KR100510901B1 - 단조 피스톤의 제조방법 및 그 제조용 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단조 피스톤의 제조방법 및 그 제조용 금형에 관한 것으로, 단조 성형 후 열처리 과정에서 생기는 피스톤의 변형을 미리 감안하여 피스톤의 성형이 이루어지도록 함으로써 피스톤의 제조공정이 단순화되고 피스톤의 품질이 향상될 수 있도록 한 것이다.

본 발명에 따른 단조피스톤의 제조방법은 피스톤 스커트부의 외경이 헤드부의 외경보다 작은 상태가 되도록 금속재 피스톤을 단조 성형하는 단조성형단계와, 단조성형단계를 거친 피스톤의 표면 경도와 내식성이 커지도록 열처리하는 열처리단계와, 열처리단계를 거친 피스톤의 표면을 연마하는 연마단계를 포함한다. 그리고 본 발명에 따른 단조 피스톤 제조용 금형은 피스톤의 외면성형을 위한 중공의 성형부가 마련된 외측금형과, 피스톤의 내면성형을 위해 외측금형의 성형부 내로 진입되는 내측금형과, 성형부 내에 비치되는 소재를 가압하여 헤드부와 스커트부를 갖춘 피스톤을 성형시키는 가압부재와, 피스톤의 성형이 이루어질 때 상기 스커트부의 외경이 상기 헤드부의 외경보다 작게 성형되도록 외측금형의 성형부 내면에 형성된 소정깊이의 성형안내홈을 포함한다.

Description

단조 피스톤의 제조방법 및 그 제조용 금형{MANUFACTURING METHOD OF FORGED PISTON, AND MOLD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 단조 피스톤의 제조방법 및 그 제조용 금형에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단조 성형 후 열처리 과정에서 생기는 피스톤의 변형을 미리 감안하여 피스톤의 성형이 이루어지도록 함으로써 피스톤의 제조공정이 단순화될 수 있도록 하는 단조 피스톤의 제조방법 및 그 제조용 금형에 관한 것이다.

일반적으로 공기를 압축하거나 냉각장치에서 냉매를 압축하는 용도로 사용되는 왕복동식 압축기는 실린더의 내부를 진퇴하면서 유체를 흡입하여 가압 토출시키는 피스톤을 구비한다.

이러한 압축기의 피스톤은 도 1에 도시한 바와 같이, 실린더(미도시)의 내경과 대응하는 외경을 구비하며, 가압력을 받는 평면상의 단부로 이루어지는 헤드부(2)와, 실린더의 내면을 따라 진퇴할 수 있도록 헤드부(2)의 주연으로부터 피스톤(1)의 진퇴 방향으로 소정길이 연장되는 원통형의 스커트부(3), 그리고 피스톤로드(4)가 연결될 수 있도록 스커트부(3) 내측의 중앙에 마련되는 로드연결부(5)를 포함한다. 또한 피스톤의 로드연결부(5)는 피스톤로드(4)의 단부에 마련된 구체(4a)가 회전 가능한 구관절(球關節)로 연결될 수 있도록 피스톤로드의 구체(4a)를 수용하는 홈형상으로 마련된다.

이러한 피스톤(1)을 제조할 때는 도 2에 도시한 바와 같이, 통상적인 단조 성형을 통해 상술한 바와 같은 피스톤(1)의 형상으로 성형하는 단계(S11)와, 단조된 피스톤(1)의 표면을 1차로 연마하는 단계(S12)를 수행한다. 또 1차 연마단계(S12)를 거친 후에는 피스톤(1) 표면의 경도가 커지고 내식성이 향상되도록 하기 위해 통상의 표면경화 열처리단계(S13)를 수행하며, 최종적으로 피스톤(1)의 표면을 연마하는 2차 연마단계(S14)를 거쳐 완성한다.

한편 이러한 제조공정을 거치는 피스톤(1)은 단조성형단계(S11)와 1차 연마단계(S12)를 거친 후 열처리단계(S13)를 수행할 경우 도 3에 도시한 바와 같이, 스커트부(3)의 열변형으로 인해 스커트부(3) 쪽의 외경이 헤드부(2)의 외경보다 커지도록 변형되는 현상이 발생한다. 따라서 2차 연마단계(S14)에서는 헤드부(2)의 외경과 스커트부(3)의 외경이 같아지도록 보정하는 연삭을 수행함과 동시에 피스톤(1) 표면의 거칠기가 개선되도록 하는 연삭을 수행한다.

그런데 이러한 제조공정을 거치는 종래의 피스톤(1)은 2차 연마단계(S14)를 수행하는 과정에서 열처리 후 변형된 스커트부(3)의 표면이 헤드부(2)의 표면보다 더 많이 연삭되기 때문에 스커트부(3)의 표면경화층이 상대적으로 더 많이 소실되는 문제가 있었다. 그리고 이러한 문제는 제품이 완성된 상태에서 스커트부(3) 쪽 표면의 경도와 내식성이 헤드부(2)에 비하여 떨어지도록 하기 때문에 피스톤 내구성 저하의 원인이 되었다.

또한 종래 피스톤의 제조방법은 단조성형 후 열처리단계(S13)에 앞서 1차 연마단계(S12)를 수행하고 열처리단계(S13) 후 2차 연마단계(S14)를 수행하는 등 잦은 연마공정을 거쳐야 할 뿐 아니라, 최종적으로 2차 연마단계(S14)를 수행하는 과정에서 열처리시 변형된 부분을 보정하기 위해 보다 주의 깊은 연삭작업을 수행해야 하는 등 전체적인 피스톤(1)의 제조공정이 복잡하고 번거로운 문제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열처리단계에서의 스커트부 변형량을 미리 감안하여 피스톤의 단조 성형시에 스커트부의 외경이 헤드부의 외경보다 작게 성형되도록 함으로써 전체적인 피스톤의 제조공정이 크게 단순화되도록 할 뿐 아니라, 피스톤 표면의 경도와 내식성이 전체적으로 균일해질 수 있도록 하는 단조 피스톤의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 피스톤의 단조성형단계에서 스커트부의 외경을 헤드부의 외경보다 작게 성형할 수 있도록 하는 단조 피스톤 제조용 금형을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단조피스톤의 제조방법은 가압력을 받는 헤드부와, 상기 헤드부로부터 연장되는 원통형의 스커트부를 구비하는 피스톤의 제조방법에 있어서, 상기 스커트부의 외경이 상기 헤드부의 외경보다 작은 상태가 되도록 금속재 피스톤을 단조 성형하는 단조성형단계와, 상기 단조성형단계를 거친 상기 피스톤의 표면 경도와 내식성이 커지도록 열처리하는 열처리단계와, 상기 열처리단계를 거친 상기 피스톤의 표면을 연마하는 연마단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 열처리단계는 상기 스커트부의 외경이 커져서 상기 헤드부의 외경에 상당하는 열변형이 이루어지도록 상기 피스톤을 고온에서 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 열처리단계는 상기 피스톤의 표면에 질화층이 형성되도록 하는 질화 열처리단계인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 단조 피스톤 제조용 금형은 피스톤의 외면성형을 위한 중공의 성형부가 마련된 외측금형과, 상기 피스톤의 내면성형을 위해 상기 외측금형의 성형부 내로 진입되는 내측금형과, 상기 성형부 내에 비치되는 소재를 가압하여 헤드부와 스커트부를 갖춘 피스톤을 성형시키는 가압부재를 포함하는 단조 피스톤 제조용 금형에 있어서, 상기 외측금형의 성형부 내면에는 상기 피스톤의 성형이 이루어질 때 상기 스커트부의 외경이 상기 헤드부의 외경보다 작게 성형되도록 성형을 안내하는 소정깊이의 성형안내홈이 마련된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 내측금형의 단부 주연에는 상기 성형안내홈과 함께 상기 피스톤의 성형을 안내하는 소정곡률의 곡면부가 마련된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 곡면부의 위치는 상기 성형안내홈의 폭 구간 내에 위치하도록 된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 내측금형의 단부에는 성형되는 소재가 상기 성형안내홈 쪽으로 변형되기 용이하도록 소정각도로 경사진 경사면이 형성된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 단조 피스톤의 제조방법을 통해 제조되는 피스톤은 4에 도시한 바와 같이, 통상적인 압축기 등의 실린더 내부를 진퇴하면서 유체를 흡입하여 가압할 수 있도록 소정의 두께를 구비하며 평면상의 단부를 갖춘 헤드부(21)와, 헤드부(21)의 주연으로부터 소정길이 연장되는 원통형의 스커트부(22), 그리고 피스톤로드가 연결될 수 있도록 스커트부(22) 안쪽의 헤드부(21) 중앙에 원통형상으로 마련되는 로드연결부(23)를 구비한다.

이러한 피스톤(20)을 제조할 때는 도 5에 도시한 바와 같이, 먼저 피스톤(20) 제조를 위한 금형을 통해 소재를 단조하여 상술한 바와 같은 피스톤(20) 형상으로 성형하는 단조성형단계(S31)와, 성형된 피스톤(20)의 표면에 높은 경도와 내식성을 부여하도록 열처리하는 열처리단계(S32), 그리고 열처리된 피스톤(20) 표면을 연마하는 정삭연마단계(S33)를 거친다.

피스톤(20)의 단조성형을 위한 금형은 도 6과 도 7에 도시한 바와 같이, 피스톤(20)의 외면을 성형할 수 있도록 피스톤(20)의 외경과 대응하는 중공의 성형부(42)가 형성된 외측금형(41)과, 피스톤(20)의 스커트부(22) 내면과 로드연결부(23)를 성형할 수 있도록 외측금형(41)의 성형부(42) 내로 진입되어 설치되는 내측금형(43)을 구비하며, 외측금형(41)의 성형부(42) 내부로 진입하면서 소재(A)를 가압하여 피스톤(20) 형상으로 성형시키는 가압부재(46)를 포함한다.

또한 내측금형(43)은 피스톤(20)의 로드연결부(23)의 내면 성형을 위해 그 단부가 돔 형상으로 된 봉형부재(44)와, 로드연결부(23)의 외면 및 스커트부(22)의 내면 성형할 수 있도록 봉형부재(44)의 외측에 설치되는 관형부재(45)로 이루어진다. 이때 관형부재(45)의 외면과 외측금형(41)의 성형부(42) 내면 사이 이격된 공간이 피스톤(20)의 스커트부(22)의 성형을 위한 성형공간을 이루고, 돔 형상으로 된 봉형부재(44)의 외면과 관형부재(45)의 내면 사이 이격된 공간이 로드연결부(23)의 성형을 위한 성형공간을 이룬다. 도면에서 부호 47은 피스톤(20)의 스커트부(22)의 단부성형 및 길이를 결정함과 동시에 성형이 완료된 후 피스톤(20)을 취출하기 위한 관형상의 취출부재이다.

이러한 금형(40)을 통해 피스톤(20)을 성형할 때는 도 6에 도시한 바와 같이, 외측금형(41)의 성형부(42)의 내부에 피스톤(20)의 성형을 위한 소재(A)를 진입시킨 상태에서 도 7에 도시한 바와 같이 가압부재(46)를 통해 소재를 가압하면, 소재(A)의 변형이 이루어지면서 헤드부(21), 스커트부(22), 로드연결부(23)의 형태를 갖춘 피스톤(20)이 성형된다.

또한 본 발명은 단조성형단계(S31) 이후의 열처리단계(S32)에서 피스톤(20) 스커트부(22)가 소정량 변형되는 점을 미리 감안하여 도 4에 도시한 바와 같이, 피스톤(20)의 스커트부(22) 쪽 외경(D2)이 헤드부(21)의 외경(D1)보다 약간 작은 크기로 성형된다. 그리고 이러한 형태의 성형이 이루어지도록 하기 위해 외측금형(41)의 성형부(42) 내면에는 도 8에 도시한 바와 같이 소정깊이(t)와 폭(W)을 갖는 성형안내홈(48)이 형성되고, 내측금형(43)의 관형부재(45) 상단 주연에는 성형안내홈(48)과 함께 피스톤(20)의 성형을 안내하기 위한 소정곡률의 곡면부(49)가 마련되며, 관형부재(45)의 상단에는 성형되는 소재(A)가 성형안내홈(48) 쪽으로 변형되기 용이하도록 외측으로 소정각도(α) 하향 경사를 이루는 경사면(50)이 형성된다.

이러한 구성은 가압부재(46)의 가압동작에 의해 소재(A)의 변형이 이루어질 때 변형되는 소재(A)가 최초 성형안내홈(48) 쪽으로 변형하였다가 다시 내측금형(43) 쪽으로 변형하도록 안내하는 역할을 수행함으로써 피스톤(20) 스커트부(22)의 외경(D2)이 헤드부(21)의 외경(D1)보다 약간 작은 크기로 성형될 수 있게 한 것이다.(도 4참조) 이러한 형태의 성형이 더욱 원활하도록 하기 위해서는 관형부재(45) 상부에 마련되는 곡면부(49)의 위치가 성형안내홈(48)의 상하 폭(W) 구간 내에 위치하도록 하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 곡면부(49)의 위치가 성형안내홈(48)의 상하 중앙으로부터 약간 하측으로 치우친 지점에 위치하도록 하는 것이 좋다.

구체적인 예를 들어 설명하면, 외경이 대략 23.5㎜이고 높이가 21㎜인 피스톤(20)을 성형하고자 할 경우에는 성형안내홈(48)의 폭(W)을 8㎜, 깊이(t)를 0.005㎜ 정도로 하는 것이 좋고, 곡면부(49)의 위치는 성형안내홈(48)의 상단으로부터 대략 6㎜ 되는 지점에 위치하도록 하는 것이 좋다.

이러한 피스톤(20)의 성형이 완료된 후에는 도 5에 도시한 바와 같이, 피스톤(20)의 외측 표면에 큰 경도와 내식성을 부여하기 위한 열처리단계(S32)를 수행한다. 이때는 성형된 피스톤(20)을 암모니아가스가 충진된 밀폐 처리로에 넣고, 고온(500~550℃)에서 장시간 가열함으로써 피스톤(20)의 표면에 질소가 확산 침투하여 매우 단단한 질화층(Fe2N)이 형성되도록 하는 통상의 질화 열처리를 수행한다.

이와 같은 열처리를 수행하게 되면, 피스톤(20)은 표면의 경도와 내식성이 크게 향상될 뿐만 아니라 도 4에 도시한 바와 같이 스커트부(22)에 열 변형이 생기면서 스커트부(22)의 외경이 D2에서 D3로 확장되어 헤드부(21)의 외경(D1)에 상당하도록 커지게 된다. 즉 열처리단계(S32)를 거친 피스톤(20)은 헤드부(21)의 외경(D1)과 스커트부(22)의 외경(D3)이 거의 같아진 상태로 된다. 여기서 본 실시 예는 피스톤(20)의 표면을 경화시키는 열처리방법으로 통상의 질화 열처리법을 예시하였으나, 피스톤 스커트부(20)의 열 변형을 유발할 수 있는 고온조건에서의 표면경화 열처리법이라면 다른 방법이 적용되더라도 상술한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

열처리단계(S32)가 종료된 후에는 피스톤(20)의 표면을 정밀하게 연마하는 정삭연마단계(S33)를 수행한다. 이때 본 발명에 따른 피스톤(20)은 열처리단계(S32)를 거치면서 헤드부(21)의 외경(D1)과 스커트부(22)의 외경(D3)이 거의 같아지도록 변형된 상태이기 때문에 연삭작업이 용이할 뿐 아니라, 헤드부(21)와 스커트부(22) 표면의 연삭정도가 거의 같아질 수 있어 연삭과정에서의 질화층(표면경화층) 소실을 방지할 수 있게 되고, 이를 통해 피스톤(20) 표면 전체의 경도와 내식성이 균일해질 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단조 피스톤의 제조방법은 단조성형단계에서 피스톤의 스커트부 외경이 헤드부의 외경보다 작게 성형되도록 하고, 추후 열처리단계에서 스커트부의 외경이 헤드부와 같아지도록 하기 때문에 피스톤의 제조공정을 종래보다 크게 단순화시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 단조 피스톤의 제조방법은 정삭연마단계에서 피스톤 표면의 질화층 소실이 방지되기 때문에 피스톤 표면의 경도와 내식성이 전체적으로 균일해질 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 단조 피스톤 제조용 금형에 의하면 외측금형의 성형안내홈과 내측금형의 곡면부가 피스톤의 성형과정에서 변형을 안내하기 때문에 스커트부의 외경이 헤드부의 외경보다 작은 형태의 피스톤을 용이하게 성형할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 압축기 피스톤의 구성을 보인 사시도이다.

도 2는 종래 단조 피스톤의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.

도 3은 종래 단조 피스톤 제조과정에서 피스톤의 열변형 상태를 보인 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 단조 피스톤 제조용 금형을 통해 성형된 피스톤의 구성 및 피스톤의 열 변형을 보인 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 단조 피스톤의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.

도 6은 본 발명에 따른 단조 피스톤 제조용 금형의 구성을 보인 단면도로, 피스톤의 성형 전 상태를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 단조 피스톤 제조용 금형의 구성을 보인 단면도로, 피스톤의 성형 후 상태를 도시한 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 단조 피스톤 제조용 금형의 요부 상세도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20: 피스톤, 21: 헤드부,

22: 스커트부, 23: 로드연결부,

40: 금형, 41: 외측금형,

42: 성형부, 43: 내측금형,

44: 봉형부재, 45: 관형부재,

48: 성형안내홈, 49: 곡면부,

50: 경사면.

Claims (7)

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7. 피스톤의 외면성형을 위한 중공의 성형부가 마련된 외측금형과, 상기 피스톤의 내면성형을 위해 상기 외측금형의 성형부 내로 진입되는 내측금형과, 상기 성형부 내에 비치되는 소재를 가압하여 헤드부와 스커트부를 갖춘 피스톤을 성형시키는 가압부재를 포함하는 단조 피스톤 제조용 금형에 있어서,

   상기 외측금형의 성형부 내면에는 상기 피스톤의 성형이 이루어질 때 상기 스커트부의 외경이 상기 헤드부의 외경보다 작게 성형되도록 성형을 안내하는 소정깊이의 성형안내홈이 마련되고,

   상기 내측금형의 단부 주연에는 상기 성형안내홈과 함께 상기 피스톤의 성형을 안내하는 소정곡률의 곡면부가 마련되며,

   상기 내측금형의 단부에는 성형되는 소재가 상기 성형안내홈 쪽으로 변형되기 용이하도록 소정각도(α)로 경사진 경사면이 마련된 것을 특징으로 하는 단조 피스톤 제조용 금형.