KR100530622B1 - 가솔린엔진용 피스톤 제조장치 - Google Patents

가솔린엔진용 피스톤 제조장치 Download PDF

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KR100530622B1 KR10-2003-0072332A KR20030072332A KR100530622B1 KR 100530622 B1 KR100530622 B1 KR 100530622B1 KR 20030072332 A KR20030072332 A KR 20030072332A KR 100530622 B1 KR100530622 B1 KR 100530622B1
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Abstract

본 발명은 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간접 가압 방식을 이용하여 조기 응고층이 금형 안으로 유입되지 않도록 하고, 용탕의 함침 불량으로 인한 기공 발생과 산화물 잔류 등으로 인한 결함을 제거함으로서 제품의 수축 결함을 방지하여 품질을 향상시키며, 게이트 시스템을 이용하여 용탕의 최종 응고 부분을 제품 바깥으로 빼내어 내구성과 내마모성을 향상시키고, 제품 취출 과정에서 유압실린더를 이용함으로서 제품 성형 후 금형이 열릴 때 제품과 금형에 손상이 생기지 않도록 하는 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에 관한 것이다.

Description

가솔린엔진용 피스톤 제조장치{A MANUFACTURE EQUIPMENT FOR GASOLINE ENGINE PISTON}
본 발명은 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가동측 캐비티와 고정측 캐비티 사이에 세라믹 예비성형체가 삽입되고, 슬리브 내에 투입된 용탕을 플런저를 이용하여 금형의 캐비티 부분으로 충전시키는 수평식 스퀴즈캐스팅 머신을 이용한 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에 관한 것이다.
종래의 수직식 스퀴즈캐스팅 머신은 수직형 슬리브 속으로 주입된 용탕을 플런저 팁이 밀어 올려 금형의 캐비티 속으로 충전시킨다. 이러한 구조는 주입된 용탕의 조기 응고량을 줄일 수 있고, 용탕이 캐비티 안으로 들어가기 전에 응고층과 산화물을 제거하기가 용이하다는 장점이 있다. 하지만 수직식 스퀴즈캐스팅 머신은 장비가 고가이고 금형구조가 복잡하여 제품의 단가를 높이게 되는 단점이 있다. 이러한 이유로 수직식 스퀴즈캐스팅 머신의 장점에도 불구하고 일반적으로는 비용의 부담이 적은 수평식 스퀴즈캐스팅 머신이 많이 사용되고 있다.
종래의 수평식 스퀴즈캐스팅 머신은 캐비티 안으로 용탕을 주입할 때 캐비티의 측면, 또는 사선방향에서 주입하는 방식이다. 이러한 방식은 용탕의 가압함침이 원활하게 진행되기에는 게이트의 위치와 형태가 부적합하여 함침 불량이 되기 쉽고 탕구의 단면적이 작기 때문에 조기 응고될 경우 가압 효과가 저하되어 제품 내부에서 수축 결함이 발생되기 쉬운 단점이 있었다.
현대자동차(주)는 '용탕단조장치를 이용한 디젤 피스톤의 제조방법'(특허등록번호: 10-0292877)에 대해서 공개한 바 있다. 여기서 소개된 기술은, 편치가 용탕을 가압함에 따라 과도하게 주입된 용탕이 외부로 배출되면서 정량 공급이 가능하게 함으로서, 복합재료 용탕을 이용하여 피스톤 제작을 쉽게 할 수 있는 용탕단조(스퀴즈캐스팅)장치를 이용한 디젤 피스톤의 제조방법에 관한 것이었다. 하지만 피스톤용 Al합금과 같이 급속히 응고되는 재료는 최종 응고 부위가 제품 내부에 있을 경우에 발생하는 수축 결함을 막을 수 없다. 또한 용탕을 캐비티 속으로 주입한 후 직접 가압이 이루어지므로 표면 산화물과 조기 응고층이 제품 내부에 잔류하여 결함으로 남으면서 강도와 내구성을 저하시키게 된다.
또한, 현대자동차(주)는 '수평식 스퀴즈캐스팅 장치를 이용한 디젤엔진 피스톤 제조방법'(특허등록번호: 10-0285268)에 대해서 공개한 바 있다. 내용을 보면, 탕구는 디젤 피스톤의 핀 보스부를 향하도록 연통되게 하였다. 이것은 스퀴스캐스팅보다는 다이캐스팅에 더 가깝다고 할 수 있다. 대칭 형상에 가까운 피스톤을 제조하는데 있어서 세라믹 보강재 속으로 용탕의 가압함침이 원활하게 진행되기에는 게이트의 위치와 형태가 부적합하여 함침 불량이 되기 쉽고 탕구의 단면적이 작기 때문에 조기 응고될 경우 가압 효과가 저하되어 제품 내부에서 수축 결함이 발생되기 쉽다.
즉, 수평식 스퀴즈캐스팅 머신은 슬리브에 주입된 용탕이 플런저의 가압으로 금형 캐비티에 충전될 때, 상기 금형 캐비티의 측면에서 직접 충전되는 구조로 형성되어 있다. 이렇게 직접 충전되는 구조에서는 슬리브 안에서 조기 응고된 응고층과 침전물 등의 불순물이 용탕과 함께 금형 캐비티에 유입되어 제품 불량을 발생시킬 수 있다. 또한 용탕의 최종 응고 부분이 제품 안에서 발생하여 기공 발생, 함침 불량 등의 현상이 발생하여 제품의 내구성과 내마모성을 저하시킬 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수평식 스퀴즈캐스팅 머신에 간접 가압 방식을 적용하여 수직식 스퀴즈캐스팅 머신의 장점을 취할 수 있도록, 용탕이 캐비티에 주입되도록 하는 플런저의 이동은 수평방향으로 이루어지면서 용탕은 캐비티에 수직방향으로 유입되도록 함으로서 조기 응고층의 발생을 줄이고, 지향성 응고가 일어나도록 유도하여 최종 응고 부분이 용탕 중앙에서 생기게 함으로서 제품 성형 과정에서 발생하는 수축 결함을 줄이는 가솔린엔진용 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제품 성형 후 금형과 제품의 분리 과정에서 발생할 수 있는 제품의 변형과 손상을 방지하며 제품과 금형의 수명을 연장시키는 가솔린엔진용 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조기 응고층과 산화물이 캐비티로 유입되는 것을 방지하여 제품 결함 발생을 줄이고 양질의 제품을 생산하도록 하는 가솔린엔진용 제조장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 가솔린엔진용 제조장치는 가동측 금형 캐비티와 고정측 금형 캐비티 사이에 세라믹 예비성형체가 삽입되고, 슬리브 내에 투입된 용탕을 플런저로 가압하여 금형의 캐비티에 충전시키는 수평식 스퀴즈 캐스팅 머신을 이용한 것으로서,
용탕이 플런저에 의해 슬리브에서 캐비티로 충전된 후 고압응고가 진행될 때, 지향성 응고가 이루어져 최종 응고 부분이 탕구의 중심에서 일어나도록, 탕구부는 'ㄴ'자 모양으로 휘어져 있으며, 탕구부의 게이트 부분은 캐비티의 하부 중심부에 위치하여 용탕이 캐비티의 하부로부터 삽입되도록 구성되고,
상기 탕구부의 게이트 단면적 : 런너 단면적 : 비스켓 단면적의 비가 0.25~0.75 : 0.5~0.85 : 1의 비율을 가지며,
상기 피스톤 제품의 성형 후 제품의 변형이나 균열을 막기 위하여 가동측 금형이 완전히 후퇴할 때까지, 유압실린더의 작용으로 슬라이드 코어가 피스톤 제품을 잡아주도록 하여 제품과 금형의 균형을 유지시켜 제품의 변형과 손상을 방지함으로서 제품의 수명을 연장시킴과 동시에, 금형이 집중 응력을 받지 않도록 하여 금형의 수명을 연장시키고,
용탕이 플런저에 의해 슬리브에서 캐비티로 충전될 때, 슬리브의 내부 표면에 조기 응고된 응고층이 캐비티에 함께 충전되지 않도록 탕구의 비스켓 아래 부분에는 응고층이 적층되는 공간부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 가솔린엔진용 제조장치를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 피스톤의 톱링 그루브 부분을 강화하기 위한 세라믹 예비성형체의 개략도이다. 도 1에 따르면, 본 발명의 세라믹 예비성형체(12)는 링 모양으로 형성된다. 상기 세라믹 예비성형체(12)를 구성하는 재료는 δ-Al2O3(96~97% Al2O3, 3~4% SiO2), 혹은 세라크울(26~34% Al2O3, 46~ 54% SiO2, 16~24% ZrO2)이며, 세라믹 체적 함유율 약 10 ~ 15%와 기공 약 85 ~ 90%로 구성된다. 상기 세라믹 예비성형체(12)는 특히 내마모가 요구되는 부위에 보강제로 삽입되어, 제품 성형 과정에서 충격을 흡수하여 금형의 마모를 최소화하도록 사용된다.
용탕이 다공질의 세라믹 예비성형체(12) 안으로 함침이 원활하게 되기 위해서는 용탕의 최소과열온도 ΔT가 다음 식에 의하여 결정된다(참조 T.W.Clyne and J.F.Mason, "The Squeeze Infiltration Process for Fabrication of Metal Matrix Composites", Metall. Trans. 18A, 1987, pp. 1519~1530).
ΔT=(TL-TP)(cf/cm)[Vf/(1-Vf)]
TL 용탕의 액상선 온도 [℃]
TP 초기 세라믹 예비성형체의 예열 온도 [℃]
cf 세라믹 단섬유의 체적 비열 [J·m-3K-1]
cm 용탕의 체적 비열 [J·m-3K-1]
Vf 예비성형체의 단섬유 부피 분율 [-]
따라서, 상기 세라믹 예비성형체의 예열온도는 다음 식에 의해서 계산된다.
TP = TL - ΔT / [(cf/cm)(Vf/(1-Vf))]
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 피스톤의 톱링 그루브와 피스톤의 헤드 가장자리를 강화하기 위한 세라믹 예비성형체의 개략도이다. 도 2에 따르면, 상기 세라믹 예비성형체(12')를 이용하여 보다 넒은 부위를 보강하기 위하여, 도 1의 세라믹 예비성형체(12) 보다 높이 치수를 크게 형성한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 도 1의 세라믹 예비성형체가 보강되는 위치(좌측)와 최종 가공 후의 피스톤 정면도(우측)이다. 도 3에 따르면, 상기 세라믹 예비성형체(12)가 톱링 그루브(15) 둘레에 설치되어, 톱링 그루브(15)의 마멸로 톱링이 진동하는 현상을 방지하게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 도 2의 세라믹 예비성형체가 보강되는 위치(좌측)와 최종 가공 후의 피스톤 정면도(우측)이다. 도 4에 따르면, 상기 세라믹 예비성형체(12)는 톱링 그루브(15) 뿐만 아니라, 헤드(13)의 외부 가장자리까지 포함하여 보호하도록 형성되어 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에 이용되는 수평식 스퀴즈캐스팅기의 부분 정면도이다. 도 5에 따르면, 본 발명의 가솔린엔진용 피스톤 제조장치는 종래의 수평식 스퀴즈캐스팅 머신(36)을 이용함으로서, 슬리브(14)에 주입된 용탕을 플린저(26)가 수평방향으로 가압하여 금형 캐비티(28)에 주입되는 구조로 형성된다. 또한, 상기 금형 캐비티(28) 안으로 슬라이드 코어(24)를 삽입할 수 있도록, 상기 금형 캐비티(28) 상부에 유압 실린더(34)가 설치된다.
이하에서는 본 발명의 가솔린엔진용 피스톤 제조 장치를 이용하여 가솔린엔진용 피스톤을 제조하는 과정을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에서 제품성형부의 금형을 확대한 단면도이다.
수평식 스퀴즈캐스팅 머신을 이용해서 가솔린엔진용 피스톤을 제조하기 위하여, 먼저 세라믹 예비성형체(12)의 1/2이 금형의 가동측 캐비티(28b)의 세라믹 예비성형체 삽입부(30b)에 삽입되고, 금형이 닫힐 때 세라믹 예비성형체(12)의 나머지 1/2이 금형의 고정측 캐비티(28a)의 세라믹 예비성형체 삽입부(30a)에 자동으로 삽입된다.
이 때 상기 고정측 캐비티(28a)의 세라믹 예비성형체 삽입부(30a)는 상기 가동측 캐비티의 삽입부(30b)에 비해 치수 공차를 크게 하여 상기 세라믹 예비성형체(12)가 원활히 들어갈 수 있도록 하고, 배기 구배를 1~2°정도 주어서 제품 성형이 완료된 후, 금형으로부터 제품이 쉽게 분리될 수 있도록 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 치수 공차는 상기 세라믹 예비성형체(12)의 외경을 피스톤(22)의 외경보다 5~10㎜ 크게 하여, 세라믹 예비성형체(12)가 오버플로우의 역할을 하도록 함으로서 용탕의 함침 불량으로 인한 기공 발생, 산화물 잔류 등의 결함이 발생하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
금형이 닫힌 후에는 피스톤 제품의 내부를 형성하는 슬라이드 코어(24)가 유압 실린더(34)에 의하여 고정된 상태로 상기 금형 캐비티(28) 내부에 설치된다. 상기 슬라이드 코어(24)는 금형 공정에서 피스톤(22)의 내부를 형성하는 역할을 한다.
상기 세라믹 예비성형체(12)와 슬라이드 코어(24)의 설치가 모두 끝나면, 슬리브(14)에 용탕을 주입하고, 플런저(26)의 가압에 의해 비스켓(16), 런너(18), 게이트(20), 캐비티(28)의 순서로 충전되며, 마지막에 세라믹 예비성형체(12) 속으로 가압 함침이 이루어지면서 충전이 완료된다.
본 발명의 발명자는 수평식 스퀴즈캐스팅 머신을 이용하여 수직식 스퀴즈캐스팅 머신의 장점을 취하기 위하여, 슬리브(14)로 주입된 용탕이 캐비티(28)에 충전되는 경로인 게이트 시스템을 'ㄴ'자 모양으로 형성하였다.
상기 게이트 시스템이 'ㄴ'자 모양으로 형성됨으로서 플런저(26)가 수평방향으로 가압을 하더라도 용탕은 캐비티(28)에 대하여 수직방향 아래로부터 충전되므로 수직형 스퀴즈캐스팅 머신에서와 같이 금형의 아래에서부터 용탕이 충전된다. 이러한 간접 가압 방식을 도입함으로서 용탕의 사출속도와 가압력을 임의로 조절하는 것이 가능하므로 다양한 형상과 크기의 주조품을 양산할 수 있다.
비스켓 하부에는 공간부(17)를 형성하여 조기 응고된 응고층이 캐비티(28)로 유입되지 않고 공간부(17)에 남도록 한다. 상기 공간부(17)를 형성함으로서 조기 응고층과 침전물이 캐비티(28)로 유입되어 제품 성형 과정에서 수축 결함과 기공 발생을 일으켜 품질을 저하시키고 제품 불량이 발생하도록 하는 것을 방지하게 된다.
피스톤용 Al합금으로 AC8A가 대표적인 재료이다. 이들 Al-Si-Cu-Ni- Mg계 합금은 내열성과 고온강도가 우수하다. 하지만 Si은 용탕의 고상과 액상이 공존하는 영역이 538~566℃ 정도로 좁기 때문에 응고 과정에서 급속 응고로 인한 수축공과 미세 균열의 발생량이 많다. 이러한 문제점은 압력을 높이는 것만으로는 해결하기 어려우며, 조기 응고로 인하여 발생할 수 있는 수축 결함을 제품 밖으로 빼낼 수 있도록 하는 게이트 구조가 필수적이다.
주조의 응고 설계에서 "제품의 얇은 부분 →두꺼운 부분 →압탕"의 순서로 주물에 적절한 온도 구배를 가하여 응고시키는 것을 지향성 응고라 하며, 특히 알루미늄 합금에서 지향성 응고는 매우 중요하다.
본 발명의 발명자는 수평식 스퀴즈캐스팅 머신에서 지향성 응고가 이루어지도록 하는 탕구비를 설정하였다. 탕구비는 게이트(20) 단면적 : 런너(18) 단면적 : 비스켓(16) 단면적의 비율을 나타내는 것으로, 0.25~0.75 : 0.5~0.85 : 1이 가장 적합하며, 상기 범위 내에서 비율 적용은 다양하게 할 수 있다.
또한 지향성 응고가 진행되도록 하기 위해서 탕구비를 적용하는 것과 함께 용탕의 유동속도를 제어할 수 있다. 즉, 용탕이 상기 게이트(20)를 통과하기 전과 게이트(20)를 통과할 때의 속도를 다르게 함으로서 용탕이 층류로 거동하도록 하는 것이다. 이를 위해서는 플런저(26)가 저속으로 움직여야 하지만 너무 느릴 경우에는 용탕이 캐비티(28) 안으로 충전이 완료되기도 전에 응고가 진행되어 가압효과가 떨어지고 미성형부가 발생하게 된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 게이트(20)를 통과하기 직전의 용탕 속도는 100~300㎜/sec, 게이트(20)를 통과할 때의 속도는 50~100㎜/sec로 하는 것이 바람직하다.
캐비티(28)에 용탕이 충전된 후에는 응고가 완전히 종료될 때까지 15~45초간 가압을 유지시켜 성형을 완료한다.
응고와 가압이 완료되면 금형을 열어 성형된 피스톤 제품을 취출한다. 제품을 취출하는 단계는 제품 수명에 매우 중요한 영향을 미친다.
제품을 취출할 때, 피스톤(22)이 가동측 캐비티(28b)와 함께 움직일 수 있도록 피스톤 안쪽을 형성하는 금형 상부의 슬라이드 코어(24)가 피스톤을 강하게 잡아주는 것과 동시에 플런저(26)가 비스켓(26)을 밀어서 균형이 흐트러지지 않으면서 금형이 열릴 수 있는 구조로 만든다. 금형이 완전히 열리고 난 후 슬라이드 코어(24)는 유압 실린더(34)에 의해서 위로 빠진다. 슬라이드 코어(24)가 피스톤(22)으로부터 완전히 후퇴하면 이젝트 핀(32)을 이용해서 피스톤(22)이 금형으로부터 취출된다. 이러한 작동원리가 지켜질 때 금형에 집중응력이 작용하지 않게 되어 금형의 수명 향상에 도움이 된다.
실시예
본 발명의 발명자는 상기 수평식 스퀴즈캐스팅 머신을 이용한 가솔린엔진용 피스톤 제작장치를 이용하여 제품을 성형한 후, 게이트 시스템 내에서의 용탕의 응고과정을 해석하고 성형된 제품의 표면 상태, 경도, 및 비중을 검사하는 실험을 하였다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치의 게이트 시스템 내에서의 용탕의 응고과정을 나타낸 응고해석 결과로서, 게이트(20)의 형상이 원형일 때 용탕을 금형 캐비티(28)에 완전히 충전을 마친 후, 응고해석을 한 결과를 나타낸 것이다. 도 7(a)은 충전 직후인 응고시간 't=0.0 sec'일 때 응고 영역이 피스톤으로부터 빠져나가는 모양을 나타낸 것으로서, 제품부에서 최종 응고부위는 핀 보스부가 된다는 것을 알 수 있었다.
그림 7(b)은 응고시간이 9.9초가 되었을 때 응고 진행상황을 나타낸 것으로서, 최종 응고 부분이 핀 보스부로부터 피스톤 헤드부분으로 이동해 나가는 것을 확인할 수 있다. 그림 7(c)은 응고가 시작된 지 20초가 경과할 때의 모양을 나타낸 것으로서, 응고시간이 20초가 경과하면서 최종 응고 부분이 런너부(18)로까지 내려가는 것을 확인할 수 있었다.
응고시간이 30초가 경과했을 때의 모양을 나타낸 그림 7(d)에서는 비스켓부(16)와 런너부(18)의 경계 부근에서 최종 응고 부분이 생기는 것을 관찰할 수 있었다. AC8A와 같이 고액 공존영역이 대단히 좁은 합금의 경우에는 응고 과정에서 수축 기공이 발생되기 쉽기 때문에 제품의 불량률이 높아진다.
즉, 그림 7에서 확인한 바와 같이, 지향성 응고가 이루어질 수 있는 게이트 구조를 만드는 것이 양질의 제품을 생산하기 위하여 필수적이 과제이며, 본 발명에 따라 형성된 원형 게이트 시스템은 제품부가 먼저 응고되고, 최종 응고 부분은 탕구인 런너(18)부와 비스켓부(16)의 경계에서 나타나므로 수축 기공을 방지하여 제품 성형 과정에서의 불량 발생을 줄이고 양호한 제품을 제조할 수 있는 구조로 판단된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM(Fiber Reinforced Metal) 피스톤이 피스톤 핀 및 링들과 함께 조립된 모양을 나타낸 사진이다. 도 8에 따르면, 톱링 그루브와 두 번째 링 그루브에 끼워지는 압축링의 역할은 연소실부의 연소가스가 엔진 구동부로 들어가는 것을 막아주는 것과 동시에, 피스톤 왕복운동시 윤활 및 냉각 작용을 하는 오일을 역으로 연소실로 들어가지 못하도록 함으로서 불완전 연소를 줄일 수 있도록 하는 것이다.
세 번째 오일 링 그루브에 끼워지는 링은 피스톤과 실린더 벽면 사이의 마찰이 최소화되도록 오일이 원활히 공급되도록 한다.
도 8에서 확인할 수 있듯이, 제품의 표면을 비교해 보면, 중력주조로 제조되는 일만 Al 합금에 비해 스퀴즈캐스팅 공법으로 제조된 FRM(Fiber Reinforced Metallics) 피스톤이 치수 정밀도뿐만 아니라, 미려한 제품 표면을 가진다는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM 피스톤의 단면부에 대해, 다이나모 시험 후 경도시험을 실시한 시편을 나타낸 사진이다. 도 9에 따르면, 톱링 그루브가 세라믹 단섬유로 강화된 FRM(금속복합재료)이라는 것을 알 수 있다.
로크웰 경도 시험결과 세라믹으로 강화되지 않은 기자재 영역의 평균 경도는 74.45HRB, FRM(금속복합재료) 영역에서의 평균 경도는 81.8HRB로 측정되었다. 이것은 다이나모 시험 전 기존의 단일합금영역과 금속복합재료 영역의 경도값에 비해서 오히려 1.9% ~ 3.1% 정도 증가한 값이다.
※ 단일합금 영역과 금속복합재료 영역의 경도값 측정 결과
단위 : HRB
단일합금영역 FRM
다이나모 시험 전 72.22 80.28
다이나모 시험 후 74.45 81.8
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM 피스톤 샘플의 비중을 측정하는 모습을 나타낸 사진이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM 피스톤의 비중 측정을 위해서 절단된 FRM 피스톤 샘플을 나타낸 사진이다.
본 실시예에서는 초정밀 비중계(LA230S)를 이용해서 샘플의 비중을 측정하였으며, 아래 식에 의해서 비중을 산출했으며, 결과 값은 아래 표와 같다.
ρ= [W(a)×ρ(fl)]/[W(a)-W(fl)]
W(a) 공기 중에서 샘플의 무게
W(fl) 액체 중에서 샘플의 무게
ρ(fl) 액체(증류수)의 온도별 비중값
※ 초정밀 비중계를 이용한 FRM 피스톤의 비중 측정
부위 3 4 7 8 11 12
비중 2.6997 2.7099 2.6940 2.6954 2.6946 2.6961
상기 비중 측정값에서 부위 3과 부위 4의 비중값이 다소 높게 나온 것은 세라믹 강화된 FRM 부분을 포함하고 있기 때문이다. 그리고 나머지 부위는 단일금속영역으로서 평균 비중값이 2.6950으로 나타났다. 편차범위가 -0.037% ~ 0.041% 정도로서 미세한 기공 및 균열이 예상되지만 매우 적은 값이므로 기계적 성질에는 영향을 미치지 않을 것이라는 결과를 얻을 수 있었다.
따라서, 상시 실시예를 통해서, 본 발명에 의해 제공되는 수평식 스퀴즈캐스팅 머신을 이용한 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 제작된 피스톤 제품은 종래에 비하여 내구성과 내마모성 등의 품질뿐만 아니라 외형적으로도 뛰어난 성질을 지니고 있음을 확인할 수 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허청구범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 간접 가압 방식을 이용하여 조기 응고층이 캐비티 안으로 유입되지 않도록 하고, 용탕의 함침 불량으로 인한 기공 발생과 산화물 잔류 등으로 인한 결함을 제거함으로서 제품의 수축 결함을 방지하여 품질을 향상시키는 효과가 있다.
또한 게이트 시스템을 'ㄴ'자 모양으로 형성하고 용탕의 속도를 조절하여, 가압함침 효과를 높이고 지향성 응고가 일어나도록 함으로서 용탕의 최종 응고 부분을 제품 바깥으로 빼내어 제품의 내구성과 내마모성을 향상시킬 수 있다.
또한 제품 취출 단계에서 유압 실린더를 이용하여 제품 취출 과정에서 발생할 수 있는 제품의 변형과 손상을 방지하고 금형에 집중응력이 가해지지 않도록 방지함으로서, 제품과 금형의 수명을 연장시키는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 피스톤의 톱링 그루브 부분을 강화하기 위한 세라믹 예비성형체의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 피스톤의 톱링 그루브와 피스톤의 헤드 가장자리를 강화하기 위한 세라믹 예비성형체의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 도 1의 세라믹 예비성형체가 보강되는 위치(좌측)와 최종 가공 후의 피스톤 정면도(우측)이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 도 2의 세라믹 예비성형체가 보강되는 위치(좌측)와 최종 가공 후의 피스톤 정면도(우측)이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에 이용되는 수평식 스퀴즈캐스팅기의 부분 정면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에서 제품성형부의 금형을 확대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치의 게이트 시스템 내에서의 용탕의 응고과정을 나타낸 응고해석 결과이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM 피스톤이 피스톤 핀 및 링들과 함께 조립된 모양을 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM 피스톤의 단면부에 대해, 다이나모 시험 후 경도시험을 실시한 시편을 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM 피스톤 샘플의 비중을 측정하는 모습을 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 가솔린엔진용 피스톤 제조장치로 성형된 FRM 피스톤의 비중 측정을 위해서 절단된 FRM 피스톤 샘플을 나타낸 사진이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
12: 세라믹 예비성형체 13: 헤드
14: 슬리브 15: 톱링 그루브
16: 비스켓 17: 공간부
18: 런너 20: 게이트
22: 피스톤 24: 슬라이드 코어
26: 플런저 28: 금형 캐비티
28a: 고정측 캐비티 28b: 가동측 캐비티
30: 세라믹 예비성형체 삽입부 30a: 고정측 캐비티 삽입부
30b: 가동측 캐비티 삽입부 32: 이젝트 핀
34: 유압 실린더 36: 수평식 스퀴즈캐스팅 머신
38: 스퀴즈캐스팅 금형

Claims (3)

  1. 고정측 금형 캐비티(28a)와 가동측 금형 캐비티(28b) 사이에 세라믹 예비성형체(12)가 삽입되고, 슬리브(14) 내에 투입된 용탕을 플런저(26)를 이용하여 금형 캐비티(28)에 충전시키는 수평식 스퀴즈 캐스팅 머신을 이용한 가솔린엔진용 피스톤 제조장치에 있어서,
    용탕이 플런저(26)에 의해 슬리브(14)에서 캐비티(28)에 충전된 후 고압응고가 진행될 때, 지향성 응고가 이루어져 최종 응고 부분이 탕구의 중심에서 일어나도록, 탕구부는 'ㄴ'자 모양으로 휘어져 있으며, 탕구부의 게이트(20) 부분은 캐비티(28)의 하부 중심부에 위치하여 용탕이 캐비티(28)의 하부로부터 주입되도록 구성되며,
    상기 탕구부의 게이트(20) 단면적 : 런너(18) 단면적 : 비스켓(16) 단면적의 비가 0.25~0.75 : 0.5~0.85 : 1의 단면적 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 수평식 스퀴즈 캐스팅 머신을 이용한 가솔린엔진용 피스톤 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비스켓(16)의 하부에는 조기 응고된 응고층이 적층되는 공간부(17)가 형성되는 것을 특징으로 하는 수평식 스퀴즈 캐스팅 머신을 이용한 가솔린엔진용 피스톤 제조장치.
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