KR100588886B1 - 열 변형이 없는 자동차 부품의 주조 성형을 위한 금형 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 주물 성형 공정에 의하여 자동차 부품을 제조하는데 사용되는 금형 구조는, 상기 금형이 상기 금형의 재료보다 열전도성이 높은 재료로 제작된 전도성 프레임을 그 내부에 설치한 것을 특징으로 함으로써 주 물 생산 제품의 열 변형과 치수 오차를 방지하고 있다.

Description

열 변형이 없는 자동차 부품의 주조 성형을 위한 금형 구조{Mold structure for casting parts of an Automobile capable of preventing heat shrinkage}

도 1은 실린더헤드를 주조 생산하기 위한 종래 기술의 주조 장치의 전체 측면도;

도 2는 도 1의 주조장치를 이용하여 주조 성형한 알루미늄 실린더 헤드의 부분 사시도;

도 3 열 변형에 의한 높이차를 가져오는 원리를 설명하기 위해 개략적이고 원리적으로 도시한 종래기술의 하부금형의 단면도;

도 4는 본 발명의 전도성 프레임을 설치한 하부금형의 도 3과 같은 단면도;

도 5는 본 발명의 전도성 프레임의 사시도; 그리고

도 6은 본 발명의 전도성 프레임을 포함하는 하부 금형의 제작 방법을 나타내는 개략적인 단면도이다.

본 발명은 열 변형이 없는 자동차 부품의 주조 성형을 위한 금형 구조에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 자동차 부품, 특히 알루미늄 재질의 실린더 헤드의 주조 성형 공정에서 열 변형에 의한 오차 발생을 방지하기 위하여 상기 금형 내에 열전도율이 높은 재질로 제작된 별도의 전도성프레임을 설치하도록 개량된 자동차 부품의 주조 성형을 위한 금형 구조에 관한 것이다.

오늘날 많은 자동차 부품이 주조법에 의하여 제작되고 있다. 이러한 주조 성형법 중, 특히 금형주조법은 영구적인 주형을 사용할 수 있고 사형 주조에 의한 것보다 치수 정도가 좋고 표면이 평활한 장점 때문에 대량 생산이 필요한 자동차 부품의 주조법으로 많이 활용되고 있다. 금형 주조법에서는 주조 재료가 알루미늄, 마그네슘 혹은 동 합금인 경우에는 주강이나 강철로 주형(금형)을 제작하고, 주조 재료가 철강인 경우에는 통상 흑연으로 주형을 제작하고 있다.

자동차 부품 중, 특히 알루미늄 재질의 실린더헤드의 성형을 위해서는 전술한 바와 같은 금형 주조법이 적용되는데, 도1은 이를 수행하기 위한 주조장치(1)의 전체 측면도를 도시하고 있다.

주조장치(1)는 도시한 것과 같이 크게 주조기머신(2), 금형(3), 주조기(4)로 구성된다. 금형(3)은 가동금형으로서의 상부금형(31)과 고정금형으로서의 하부금형(32)으로 이루어지는데, 하부금형(32)은 베이스(10)상에 설치되고, 상부금형(31)은 주조기머신(2)의 작동에 의해서 하강하여 하부금형(32)과 맞물린다. 주조기(4)의 내부 공간에는 주조 재료인 알루미늄 용탕이 충전되어 있으며, 상기 용탕은 탕도(41)를 통해 금형(3)사이의 공간으로 유입되어 소정 형상의 실린더 헤드가 주조되도록 되어 있다. 도면에서 (40)은 히터로서 용탕의 온도 저하를 막기 위한 것이다. 여기서, 상기 금형(3)은 전술한 것과 같이 주강(cast steel)에 속하는 탄소강으로 제작되고 있다.

그런데, 이러한 종래기술의 주조장치(1)는 다음과 같은 단점을 가지고 있다. 도2는 도1의 주조장치(1)를 이용하여 주조 성형한 알루미늄 실린더 헤드(W)를 도시하고 있다. 도시한 것과 같이, 실린더 헤드의 측부 단면으로부터 실린더 헤드의 중앙부까지 높이차(h)가 존재하여 위로 갈수록 부풀어진(swelled) 형상을 띠고 있다. 이러한 높이차(h)는 열 변형에 기인하여 유발되는 것이며, 통상 0.6 - 0.9mm에 이르는 것이어서, 실린더 헤드의 품질 불량을 가져오는 주요한 원인으로 되어 있다.

도 3은 열 변형에 의한 높이차를 가져오는 원리를 설명하기 위해 개략적이고 원리적으로 도시한 하부금형(32)의 단면도이다. (400)은 쇳물이 유입되어 충전됨으로써 실린더헤드(w)를 형성하는 충전 공간이다. 주조 금형 장치에 있어 당업자에게 자명한 탕구, 라이저, 게이트등의 외부 구성의 도시는 편의상 이를 생략하였다. 알루미늄 용탕이 탕도를 통하여 공간(400)으로 진입하면 금형(32)내에서 용탕과 바로 접하는 상면의 "A"부분은 온도가 약 650도에 이르지만, 용탕으로부터 이격된 양측면의 하부 개소인 "B"부분은 온도가 200도로서 중앙 상부의 고온부와 좌우 하부의 저온부의 온도 격차가 비교적 큰 분포를 이룸이 확인되었다. 즉, 이러한 큰 온도차에 의하여 알루미늄 성형 재료가 그 주위의 금형부 온도의 영향을 받는 결과, 저온부에 위치한 용융 재료가 냉각되면서 상대적으로 고온부의 재료를 끌어 당기게 되어 도2와 같은 최종 성형 소재의 치수 차이를 가져오게 되는 것이다.

본 발명은 이러한 선행 기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것이다.

그러므로, 본 발명은 열 변형이 없는 자동차 부품의 주조 성형을 위한 금형 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주물 성형 공정에 의하여 자동차 부품을 제조하는데 사용되는 금형 구조는, 상기 금형이, 상기 금형의 재료보다 열전도성이 높은 재료로 제작된 전도성 프레임을 그 내부에 설치한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 주물 성형되는 자동차 부품은 실린더 헤드이며, 상기 금형은 탄소강으로 제작되는 하부 금형이고, 상기 전도성 프레임은 동을 주성분으로 하는 재료인 예를 개시하고 있다.

더욱 본 발명은, 상기 전도성프레임은 다층 배열된 복수개의 횡방향 프레임과 다층 배열된 복수개의 종방향프레임으로 이루어지는 격자형 프레임 구조를 취하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 종래 기술에 있어 금형 재료인 탄소강의 선팽창율이 0.00000168/℃이며, 열전도율이 28.1W/m.K로서, 특히 열전도율이 낮아 금형 부위간의 고저 온도차가 발생하는 원인이 되고 있음에 착안한 것이다. 이러한 문제를 해소하기 위해서 열전도율이 높은 재료로 금형을 제작하면 용탕 주입중 열 전달 과정이 신속하게 일어나는 결과, 금형재 내부 간의 온도 편차가 최소화됨으로써 성형 제품의 치수 산포가 발생하는 것을 방지할 수 있게 될 것이다.

본 발명은 열전도성이 좋은 하부 금형을 제작하기 위해 종래 기술의 탄소강으로 제작되는 하부 금형 안에 열전도성이 뛰어난 재료 - 예를 들어 순동 - 로 제작된 프레임을 설치하는 것을 특징으로 하고 있다.

도4는 열전도성이 뛰어난 전도성 프레임(5)을 설치한 본 발명의 하부금형(32)의 도3과 같은 단면도이다. 전도성 프레임(5)은 그 사시도인 도5에 도시한 것과 같이 다층 배열된 복수개의 횡방향 프레임(52)과 역시 다층 배열된 복수개의 종방향프레임(51)으로 이루어지는 격자형 프레임 구조를 취하고 있다. 본 발명의 취지에 따라, 각각의 프레임(51,52)의 길이는 하부금형(32)의 폭과 길이에 맞추어 하부금형 내부 전체에 프레임이 설치될 수 있도록 충분한 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여야 금형의 측면 구석까지 열전도율이 향상되는 작용을 기대할 수 있기 때문이다. 이러한 목적을 달성할 수 있는 한 도5의 전도성 프레임(5)의 형상이나, 각각의 프레임의 설치 개수등은 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.

본 발명의 전도성 프레임은 바람직하게는 순동으로 제작된다. 순동의 선팽창율은 약 0.0000022/℃이며, 열전도율이 386 W/m.K로서, 종래 기술에서 사용된 탄소강에 비하여 선팽창율은 약 1.3배 높으며, 열전도율은 약14배나 높다. 따라서, 이러한 순동 재질의 프레임이 하부 금형내에 설치되면 하부 금형의 각 부위에 따른 온도 편차를 대폭 줄일 수 있다. 순동으로 제작한 본 발명의 전도성 프레임(5)을 설치하여 하부 금형의 온도를 측정한 결과, 상면의 "A"부분 온도가 약 650도인 경우, 양측면의 하부 개소인 "C"부분은 온도가 약 400도로서 종래에 비하여 온도 편차를 200도 이상 줄일 수 있으며, 실린더 헤드의 측부 단면으로부터 실린더 헤드의 중앙부까지 높이차(h)가 약 0.25mm까지 감소하였다. 따라서, 종래기술에서와 같은 열 변형에 의한 생산 제품의 오차를 대폭 줄이고 양질의 주조품을 생산할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 전도성 프레임(5)은 열전도율이 높은 한, 반드시 순동 성분을 사용할 필요는 없으며, 동이 주성분인 합금을 사용하여도 좋다.

도6은 본 발명의 전도성 프레임(5)을 포함하는 하부 금형(32)의 제작 방법을 나타내는 개략적인 단면도이다. 전도성 프레임(5)은 미리 주조에 의하여 제작되며, 이와 같이 제작된 프레임(5)을 예열하여 하부 금형을 형성하기 위한 공간(C')에 위치시킨다. 이후, 1번탕구(32')를 통하여 용융 탄소강을 1/3정도 주입하고, 프레임(5)에 의하여 쇳물이 냉각되는 것을 방지하기 위해 나머지 2/3정도의 용탕은 2번탕구(32")를 통하여 충전한다. 이와 같은 간단한 주조법에 의하여 본 발명의 하부금형(32)을 완성할 수 있다.

이상 본 발명의 하부 금형을 위주로 설명하였지만, 주물 제조품으로 제작되는 자동차의 다른 부품에도 본 발명이 활용될 수 있음은 자명하다.

이상 기술한 본 발명은 자동차 부품, 특히 알루미늄 재질의 실린더 헤드의 제작 공정에 있어 제품 치수 오차를 줄일 수 있다는 효과를 발휘한다.

또, 본 발명의 금형은 열전도성이 뛰어나므로 실린더 헤드를 포함한 자동차 부품의 제조에 있어 열변형에 의한 치수 오차를 방지할 수 있다는 우월한 효과를 발휘한다.

Claims (3)

1. 주물 성형 공정에 의하여 자동차 부품을 제조하는데 사용되는 금형 구조로서, 상기 금형은, 상기 금형의 재료보다 열전도성이 높은 재료로 제작된 전도성 프레임을 그 내부에 설치하며, 상기 전도성프레임은 다층 배열된 복수개의 횡방향 프레임과 다층 배열된 복수개의 종방향프레임으로 이루어지는 격자형 프레임 구조를 취하는 것을 특징으로 하는 금형 구조.
2. 제1항에 있어서, 주물 성형되는 자동차 부품은 실린더 헤드이며, 상기 금형은 탄소강으로 제작되는 하부 금형이고, 상기 전도성 프레임은 동을 주성분으로 하는 재료인 것을 특징으로 하는 금형 구조.
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