분리시킬 수 있도록 주조물이 충분히 응고했을 때 다이의 두 반쪽부분을 분리시키고 주조물은 다이의 크라운형성부분에 의해 유지된다. 송풍제트에 의한 피스톤 주조물의 잔여부 응고 및/ 또는 피스톤 주조물의 냉각과 같은 후속공정단계 후 응고된 피스톤이 다이의 크라운형성부분으로부터 제거된다. 피스톤 주조물의 생산장치에 있어 복수의 크라운형성다이부분과 공통으로 사용되는 단일의 스커트형성다이부분이 제공되며 동시에 크라운형성다이부분이 스커트형성다이부분과 순차적으로 짝을 이루도록 크라운형성다이부분을 처리하는 수단이 제공된다.

Description

중력다이캐스팅에 의한 피스톤 주조물의 제조방법 및 장치
제1도는 본 발명의 장치에 사용되는 피스톤 주조 다이를 개량적으로 나타낸 단면도.
제2도는 제1도의 피스톤 주조다이와 90°관계에 있는 단면도.
제3도는 피스톤 다이의 크라운 형성 부분에 의해 유지되는 부분적으로 응고한 피스톤 주조물.
제4도는 피스톤링 홈보강체를 갖는 피스톤을 주조하기 위해 변형된 다이.
제5도는 본 발명에 따른 장치의 평면도.
제6도는 제5도 장치의 입면도.
도면 제1도, 2도에 개략적으로 도시한 다이조립체는 참조번호(10)으로 나타냈다. 다이조립체(10)는 피스톤 주조물(14)의 외부스커트형상을 만들어 내는 암몰드의 스커트 형성 부분(12), 피스톤의 내형을 형성하는 수몰드의 코어부재(16) 및 상부코어(18)로 불리는 크라운 형성 부분으로 구성된다. 스커트 형성부분(12)자체는 제2도에 도시된 단면의 수직면상에 있는 피스톤 캐비티의 직경을 따라 분리되는 다이의 두 반쪽부분(20,22)으로 구성된다. 두 반쪽부분(20,22)은 압축공기 또는 수압실린더(제5도 및 6도 참조)의 작용하에 다이 테이블의 기판(26)상에서 화살표(24)방향으로 이동한다. 코어부재(16)는 종래의 여러 부분품으로 된 접을 수 있는 코어로 구성되며, 예를들면 피스톤 핀의 보스와 관련하여 요각(凹角)을 갖는 피스톤의 응고된 스커트 부위(28)로부터 제거되어질 수 있다. 각 반쪽부분(20,22)은 자체에 형성된 반원의 홈(30)을 갖되, 각 홈은 테이퍼 형상의 단면(32,34)을 가지며 반쪽부분(20,22)이 상호 체결될 때 홈(30)은 원형의 환형홈(36)을 구성하게 된다. 환형홈(36)은 상부코어(18)상에 있는 외부플랜지(38)와 협동하여서 반쪽부분(20,22)이 외부플랜지(38)상에서 상호 체결될 때 상부코어가 축방향에 있어 스커트형성부분(12)에 대하여 정확히 위치하도록 한다. 상부코어(18)는 자체내에 피스톤크라운(42)의 상당부분을 차지하는 캐비티(40)를 갖는다. 스커트형성부분(12)과 상부코어(18)사이의 몰드캐비티 분리선은 피스톤축(44)에 대하여 방사상 수직면에 있으며 선(46)으로 도시되어 있다. 상부코어(18) 역시 제1도에 점선으로 도시된 용융금속의 압탕(48)을 포함한다. 종래의 다이링(50)을 형성시켜 체결된 다이 캐비티내에 코어부재(16)를 축방향으로 정확하게 위치시키기 위해 사용된다. 이동아암(52)이 상부코어(18)에 연결되어서 상부코어를 다이(10)내에 위치시키거나 상부코어와 피스톤 주조물(14)을 개방된 다이의 반쪽부분(20,22)으로부터 제거시킬 수 있게 한다.
작업시 다이는 우선 화살표(24)방향에 있어 서로 멀어지는 방향으로 다이의 반쪽부분(20,22)을 이동시킴으로써 조립된다. 상부코어(18)와 내부코어(16)가 다이조립체내의 적당한 최종위치로 이동된다. 다이의 반쪽부분(20,22)이 체결되고 상부코어(18)와 내부코어(16)는 각자의 정위치에 위치된다. 예를들면 알루미늄 - 실리콘 합금과 같은 경금속 합금의 계량된 양이 자동화된 주입컵(54)으로부터 탕도시스템(runner system)(55)을 통하여 다이캐비티내로 주입된다. 스커트 부분의 상대적으로 얇은 금속부분(60)이 먼저 응고하여 상대적으로 두꺼운 크라운 부분(42)의 금속은 응고하는데 더 많은 시간을 요한다. 단지 예시의 목적으로 제1도와 제2도에는 피스톤 주조물(14)이 체결된 다이(12)내에서 완전히 응고한 것으로 도시되어있다. 다이의 반쪽부분(20,22)은 피스톤의 스커트부분(28)으로부터 분리되기위하여 상호 멀어지는 방향으로 이동될 수 있다. 그러나 제3도에 도시된 바와같이 본 발명에 따른 방법에서, 다이의 반쪽부분(20,22)은 스커트 부분과 크라운 부분(42)의 인접부위가 응고되는 크라운 부분의 나머지는 여전히 용융상태에 있을 때 피스톤의 스커트부분(28)으로부터 분리되어진다. 응고물의 붕괴없이 상부코어(18)내의 부분적으로 응고한 피스톤을 유지하기위하여는 크라운의 적어도 일부는 이 단계에서 응고되어 있을 것이 요구된다. 부분적으로 응고한 피스톤 주조물(14)과 함께 상부코어(18)는 이동 아암(52)에 의해 주조물위치로부터 이동된다. 이때 후속공정단계가 상부코어(18)에 의해 유지된 채로 주조물에 행해진다. 예를들면 피스톤 주조물(14)이 제3도에 도시한 바와같이 제트(64)로부터 나와서 주조물의 개방된 단부내로 향하는 송풍에 의해 담금질된다. 이 공정후 응고된 피스톤은 상부코어로부터 제거된다. 이처럼 잔여 용융금속(62)은 다이조립체(16,20,22)의 나머지 부분으로부터 이격되어 응고된다. 그러나 이와같은 송풍담금질의 사용은 필수적인 것이 아니다.
제4도는 자체내에 피스톤링홈 보강체를 포함하는 피스톤을 생산하기에 적합하도록 변형된 피스톤 주조다이를 나타낸다. 방법에 따라 용융 알루미늄욕에 담금으로써 알루미늄으로 코팅된 니- 리지스트형의 주물피스톤링 캐리어이다. 예열되어 코팅된 피스톤링 캐리어(70)는 상부코어(18)가 다이의 반쪽부분(20,22)내로 조립되기 전에 상부코어(18)내에 위치시킨다. 링 캐리어(70)는 요크(78)상에 작동하는(도시되지 않음) 램(ram)과 압축공기에 의해 화살표(76)방향으로 작용하는 두 개(또는 2 이상)의 지부(支部)(72,74)에 의해 제위치에 유지된다 : 지부(72,74)는 상부코어(18)에 기계가공된 홈(80,82)내에서 회전한다.
다이구성 및 작업의 나머지는 도면 1 - 3에 의하여 이미 언급한 것과 동일하다. 지부(72,74)는 상부코어(18)로부터 주조물을 분리, 배출하도록 지부상의 경사면(86)과 상부코어상의 경사면(88)이 맞물려서 화살표(90) 방향으로 지부를 외향회전시킬때까지 화살표(84) 방향으로 하향작용을 받음으로써 궁극적으로는 완전히 응고된 주조물로부터 분리된다.
제5도와 6도는 본 발면에 따른 장치의 일 실시예로서 피스톤주조물(10c)을 위해 대부분 자동화된 장치를 나타낸다. 이 장치는 교대로 사용되는 두 개의 상부코어(18, 102)를 포함하며, 그 각각은 제4도와 관련하여 위에서 언급한 구성을 갖는 다이부분을 구성한다. 또한 장치는 탕도(55)를 주입컵(54)에 상대적인 위치에 오도록 압축공기 실린더(108) 수단에 의해 축(106)에 대해 경사질 수 있는 프레임(104)을 포함한다. 이것은 주입컵의 움직임을 최소화하면 따라서 장치를 단순화시킨다. 다이조립체(10)는 프레임(104)의 상부면을 구성하는 테이블기판(26)상에서 이동한다. 다이의 반쪽부분은(20,22)은 실린더(112,114)의 작용하에 체결위치로 이동한다. 축(118)에 대해 회전할 수 있는 아암(116)은 양 단부에 위치한 두 개의 상부코어(18,102)를 가지며, 상부코어는 피스톤링홈 보강체의 위치설정 및 유지를 위해 상부코어와 관련된 지부(72,74)를 갖는다. 아암(116)은 180°회전할 수 있으며 실린더(120)수단에 의해 위치가 설정될 수 있는 높이에 있다. 각 상부코어(18,102)는 아암(116)에 있는 모터(122,124)수단에 의해 90°회전할 수 있다.
아암을 지탱하는 피스톤 핀 보스의 지주(126)가 다이캐비티내로 삽입되는 강철지주(도시하지 않음)를 지탱하기 위해 임의로 제공될 수 있다.
작업시 피스톤링홈 보강체(70)가 상부코어(18)내의 A위치에 놓이게 된다. 이때 코어는 B위치로 축에 대해 회전하고 다이의 반쪽부분(20,22)이 상부코어(18)에 대하여 체결될 수 있는 위치로 하강하게 된다. 프레임(104)은 이때 다이가 주입컵(54)(제1,2도 참조)에 의해 채워지도록 축(106)에 대해 경사지게 된다. 제3도와 관련하에 앞에서 설명한 바와 같이 주조물의 스커트 부위가 먼저 응고하고 반응고된 주조물이 일단 개방된 다이의 두 반쪽부분(20,22)으로부터 체결될 수 있게 한다.
주조물(100)은 A위치로 역회전함과 동시에 보강체(70)과 함께 다른 상부코어(102)가 다이 상부의 B위치에 위치된다. A위치에서 주조물은 송풍제트(64)에 의해 냉각된다. 두 번째 주조물이 주입되어 B위치에서 부분적으로 응고하는 동안 첫 번째 주조물은 A 위치에서 완전히 응고하여 다른 피스톤링홈 보강체(70)를 수용하는 상부코어(18)로부터 배출된다. 위에서 설명한 장치의 작동과 순서는 공지의 제어시스템의 제어하에 작동한다.
본 장치에서 공통으로 사용되는 다이의 스커트 형성부분과 상부코어의 조합은 제4도에 도시한 것과 달리 제1도-3도에 도시된 구성을 가질 수 있다.
두 개 이상의 코어와 상부코어가 본 장치에서 사용되는 단일을 스커트형성 다이부분과 순차적으로 쌍을 이루도록하는 처리수단이 제공될 수 있다.
본 발명은 중력 다이캐스팅물품, 특히 내연기관 및 압축기용 피스톤의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
내연기관 및 압축기용 알루미늄 합금 피스톤의 제조방법의 하나로는 잘 알려진 중력 다이캐스팅 기술이 있는 바 이는 통상 강으로 구성된 영구적이고 여러부품으로 구성된 다이(dies)에서 실시된다.
피스톤은 디자인이 매우 다양하나 상대적으로 얇은 금속부위를 갖는 스커트 부분과 상대적으로 두꺼운 금속부위를 갖는 크라운 부분으로 구성되는 것이 일반적이다. 스커트와 크라운 금속부위의 상대적인 두께는 필요로 하는 피스톤 구조에 따라 역시 다양하다. 두 부위사이의 비는 가솔린 기관용의 작고 단일금속으로된 피스톤에 있어서 최소이며, 크라운 내에 연소보울 및 예를들면 주철의 피스톤링홈 보강체를 포함하는 대형의 디젤기관이 있어서 최대가 될 것이다.
종래의 다이구성은 다이본체가 직경면상에 분리선을 갖는 두 개의 반쪽 부분으로 구성되며, 이 다이의 반쪽 부분은 피스톤의 통상적인 원통형 외형을 형성한다 : 여러부품으로 구성되고 접을 수 있는 내부코어는 내부형상을 형성하며 다이 반쪽부분의 최상표면에 위치하는 상판은 피스톤의 크라운 표면 형상을 형성한다. 피스톤 핀 보스(boss)의 구멍을 형성하는 코어핀과 같은 다른 구성품들이 또한 존재할 수 있다. 더욱이 피스톤링홈 보강체와 같은 주조물품들이 존재할 수 있으며, 이런 경우 이들은 상판의 체결전에 밀폐된 다이본체내에 위치된다.
따라서 본 명세서에는 상판 또는 코어와 같은 크라운 형성부분과 스커트 형성 부분을 갖는 다이에 대해 언급될 것이다. 한편 크라운형성다이부분이 크라운과 인접하는 스커트 부위를 형성하기 위해 사용될 수 있거나, 스커트형성 다이부분이 스커트와 인접하는 크라운 부위를 형성하기 위해 사용될수 있다. 본 명세서에서는 편의상 특히 스커트형성다이부분은 피스톤 스커트의 적어도 주요부분을 형성하는 다이의 구성부분을 크라운 형성 다이부분은 피스톤 크라운의 적어도 주요부분을 형성하는 다이의 구성부분을 언급하기위해 사용된다.
스커트와 크라운 금속부위의 두께차이 때문에 각 부위에서 완전한 응고에 도달하는 시간은 다르다. 상대적으로 얇은 스커트 부위가 먼저 응고하는 반면에 두꺼운 크라운 부위는 응고하는데 시간을 더 요한다. 따라서 종래의 주조 다이로부터 피스톤을 생산하는 속도는 흔히 크라운 부위가 응고하는 시간에 의해 지배되는데 이는 완전응고시까지 주조물을 다이로부터 제거할 수 없기 때문이다.
종래 다이의 또다른 단점은 다이의 상단부를 체결시키는 상판이 예를들면 다이의 반쪽부분이 잘못 배열되어 있거나 주조핀(die flash)과 같은 포집된 찌꺼기에 의해 다이 체결시 어긋나게 되는 일이 종종 있다. 이렇게 되면 주조피스톤의 최상표면이 예를들면 주조핀 피스톤링홈 보강체와 피스톤핀 보스와 같은 다른 피스톤 형상들에 대하여 위치적으로 부정확하게 될 수 있다. 주조상태 그대로의 크라운 표면은 흔히 피스톤의 기계가공을 위한 하나의 자료로 사용되기 때문에 상기와 같은 부정확은 마무리 기계가공된 피스톤에 있어서 치수상 부정확을 초래할 수 있다.
주조피스톤의 강도특성을 향상시키기 위하여 때로는 피스톤은 다이로부터 제거된 직후 즉시 담금질하게 된다. 다이로부터 주조물을 제거하기 전에 피스톤의 모든 부분들의 완전한 응고를 보장하기 위하여 상당한 시간을 기다리는 것이 필요하기 때문에, 주조물의 적어도 일부의 온도가 담금질이 유효하지 못한 온도 수준으로 떨어질 가능성이 많게 된다.
상기한 단점들을 극복하는 주조방법과 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
첫째, 본 발명에 있어서 상대적으로 얇은 금속부분을 갖는 스커트 부위와 상대적으로 두꺼운 금속부분을 갖는 크라운 부위를 포함하는 피스톤 주조물을 생산하되, 스커트 형성부분으로부터 분리될 수 있는 크라운 형성 부분을 갖는 다이내로 용융금속을 주입하는 단계를 포함하는 제조방법이 제공되는바, 이 방법은 피스톤 크라운부위가 부분적으로 용융상태에 있는 동안 크라운 부위로부터 다이의 스커트형성부분을 분리시킬 수 있을 정도로 주조물을 응고시키고, 다이의 크라운 형성부분과 스커트 형성부분을 분리시켜서 다이의 크라운 형성부분에 의해 주조물을 유지시키고, 후속공정단계 후 다이의 크라운형성부분으로부터 응고된 피스톤 주조물을 제거시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에 의한 장점의 하나는 상기 후속공정단계에서 담금질이 사용될 때 피스톤 재질 특성의 향상에 있다. 담금질기술의 하나로 송풍담금질(air-blast quench)을 사용할 수 있다. 피스톤 하부로 송풍담금질을 적용하는 경우 여전히 용융상태인 크라운부위의 응고를 촉진시킨다. 보다 신속한 응고속도의 결과로서 용체내의 일부 합금원소들의 보유에 따른 향상된 특성을 갖기 때문에 보다 건전한 주조물을 생산할 수 있다. 뒤이은 석출열처리는 - 이러한 열처리에 적합한 합금들에 있어 - 따라서 피스톤합금 특성을 향상시키는데 보다 효과적이다.
둘째, 상대적으로 얇은 두께의 금속부분을 갖는 스커트부위와 상대적으로 두꺼운 두께의 금속부분을 갖는 크라운부위를 포함하는 피스톤 주조장치가 용융금속의 주입수단 및 크라운형성부분과 스커트형성부분을 갖는 피스톤주조다이로 구성되되, 피스톤크라운부위가 부분적으로 용융상태에 있는동안 크라운과 스커트형성부분이 상호분리되고 스커트형성부분이 제거되어서 부분적으로 응고된 주조물이 다이의 크라운형성부분에 의해 유지되는 피스톤 주조물의 제조장치가 제공되는바, 이 장치는 복수의 크라운형성다이부분과 공통으로 사용되는 단일의 스커트형성다이부분으로 구성되며, 복수의 크라운형성부분과 관련된 처리수단을 가져서, 복수의 크라운형성다이부분이 공통으로 사용되는 단일의 스커트형성다이부분과 순차적으로 짝을 이루는 것을 특징으로 한다.
통상 피스톤 생산은 피스톤의 크라운 및/또는 압탕(riser)을 구성하는 용융금속이 응고하는데 걸리는 시간에 의해 율속된다. 그러나 공통으로 사용되는 단일의 스커트형성다이부분으로부터 부분적으로 응고한 주조물을 제거하고, 주조물이 복수의 크라운형성 다이부분의 하나에 의해 현수된 채로 상기 첫 번째 주조물의 크라운부위의 응고가 완료되고, 다른 크라운형성 다이부분의 적어도 하나가 공통으로 사용되는 단일의 스커트형성 다이부분과 짝을 이루어 또다른 주조물이 생산될 때, 피스톤 생산량이 증가하므로 본 발명의 장치는 유리하다.
장치의 바람직한 실시예에 있어서, 다이는 다이 부분품의 체결시, 주조피스톤의 형상에 있어 축상 일치를 보장하기 위하여 크라운과 스커트 형성 부분들이 상호 정위치에 위치할 수 있도록 하는 정합수단(register means)을 갖는다.
다이의 스커트형성부분이 피스톤 캐비티의 직경상에서 분리되는 두 개의 다이 반쪽부분으로 구성될 때, 다이의 반쪽부분은 다이캐비티내에 다이의 크라운 부분을 위치시키는 수단을 갖고, 다이의 크라운 부분의 외면에는 이와 협동하는 위치설정수단에 의해 체결되어서 다이의 크라운 부분과 스커트부분이 상호정위치에 오도록 한다. 이러한 정합수단은 스커트를 형성하는 암몰드가 체결될 때 형성되는 테이퍼 형상단면의 내부환형 홈과 크라운 형성 다이부분상에 상기 홈과 협동하는 외부 플랜지로 구성되어서 스커트 다이의 각 반쪽의 체결시 크라운과 스커트를 형성하는 다이 부분들이 서로 맞물리게 된다.
환형의 니 - 리지스트(Ni - Resist : 상표)링캐리어와 같은 주조된 피스톤링홈 보강체를 갖는 피스톤의 경우, 본 발명의 장치는 크라운형성부분을 갖는 링 캐리어 위치설정 및 유지수단을 부가시킴으로써 변형될 수 있다.
공지의 자동화된 용융 금속량 측정 및 주입 수단 또한 본발명의 방법 및 장치에 유효하게 사용되어질 수 있다.
본 발명이 보다 완전히 이해되도록 실시예들이 첨부도면에 의거하여 단지 예시적으로만 설명되어질 것이다.

Claims (4)

  1. 중력 다이캐스팅에 의해 상대적으로 얇은 두께의 금속 부분을 갖는 스커트 부위(28)와 상대적으로 두꺼운 두께의 금속 부분을 갖는 크라운 부위(42)를 포함하는 피스톤 주조물을 생산하되, 스커트형성부분(12,16,20,22)으로부터 크라운형성부분(18)을 분리시킬 수 있는 다이(10)내로 용융금속을 주입하는 단계를 포함하는 피스톤 주조물의 제조방법에 있어서, 피스톤 크라운부위(42)가 부분적으로 용융상태에 있는동안 크라운 부위로부터 다이의 스커트형성부분(12,16,20,22)을 분리시킬 수 있을 정도로 주조물(14)을 응고시키고, 다이의 크라운형성부분(18)과 스커트형성부분(12)을 분리시켜서 다이의 크라운형성부분에 의해 주조물을 유지시키고, 후속 냉각공정단계 후 다이의 크라운형성부분으로부터 응고된 피스톤주조물을 제거시키는 것을 특징으로 하는 중력 다이캐스팅에 의한 피스톤 주조물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 후속냉각공정단계에서 피스톤 주조물(14)이 송풍제트(64)에 의해 냉각됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 상대적으로 얇은 두께의 금속부분을 갖는 스커트부위(28)와 상대적으로 두꺼운 두께의 금속부분을 갖는 크라운부위(42)를 포함하는 피스톤 주조장치가 용융금속의 주입수단(54) 및 크라운형성부분(18 또는 102)과 스커트형성부분(12,16,20,22)을 갖는 피스톤주조다이(10)로 구성되되, 피스톤크라운부위가 부분적으로 용융상태에 있는동안 크라운과 스커트부분이 상호분리되고 스커트형성부분이 제거되어서 부분적으로 응고된 주조물(10)이 다이의 크라운형성부분(18 또는 102)에 의해 유지되는 중력 다이캐스팅에 의한 피스톤 주조물의 제조장치에 있어서, 제조장치가 복수의 크라운형성다이부분(18,102)과 공통으로 사용되는 단일의 스커트형성다이부분(12,16,20,22)으로 구성되되, 복수의 크라운형성부분과 관련된 처리수단(116,120,122,124)을 가져서, 복수의 크라운형성부분이 공통으로 사용되는 단일의 스커트형성다이부분과 순차적으로 짝을 이루는 것을 특징으로 하는 중력다이캐스팅에 의한 피스톤 주조물의 제조장치.
  4. 제3항에 있어서, 스커트형성다이부분이 피스톤 캐비티 직경을 따라 분리되는 두 개의 반쪽부분(20,22)으로 구성되되, 이 반쪽부분은 다이캐비티내에 크라운 형성다이부분을 위치시키는 수단(30,32,34,36)을 가지며, 크라운형성부분의 외면에 형성시킨 정합수단(38)을 가져서 스커트형성부분과 크라운형성부분을 상호정확히 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
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