KR100707974B1 - 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치에 관한 것으로, 내부 중심에 성형제품 탈거용 펀지를 갖는 상부금형, 상기 성형제품 탈거용 이형핀을 구비한 하부금형, 홀더에 의해 외측이 지지고정되는 사이드금형이 조합되어 캐비티를 이루는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치에 있어서; 상기 홀더를 관통하여 상기 사이드금형 내부 캐비티 인접위치까지 인출입되게 설치되는 초음파진동자와; 상기 홀더의 외측면에 설치되고, 상기 초음파진동자와 연결되어 초음파 진동을 발생시키는 진동원인 초음파발진기를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면 전체적으로 균일하고 미세한 구상화 조직을 갖는 단조 제품을 얻을 수 있음은 물론 조직이 치밀하고 경량화가 가능하며 기계적성질도 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 교반방식에 비해 저렴하고 구조가 간단하여 에너지 소모도 적고 제품 성형시간도 단축시킬 수 있어 생산성이 향상됨은 물론 수냉식을 채용하여 상부금형을 냉각시킬 수 있도록 함으로써 고압성형도 가능한 효과를 제공한다.

초음파, 금형, 벤트라인, 구상화조직, 수냉

Description

초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치{ULTRASONIC VIBRATION TYPE DIES APPARATUS FOR PARTIALLY SOLIDIFIED FORMING}

도 1은 본 발명에 따른 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치의 예시적인 설치단면도,

도 2는 본 발명에 따른 상부금형 부위만을 따로 떼어 보인 예시도,

도 3은 본 발명에 따른 가진수단의 예시도,

도 4는 본 발명에 따른 기포 배출용 벤트라인의 형상을 보인 예시도.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....베이스플레이트 200....하부금형

300....상부금형 400....사이드금형

500....고정플레이트 600....홀더

700....초음파진동자 800a,b,c....벤트라인

C....캐비티

본 발명은 반응고 성형용 금형장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 진동을 이용하여 결정핵 조직을 미세하고 균일화시킴으로써 기계적성질이 우수하고 경량화된 최종성형품을 제공할 수 있도록 개선된 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반응고 성형법이란 금속재료를 용해시켜 액상선 이하로 냉각시키면 고상과 액상이 함께 존재하는 고액공존상태가 되는데 이와 같은 고액공존상태의 금속재료를 주조 또는 단조하여 빌렛이나 최종성형품을 제조하는 가공법을 말하며, 이러한 반응고 성형법은 액상과 고상의 비율을 적절하게 조절함으로써 작은 힘에 의해서도 변형이 가능하고 유동성이 우수하여 용이한 성형가공성을 갖기 때문에 금속/합금, 이를테면 알루미늄이나 알루미늄합금, 마그네슘이나 마그네슘합금, 아연이나 아연합금, 구리나 구리합금, 철계합금 등의 성형에 유용하게 활용되고 있다.

또한, 이와 같은 반응고 성형법은 반용융 성형법과 함께 자동차 및 항공기 산업분야, 전기ㆍ전자ㆍ정보통신장비의 신소재 제조시 많이 이용되고 있는데 이는 이들 성형법에서 사용되는 슬러리가 용융금속보다 낮은 온도에서 유동성을 가지므로 슬러리에 노출되는 금형의 온도를 용융금속의 온도보다 더 낮출 수 있어 금형의 수명을 연장할 수 있으므로 비용절감이 가능함은 물론 슬러리가 금형에 주입될 때 난류의 발생이 적어 주조공정에서 공기의 혼입을 줄일 수 있으므로 최종성형품의 품위를 향상시킬 수 있고, 또한 응고 수축이 적고 작업성이 우수하며 제품의 기계적특성과 내식성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제품의 경량화가 가능하기 때문이다.

종래에는 반응고 성형법을 이용하기 위해 용융금속을 냉각시킬 때에 주로 액상선 이하의 온도에서 용융금속을 교반시켜 이미 생성된 수지상 결정(Dendrite) 조직을 파괴함으로써 반응고 성형에 적합하도록 상기 용융금속을 구형의 입자로 만들었으며, 이때 교반방법으로 기계적 교반법, 전자기적 교반법, 가스 버블링ㆍ저주파ㆍ고주파ㆍ전자기파 등의 진동을 이용하거나 전기적 충격에 의한 교반법이 사용되었다.

그런데, 이러한 교반법들은 주로 전기로 등의 용탕 내에서 사용되는 것으로 제품 제조과정인 금형 내 냉각과정에서는 사용될 수 없어 용탕이 금형 내에서 응고될 때 냉각속도 불일치로 인해 제품 두께가 두꺼운 후박 부위에서는 편석이 유발되어 제품의 기계적성질을 급격히 떨어뜨리는 원인이 되었으며, 또한 금형 내 냉각중 용탕의 교반이 없기 때문에 초기 응고층이 말려 들어가는 현상과 내부 기질 또한 취약한 수지상 구조를 갖게 되어 제품의 품위를 현저히 떨어뜨리는 원인이 되었다.

이에 따라, 예컨대 자동차용 알루미늄 휠의 경우에는 스포크 끝단 후박 부위에 조대한 편석이 형성되어 자동차의 부품 경량화에 역행하는 결과를 낳고 있는 바, 소재만 가벼운 알루미늄을 사용하고 있을 뿐 그 중량 감소에 있어서는 한계에 봉착한 실정이다.

또한, 반응고 성형을 위한 종래 금형장치의 경우에도 상부금형을 중공형태로 구성하여 공냉방식을 취하였기 때문에 크랙의 우려가 높아 고압성형이 불가능하여 성형효율이 떨어지고 조직이 미세화되지 못할 뿐만 아니라 상부금형을 지지하는 포스트가 다수 구비됨으로써 설치상의 어려움 조작상의 난점, 가동효율 저하 등 많은 불편함이 존재하였다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 한계성을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 자동차 부품 등과 같은 기계부품들을 용이하게 성형하기 위하여 반응고 성형법을 이용하여 단조할 때에 금형 내부에서 용탕이 교반될 수 있도록 하는 것에 의해 편석을 방지하고 조직을 균일화 및 구상화시킴으로써 제품의 기계적성질을 향상시킴은 물론 상부금형을 중실체로 구성하고 수냉시킴으로써 고압성형을 가능케 하여 제조비용의 절감, 주/단조 공정의 간소화, 조직의 미세화에 따른 제품의 품위향상을 도모할 수 있도록 한 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 금형장치를 구성하는 사이드금형 내부에 초음파발진기에 의해 발진되는 초음파를 가진시키는 초음파진동자를 설치하여 금형 내부에 수용된 고액공존(반응고 상태) 금속재료를 교반하면서 가압성형하여 성형품을 제조할 수 있도록 한 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치를 제공함에 그 기술적 특징이 있다.

또한, 본 발명은 내부 중심에 성형제품 탈거용 펀지를 갖는 상부금형, 상기 성형제품 탈거용 이형핀을 구비한 하부금형, 홀더에 의해 외측이 지지고정되는 사이드금형이 조합되어 캐비티를 이루는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치에 있어서; 상기 홀더를 관통하여 상기 사이드금형 내부 캐비티 인접위치까지 인출입되 게 설치되는 초음파진동자와; 상기 홀더의 외측면에 설치되고, 상기 초음파진동자와 연결되어 초음파 진동을 발생시키는 진동원인 초음파발진기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치를 제공한다.

이때, 상기 초음파진동자는 작동로드에 고정되고, 상기 작동로드는 실린더에 연결되며, 상기 실린더는 상기 초음파발진기에 고정된 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 초음파진동자에는 이를 냉각시키기 위한 냉각쟈켓 혹은 열 차단을 위한 단열재가 구비된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 상부금형은 중실체로 형성되고, 내부에는 냉각수를 공급, 순환, 배출시키는 냉각쟈켓이 설치된 것에도 그 특징이 있다.

이때, 상기 상부금형의 내부 적소에는 전열히터가 부설될 수도 있다.

나아가, 상기 상부금형은 그 중앙을 관통한 공간내에 상기 펀치의 편마모를 방지하는 가이드부쉬가 더 구비될 수도 있다.

또한, 상기 상부금형의 하단면 및 하부금형의 상단면 적소에는 격자무늬형 벤트라인이 음각된 것에도 그 특징이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치의 예시적인 설치단면도로서, 상부금형의 일부를 절개하여 보인 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 상부금형 부위만을 따로 떼어 보인 예시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 가진수단의 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 기포 배출용 벤트라인의 형상을 보인 예 시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치는 하부금형(200)과, 상부금형(300) 및 사이드금형(400)으로 이루어져 반응고 성형용 금속재료인 고액공존 금속재료가 수용되는 캐비티(C)를 형성하게 되는데, 이때 상기 하부금형(200)은 베이스플레이트(100)의 상부에 설치되고, 상부금형(300)은 고정플레이트(500)에 고정되며, 사이드금형(400)은 외곽보호대인 홀더(600)에 의해 지지고정된다.

그리고, 상기 베이스플레이트(100)의 중앙부에는 도시되지 않은 공유압실린더 혹은 기타 구동수단에 의해 승하강동작되는 작동로드(110)가 설치되고, 상기 작동로드(110)에는 이와 연동되도록 연결고정된 다수의 이형핀(120)이 설치되며, 상기 이형핀(120)은 상기 하부금형(200)을 관통하여 하부금형(200) 상면으로 노출될 수 있도록 배열설치된다.

따라서, 후술하겠지만 성형이 완료된 후 제품을 이형시킬 때에 상기 작동로드(110)의 상승동작에 의해 이형핀(120)이 상승되면서 하부금형(200)의 상면에 압착되어 있는 제품을 용이하게 이형(탈거)시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 베이스플레이트(100)의 작동로드(110)를 기준으로 그 양측에는 다수의 내열볼트(130a,b)가 구비된다.

상기 내열볼트(130a,b)는 상기 하부금형(200)이 유동되지 않도록 상기 하부금형(200)을 상기 베이스플레이트(100)에 견고히 고정시키거나 혹은 상기 사이드금형(400)을 그 외측에서 지지고정하는 홀더(600)가 유동되지 않도록 상기 홀더(600) 를 상기 베이스플레이트(100)에 견고히 고정시키기 위한 수단이다.

그리고, 상기 베이스플레이트(100)의 일측에는 상기 하부금형(200) 내부에 설치된 냉각수유로(미도시)와 연결되어 냉각수를 공급하여 순환배출시킴으로써 상기 하부금형(200)을 냉각시키기 위해 인렛(inlet)과 아웃렛(outlet)을 갖춘 냉각쟈켓(104a,b)이 구비된다.

한편, 상부금형(300)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 내부가 차 있는 중실체(中實體)로 형성되고, 그 중앙을 상하로 관통하여 작동공((H)이 형성되며, 상기 작동공(H)에는 펀치(310)가 설치되는데 이때 상기 펀치(310)의 마모를 최소화하고 동작을 원활하게 하기 위해 가이드부쉬(320)가 삽입된다.

즉, 상기 가이드부쉬(320)는 상기 작동공(H)에 고정되며, 상기 펀치(310)는 상기 가이드부쉬(H) 내부에서 이를 따라 승하강동작될 수 있도록 구성된다.

이때, 상기 펀치(310)의 상단은 도시되지 않은 구동수단에 의해 승하강동작되는 실린더로드(520)에 연결고정되어 하강 혹은 상승동작이 가능하게 설치된다.

그리고, 상기 상부금형(300)의 하단면 중앙, 즉 상기 작동공(H)의 하단면은 이형판(330)에 의해 밀폐되게 되는데 상기 이형판(330)의 상면에는 상기 펀치(310)의 하단이 접촉가압될 수 있도록 배치되기 때문에 성형완료된 제품 이형시 상기 펀치(310)에 의해 상기 이형판(330)이 성형된 제품을 밀게 됨으로써 제품의 이형이 가능하게 되며, 이때 상기 이형판(330)은 성형된 제품과 면접촉된 상태로 균일하게 밀기 때문에 제품의 표면 손상이 극소화되도록 하여 준다.

아울러, 상기 상부금형(300)은 내열볼트(510)에 의해 상기 고정플레이트 (500)에 견고히 고정되며, 상기 고정플레이트(500)는 도시되지 않은 구동수단, 이를테면 플런저에 의해 동작되면서 상기 상부금형(300)을 하방향으로 유동시키게 된다.

뿐만 아니라, 상기 상부금형(300) 내부에는 수냉방식으로 냉각시킬 수 있는 냉각쟈켓(340)이 설치되는데 상기 냉각쟈켓(340)은 외부 수공급원으로부터 냉각수를 공급받은 뒤 상기 상부금형(300) 내부에서 냉각수를 순환시켜 상부금형(300)을 냉각시킨 후 배출처리하도록 구성된다.

따라서, 상기 상부금형(300)이 중실체로 설치제공될 수 있어 고압성형이 가능하고, 고압성형시에도 균열의 위험이 없고 안정적인 성형이 가능하게 된다.

덧붙여, 상기 상부금형(300)의 상단 외테두리에 인접한 내부, 다시 말해 성형하고자 하는 제품(부품)의 가장 두께가 얇은 부위와 대응되는 개소에는 전열히터(350a,b)가 설치될 수 있다.

상기 전열히터(350a,b)는 제품의 두께가 얇은 부분, 이를테면 플랜지 부분에 열을 가하여 보온토록 함으로써 제품의 냉각시 전체적인 냉각균형이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

다른 한편, 상기 사이드금형(400)은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 홀더(600)에 의해 지지고정된다.

이때, 상기 사이드금형(400)은 상기 홀더(600)에 고정된 가이드(620)에 연결로드(610)와 캠(630)에 의해 연결 구속됨으로써 사이드금형(400)의 유동이 제한되게 된다.

즉, 성형완료된 제품 이형시에는 구동수단에 의해 동작되는 캠(630)이 가이드(620)를 따라 이동하면서 연결로드(610)를 연동시켜 사이드금형(400)이 들어 올려지면서 홀더(600)로부터 벗어나 이형되도록 하고, 금형 설치시에는 그 반대로 동작되게 된다.

또한, 상기 홀더(600)에는 가진수단(진동을 가할 수 있는 수단)이 설치된다.

상기 가진수단은 초음파가 바람직하며, 도시된 예에서는 초음파발생장치를 기준으로 설명한다.

즉, 상기 홀더(600)의 적소, 바람직하기로는 캐비티(C)와 수평한 선상에는 초음파진동자(700)가 내장되게 설치됨이 바람직하다.

특히, 상기 초음파진동자(700)는 주로 제품의 두께(살)이 두꺼운 부분에 일치되게 배치됨이 더욱 바람직하다.

상기 초음파진동자(700)는 상기 홀더(600)의 외측면에 고정된 초음파발진기(710)와 연결되어 초음파를 발생시킬 수 있도록 구성된다.

그리고, 상기 사이드금형(400) 및 홀더(600)에는 상기 초음파진동자(700)가 인출입될 수 있도록 작동홈(410)이 형성된다.

여기에서, 상기 초음파진동자(700)는 도 3의 도시와 같이, 초음파발진기(710)에 구비된 실린더 등으로 이루어진 구동수단(730)에 연결되어 전후진이 가능한 작동로드(740)상에 연결고정되어 상기 작동홈(410) 속에서 전후진 가능하게 설치되며, 이때 상기 초음파진동자(700)의 일부에는 고열개소에서 사용되는 것을 감안하여 냉각쟈켓(720)이 설치될 수 있다.

이때, 상기 초음파진동자(700)를 고열로부터 보호하기 위한 수단으로 냉각쟈켓(720)을 사용하지 않고 단열재를 사용하여 구조를 간소화시킬 수도 있음은 물론이다.

아울러, 상기 초음파진동자(700)는 최소 1개로부터 필요개수만큼 다수개 설치될 수 있음도 당연하다.

또 다른 한편, 도 4에 도시된 바와 같은 격자무늬형 벤트라인(800a,b,c)이 구비될 수 있는데, 상기 벤트라인(800a,b,c)은 상술한 하부금형(200)의 상단면 적소, 상부금형(300)의 하단면 적소 및 펀치(310)가 접촉가압되는 이형판(330)의 하단면 적소형 음각형태로 형성될 수 있다.

이러한 벤트라인(800a,b,c)은 도시된 형태로 국한되지 아니하고 다양한 형태 및 형상이 가능하며, 이들의 기능은 가압성형시 반응고 금속재료로부터 발생되는 기포를 흡수하여 제품불량을 미연에 방지키 위함이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 작동관계는 다음과 같다.

먼저, 베이스플레이트(100)를 중심으로 하여 다수의 내열볼트(130a,b)를 통해 하부금형(200)을 견고히 고정하고, 냉각쟈켓(140a,b)을 통해 냉각수를 공급, 배출시킬 수 있도록 구성한 다음 그와 유사한 형태로 상부금형(300)과 사이드금형(400)을 배치고정하여 이들 금형 사이에 성형공간, 즉 성형하고자 하는 부품의 형상인 캐비티(C)를 형성하게 된다.

이 과정에서, 상기 각 금형의 대향면 적소에는 도 4에서 설명한 격자무늬형 벤트라인(800a,b,c)이 형성된 상태이다.

뿐만 아니라, 사이드금형(400)의 장착과 동시에 초음파진동자(700)는 작동홈(410)을 따라 전진하여 초음파 진동을 가할 수 있는 상태를 유지하게 된다.

이렇게 하여, 캐비티(C)가 형성되면 성형하고자 하는 반응고 금속소재, 이를테면 알루미늄이나 알루미늄합금, 마그네슘이나 마그네슘합금, 아연이나 아연합금, 구리나 구리합금, 철계합금 등의 고액공존 금속재료를 상기 캐비티(C) 내부로 주입시킨다.

이때, 상기 고액공존 금속재료가 캐비티(C) 내부로 주입되는 시점에서부터 상기 금속재료가 캐비티(C) 내부로 만충(100% 충전)되어 플러저를 통해 상부금형(300)이 동작되어 상기 반응고 금속재료를 가압하기 전까지 시험에 의해 결정된 적절한 진동주파수와, 진동수, 진동의 강도 등을 조절하면서 초음파발진기(710)를 통해 발생된 초음파가 상기 초음파진동자(700)를 통해 캐비티(C) 내부의 반응고 금속재료에 가해지게 된다.

이 과정에서, 상기 초음파진동자(700)의 주변에는 냉각쟈켓(720)을 통해 공급된 냉각수가 순환 배출되게 되므로 고온의 환경속에서도 충분히 보호되면서 원활하게 동작될 수 있다.

이와 같은 초음파 가진에 의해 캐비티(C)에 주입된 반응고 금속재료는 캐비티(C) 내부에서 교반되면서 균일한 냉각을 이루게 되고, 편석이 없어지게 된다.

이후, 플런저의 동작에 의해 상부금형(300)이 하강하기 시작하면 초음파 가진을 종료함과 동시에 원래 위치인 홀더(600) 내부로 상기 초음파진동자(700)를 이동시켜 대기하도록 하고, 상부금형(300)을 통해 가압성형하게 된다.

이때에는, 상기 상부금형(300)이 중실체로 되어 있고, 또한 내부는 냉각수에 의해 냉각되기 때문에 고압성형도 가능하게 된다.

성형이 완료되면 사이드금형(400)이 이형되게 되고, 이어 베이스플레이트(100)에 설치된 작동로드(110)가 상승하면서 이형핀(120)이 성형된 제품의 하단면을 밀게 되며, 동시에 상부금형(300)이 상승하게 되므로 성형된 제품은 상부금형(300)의 하단면에 부착된 상태로 상향이동되게 된다.

이때, 상부금형(300)에 설치된 펀치(310)가 하강하면서 이형판(330)을 밀어줌으로써 상부금형(300)에 부착되어 있던 성형된 제품은 탈거되게 된다.

이후, 가공작업을 통해 제품의 표면 품위를 향상시킨 다음 후속공정으로 반송되게 된다.

이와 같이, 가진수단을 통해 반응고 금속재료를 가압성형하기 직전까지 캐비티(C) 내부에서 교반시킴으로써 편석을 제거하고 두께 편차에 따른 응고속도 불일치로 발생되던 불량도 제거할 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 전체적으로 균일하고 미세한(10~60㎛) 구상화 조직을 갖는 단조 제품을 얻을 수 있음은 물론 조직이 치밀하고 경량화가 가능하며 기계적성질도 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 교반방식에 비해 저렴하고 구조가 간단하여 에너지 소모도 적고 제품 성형시간도 단축시킬 수 있어 생산성이 향상됨은 물론 수냉식을 채용하여 상부금형을 냉각시킬 수 있도록 함으로써 고압성형도 가능한 효과를 제공한다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 내부 중심에 성형제품 탈거용 펀지를 갖는 상부금형, 성형제품 탈거용 이형핀을 구비한 하부금형, 홀더에 의해 외측이 지지고정되는 사이드금형이 조합되어 캐비티를 이루고, 홀더를 관통하여 캐비티 인접위치까지 인출입되게 설치되는 초음파진동자, 이의 진동원인 초음파발진기를 포함하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치에 있어서;

   상기 초음파진동자는 작동로드에 고정되고, 상기 작동로드는 실린더에 연결되며, 상기 실린더는 상기 초음파발진기에 고정된 것을 특징으로 하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 초음파진동자에는 이를 냉각시키기 위한 냉각쟈켓 혹은 열 차단을 위한 단열재가 구비된 것을 특징으로 하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 상부금형은 중실체로 형성되고, 내부에는 냉각수를 공급, 순환, 배출시키는 냉각쟈켓이 설치된 것을 특징으로 하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치.
5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 상부금형의 내부 적소에는 전열히터가 부설된 것을 특징으로 하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 상부금형은 그 중앙을 관통한 공간내에 상기 펀치의 편마모를 방지하는 가이드부쉬가 더 구비된 것을 특징으로 하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치.
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 상부금형의 하단면 및 하부금형의 상단면 적소에는 격자무늬형 벤트라인이 음각된 것을 특징으로 하는 초음파 교반식 반응고 성형용 금형장치.

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