KR100781782B1 - 초음파 진동에 의한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및그 피스톤 - Google Patents

초음파 진동에 의한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및그 피스톤 Download PDF

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손기영
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Abstract

본 발명은 초음파 진동을 이용한 피스톤 성형방법, 성형장치 및 그 피스톤에 관한 것으로, 상기 피스톤의 외경 형상을 성형할 제1캐비티 및 제2캐비티가 형성된 제1금형 및 제2금형을 준비하고, 상기 피스톤의 상부 및 하부를 성형할 상부금형 및 하부금형을 준비하는 금형 준비단계; 고체 소재를 가열하여서 상기 금형에 의해 성형될 반고체소재로 만드는 소재 준비단계; 상기 반고체소재를 상기 제1금형 및 제2금형의 제1캐비티 및 제2캐비티 사이에 공급하는 소재 공급단계; 상기 제1금형 및 제2금형을 가압하여서 상기 반고체소재의 외경 형상을 성형하는 제1성형단계; 상기 제1성형단계와 동시에 상기 제1금형 및 제2금형에 초음파 진동을 가하는 제1초음파 진동단계; 상기 제1초음파 진동단계 후 상기 상부금형 및 하부금형을 가압하여서 상기 반고체소재의 상부 및 하부를 성형하는 제2성형단계; 상기 제2성형단계와 동시에 상기 제1금형 및 제2금형에 초음파 진동을 가하는 제2초음파 진동단계; 성형된 제품을 상기 금형들로부터 분리하여 냉각하는 냉각단계;로 이루어진다.
이러한 본 발명은, 피스톤을 제조하기 위해 여러 절삭 공정을 수행하였던 종래와는 달리 압축, 성형으로 이루어진 간단한 공정을 통해 피스톤이 제조되므로 그 제조 과정이 간편하고 신속하며, 제품의 성형시 반고체소재를 사용하므로 액상의 소재를 사용하여 성형할 때보다 성형된 제품의 정밀도 유지와 변형률이 감소된다.
특히 알루미늄 소재를 압축, 성형할 시 성형된 제품과 금형의 캐비티 간에 경계면 분리가 신속하고 원활하게 이루어지도록 금형에 초음파 진동을 전달하므로, 소재에 포함된 기공의 배출이 원활하고, 금형의 캐비티에 알루미늄 소재가 빌트업서페이스(surfase)되는 현상이 방지되며, 이에 따라 고속 회전에 적합한 알루미늄 소재를 이용하여 피스톤을 제조할 수 있을 뿐 아니라, 성형완료된 제품의 표면거칠기가 향상되어서 별도의 다듬질공정 공정없이 피스톤을 곧바로 사용할 수 있다.
금형, 제1금형, 제1캐비티, 제2금형, 제2캐비티, 상부금형, 하부금형, 초음파 발진기, 루프, 절점, 반고체소재, 피스톤

Description

초음파 진동에 의한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및 그 피스톤{Piston manufacturing process for vehicles by ultrasonic vibration and manufacturing device and the piston}
도1 내지 도 5는 초음파 진동에 의한 차량용 피스톤의 제조 과정의 일실시예를 순차적으로 보인 개략적 단면도들
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 금형 11 : 제1금형
11a : (제1금형의) 제1캐비티 11b : (제1금형의) 제1돌부
12 : 제2금형 12a : (제2금형의) 제2캐비티
12b : (제2금형의) 제2돌부 13 : 상부금형
14 : 하부금형 20 : 초음파 발진기
21 : 루프 22 : 절점
30 : 반고체소재 40 : 피스톤
41 : 관통구멍 42 : 상부구멍
43 : 하부구멍
본 발명은 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및 그 피스톤에 관한 것으로, 더 상세하게는 반고체소재를 금형으로 가압, 성형하고 이때 금형에 초음파 진동을 전달하여서, 소재 내의 기공 배출이 원활히 이루어지도록 하며, 성형된 소재와 금형 간의 빌트업 서페이스 경계면 분리가 확실하게 이루어지도록 하는 초음파 진동에 의한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및 그 피스톤에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 피스톤은 유체(流體)의 압력을 받아 실린더 속을 왕복운동하는 원판형 또는 원통형의 부품으로써, 가스나 그 밖의 유체에서 압력을 받아 왕복운동을 할 뿐만 아니라 피스톤의 왕복운동으로 가스, 유체에 압력을 주어 압축력을 미치는 작용도 한다.
상술한 작용을 하는 피스톤은 증기기관, 내연기관 등 원동기의 주요 부품이고, 유압기기, 압축기(컴프레서) 등에도 사용되며, 목적에 따라 여러 가지 구조로 제조된다.
이러한 피스톤은, 헤드부와 링부와 스커트부로 나누어지는 바, 헤드부는 폭발가스의 고온, 고압을 받는 천장부분으로 살두께는 열변형력 등에 견딜 수 있도록 고려되어 있다. 링부는 피스톤 주위에 2∼4개 홈을 파고, 여기에 특수주철로 만든 피스톤링을 끼운다. 피스톤링은 피스톤과 실린더 사이의 기밀(氣密)을 유지하는 역할을 함과 동시에 실린더 위의 기름을 긁어낸다. 스커트부는 측압(側壓)을 받는 부 분이며, 그 바깥지름은 실린더 안지름보다 다소 작게 하여 열팽창에 대비한다.
피스톤 중앙에는 피스톤핀이 지나며, 이 피스톤핀과 크랭크가 연접봉(connecting rod)에 의해 연결된다.
이와 같은 피스톤은 지름 4cm 이하의 작은 것에서부터 지름 80cm의 것까지 있으며, 대체로 저속회전에 사용되는 것은 주철로 만들지만 차량용 피스톤과 같이 고속회전에 사용되는 것은 알루미늄 소재로 만든다.
이러한 종래 차량용 피스톤은 보통 절삭가공에 의해 가공되는데, 그 가공순서는 다음과 같다. 먼저 가공될 소재를 준비한 후, 그 소재의 센터(center)를 가공하며, 이를 선삭(turning) 가공한다. 그리고 드릴링(drilling) 가공, 슬롯팅(slotting) 가공 및 디버링(deburring) 가공 등의 공정이 있게 된다. 이러한 여러 단계의 피스톤 절삭가공은 피스톤의 전체 가공라인 및 가공시간을 증가시키게 되고 인건비를 상승시키게 되며, 결국 생산성을 저하시키게 된다.
상술한 문제를 해결하기 위해 차량용 피스톤을 금형에 의해 성형가공할 수도 있지만 차량용에 적합한 알루미늄 소재를 용융한 후 금형에 주입하여 성형할 시, 고온의 액상 소재가 냉각되면서 발생되는 큰 온도차에 의해 성형된 제품에 비교적 큰 변형이 발생된다. 또한 액상의 소재에 포함된 다량의 기공들이 원활히 배출되지 못한 상태에서 그대로 응고되므로 제품의 표면거칠기를 떨어뜨리고 제품의 내구성을 저하시키게 된다.
그리고 고온의 용융 소재가 금형의 캐비티 내에서 가압, 성형될 시 캐비티 내면에 빌트업 서페이스(Built-up surfase)되는 문제가 발생된다. '빌트업'이란 보통 절삭 가공 중 고온, 고압에 의해 칩이 용융되어서 공구에 눌러 붙게 되는 것을 말하지만, 여기서는 고온의 용융 소재가 금형에 의해 고압을 받을시 캐비티 내에 달라 붙는 것을 지칭한다.
이와 같이, 성형된 제품의 변형문제, 다량의 기공들이 원활히 배출되지 못하는 문제 및 성형된 제품과 금형 사이에 발생되는 빌트업 서페이스 문제 등의 제반 문제들로 인해 제품의 전체 품질이 저하되었으며, 성형완료 후 별도의 가공작업을 통해 그 표면을 다듬는 부가적인 작업이 병행되었다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 제조가 매우 간단하도록 한 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및 그 피스톤을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 고속회전용 알루미늄 소재의 변형을 최소화시키면서 가압, 성형할 수 있도록 한 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및 그 피스톤을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 성형된 제품과 금형의 캐비티 간의 경계면 분리가 신속하고 원활하게 이루어지도록 한 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및 그 피스톤을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 성형완료된 제품의 표면거칠기가 향상되도록 한 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법, 제조장치 및 그 피스톤을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법은, 차량용 피스톤을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 피스톤의 외경 형상을 성형할 제1캐비티 및 제2캐비티가 형성된 제1금형 및 제2금형을 준비하고, 상기 피스톤의 상부 및 하부를 성형할 상부금형 및 하부금형을 준비하는 금형 준비단계; 고체 소재를 가열하여서 상기 금형에 의해 성형될 반고체소재로 만드는 소재 준비단계; 상기 반고체소재를 상기 제1금형 및 제2금형의 제1캐비티 및 제2캐비티 사이에 공급하는 소재 공급단계; 상기 제1금형 및 제2금형을 가압하여서 상기 반고체소재의 외경 형상을 성형하는 제1성형단계; 상기 제1성형단계와 동시에 상기 제1금형 및 제2금형에 초음파 진동을 가하는 제1초음파 진동단계; 상기 제1초음파 진동단계 후 상기 상부금형 및 하부금형을 가압하여서 상기 반고체소재의 상부 및 하부를 성형하는 제2성형단계; 상기 제2성형단계와 동시에 상기 제1금형 및 제2금형에 초음파 진동을 가하는 제2초음파 진동단계; 성형된 제품을 상기 금형들로부터 분리하여 냉각하는 냉각단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법의 다른 특징은, 상기 소재 준비단계에서, 상기 반고체소재는 알루미늄 소재로 이루어지며, 특히 60계열로 이루어진다.
본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법의 또 다른 특징은, 상기 반고체소재는, 고형의 알루미늄 소재 30-70%와 액상의 알루미늄 소재 70-30%가 혼합되어 이루어지며, 특히 고형의 소재 60%와 액상의 소재 40%가 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법의 또 다른 특징은, 상기 제1성형단계에서, 상기 제1금형 및 제2금형의 가압 부위는 초음파 진동의 절점 부분에서 이루어진다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조장치는, 차량용 피스톤을 제조하기 위한 장치에 있어서, 상기 피스톤의 외경 형상을 성형할 제1캐비티 및 제2캐비티가 형성된 제1금형 및 제2금형과, 상기 피스톤의 상부 및 하부를 성형할 상부금형 및 하부금형으로 이루어진 금형; 상기 제1금형의 제1캐비티 및 제2금형의 제2캐비티 사이에 공급되고 상기 제1금형 및 제2금형에 의해 압축,성형되는 반고체소재; 상기 제1금형 및 제2금형에 연결되고 상기 반고체소재가 상기 제1금형, 제2금형 및 상부금형, 하부금형에 의해 압축,성형될 시 상기 제1금형 및 제2금형에 초음파 진동을 전달하는 초음파 발진기;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤은, 상술한 제조방법들 중 어느 하나의 방법에 의해 제조된다.
따라서, 피스톤을 제조하기 위해 여러 절삭 공정을 수행하였던 종래와는 달리 압축, 성형으로 이루어진 간단한 공정을 통해 피스톤이 제조되므로 그 제조 과 정이 간편하고 신속하며, 제품의 성형시 반고체소재를 사용하므로 액상의 소재를 사용하여 성형할 때보다 성형된 제품의 변형률이 감소된다.
특히 알루미늄 소재를 압축, 성형할 시 성형된 제품과 금형의 캐비티 간에 경계면 분리가 신속하고 원활하게 이루어지도록 금형에 초음파 진동을 전달하므로, 소재에 포함된 기공의 배출이 원활하고, 금형의 캐비티에 알루미늄 소재가 빌트업서페이스되는 현상이 방지되며, 이에 따라 고속 회전에 적합한 알루미늄 소재를 이용하여 피스톤을 제조할 수 있을 뿐 아니라, 성형완료된 제품의 표면거칠기가 향상되어서 별도의 다듬질 공정없이 피스톤을 곧바로 사용할 수 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.
도1 내지 도 5는 초음파 진동에 의한 차량용 피스톤의 제조 과정의 일 실시예를 순차적으로 보인 개략적 단면도들로써, 먼저, 고속 회전용 피스톤에 적합한 알루미늄 소재를 빌트업 서페이스가 발생되지 않도록 압축, 성형하기 위한 본 발명 초음파 진동에 의한 차량용 피스톤 제조장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
이러한 본 발명 제조장치는 금형(10)과, 이 금형(10)에 의해 성형되는 소재인 반고체소재(30)와, 반고체소재(30)를 성형할 시 금형(10)에 초음파 진동을 전달하는 초음파 발진기(20)로 이루어진다.
금형(10)은 하부베이스(1) 상에 안착되며 제1금형(11), 제2금형(12), 상부금 형(13) 및 하부금형(14)으로 이루어진다. 제1금형(11)은 후술할 피스톤(40) 외경 형상의 일부를 성형할 제1캐비티(11a)가 형성되어 있고 그 중앙 부분에 피스톤(40)에 형성된 관통구멍(41)의 일부를 성형할 제1돌부(11b)가 형성되어 있다. 제2금형(12)은 피스톤(40) 외경 형상의 나머지 부분을 성형할 제2캐비티(12a)가 형성되어 있고 그 중앙 부분에 피스톤(40)에 형성된 관통구멍(41)의 나머지 부분을 성형할 제2돌부(12b)가 형성되어 있다. 이러한 제1금형(11)과 제2금형(12)은 수평방향을 따라 서로 결합되거나 분리되면서 이들 사이에 위치된 후술할 반고체소재(30)를 성형하거나 성형된 제품을 분리할 수 있도록 한다.
상부금형(13)은 제1금형(11) 및 제2금형(12)의 상부에 위치되고 수직방향으로 왕복이송되면서 이들 사이에 구비된 반고체소재(30)의 상부를 성형하며, 하부금형(14)은 제1금형(11) 및 제2금형(12)의 하부에 위치되고 수직방향으로 왕복이송되면서 이들 사이에 구비된 반고체소재(30)의 하부를 성형한다.
반고체소재(30)는, 상술한 바와 같이 제1금형(11)의 제1캐비티(11a) 및 제2금형(12)의 제2캐비티(12a) 사이에 공급되고 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 의해 압축,성형된다. 이러한 반고체소재(30)로는 고속 회전용 피스톤에 적합한 알루미늄 소재를 사용하며, 특히 60계열의 알루미늄을 사용한다.
60계열의 알루미늄은, 경량이며 고속절삭에 적합하여 고속 회전용 피스톤을 제조할 때에 적합하지만 압축, 성형시 금형의 캐비티 내에 달라붙는 성질이 있어서 그 성형이 용이하지 못하였는 바, 후술할 본 발명의 초음파 진동 방법에 의해 이를 가능하게 하였다.
이러한 반고체소재(30)는 고형의 알루미늄 소재 30-70%와 액상의 알루미늄 소재 70-30%가 혼합되어 이루지며, 좀 더 구체적으로는 고형의 소재 60%와 액상의 소재 40%가 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 반고체소재(30)를 만들기 위해 준비된 고형의 알루미늄 소재에 열을 가하게 되는 바, 고형의 소재를 재결정온도 이하로 가열하면 인접한 경계조건에서 고체와 액체가 상존하게 된다. 이러한 반고체소재(30)는 액상의 소재에 비해 유동성이 떨어지지만 압축, 성형에 필요한 유동성은 충분히 확보되며, 따라서 적은 힘으로서 비교적 쉽게 성형할 수 있게 된다. 특히 반고체소재(30)로 성형된 제품은 액상의 소재로 성형된 제품에 비해 제품의 완성도가 향상되며 따라서 성형완료시 별도의 다듬질 기계가공을 하지 않고 곧바로 사용할 수 있는 장점을 갖는다.
고형의 소재를 반고체소재(30)로 만들기 위해서 인덕션 시스템을 포함한 다양한 가열장치가 사용될 수 있으며, 통상의 지식을 가진 자가 적절히 선택하여 사용할 수 있을 것이다.
초음파 발진기(20)는, 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 연결되고 반고체소재(30)가 제1금형(11), 제2금형(12) 및 상부금형(13), 하부금형(14)에 의해 압축,성형될 시 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 전달한다.
이러한 초음파 발진기(20)는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이 제1금형(11) 및 제2금형(12)의 상부에 설치되지만 진동자에 의해 발생된 초음파 진동이 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 전달될 수 있는 구성이면 금형의 어느 위치에 설치되든지 무방하다.
한편 금형의 캐비티에 액상의 소재를 주입하든지 본 발명과 같이 반고체소재(30)를 공급하든지 소재 또는 소재 및 캐비티 사이에는 미세 기공이 함유되어 있으며, 이를 적절히 제거하지 못하면 미세 기공이 소재에 함유된 채로 성형되어서 제품의 내구성을 저하시키고 그 표면거칠기를 저하시키는 등의 문제가 발생된다.
상술한 초음파 발진기(20)는 금형(10)에 의해 반고체소재(30)가 압축, 성형될시 금형(10)에 초음파 진동을 전달하여서 상술한 문제가 발생되는 것을 미연에 방지한다. 즉, 초음파 발진기(20)에 의해 금형(10)에 전달된 초음파 진동은 소재의 원소 운동을 활발하게 하여서 소재에 함유된 미세 기공이 외부로 원활히 배출되도록 하며, 소재와 금형의 캐비티 사이의 경계면 분리가 가속화되도록 하여서 압축, 성형된 제품이 금형의 캐비티로부터 원활히 분리되도록 한다.
초음파 진동에 의한 상술한 효과가 극대화되려면 초음파 발진기(20)에서 발생되는 초음파가 10-30KHz의 진동과 5-30미크론의 진폭을 갖는 것이 바람직하다.
한편 초음파 발진기(20)에 의해 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동이 전달되면 제1금형(11) 및 제2금형(12)에는 루프(roof; 21) 부분과 절점(node; 22) 부분이 발생된다. 여기서 '루프(21)'란 초음파 진동시 진폭을 가지며 실질적으로 초음파 진동을 하여서 금형이나 소재에 영향을 미치는 부분을 말한다. '절점(22)'이란 진폭이 제로인 부분을 말한다. 초음파 진동이 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 전달되어도 이러한 절점(22) 부위에서는 금형에 영향을 미치지 못하게 된 다.
그러므로 제1금형(11)과 제2금형(12)을 가압하기 위해서 도시되지 않은 별도의 가압수단(미도시)이 연결될 시 초음파 진동의 진폭이 제로인 절점(22) 부분에 연결되며, 이에 따라 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 전달되는 초음파 진동을 방해하지 않으면서 제1금형(11) 및 제2금형(12)을 작동시킬 수 있다.
이러한 초음파 발진기(20)에 의한 초음파 진동 발생시간은 보통 수초간 이루어지며, 그 시간은 성형될 소재의 크기 및 질량과 비례한다.
본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조장치는 상술한 바와 같이 그 금형(10)이 제1금형(11), 제2금형(12), 상부금형(13), 하부금형(14)으로 이루어지지만, 피스톤의 형태에 따라 이보다 더 많은 금형들로 이루어질 수도 있다.
또한 본 발명 제조장치는 다수의 금형 조각들이 아니라 한 쌍의 금형만으로 이루어질 수도 있다. 도시하지는 않았지만 한 쌍의 금형으로 이루어진 본 발명 제조장치의 일 실시예를 들면, 피스톤을 성형할 제1캐비티(11a) 및 제2캐비티(12a)가 형성된 제1금형(11) 및 제2금형(12)으로 이루어진 금형(10)과, 제1금형(11)의 제1캐비티(11a) 및 제2금형(12)의 제2캐비티(12a) 사이에 공급되고 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 의해 압축,성형되는 반고체소재(30)와, 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 연결되고 반고체소재(30)가 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 의해 압축,성형될 시 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 전달하는 초음파 발진기(20)로 이루어질 수 있으며, 이러한 본 발명도 도 1 내지 도 5를 통해 설명한 바와 동일한 작용, 효과를 갖는다.
도1 내지 도 5를 참조하여 본 발명 초음파 진동에 의한 차량용 피스톤 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 피스톤(40)의 외경 형상부를 성형할 제1캐비티(11a) 및 제2캐비티(12a)가 형성된 제1금형(11) 및 제2금형(12)을 준비하고, 피스톤(40)의 상부구멍(42) 및 하부구멍(43)을 성형할 상부금형(13) 및 하부금형(14)을 준비한다. 이러한 금형(10)은 제조할 피스톤의 크기, 형태에 따라 달라질 수 있다.
금형(10)이 준비되면 고체 소재를 가열하여서 금형(10)에 의해 성형될 반고체소재(30)로 만든다. 고체 소재를 반고체소재(30)로 만들어서 금형(10)에 공급하려면 피스톤을 성형하기 위한 제조라인에 인덕션 시스템 등의 가열수단을 더 설치할 수 있으며, 고형의 소재가 가열수단을 통과하여서 반고체소재(30)로 가열된 후 금형(10)에 투입되도록 할 수 있다.
반고체소재(30)는 도 1에 도시한 바와 같이 제1금형(11)의 제1캐비티(11a) 및 제2금형(12)의 제2캐비티(12a) 사이에 공급되며, 제1금형(11) 및 제2금형(12)을 가압하여서 반고체소재(30)의 외경 형상을 1차로 성형한다.
이러한 반고체소재(30)는, 알루미늄 소재로 이루어지며, 특히 고속 회전용 피스톤에 적합한 60계열의 알루미늄 소재로 이루어진다. 상술한 반고체소재(30)는, 고형의 소재 30-70%와 액상의 소재 70-30%가 혼합되어 이루어질 수 있으며, 고형의 소재 60%와 액상의 소재 40%가 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
반고체소재(30)를 압축, 성형하기 위해 제1금형(11) 및 제2금형(12)에는 유 압실린더 등으로 이루어진 가압수단(미도시)이 연결되는 바, 이 가압수단에 의한 제1금형(11), 제2금형(12)의 가압부위는 초음파 진동 부분 중 절점(22) 부위가 적합하다. 절점(22) 부위의 제1금형(11) 및 제2금형(12)을 파지하면 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 전달되는 초음파 진동을 방해하지 않는다. 또한 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동이 전달되면 그 진폭에 의해 제1금형(11) 및 제2금형(12)이 가열되는 바, 그 가열 정도는 진폭이 가장 큰 루프(21) 부분에서 최고가 되고 진폭이 제로인 절점(22) 부위에서 최저가 된다. 따라서 가압수단이 제1금형(11) 및 제2금형(12)의 절점(22) 부위에 연결될 시 초음파 진동에 의한 고온으로부터 어느 정도 보호된다.
이와 같이 제1금형(11) 및 제2금형(12)이 가압되면 이들 사이의 반고체소재(30)가 제1캐비티(11a) 및 제2캐비티(12a)의 형상에 따라 압축, 성형되면서 피스톤 형태로 1차 성형된다.
제1성형단계와 동시에 도 2에 도시한 바와 같이 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 가하는 제1초음파 진동단계가 있게 된다. 이 제1초음파 진동단계에서, 10-30KHz의 초음파 진동과 5-30미크론의 진폭을 갖도록 가진시키며, 이때 제1금형(11) 및 제2금형(12)의 가압 부위는 상술한 바와 같이 초음파 진동의 절점(22) 부분에서 이루어진다.
이러한 제1초음파 진동단계를 통해 반고체소재(30)에 포함된 미세 기공이 외부로 원활히 배출되도록 하며, 반고체소재(30)와 제1캐비티(11a), 제2캐비티(12a) 사이의 경계면 분리가 가속화되도록 하여서 압축, 성형된 제품이 금형의 캐비티로 부터 원활히 분리되도록 한다.
제1초음파 진동단계 후 상부금형(13) 및 하부금형(14)을 가압하여서 반고체소재(30)의 상부 및 하부를 성형하는 제2성형단계가 있게 된다. 이러한 제2성형단계를 통해 피스톤(40)의 상부구멍(42) 및 하부구멍(43)이 성형되며 이와 같이 하여 피스톤의 전체 형태를 이루게 된다.
이러한 제2성형단계와 동시에 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 가하는 제2초음파 진동단계가 있으며, 이 제2초음파 진동단계는 제1초음파 진동단계와 동일한 조건으로 동일한 효과를 발생시키기 위해 수행된다. 이와 같이 하여 피스톤(40)의 성형이 완료되면 성형된 제품을 금형(10)으로부터 분리하여 냉각하므로 그 제조를 완료한다.
이러한 본 발명은, 피스톤(40)의 제조가 매우 간단하여서 전체 작업 공수가 절감되고 이에 따라 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다. 즉, 피스톤을 제조하기 위해 여러 절삭 공정을 수행하였던 종래와는 달리 압축, 성형으로 이루어진 간단한 공정을 통해 피스톤(40)이 제조되므로 그 제조 과정이 간편하고 신속하다.
또한, 제품의 성형시 액상의 소재를 사용하는 것이 아니라 반고체소재(30)를 사용하므로 압축, 성형 후 냉각시간이 단축되며 액상의 소재가 고체로 응고되면서 많은 변형이 발생되었던 종래의 제반 문제도 해결된다.
가장 중요한 점으로서 본 발명은 알루미늄 소재를 압축, 성형할 시 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 전달하므로 성형된 제품과 금형의 캐비티 간에 경계면 분리가 신속하고 원활하게 이루어지도록 하였다.
따라서 반고체소재(30) 내의 미세 기공과 반고체소재(30) 및 제1캐비티(11a), 제2캐비티(12a) 사이의 미세 기공이 외부로 원활히 배출되므로 제품의 내구성 및 표면 거칠기가 향상된다. 또한 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 전달하므로 제1금형(11)의 제1캐비티(11a) 및 제2금형(12)의 제2캐비티(12a)에 알루미늄 소재가 빌트업 서페이스되는 현상이 방지된다.
그러므로 고속 회전에 적합한 알루미늄 소재를 이용하여 양질의 피스톤(40)을 제조할 수 있으며, 성형완료된 피스톤(40)의 표면거칠기가 향상되어서 별도의 다듬질 공정없이 피스톤(40)을 곧바로 사용할 수 있는 장점을 갖는다.
이러한 본 발명 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법은 제1금형(11), 제2금형(12), 상부금형(13), 하부금형(14)으로 이루어진 금형(10)에 의해 이루어질 수 있지만, 금형 조각의 갯수 및 그 형태는 제조될 피스톤의 형태에 따라 다를 수 있다. 또한 초음파 진동단계도 두 차례 또는 여러 차례 수행될 수도 있지만 한 차례의 초음파 진동만 가할 수도 있다.
도시하지는 않았지만 한 쌍의 금형 및 한 차례의 초음파 진동만으로 이루어진 본 발명의 제조방법의 구체적인 예를 들면 다음과 같다. 즉, 피스톤의 외경 형상을 성형할 제1캐비티 및 제2캐비티가 형성된 제1금형 및 제2금형을 준비하는 금형 준비단계와, 고체 소재를 가열하여서 금형에 의해 성형될 반고체소재로 만드는 소재 준비단계와, 반고체소재를 제1금형 및 제2금형의 제1캐비티 및 제2캐비티 사이에 공급하는 소재 공급단계와, 제1금형 및 제2금형을 가압하여서 반고체소재를 성형하는 성형단계와, 성형단계와 동시에 제1금형 및 제2금형에 초음파 진동을 가하는 초음파 진동단계와, 성형된 제품을 금형들로부터 분리하여 냉각하는 냉각단계로 이루어질 수 있다. 이러한 본 발명도 도 1 내지 도 5를 통해 설명한 바와 동일한 작용, 효과를 갖는다.
이상에서와 같은 본 발명은, 피스톤을 제조하기 위해 여러 절삭 공정을 수행하였던 종래와는 달리 압축, 성형으로 이루어진 간단한 공정을 통해 피스톤이 제조되므로 그 제조 과정이 간편하고 신속하며, 제품의 성형시 반고체소재를 사용하므로 액상의 소재를 사용하여 성형할 때보다 성형된 제품의 변형률이 감소된다.
특히 알루미늄 소재를 압축, 성형할 시 성형된 제품과 금형의 캐비티 간에 경계면 분리가 신속하고 원활하게 이루어지도록 금형에 초음파 진동을 전달하므로, 소재에 포함된 기공의 배출이 원활하고, 금형의 캐비티에 알루미늄 소재가 빌트업 서페이스되는 현상이 방지되며, 이에 따라 고속 회전에 적합한 알루미늄 소재를 이용하여 피스톤을 제조할 수 있을 뿐 아니라, 성형완료된 제품의 표면거칠기가 향상되어서 별도의 다듬질 공정없이 피스톤을 곧바로 사용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 피스톤(40)의 외경 형상을 성형할 제1캐비티(11a) 및 제2캐비티(12a)가 형성된 제1금형(11) 및 제2금형(12)을 준비하고, 상기 피스톤(40)의 상부 및 하부를 성형할 상부금형(13) 및 하부금형(14)을 준비하는 금형(10) 준비단계;
    고체 소재를 가열하여서 상기 금형(10)에 의해 성형될 반고체소재(30)로 만드는 소재 준비단계;
    상기 반고체소재(30)를 상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)의 제1캐비티(11a) 및 제2캐비티(12a) 사이에 공급하는 소재 공급단계;
    상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)을 가압하여서 상기 반고체소재(30)의 외경 형상을 성형하는 제1성형단계;
    상기 제1성형단계와 동시에 상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 가하는 제1초음파 진동단계;
    상기 제1초음파 진동단계 후 상기 상부금형(13) 및 하부금형(14)을 가압하여서 상기 반고체소재(30)의 상부 및 하부를 성형하는 제2성형단계;
    상기 제2성형단계와 동시에 상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 가하는 제2초음파 진동단계;
    성형된 제품을 상기 금형(10)들로부터 분리하여 냉각하는 냉각단계;로 이루어지는 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법에 있어서, 상기 소재 준비단계에서,
    상기 반고체소재(30)는 알루미늄 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 소재는,
    60계열인 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 반고체소재(30)는,
    고형의 알루미늄 소재 30-70%와 액상의 알루미늄 소재 70-30%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1성형단계에서,
    상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)의 가압 부위는 초음파 진동의 절점(22) 부분에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조방법.
  6. 차량용 피스톤을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    상기 피스톤(40)의 외경 형상을 성형할 제1캐비티(11a) 및 제2캐비티(12a)가 형성된 제1금형(11) 및 제2금형(12)과, 상기 피스톤(40)의 상부 및 하부를 성형할 상부금형(13) 및 하부금형(14)으로 이루어진 금형(10);
    상기 제1금형(11)의 제1캐비티(11a) 및 제2금형(12)의 제2캐비티(12a) 사이에 공급되고 상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 의해 압축,성형되는 반고체소재(30);
    상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 연결되고 상기 반고체소재(30)가 상기 제1금형(11), 제2금형(12) 및 상부금형(13), 하부금형(14)에 의해 압축,성형될 시 상기 제1금형(11) 및 제2금형(12)에 초음파 진동을 전달하는 초음파 발진기(20);로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 차량용 피스톤 제조장치.
  7. 삭제
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