KR100300851B1 - 에어 인테이크 덕트용 중공관상체와 그 성형금형 및 성형방법 - Google Patents

에어 인테이크 덕트용 중공관상체와 그 성형금형 및 성형방법 Download PDF

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Abstract

보강섬유를 함유하는 폴리아미드 수지와 보강섬유를 함유하지 않거나 보다 적게 함유한 폴리아미드 수지를 건조 배합한다. 보강섬유를 15 내지 50중량% 함유하는 폴리아미드 수지를 재료로 사용한다. 대경 가동 코어와 소경 가동 코어로 이루어진 2단계 구조를 갖는 가동형 코어를 사용함으로써, 관상의 중공성형체(17)를 성형하고, 잉여부(18,19)를 절단 제거한다.

Description

에어 인테이크 덕트용 중공관상체와 그 성형금형 및 성형방법{HOLLOW TUBULAR BODY FOR AIR INTAKE DUCT, MOLD THEREFOR, AND METHOD OF MOLDING THE SAME}
자동차 등의 내연 및 외연기관용 수지(resin)제 흡기부품으로서, 각종 덕트는 중공성형법(blow molding)에 의해 제조되고 있으며, 흡기 매니폴드는 용융 코어 방식(fusibility core method) 또는 여러 부품의 용접(welding)에 의해 제조되고 있다. 그러나, MSC용 에어 인테이크 덕트로서 수지화된 것은 없고, 사형(sand mold)을 사용하는 알루미늄 다이 캐스팅에 의해 제조되고 있다.
그렇지만, 사형을 사용하면, 제품의 표면 조도가 최대 표면조도 RZ≥50㎛,평균 표면조도 Ra≒8㎛가 되어 매우 거칠어진다. 이 때문에, 과급기 접합부의 외형 정밀도(profile irregularity)를 확보하기 위해서는 연삭가공을 할 필요가 있다. 또, 주형밀림(mismatch)에 의해 단차가 발생하기 쉽다. 따라서, 호스 접합부에 대한 다듬질가공(finishing work)도 할 필요가 있다.
MSC용 에어 인테이크 덕트로서 수지가 사용되지 않는 이유는 다음과 같다.
(1) 중공성형법으로 플랜지부를 일체로 성형하기가 곤란하다.
(2) MSC용 에어 인테이크 덕트에 필요한 강도, 내열성 등의 성능을 가진 중공성형법용 수지재료가 적다. 이와 같은 강도, 내열성 등을 갖는 수지재료는 가격이 비싸다. 더우기, 그 내벽면의 표면조도는 현행품(알루미늄 다이 캐스팅 제품)보다 열악하다.
(3) 용융 코어 방식 또는 여러 부품의 용접방식에서는, 금형이나 초기 설비투자가 크다. 설비상각비를 고려하면 현행품보다 비용이 증가한다.
불활성가스와 같은 유체와 용융수지를 병용하는 사출성형법(가스 어시스트 인젝션법, Gas Assist Injection Method 이하 'GAI'이라 함)은 낮은 비용으로 중공 곡관(hollow bent tube)을 성형하는 방법으로서 최근에 다양하게 적용되고 있다.
GAI의 잇점은 다음과 같다. (1) 통상의 사출성형용 금형에 비교적 가격이 싼 설비를 부가하는 것만으로 금형이 제작될 수 있다; (2) 플랜지부가 일체로 성형될 수 있고 평균 표면조도가 작기 때문에, 연삭가공이 불필요하다; (3) 매우 다양한 사출성형용 수지로부터 본제품에 적합하고 값싼 수지재료를 선택할 수 있다; (4) 통상의 사출성형품과 동등하거나 그 이상의 외관 및 치수정밀도를 얻을 수 있다;(5) 저압성형법이 사용되므로 금형의 수명이 연장된다; 등.
그러나, 단순한 GAI는 다음과 같은 단점이 있다. 예를 들면, (1) 필요한 성능이 발현되는 정도까지 강화재(유리섬유 등)가 배합되면, 중공성형법에서와 동일한 형태로 내벽면이 거칠어진다; (2) 현행품(알루미늄 다이 캐스팅제)과 동등한 수준의 중공률(hollow rate)을 얻기가 어렵다; 등의 단점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 낮은 비용으로 제조될 수 있고 우수한 내면 평활성(internal smoothness)을 갖는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 본 발명은 또한 다양한 크기와 형상을 갖는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체를 안정적으로 성형할 수 있는 성형금형 및 중공관상체 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 에어 인테이크 덕트용 중공관상체와 그 성형금형 및 성형방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 자동차와 같은 내연 및 외연기관의 용적효율을 향상시키기 위해 널리 사용하고 있는 기계식 과급기(Mechanical Supercharger)(이하, 'MSC'이라 함)용으로 적합한 에어 인테이크용 중공관상체에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 성형금형을 나타내는 평면도;
도 2는 본 발명에 따른 성형금형을 나타내는 입면도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 성형금형에 의해 성형된 관상의 중공성형체를 나타내는 측면도;
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 얻어진 에어 인테이크 덕트를 나타내는 측면도이고, 도 4b는 도 4a를 X방향에서 본 도면;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 얻어진 에어 인테이크 덕트를 나타내는 정면도.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 열가소성 수지로서 폴리아미드 수지를 채용한다. 재료로서는 적정량의 보강섬유를 배합한 폴리아미드 수지와, 보강섬유를 보다 적게 배합하든가 전혀 배합하지 않은 폴리아미드 수지를 사용한다. 또한, 수지재료를 성형하기 위한 금형은 캐비티몰드(cavity mold)와 코어몰드(core mold)로 구성된다. 큰 직경의 가동 코어와 작은 직경의 가동 코어로 이루어지는 2단계 구조를 갖는 가동형 코어가 코어몰드 내에 구비된다. 이와 같이 하여 본 발명의 목적이 달성될 수 있다.
본 발명은 가스 어시스트 인젝션에 의해 성형되고, 과급기에 연결되는 플랜지로부터 호스 접합부에 곡관부(bent tube portion)와 직관부(straight tube portion)에 의해 일체로 연통되며, 수지재료로서 보강섬유의 함유율이 15 내지 50중량%인 폴리아미드 수지를 사용한 에어 인테이크 덕트용 수지제 중공관상체를 제공한다.
내열성, 내충격성 및 강도(인장강도, 휨강도, 압축강도)와 비용이 균형을 이루도록 섬유 등이 보강된 폴리아미드 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 다양한 종류의 폴리아미드 수지가 있지만, 46나일론, 11나일론 및 12나일론은 가격이 비싸다. 46나일론은 용융온도범위가 작고, GAI에 적합한 비용적(specific volume)을 얻을 수 있는 시간이 짧기 때문에, 성형을 하기가 곤란하다. 11나일론과 12나일론은 용융점도가 높기 때문에, 적절한 비용적에 이르렀을 때는 유동성이 나쁘다. 마찬가지로, 성형을 하는 것도 어렵다. 이러한 점에서, 폴리메탁실렌아디파미드(polymetaxyleneadipamide), 66나일론 및 6나일론은 위와 같은 결점이 없다. 특히, 폴리메탁실렌아디파미드는 GAI용으로서 우수한 수지재료이다.
보강섬유의 예로는, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 휘스커상 보강재(whisker-shaped reinforcement)등이 있다. 이 가운데, 낮은 비용이 소요되고 보강효과가 큰 유리섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
보강섬유의 첨가량이 15중량%미만일 경우에는, 보강효과를 얻을 수 없다. 보강섬유의 첨가량이 50중량%를 초과하면 비용이 증가하고 성형성이 악화된다. 수지재료는 (A) 보강섬유를 함유하는 폴리아미드 수지와 (B) 보강섬유를 함유하지 않거나 (A)보다 보강섬유의 함유량이 적은 폴리아미드 수지를 건조 배합(dry blending)함으로써 얻어진다. 수지재료를 사용하여 GAI에 의해 용융 및 혼합시키면, 보강섬유를 함유하는 수지중에 보강섬유를 함유하지 않은(또는 보다 적게 함유한) 수지가 마치 바다 가운데의 섬처럼 불균일하게 떠있는 상태로 있게 된다. 가압유체가 주입되면, 수지가 확산되어 보강섬유를 감싸게 된다. 결과적으로, 성형된 중공관상체의 내면 평활성이 향상된다.
과급기로부터 이송된 가압유체가 직접 대응하는 곡관부의 외측에 벨로우즈형 요철부가 구비되어, 부분적으로 두께를 변화시킨다. 결과적으로, 과급기로부터 이송된 유체가 중공관상체의 내벽면을 쳐서 발생하게 되는 공명음을 감소시킬 수가 있다.
더우기, 호스 접합부가 길이 30mm이상의 직관으로 형성되면, 호스와의 접합이 용이하게 이루어질 수 있다.
본 발명은 가스 어시스트 인젝션에 의해 성형되고, 과급기에 연결되는 플랜지(15)로부터 곡관부(31)와 직관부(32)에 의해 호스 접합부(33)에 일체로 연통되는 에어 인테이크 덕트용 수지제 중공관상체를 성형하기 위한 금형을 제공하는데, 곡관상 캐비티(12)와 직관상 캐비티(11)는 캐비티몰드에 형성되고, 곡관상 캐비티(12)에 의해 형성된 플랜지(15)의 개구부와 동일한 형상과 치수를 가지며 플랜지면과 직교하는 방향으로 이동되는 대경 가동 코어(large diameter moving core)(13)가 캐비티몰드와 직접 연결된 코어몰드내에 구비되며, 대경 가동 코어(13)와 동일한 방향으로 이동하되 대경 가동 코어(13)의 이동이 종료된 후에 이동하게 되는 소경 가동 코어(small diameter moving core)(14)가 대경 가동 코어(13)내에 구비된다.
또한, 본 발명에 따르면, 곡관상 캐비티(12)와 직관상 캐비티(11)를 형성하는 캐비티몰드를 대경 가동 코어(13)와 소경 가동 코어(14)를 구비한 코어몰드와 직접 연결시키는 금형에 의해 에어 인테이크 덕트용 중공관상체(20)를 성형하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 캐비티몰드내로 용융된 수지를 주입하고, 캐비티내로 가압가스를 주입하여 용융된 수지를 코어몰드내로 도입시키며, 곡관상 캐비티(12)에 의해 형성된 플랜지(15)의 개구부와 동일한 형상과 치수를 갖는 대경 가동 코어(13)를 플랜면과 직교하는 방향으로 이동시키고,　대경　가동　코어(13)내에 구비된　소경　가동　코어(14)를 대경 가동 코어(13)의 이동이 종료된 후에 대경 가동 코어(13)와 동일한 방향으로 이동시키고, 냉각한 뒤, 탈형후 얻어진 중공성형체(17)로부터 수지 주입구 및 가동 코어에 의해 형성된 잉여부(redundant portion)(18)를 제거하는 단계들로 이루어진다.
이상에서 설명한 구성을 갖는 성형금형과 성형방법에 따르면, 캐비티몰드내에 도입된 용융상태의 수지재료에 가압가스가 주입되면, 수지재료는 가압가스의 압력에 의해 금형의 내면쪽으로 밀어붙여지면서 두께가 감소하게 된다. 어떤 경우에 있어서는, 캐비티내에서 유동하는 수지의 선단부에 박육부(thick portion)가 형성된다. 그러나, 박육부가 형성되기 쉬운 유동 수지의 선단부에는 가동형 코어가 구비된다. 가동형 코어는 큰 단면적을 갖는 대경 가동 코어(13)와 작은 단면적을 갖는 소경 가동 코어(1차)로 이루어진 2단계 구조로 되어 있다. 따라서, 대경 가동 코어(13)가 말단위치까지 이동하더라도 박육부가 형성되는 경우에는, 대경 가동 코어(13)내의 소경 가동 코어(14)가 말단위치로 이동하여 새로운 캐비티가 형성된다. 캐비티내로 박육부를 끌어들임으로써, 전체적으로 거의 균일한 두께를 갖는 중공관상체를 얻을 수 있다.
중공관상체의 호스 접합부(33)측에 구비된 단면(end face)이 시점(34)으로 설정되고 플랜지측에 구비된 단면이 종점(35)으로 설정된 경우, 플랜지측의 대경 가동 코어(13) 및 소경 가동 코어(14)의 단면들이 시점(34)과 종점(35) 사이의 거리가 거의 일정하게 되는 방식으로 플랜지(15)와의 접점을 기점으로 하여 플랜지(15)로부터 내측을 향해 점차적으로 벗어나도록 경사진다. 결과적으로, 중공관상체(20)에 국부적인 두께차는 발생하지 않는다. 따라서, 성형중에 중공관상체(20)가 파괴되기는 어렵다.
이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명은 낮은 비용으로 우수한 내면 평활성과 균일한 두께를 갖는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체를 제공할 수 있다. 본 발명의 성형금형 및 성형방법에 따르면, 다양한 크기와 형상을 갖는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체를 수지벽(resin wall)의 파괴없이 안정적으로 성형할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 설명한다. 수지재료로서 미쯔비시 엔지니어링 플라스틱 주식회사(Mitsubishi Engineering Plastic Co.,Ltd)가 제조한 '레니6002(Reny6002)(유리섬유를 함유하지 않은 것)'와 '레니1032(Reny1032)(유리섬유를 60중량%함유한 것)'를 중량비 1:1로 건조 배합한 것을 사용하였다. 건조 배합한 수지를 니레코 주식회사(Nireko Co.,Ltd.)가 제조한 GAI장치를 사용하여 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 성형금형에 주입함으로써, 중공관상체를 성형하였다.
도 1 및 도 2에 대하여 설명하면, 도면부호 1은 성형판을 나타내고, 도면부호 2,3,4 및 5는 각각 매몰금속(insert)1,2,3 및 4를 나타내며, 도면부호 6은 수지 주입구, 도면부호 7은 가압가스 주입구, 도면부호 8은 가이드핀, 도면부호 9는 바형 탕도(bar-shaped runner), 도면부호 10은 혼형 탕도(horn-shaped runner), 도면부호 11은 직관상 캐비티, 도면부호 12는 곡관상 캐비티를 나타낸다. 곡관상 캐비티(12)의 외측에 벨로우즈형 요철부(12a)가 형성된다. 도면부호 13은 대경 가동 코어를 나타내고, 도면부호 14는 소경 가동 코어를 나타낸다. 플랜지측의 대경 가동 코어(13) 및 소경 가동 코어(14)의 단면(E)들은 플랜지(15)와의 접점을 기점으로 하여 플랜지(15)로부터 내측을 향해 점차적으로 벗어나도록 경사진다. 대경 가동 코어(13)는 점A와 점B 사이에서 이동할 수 있으며, 소경 가동 코어(14)는 점C와 점D 사이에서 이동할 수 있다. 도면부호 16은 가동 코어를 이동시키기 위한 유압실린더의 로드를 나타낸다.
위와 같은 구조를 갖는 성형금형의 수지 주입구(6)에 용융된 수지재료를 주입하고 나서, 가압가스 주입구(7)를 통해 가압가스를 주입하였다. 결과적으로, 수지재료는 가압가스의 압력에 의해 확산되는 동안 중공부를 형성하였다. 수지의 유동 선단부가 가동 코어에 도달하면, 대경 가동 코어(13)는 소경 가동 코어(14)와 함께 좌측으로 이동하면서 대경 가동 코어(13)가 이동한 외벽으로 수지를 밀어붙이게 되었다. 결국, 말단위치 B에 도달하였다. 따라서, 거의 균일한 두께를 갖는 중공관상체가 성형될 수 있었다(이하 표 1의 실시예 1 내지 6).
다른 실시예로서, 용융된 수지재료의 주입으로부터 대경 가동 코어(13)가 말단위치 B로 이동할 때까지 전술한 단계들을 수행하였다. 그리고 나서, 가압가스 주입구(7)를 통해 가압가스를 더 주입하였다. 결과적으로, 소경 가동 코어(14)는 말단 위치 B에서 정지된 대경 가동 코어(13)내에서 좌측으로 이동하였다. 특히, 박육부를 형성하기 쉬운 유동 선단부의 수지는 소경 가동 코어(14)의 이동 궤적으로 끌어들여져 말단위치 D에 도달하였다. 이와 같이 하여, 도 3에 도시된 바와 같은 거의 균일한 두께를 갖는 관상의 중공성형체를 얻을 수 있었다(이하 표 1의 실시예 7 내지 12).
비교를 위해, 수평 단면(horizontal end face)을 갖는 가동 코어를 구비한 성형금형을 사용하였다. 마찬가지로, 관상의 중공성형체를 얻었다(이하 표 1의 비교예 1 내지 6).
도 3에 도시된 관상의 중공성형체(17)로부터 잉여부(18,19)를 절단 제거하였다. 결과적으로, 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같은 에어 인테이크 덕트용 중공관상체(20)를 얻었다.
전술한 관상의 중공성형체에 대한 성형 시험 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1로부터 다음과 같은 점을 명백히 알 수 있다.
(1) 실시예 1 내지 12에 따른 중공관상체에서는 수지벽의 파괴가 발생하지 않았다.
(2) 비교예 1 내지 6에 따른 중공관상체에서는 가동 코어부의 수지벽에 파괴가 발생하였다. 그러므로, 이 부위를 절단한 뒤, 개구 형상(opening shape)이 왜곡되었다. 결과적으로, 제품으로서 제공되기까지의 가공 공수(working man-day)가 증가되었다.
(3) 실시예 1 내지 3, 실시예 7 내지 9 및 비교예 1 내지 3의 경우, 수지 주입시간이 2초로서 짧다. 중공부는 주입완료시 용융된 수지의 점도가 낮은 시점에서 형성된다. 따라서, 가동 코어로부터 보내어진 수지의 역류에 의해 두께의 편향이 증가한다. 그러나, 수지의 역류는 가동 코어를 냉풍에 의해 60℃이하로 냉각시킴으로써 방지할 수 있었다.
(4) 실시예 1 내지 3, 실시예 7 내지 9 및 비교예 1 내지 3의 경우, 수지 주입시간은 2초로서 짧고, 주입완료시 용융된 수지의 점도가 낮다. 따라서, 얻어지는 성형 제품은 작은 표면조도를 갖는다.
그러나, 실시예 4 내지 6, 실시예 10 내지 12 및 비교예 4 내지 6의 경우, 수지 주입시간은 6초로서 길고, 주입완료시 용융된 수지의 점도가 높다. 따라서, 얻어지는 성형 제품의 표면조도는 약간 크다.
본 발명은 전술한 바와 같은 구성을 가짐으로써, 낮은 코스트로 우수한 내면 평활성을 갖는 다양한 크기와 형상의 에어 인테이크 덕트용 중공관상체를 안정적으로 성형하기 위한 장치로서 적합하다.

Claims (8)

  1. 가스 어시스트 인젝션에 의해 성형되고, 과급기에 연결되는 플랜지(15)로부터 곡관부(31)와 직관부(32)에 의해 호스 접합부(33)에 일체로 연통되며, 보강섬유를 15 내지 50중량% 함유하는 폴리아미드 수지재료로 이루어지는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 수지는 폴리메탁실렌아디파미드이고, 상기 보강섬유는 유리섬유인 것을 특징으로 하는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수지재료는 보강섬유를 함유하는 폴리아미드 수지와, 보강섬유를 함유하지 않거나 보다 적게 함유한 폴리아미드 수지를 건조 배합하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 과급기로부터 보내어진 가압유체가 직접 닿게 되는 곡관부(31)의 외측에 벨로우즈형 요철부(12a)가 구비되는 것을 특징으로 하는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 호스 접합부(33)가 길이 30mm이상의 직관부(32)로 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체.
  6. 가스 어시스트 인젝션에 의해 성형되고, 과급기에 연결되는 플랜지(15)로부터 곡관부(31)와 직관부(32)에 의해 호스 접합부(12a)에 일체로 연통되는 에어 인테이크 덕트용 수지제 중공관상체(20)를 성형하기 위한 성형금형에 있어서, 상기 곡관상 캐비티(12)와 직관상 캐비티(11)는 캐비티몰드내에 형성되어 있고, 곡관상 캐비티(12)에 의해 형성된 상기 플랜지(15)의 개구부와 동일한 형상과 치수를 가지며 상기 플랜지(15)와 직교하는 방향으로 이동하게 되는 대경 가동 코어(13)가 상기 캐비티몰드와 직접 연결되어 있으며, 상기 대경 가동 코어(13)와 동일한 방향으로 이동하는 소경 가동 코어(14)가 상기 대경 가동 코어(13)에 구비되어 상기 대경 가동 코어(13)의 이동 완료후 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 에어 인테이크 덕트용 수지제 중공관상체를 성형하기 위한 성형금형.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중공관상체(20)의 호스 접합부(33)측에 구비된 단면이 시점(34)으로 설정되고 상기 플랜지측에 구비된 단면이 종점(35)으로 설정되는 경우에, 호스 접합부측에 구비된 단면 주위의 어느 점과 종점 사이의 거리가 거의 일정하게 되도록 플랜지(15)와의 접점을 기점으로 설정함으로써 상기 플랜지측에 있는 상기 대경 가동 코어(13)와 소경 가동 코어(14)의 단면들이 플랜지(15)로부터 내측을 향해 점차적으로 벗어나도록 경사지는 것을 특징으로 하는 에어 인테이크 덕트용 수지제 중공관상체를 성형하기 위한 성형금형.
  8. 곡관상 캐비티(12)와 직관상 캐비티(11)를 형성하는 캐비티몰드를, 대경 가동 코어(13)와 소경 가동 코어(14)를 구비하고 있는 코어몰드에 직접 연결시키는 성형금형에 의한 에어 인테이크 덕트용 중공관상체의 성형방법에 있어서,
    용융된 수지를 상기 캐비티몰드내로 주입하는 단계와;
    용융된 수지가 상기 코어몰드내로 도입되도록 가압가스를 상기 캐비티내로 주입하는 단계와;
    곡관상 캐비티(12)에 의해 형성되는 플랜지(15)의 개구부와 동일한 형상과 치수를 갖는 대경 가동 코어(13)를 플랜지면과 직교하는 방향으로 이동시키는 단계와;
    상기 대경 가동 코어(13)에 구비된 소경 가동 코어(14)를 대경 가동 코어(13)의 이동이 완료된 후에 대경 가동 코어(13)와 동일한 방향으로 이동시키는 단계와;
    냉각시키는 단계와;
    탈형후 얻어진 중공관상체로부터 수지 주입구 및 가동 코어에 의해 형성된 잉여부를 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어 인테이크 덕트용 중공관상체의 성형방법.
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