KR100407836B1 - 자동차용 마스터실린더 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압식 브레이크 장치에서 압력을 발생시키는 마스터실린더에 관한 것으로, 마스터실린더 성형용 알루미늄(Al) 소재를 절단장치를 이용하여 일정 크기로 절단하는 소재절단단계와 절단된 소재가 전체적으로 구상화조직을 이루면서 액상과 고상이 혼재되도록 유도가열기를 이용하여 570∼585℃로 가열하는 소재가열단계, 소재가열시 발생하는 산화막을 성형공정 중 제어하기 위한 제조장치, 가열된 소재를 주입하기 위한 금형을 예열한 후에 예열된 금형으로 가열된 소재를 주입하는 금형예열 및 소재주입단계, 금형에 주입된 가열소재를 장비를 이용하여 다단으로 속도를 제어하면서 가압하는 소재가압단계, 성형된 제품을 일정 압력을 유지하면서 5∼10초 정도로 응고시키고, 응고된 제품을 이젝터를 이용하여 취출하는 응고취출단계 및 이젝터에 의해 취출된 제품을 급속냉각시키는 급냉단계로 이루어져, 주조과정에서 발생하는 수지상 조직이나 응고수축 및 가스다공 등과 같은 내부결함의 생성을 방지함과 동시에 우수한 기계적 성질을 가지는 제품을 염가로 신속하게 제조할 수 있도록 한 것이다.

Description

자동차용 마스터실린더 제조장치 및 제조방법{Manufacturing apparatus for master-cylinder of automobile and its manufacturing method}

본 발명은 자동차의 유압식 브레이크 장치에서 압력을 발생시키는 마스터실린더의 제조방법에 관한 것으로, 특히 마스터실린더를 액상법 및 고상법이 아닌 고상과 액상이 적정비율로 혼재된 반용융 상태의 소재를 이용하여 제조시킬 수 있도록 된 자동차의 브레이크 마스터실린더 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 용융금속과 반용융 금속 재료를 이용하여 기계가공의 시간을 획기적으로 단축할 수 있을 뿐만 아니라 기포와 기공이 존재하는 기존의 주조법과 단조법과는 완전히 다른 새로운 공정에 의하여 마스터실린더를 제조할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 제동장치는 주행중인 차량을 감속 또는 정지시킴과 동시에 주차상태를 지속하기 위한 필수 불가결한 장치로서, 이러한 제동장치에는 차량을 주행 중 정지시킬 때에 사용하는 주브레이크가 있는데, 이러한 주브레이크에는 공기압을 이용하여 차량의 제동력을 발생시키는 공기식 브레이크와 유압을 이용하여 차량의 제동력을 발생시키는 유압식 브레이크가 있다.

그리고 유압식 브레이크에는 브레이크 페달의 압력을 유압으로 변환시키는 마스터실린더와, 상기 마스터실린더의 유압을 전달받아 브레이크슈를 드럼에 밀어붙여 제동력을 발생시키는 휠실린더와, 이 휠실린더와 마스터실린더의 사이에서 유로를 형성하는 브레이크라인 등으로 구성된다.

여기서 마스터실린더는 유압이 누출되지 않을 정도의 정밀성과 긴밀성이 요구되기 때문에 통상 알루미늄합금 소재를 이용하여 본체를 주조한 후에 이 본체를 실린더로 하여 피스톤 기구를 내장 설치한다.

마스터실린더를 제조하는 방법으로는 중력주조법, 혹은 단조법에 의하여 제조한 후 기계가공하여 최종제품으로 사용한다.

그런데 중력주조법으로 마스터실린더를 제조하는 경우, 알루미늄소재를 용융점 이상으로 가열하여 액상화한 상태에서 주형 등에 주입하게 되므로, 소재를 용융하기 위한 에너지원이 과잉 소비될 뿐만 아니라 기계가공의 공정수가 증대되어 원가 상승의 요인이 되고 있다.

또한, 중력주조법에 의해 주조하는 과정에서 액상소재가 응고되면서 조대한 수지상조직(dendrite)을 생성시켜 물성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 기포나응고수축(shrinkage)에 의한 내부결함을 발생시키게 된다.

따라서 응고된 소재가 열처리나 용접 등이 불가능한 상태로 되므로, 우수한 물성을 갖는 제품으로 제조할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

또한, 단조법에 의해 제조하는 방법은 냉간 또는 열간 상태의 소재를 프레스 등을 이용하여 일정 압력으로 가압하게 되므로, 프레스의 압력에 의해 금형의 수명이 단축되면서 제조단가가 상승된다는 문제점이 있었다.한편, 일본 공개 특허공보 평3-86362호 에는 용탕단조기술을 이용하여 실린더 홀(hole)을 가진 중공형 제품을 제조하는 '주물용 실린더 및 그 제조방법'에 관하여 개시하고 있으며,일본 공개 특허공보 특개평8-90193호 에는 '가압 압입 제조시스템'에 관한 기술이 개시되어 있는바, 이는 반응고 소재를 금형에 주입할 때 수직형 장비에 관한 기술만을 제공하고 있어, 이러한 선행기술에 의해서는 본 발명에서 제조코자 하는 마스터 실린더를 제조하기에는 상당한 난제를 안고 있었던 것이다.

이에 본 발명에서는 상기한 바와 같은 기존의 마스터실린더 제조방법상의 제반 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 마스터실린더를 특수하게 설계된 금형을 이용한 액상법이나 고상이 구상화되어 있으면서 액상이 반용융 상태인 알루미늄 소재를 이용한 자동차의 브레이크 마스터실린더 제조방법과 위의 목적을 달성하기 위한 제조장치를 제공함에 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 구상화 조직을 얻기 위한 소재의 재가열방법 및 장치를 개략적으로 보인 측면도

도 1a는 장치의 개략적인 사시도

도 2a, 2b는 본 발명에서 제공하는 반용융 소재를 이용하여 마스터실린더 제조에 필요한 제조장치를 보인 측면도

도 3은 본 발명에서 제공하는 액체상태의 소재를 이용하여 마스터실린더를 제조하는 제조장치를 보인 측면도도 3a는 제품 내부에 공기가 유입하지 않도록 하기 위한 속도방향제어유니트의 구조를 발췌 확대한 측면도

도 4는 본 발명에 따른 자동차의 마스터실린더를 제조하기 위한 과정을 도시한 플로우챠트

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호에 대한 설명 ■

1: 고주파 코일 셀(cell) 2: 소재용기

3: 성형용 소재 4: (왼쪽 이동)다이

5: (오른쪽 이동)다이 6: 코어실린더

7: 고정다이 8: 반용융 상태의 빌렛

9: 플런져 팁(Tip) 10: 제품

11: 히터(Heater) 12: 커터기

13: 슬리브(sleeve) 14: 성형후 슬래그(slag)

15: 액체상태의 재료 16: 속도방향제어유니트

17: 통로

본 발명을 이하에 첨부도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 알루미늄 빌렛(billet)을 연속가열하여 마스터실린더를 제조하기 위한 가열장치의 전체 구성도이다.

반용융 빌렛을 이용하여 부품을 개발하기 위해서는 빌렛을 도 1의 재가열 시스템을 이용하여 가열한다. 다단 고주파 시스템으로써 짧은 시간동안에 빌렛을 원하는 온도로 가열하기 위해서는 고주파 코일 셀(1)을 여러개 부착할 수 있다.

고주파코일 셀(1)의 부착개수는 생산속도와 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 빌렛의 크기가 3인치 이내인 경우는 수직으로 가열하기도 하나, 5인치 이상인 경우는 도 1에서 도시한 바와 같이 소재용기(2) 속에 빌렛을 주입하여 수평으로 가열한 후 금형에 이송하여 성형을 한다. 이는 가열시 소재의 중력으로 인하여 빌렛이 원 소재의 형상을 유지할 수 없을 때에는 자동이송이 어렵기 때문이다. 이때 재가열 방법에 필요한 입력 데이터는 시간-온도, 시간-출력을 제어할 수 있다.

도 2a는 반용융 소재를 이용하여 마스터실린더를 제조하기 위한 특수금형, 즉 제조장치의 구성을 도시하고 있다.

왼쪽 이동 다이(4)와 오른쪽 이동 다이(5) 내부에 제조하고자 하는 마스터실린더 제품(10)이 놓여 있으며 제품의 기계가공의 시간을 최소화하기 위하여 코어실린더(6)가 부착되어 있다.

제품의 모양에 따라서 다수개의 코어(core)를 설치할 수 있다. 원하는 기계적 성질을 얻기 위하여 제품 내부에 산화물 유입방지가 필수적이다.

가열된 반용융 상태의 빌렛(3)을 금형 내부에 유입하기 위한 플런져 팁(9)에 약 5∼15°정도의 테이퍼(taper) 가공을 하였으며, 상기 테이퍼는 재가열 소재 표면에 형성된 산화피막이 금형 내부에 유입되지 않도록 하기 위함이다.산화피막이 제품 내부에 유입되면 제품의 기계적 성질을 현격하게 저하시키므로 상기 플런져 팁(9)에 형성되는 테이퍼의 기능은 아주 중요하다.성형 후에는 왼쪽 이동 다이(4)와 오른쪽 이동 다이(5)가 동시에 왼쪽으로 이동된 후에는 도 2b의 모양으로 된다. 이때 커터기(12)를 이용하여 성형 후 슬래그(14)를 제거한 후 다시 오른쪽 이동 다이(5)가 고정된 상태에서 왼쪽 이동 다이(4)를 왼쪽으로 이동시켜 제품을 추출하도록 구성된다.

한편, 도 3은 액체상태의 재료(15)를 이용하여 제품을 제조하는 금형의 구조를 나타낸 것이다.액체상태의 재료(15)가 금형 내부에 유입될 때에는 슬리브(13) 표면에 형성된 응고층이 금형 내부에 유입되지 않도록 하여야 하며, 성형시 액체상태의 재료(15) 내부에 기공이 포집되지 않도록 금형구조가 구성되어야 한다.

따라서 슬리브(13)의 끝단에 속도방향제어유니트(16)가 설치되어 있으며 그 크기는 속도방향제어유니트(16)의 크기와 플런져 팁(9)의 속도사이의 특수한 관계를 만족하여야 한다.

속도방향제어유니트(16)의 형상과 크기는 제품의 모양과 크기에 따라서 여러 가지 형태의 구조를 가져야 한다.도 3a에서 더욱 상세히 도시하였듯이, 속도방향제어유니트(16)의 위치는 속도방향제어유니트(16)의 중심부와 슬리브(13)의 중심부가 일치되지 않도록 편심되어있다.속도방향제어유니트(16)에서 용탕입구의 위치는 슬리브(13)의 센터에 편심되어 있다. 이는 고속사출시 슬리브(13) 내부에 존재하는 공기가 제품(10)에 유입되지 않도록 하기 위함이다.속도방향제어유니트(16) 출구부분의 크기 φd는 제품의 크기와 사출속도에 따라 다르게 설계하나 사출속도가 최대 1.0∼1.5m/sec일 때 성형 사이클 타임이 60∼90sec 이내가 되도록 하여야 제품내에 기공이 생기는 것을 방지할 수 있다.속도방향제어유니트(16)에서 탕구의 방향을 조절하기 위하여 경사각 θ의 크기는 30∼45°제한을 하여 사출시 제품(10)에 압력 손실이 최소가 되도록 한다.

용탕이 완전히 금형의 캐비티 내부에 충전이 된 후에는 압력을 가한 후 5∼10sec가 유지하도록 한다. 이때 압력이 금형의 캐비티 내부에 전달되도록 오른쪽 이동 다이(5)에 설치된 통로(17)의 크기를 결정하여야 한다. 제품 투영면적에 80∼120MPa 압력이 작용되도록 통로(17)의 단면적을 결정한다. 제품의 분리방법은 전기한 도 2a, 2b와 동일하다.

도 4는 본 발명에 따른 자동차의 브레이크 마스터실린더가 제조되는 과정을 도시한 흐름도로서, 마스터실린더 성형용 알루미늄 소재를 절단장치를 이용하여 일정 크기로 절단하는 소재절단단계와, 절단된 소재가 전체적으로 균일한 온도를 이루면서 액상과 고상이 적정비율로 혼재되도록 유도가열기를 이용하여 570∼585℃로 가열하는 소재 가열 단계, 슬리브에 주입된 가열소재를 다단 속도제어가 가능한 장비를 이용하여 0.45∼1.5㎧ 속도로 가압하는 소재가압단계, 성형된 제품을 일정 압력을 유지하면서 응고시키고, 응고된 제품을 이젝터를 이용하여 취출하는 응고취출단계 및 이젝터에 의해 취출된 제품을 급속냉각시키는 급냉단계로 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기서 금형에는 소재가열단계에서 알루미늄소재 예컨대,

A356(Al-6.59Si-0.39Mg), A357(Al-7.17Si-0.58Mg)에 형성된 산화피막이 소재가압단계에서 소재 내로 혼입되는 것을 방지하기 위한 특수한 금형 구조가 설치되어 있다.

물론, 게이트와 런너는 소재주입단계에서 예컨대, 알루미늄소재가 금형으로 주입되는 과정에서의 유동성을 향상시키는 기능을 수행하게 되며, 취출단계에서 제품화된 소재의 취출과정을 용이하게 하는 기능을 수행하게 되는 것이다.

한편, 마스터실린더를 제조하기 위한 과정을 단계별로 살펴보면, 먼저 소재절단단계는 알루미늄 소재를 반용융 상태로 신속하게 도달시키기에 적당한 크기로 절단하는 단계로서, 소재의 절단크기는 균일한 크기로 절단함이 바람직하다.

또한, 소재가열단계는 절단소재가 전체적으로 균일한 온도를 이루면서 액상과 고상이 적정비율로 혼재되도록 유도가열기로 가열하는 단계로서, 최종 생성품의 내부결함 유무, 기계적 특성, 성형가능성 등에 영향을 미치게 된다.

따라서, 유도가열기의 가열시간과 설정온도 또는 유지시간 등은 소재의 재질 및 크기에 따라 최적조건으로 설정함이 바람직하며, 특히 소재의 상하면이 균일한 온도 (±2℃)를 유지하도록 가열기의 용량, 주파수, 시간 등의 최적조건은 설정함이 바람직하다.특히, 유도가열기의 셋팅 온도는 알루미늄소재의 경우 570∼585℃를 유지함이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 구상화 유지 및 Si 성분의 편석저감을 위하여 583℃ 전후의 온도로 유지함이 바람직하다.

한편, 금형 예열단계에서 금형의 예열온도가 너무 낮거나 높은 경우에는 소재의 성형성이 악화되거나 이형성이 나빠지게 되므로, 소재 가열온도와 근접하는 온도로 금형을 예열함이 바람직하다.

물론, 가열소재와 예열금형의 온도차이에 의해 가열소재의 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있도록 예열금형에 가열소재를 주입하면서 동시에 이후에 설명하게 되는 프레스로 신속하게 가압함이 바람직하다.

또한, 가압단계는 슬리브내로 주입된 소재를 가압하는 단계로서, 압력과 속도가 각각 제어가 되도록 한 장치에서 0.45∼1.5㎧ 정도의 속도로 가압함이 바람직하다.

물론, 프레스의 가압력과 가압속도는 마스터실린더의 크기 또는 소재의 종류에 따라 적절하게 선택됨이 바람직하다.

그리고 응고 취출단계는 금형 내부에서 성형된 제품을 일정시간 동안 응고시킨 상태에서 취출하기 위한 단계로서, 특히 성형된 소재를 일정압력으로 가압하면서 5∼10초 정도 유지시킨 후에 통상적인 이젝터(ejector)를 이용하여 취출함이 바람직하다.

또한 냉각단계는 취출된 제품의 내부조직을 열처리하기에 적합한 조직으로 생성시키기 위한 단계로서, 취출된 제품을 냉각수에 바로 투입하여 신속하게 냉각시키는 것이 바람직하다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따른 자동차의 브레이크 마스터실린더를 제조하기 위한 제조장치와 제조방법에 의하면, 중력주조법에 비해 작업온도가 상대적으로 낮으면서도 단조법에 비해 성형압력이 상대적으로 낮게 되므로 금형의 수명이 연장되는 효과가 있다.

또한 중력주조법에 비해 성형온도가 상대적으로 낮으므로, 제품의 제조시간이 단축되어 생산성이 향상될 뿐만 아니라 에너지원의 소비가 감소되어 원가가 절감되는 효과가 있다.

또한 일반주조법에 비해 성형온도가 낮아 기포나 수축에 의한 내부결함이 방지되면서 열처리 및 용접이 가능해지므로, 미세조직으로서의 구형의 수지상 조직을 얻을 수 있게 되어 우수한 물성의 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한 주조성이 우수하지 않은 소재의 경우에도 성형이 가능하게 되어 소재의 선택 폭이 넓어지는 효과가 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

Claims (3)

1. 마스터실린더 성형용 알루미늄 소재를 절단장치를 이용하여 일정 크기로 절단하는 소재절단단계와;

   절단된 소재가 전체적으로 구상화조직을 가짐과 동시에 액상과 고상이 균일하게 혼재되도록 유도가열기를 이용하여 570~585℃로 가열하는 소재가열단계;

   가열된 소재를 주입하기 위한 금형을 예열하고, 예열된 금형으로 가열된 소재를 주입하는 금형예열 및 소재주입단계;

   금형에 주입된 가열소재를 프레스를 이용하여 성형할 때, 액상과 고상이 혼합되어 있고 소재가 금형의 케비티 내부에 충전될 때 0.45∼1.5m/s 속도로 가압하는 소재가압단계;

   가압시 액상편석을 방지하기 위한 다단속도제어 방식을 응용하는 성형단계;

   프레스에 의해 성형된 제품을 5∼10초 정도 가압하면서 응고시키고, 응고된 제품을 이젝터를 이용하여 취출하는 단계 및;

   이젝터에 의해 취출된 제품을 냉각수에 넣어 급속 냉각시키는 급냉단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 마스터실린더 제조방법.
2. 알루미늄 빌렛을 연속가열하여 마스터실린더를 제조하기 위한 제조장치를 구성함에 있어서;

   다단 고주파 시스템으로써 짧은 시간동안에 빌렛을 원하는 온도로 가열하기 위한 고주파 코일 셀(1)이 다수개 수평으로 설치된 소재용기(2)로 이루어지며 재가열에 필요한 시간-온도, 시간-출력을 제어할 수 있도록 한 빌렛 재가열 시스템과,

   좌우 다이(4,5) 상간에 제품(10) 성형용 캐비티가 형성되고, 상기 캐비티 상으로 승강작동이 가능한 코어실린더(6)가 설치되며, 상기 캐비티 상으로 반용융 상태의 빌렛(8)을 투입하기 위한 슬리브(13)와, 상기 슬리브(13)상으로 상기 빌렛(8)을 로딩하는 테이퍼면을 가지는 플런져 팁(9)이 슬리브(13)상에 설치되며,

   상기 다이(5)의 빌렛(8) 투입부측에는 고정다이(7)가 설치되고, 소재투입 후 성형후 슬래그(14)를 커팅하는 커터기(12)가 다이(5)에 부착되며, 다이(4)의 이동에 의하여 자동차용 마스터실린더를 제조할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 마스터실린더 제조장치.
3. 액체상태의 소재에서 마스터실린더를 제조하기 위한 제조장치를 구성함에 있어서;

   좌우 다이(4,5) 상간에 제품(10) 성형용 캐비티가 형성되고, 상기 캐비티 상으로 승강작동이 가능한 코어실린더(6)가 설치되며, 상기 캐비티 상으로 액상이 재료(15)를 투입하기 위한 슬리브(13)와, 상기 슬리브(13)상으로 액상의 재료(15)를 로딩하는 플런져 팁(9)이 슬리브(13)상에 설치되며,

   상기 다이(4,5)로 액상의 재료(15)가 투입되는 통로(17)와 슬리브(13) 상간의 고정다이(7)에는 산화층과 응고층 및 기포 등이 캐비티 내부로 유입되지 않도록 하기 위하여 제품의 취출이 용이토록 설계되어진 속도방향제어유니트(16)를 설치한 것을 특징으로 하는 자동차용 마스터실린더 제조장치.