KR100752128B1 - 중공 피스톤 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

자동차 등의 냉방장치를 구성하는 압축기에 사용되는 알루미늄 중공 피스톤과, 마찰 표면 개질 방법에 의해 상기 중공 피스톤을 제조하는 제조 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 중공 피스톤은, 제1 피스톤 부재; 제1 피스톤 부재에 구비되는 제1 접합부; 제1 피스톤 부재와 결합되어 중공부를 형성하는 제2 피스톤 부재; 및 제2 피스톤 부재에 구비되며, 제1 접합부와 접합되는 제2 접합부를 구비한다. 제1 및 제2 접합부는 제1 내지 제3 접합면을 각각 포함한다. 상기한 중공 피스톤은, 제1 접합부와 제2 접합부를 마찰 표면 개질 방법에 의해 접합하기 접합 툴을 구비하는 제조장치에 의해 제조할 수 있다. 상기 제조장치는 숄더; 숄더를 회전시키는 구동 유닛; 제1 및 제2 피스톤 부재를 고정하는 척 부재; 및 제1 및 제2 피스톤 부재와 숄더의 상대적인 위치를 접합선을 따라 이동시키는 이동 유닛을 포함하며, 숄더의 단부에는 제1 및 제2 피스톤 부재의 외경부에 밀착한 상태에서 상기 제1 및 제2 접합부를 마찰 표면 개질 방법에 의해 접합하는 면상의 마찰부가 구비된다. 상기 면상의 마찰부는 링형, 나선형, 또는 바람개비형 중에서 어느 한 형상으로 형성될 수 있다.

마찰, 표면, 개질, 회전 공구, 접합 툴, 중공 피스톤, 자동차, 압축기

Description

중공 피스톤 제조 장치 및 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING OF HOLLOW PISTON AND METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축기용 중공 피스톤의 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축기용 중공 피스톤의 조립 상태를 나타내는 단면도이다.

도 3 및 도 4는 중공 피스톤 제조장치의 구성도이다.

도 5a 내지 도 5c는 중공 피스톤 제조장치에 사용되는 접합 툴의 다양한 실시예를 나타내는 사시도들이다.

본 발명은 압축기용 중공 피스톤과 그 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 등의 냉방장치를 구성하는 압축기에 사용되는 알루미늄 중공 피스톤과, 마찰 표면 개질 방법을 이용한 중공 피스톤 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 이들 경량합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다.

예를 들어, 자동차의 냉방장치를 구성하는 압축기에는 증발기에서 저압 기체로 된 냉매를 고압으로 압축하여 응축기로 보내도록 실린더 내를 왕복 운동하는 피스톤이 구비된다.

상기한 피스톤은 최근의 자동차 경량화 추세에 따라 고강도, 고 내마모성, 저 열팽창계수, 경량성을 가진 알루미늄 합금으로 제조되고 있으며, 최근에는 경량화를 더욱 촉진하기 위해 속이 빈 형태의 중공 피스톤이 제조되고 있다.

이러한 중공 피스톤은 피스톤의 중량을 줄임으로써 자동차의 연비를 향상시키고, 피스톤 왕복 운동을 용이하게 하여 압축기 효율을 증대시키는 효과가 있다.

이에 따라, 알루미늄 재질의 중공 피스톤을 효과적으로 제조하기 위한 방법에도 많은 연구가 진행되고 있다.

중공 피스톤을 제조하기 위하여 종래에는 아크를 이용한 아크 용접, 레이저나 전자빔과 같은 고밀도 에너지를 이용한 용접, 또는 고상 접합 원리를 이용한 마찰 용접을 사용하였다.

그러나, 상기한 아크 용접은 알루미늄의 변형, 특성 저하, 균열 및 결함이 발생할 확률이 매우 높은 문제점이 있으며, 고밀도 에너지를 이용한 용접은 가격이 매우 비싸고 생산성이 낮은 문제점이 있다.

그리고, 마찰 용접은 마찰 용접기가 매우 고가이며, 마찰 용접 프로세스에 의해 중공 피스톤 내부에 업셋이 발생되고, 업셋량도 일정하지 않게 됨으로써 피스 톤의 무게 균형이 맞지 않는 문제점이 있다. 또한, 마찰 용접시 접합면의 직진도가 일정하지 못한 경우 내부에 산소가 유입되어 국부적으로 균열 및 결함이 발생되는 문제점이 있다.

이러한 문제점들로 인해 근래에는 마찰 교반 용접장치를 이용한 용접 방법이 제안되었는 바, 그 한 예가 대한민국 특허공개번호 2003-0081631호에 개시되어 있다.

상기 특허는 브릿지 형성부 및 이 형성부로부터 돌출된 제1 접합부를 가지는 제1 피스톤 부재와, 제1 피스톤 부재의 제1 접합부와 접합되는 제2 접합부를 가지며 상기 제1 피스톤 부재와 밀폐된 중공부를 형성하는 제2 피스톤 부재로 이루어진 압축기용 중공 피스톤과, 상기한 제1 및 제2 피스톤 부재를 마찰 교반하여 용접하는 용접 툴(tool)을 구비하는 용접장치를 개시하고 있다.

그리고, 상기한 용접 툴은 숄더(shoulder)와, 상기 숄더의 회전 중심으로부터 연장되는 핀(pin)을 구비하는 형상으로 형성하고 있다.

그런데, 상기한 구성의 용접 툴을 사용하여 중공형 피스톤을 제조하는 선행 특허의 피스톤 제조장치는 상기 핀을 상기 제1 및 제2 접합부의 사이에 삽입한 상태에서 용접을 실시하기 때문에 핀과 피스톤 부재의 상대적인 이동시에 발생하는 마찰 반발력으로 인해 공정 시간이 비교적 긴 문제점이 있다.

그리고, 핀에 의해 재결정이 이루어지기 때문에 마찰열이 불충분한 경우에는 재료 내부에 결함이 발생할 수 있다.

또한, 접합 종단부에서 상기 핀에 의한 핀홀이 생성되어 접합부 특성에 악영 향을 미치게 되는 것을 방지하기 위해 상기 선행 특허는 도피부를 형성하고 있지만, 이러한 구성의 중공 피스톤은 상기 도피부가 형성된 부분의 기계적 강도가 다른 부분에 비해 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기한 제1 및 제2 접합부가 피스톤 부재의 외주면에 수직한 제1 접합면과, 이 접합면에 수직한 제2 접합면으로만 이루어져 있어 접합 강도가 만족스럽지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 접합 강도가 향상되고 내부 결함이 최소화된 압축기용 중공 피스톤을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 압축기용 중공 피스톤을 효과적으로 제조할 수 있는 제조 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 첫 번째 목적은,

제1 피스톤 부재;

상기 제1 피스톤 부재에 구비되는 제1 접합부;

상기 제1 피스톤 부재와 결합되어 중공부를 형성하는 제2 피스톤 부재; 및

상기 제2 피스톤 부재에 구비되며, 상기 제1 접합부와 접합되는 제2 접합부

를 구비하며, 상기 제1 및 제2 접합부는

제1 및 제2 피스톤 부재의 외경부로부터 내경부쪽으로 형성되는 제1 접합면과, 제1 접합면의 단부로부터 설정 각도로 형성되는 제2 접합면 및 상기 제2 접합 면의 단부로부터 상기 내경부까지 형성되는 제3 접합면을 각각 포함하는 압축기용 중공 피스톤에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기한 제1 및 제3 접합면은 서로 평행한 방향으로 형성되며, 제2 접합면은 상기 제1 및 제3 접합면에 대해 수직한 방향으로 형성된다.

그리고, 상기한 제1 피스톤 부재와 제2 피스톤 부재는 외경부 및 내경부가 서로 동일한 크기로 형성된다.

이러한 구성의 중공 피스톤은 제1 및 제2 접합부가 제1 내지 제3의 접합면으로 형성되어 있으므로 접합 강도가 우수한 효과가 있다.

상기한 구성의 중공 피스톤은 자동차용 냉방장치를 구성하는 압축기에 사용될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 피스톤 부재는 브릿지 형성부를 구비한다.

그리고, 본 발명은 상기한 구성의 중공 피스톤을 효과적으로 제조하기 위한 제조장치로,

상기한 제1 접합부와 제2 접합부를 마찰 표면 개질 방법에 의해 접합하기 위한 접합 툴을 구비하는 마찰 표면 개질장치로서, 상기 접합 툴은,

숄더;

상기 숄더를 회전시키는 구동 유닛;

상기 제1 및 제2 피스톤 부재를 고정하는 척 부재; 및

상기 제1 및 제2 피스톤 부재와 숄더의 상대적인 위치를 접합선을 따라 이동시키는 이동 유닛

을 포함하며, 상기한 숄더의 단부에는 제1 및 제2 피스톤 부재의 외경부에 밀착한 상태에서 상기 제1 및 제2 접합부를 마찰 표면 개질 방법에 의해 접합하는 면상의 마찰부가 구비되는 중공 피스톤 제조장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 면상의 마찰부는 링형, 나선형, 또는 바람개비형 중에서 어느 한 형상으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기한 중공 피스톤 제조장치는 상기 숄더를 이용한 마찰 교반 용접시에 상기 제1 및 제2 피스톤 부재에 작용하는 용접 부하를 지지하는 지지 롤러를 더욱 구비할 수 있다.

상기한 구성의 마찰 표면 개질장치를 이용하여 중공 피스톤을 제조하기 위한 방법으로 본 발명은,

제1 피스톤 부재와 제2 피스톤 부재를 척 부재에 고정하여 제1 피스톤 부재의 제1 접합부와 제2 피스톤 부재의 제2 접합부를 밀착시키는 단계;

상기 제1 접합부와 제2 접합부가 밀접된 부분의 상기 제1 및 제2 피스톤 부재 외경부에 숄더를 밀착시키는 단계;

상기 숄더를 상기 제1 및 제2 피스톤 부재쪽으로 가압하면서 설정 속도로 회전시켜 상기 제1 및 제2 접합부를 마찰 표면 개질하는 단계;

상기 제1 및 제2 피스톤 부재와 숄더의 상대적인 위치를 접합선을 따라 변경하면서 제1 및 제2 접합부의 접합을 완료하는 단계; 및

상기 숄더를 제1 및 제2 접합부로부터 분리하는 단계

를 포함하는 중공 피스톤 제조 방법을 제공한다.

이러한 구성의 피스톤 제조장치 및 방법에 의하면, 상기 면상의 마찰부에 의해 마찰 표면 개질에 의한 접합이 이루어지게 된다.

따라서, 숄더에 핀이 구비된 종래의 마찰 교반 용접에 비해서는 얕은 교반층을 형성하게 되지만, 마찰량이 증가하게 되므로 우수한 접합부를 형성할 수 있다.

그리고, 핀이 존재하지 않기 때문에 핀의 삽입에 의해 발생하는 마찰 반발력이 발생하지 않게 되고, 이로 인해 마찰 교반 용접보다 빠른 공정 속도를 가질 수 있다.

또한, 마찰 교반 용접에서는 입열량 감소로 인해 피스톤의 접합부 내부에 결함이 발생할 수 있지만, 마찰 표면 개질 방법을 이용한 본 발명의 실시예에서는 내부 결함이 발생할 확률이 거의 없다.

또한, 핀홀 생성을 방지하기 위한 도피부를 형성할 필요가 없어 중공 피스톤의 기계적 강도를 균일하게 형성할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 중공 피스톤은 압축기, 예컨대 가변 용량형 사판식 압축기에 사용될 수 있다.

가변 용량형 사판식 압축기는 내부에 크랭크실과 흡입실 및 토출실 등의 밀폐 공간을 형성하는 전방 및 후방 하우징을 구비한다. 상기한 전방 및 후방 하우징의 내부에는 원주 방향으로 배열된 다수의 보어를 구비하는 실린더 블록이 내장되고, 실린더 블록의 중앙에는 러그 플레이트가 설치된 구동축이 회전 가능하게 지 지된다.

상기한 러그 플레이트의 일측에는 냉방 부하에 따라 경사각이 가변되는 사판이 힌지 결합되며, 사판에는 상기 사판의 회전에 따라 상기 실린더의 각 보어 내에서 왕복 운동하도록 슈를 개재하여 다수의 피스톤이 설치된다.

상기와 같이 구성된 가변 용량식 사판 압축기에 이용되는 중공 피스톤은 왕복 이송에 따른 관성력을 줄이기 위하여 내부에 중공부를 구비하는데, 도 1 및 도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 중공 피스톤의 일 실시예를 도시하였다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 중공 피스톤(100)은 제1 피스톤 부재(110)와 제2 피스톤 부재(120)를 구비한다.

제1 피스톤 부재(110)는 브릿지 형성부(112)와 상기 브릿지 형성부(112)로부터 돌출된 제1 접합부(114)를 구비하며, 상기 제1 피스톤 부재(110)와 함께 밀폐된 중공부(122)를 형성하는 제2 피스톤 부재(120)는 접합 툴(210)을 이용한 마찰 표면 개질 방법에 의해 상기 제1 접합부(114)와 접합되는 제2 접합부(124)를 구비한다.

그리고, 상기 제1 피스톤 부재(110)의 제1 접합부(114)와 제2 피스톤 부재(120)의 제2 접합부(124)는 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)의 외경부(OP: outer diameter part)로부터 내경부(IP: inside diameter part)쪽으로 형성되는 제1 접합면(WF1)과, 제1 접합면(WF1)의 단부로부터 설정 각도, 예컨대 90°의 각도로 형성되는 제2 접합면(WF2) 및 상기 제2 접합면(WF2)의 단부로부터 상기 내경부(IP)까지 형성되는 제3 접합면(WF3)을 각각 포함하도록 단차지게 형성된다.

이를 위해, 상기 제1 피스톤 부재(110)와 제2 피스톤 부재(120)는 외경부 및 내경부를 서로 동일한 크기로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 도시하지는 않았지만 상기 제1 및 제3 접합면(WF1,WF3)에 대한 제2 접합면(WF2)의 각도는 적절한 범위 내에서 다양한 각도로 설정할 수도 있다.

이러한 구성의 중공 피스톤(100)은 브릿지 형성부(112)와 제1 접합부(114)를 갖는 제1 피스톤 부재(110)를 성형하는 제1 피스톤 부재 성형 단계와, 상기 제2 접합부(124)를 가지며 제1 피스톤 부재(110)와 결합되어 중공부(122)를 형성하는 제2 피스톤 부재(120)를 성형하는 제2 피스톤 부재 성형 단계와, 접합 툴(210)을 이용한 마찰 표면 개질 방법에 의해 제1 및 제2 접합부(114,124)를 접합하는 단계에 따라 제조할 수 있다.

여기에서, 상기 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)의 성형은 단조 가공에 의해 이루어질 수 있다.

도 3, 도 4 및 도 5a 내지 도 5c에는 제1 및 제2 접합부(114,124)를 접합하기 위한 중공 피스톤 제조장치의 구성을 도시하였다.

도면을 참조하면, 중공 피스톤 제조장치는 제1 피스톤 부재(110)와 제2 피스톤 부재(120)를 각각 파지하여 제1 및 제2 접합부(114,124)를 밀착시키는 척(220a,220b)을 구비한다.

상기 척(220a,220b)은 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)를 동축상에 설치하며, 또한 회전 가능하게 지지할 수 있다.

그리고, 상기 척(220a,220b)에 지지된 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)는 접합 툴(210)에 의해 상기 제1 및 제2 접합부(114,124)가 마찰 표면 개질되어 접합 된다.

상기 접합 툴(210)은 구동 유닛, 예컨대 모터(M1)에 의해 회전 구동되는 숄더(212)와, 숄더(212)의 단부에 구비되는 면상(面象)의 마찰부(214)를 구비한다.

여기에서, 상기 마찰부(214)를 면상으로 형성하는 이유는 접합 깊이를 증가시킴과 아울러, 핀홀 발생을 억제하기 위한 것이다.

면상의 마찰부(214)는 도 5a 내지 도 5c에 도시한 바와 같이 링형, 나선형 또는 바람개비형 중에서 어느 한 형상으로 형성될 수 있다.

물론, 도시하지는 않았지만, 상기한 면상의 마찰부(214)는 상기한 형상 외에도 다양한 형상으로 형성될 수 있음이 자명하다.

이러한 구성의 마찰부(214)는 제1 및 제2 접합부 사이에 삽입된 상태에서 마찰 교반 용접을 실시하는 종래의 핀과는 달리 상기 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)의 외경부(OP)와 밀접한 상태에서 상기 숄더(212)와 함께 회전되면서 마찰 표면 개질을 이용한 접합을 실시하게 된다.

이러한 마찰 표면 개질 접합은 제1 및 제2 접합부(114,124)의 접합선을 따라 이루어지게 된다. 이를 위해, 상기한 피스톤 제조장치는 이동 유닛을 더욱 구비한다. 상기한 이동 유닛은 척(220a,220b)을 회전시키는 모터(M2)로 구성할 수 있으며, 또한 상기 접합 툴(210)을 이동시키는 수단으로 구성할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 제조장치는 백업 롤러(230)를 더욱 포함할 수 있다. 상기한 백업 롤러(230)는 제1 및 제2 접합부(114,124)의 용접시에 상기 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)에 가해지는 용접 부하를 지지하는 것으 로, 상기한 이동 유닛이 척(220a,220b)을 회전시키는 모터(M2)로 구성되는 경우에는 접합 툴(210)이 배치된 반대쪽에 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 원통형의 피스톤 부재들을 안정적으로 지지할 수 있도록 2개를 인접 설치하는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 피스톤 제조장치는 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)를 척(220a,220b)에 각각 고정한 후, 제1 내지 제3 접합면(WF1,WF2,WF3)이 밀착되도록 제1 및 제2 접합부(114,124)를 접촉시키고, 상기 접합 툴(210)을 일정한 속도로 회전시키면서 제1 및 제2 접합부(114,124) 부분의 외경부(OP)에 밀착시켜 면상의 마찰부(214)에 의해 마찰열을 발생시킴으로써 제1 및 제2 접합부(114,124)를 마찰 표면 개질 접합한다.

이때, 마찰 표면 개질을 효과적으로 실시하기 위해, 상기 접합 툴(210)은 일정한 압력으로 상기 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)를 가압하는 것이 바람직하다.

그리고, 접합 툴(210)과 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)의 상대적인 위치를 변경하면서 접합선을 따라 마찰 표면 개질 접합을 실시함으로써 본 발명의 실시예에 따른 중공 피스톤을 제조한다.

이후, 제1 및 제2 피스톤 부재(110,120)의 접합이 완료된 후에는 상기 접합 툴(210)을 제1 및 제2 접합부로부터 분리한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 2 접합부가 제1 내지 제3의 접합면을 구비하도록 형성되고, 숄더의 단부에 구비되는 마찰부가 링형, 나선형 또는 바람개비형 등의 면상으로 형성되므로, 종래의 중공 피스톤에 비해 접합 강도가 우수하다.

그리고, 핀의 삽입에 의해 발생하는 마찰 반발력이 발생하지 않게 되므로 마찰 교반 용접보다 빠른 공정 속도를 가질 수 있으며, 입열량 감소로 인한 내부 결함이 발생할 확률이 거의 없다.

또한, 핀홀 생성을 방지하기 위한 도피부를 형성할 필요가 없어 중공 피스톤의 기계적 강도를 균일하게 형성할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1 접합부를 갖는 제1 피스톤 부재, 상기 제1 접합부와 접합되는 제2 접합부를 갖고 상기 제1 피스톤 부재와 결합되어 중공부를 형성하는 제2 피스톤 부재를 구비하는 중공 피스톤, 상기 중공 피스톤의 제1 접합부와 제2 접합부를 마찰 표면 개질 방법에 의해 접합하기 위한 접합 툴을 구비하는 중공 피스톤 제조장치에 있어서,

   상기 접합 툴은,

   숄더;

   상기 숄더를 회전시키는 구동 유닛;

   상기 제1 및 제2 피스톤 부재를 고정하는 척 부재; 및

   상기 제1 및 제2 피스톤 부재와 숄더의 상대적인 위치를 접합선을 따라 이동시키는 이동 유닛

   을 포함하며, 상기한 숄더의 단부에는 제1 및 제2 피스톤 부재의 외경부에 밀착한 상태에서 상기 제1 및 제2 접합부를 마찰 표면 개질 방법에 의해 접합하는 면상의 마찰부가 구비되고,

   상기 면상의 마찰부는 링형, 나선형, 또는 바람개비형 중에서 어느 한 형상으로 형성되는 중공 피스톤 제조장치.
6. 삭제
7. 제 5항에 있어서,

   상기 숄더를 이용한 마찰 표면 개질 접합시에 상기 제1 피스톤 부재와 상기 제2 피스톤 부재에 작용하는 용접 부하를 지지하는 지지 롤러를 더 구비하는 중공 피스톤 제조장치.
8. 제 5항에 기재된 중공 피스톤 제조장치를 이용한 중공 피스톤 제조 방법으로서,

   상기 제1 피스톤 부재와 상기 제2 피스톤 부재를 척 부재에 고정하여 상기 제1 피스톤 부재의 제1 접합부와 상기 제2 피스톤 부재의 제2 접합부를 밀착시키는 단계;

   상기 제1 접합부와 상기 제2 접합부가 밀접된 부분의 상기 제1 피스톤 부재및 상기 제2 피스톤 부재의 외경부에 숄더를 밀착시키는 단계;

   상기 숄더를 상기 제1 피스톤 부재 및 상기 제2 피스톤 부재쪽으로 가압하면서 설정 속도로 회전시켜 상기 제1 접합부 및 상기 제2 접합부를 마찰 표면 개질하는 단계;

   상기 제1 피스톤 부재 및 상기 제2 피스톤 부재와 상기 숄더의 상대적인 위치를 접합선을 따라 변경하면서 상기 제1 접합부 및 상기 제2 접합부의 접합을 완료하는 단계; 및

   상기 숄더를 상기 제1 접합부 및 상기 제2 접합부로부터 분리하는 단계

   를 포함하는 중공 피스톤 제조 방법.

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