KR100956977B1

KR100956977B1 - 다이캐스팅방법

Info

Publication number: KR100956977B1
Application number: KR1020090081679A
Authority: KR
Inventors: 한요섭; 강승구; 장정환; 윤창배
Original assignee: 인지에이엠티 주식회사
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2010-05-11

Abstract

본 발명은 다이캐스팅방법에 관한 것이다. 본 발명은, 용탕이 충전되는 성형캐비티(72) 및 성형캐비티(72)에서 연장되는 서브캐비티(74)에 의해 성형물을 성형하는 몰드(70); 상기 몰드(70)의 서브캐비티(74)에 충전된 용탕의 일부를 상기 성형캐비티(72)의 내부에 공급하는 스퀴즈핀(80) 및; 상기 성형캐비티(72)로 공급되는 용탕을 통해 성형캐비티(72)에 충전된 성형물의 밀도를 증가시키는 밀도증가수단;을 포함하며, 상기 서브캐비티(74)는, 상기 스퀴즈핀(80)의 직경(d)에 대해 1.2배 내지 1.8배의 크기로 단부측 직경(D)이 형성된 것을 특징으로 하는 다이캐스팅장치를 이용하여 다이캐스팅을 실시한다. 본 발명은, 전술한 다이캐스팅장치를 이용하여 성형물을 성형하므로 고품위의 주조성형물을 양산할 수 있다.

충전, 서브, 핀, 가압, 운용

Description

다이캐스팅방법 { DIE CASTING METHOD }

본 발명은 금속재 성형물(주조성형물)을 제조하기 위한 다이캐스팅방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 성형과정에서 성형물의 일부분을 가압하여 조직이 건전한 고품위의 주조성형물을 제조할 수 있는 다이캐스팅방법에 관한 것이다.

특히, 알루미늄이나 마그네슘 또는 아연 등과 같은 비철계 금속의 성형물을 제조하는데 이용되는 다이캐스팅방법에 관한 것이다.

일반적으로 다이캐스팅은 금속의 양산 주조법 중 하나로서, 실형상의 일체식 성형과 고생산성, 염가 소재의 활용성 및 우수한 치수형상 등으로 인하여 경량금속의 부품을 사용하는 자동차나 기계 또는 전기 전자제품이나 구조용 금속물품의 생산에 범용적으로 사용된다. 이러한 다이캐스팅은 알루미늄과 아연을 주된 성형재료로 이용하며, 특히 알루미늄을 대표적 성형재료로 많이 이용한다.

최근, 자동차 업계는 연비개선 및 배기가스 저감을 위한 경량화의 방법으로 그동안 주로 사용되었던 철강을 경량금속으로 대처하고 있는 실정이다. 또한, 철도 나 항공기 분야도 고유가 시대를 맞이하여 경량금속의 대처에 의한 경량화를 추진하고 있다. 따라서, 다이캐스팅은 최근 들어 더욱 활성화되고 있다.

이러한 다이캐스팅은 약 40m/s 이상의 초고속 사출과 복잡한 제품의 성형, 신속한 가압 후 지속적인 가압력 유지가 어렵기 때문에 성형성은 우수하지만 성형품의 내부에 미세기포나 크랙 등과 같은 결함들을 피할 수 없다. 따라서, 다이캐스팅은 제조 특성상 두꺼운 성형품이나 고 기밀성 및 고신뢰성의 제품은 양산이 어렵다. 그 결과, 고강도 및 고인성의 제품은 단조나 압출 혹은 용탕단조 등을 사용한다.

하지만, 현재는 상술한 바와 같은 각 업계의 분야별 상황에 의해 철강제품이나 단조품의 알루미늄 다이캐스팅화가 요구되고 있다. 따라서, 기존의 결함을 개선할 수 있는 다이캐스팅 기술의 개발이 시급한 실정이다.

한편, 차량용 엔진피스톤 등과 같은 정밀도가 필요한 자동차 부품은 고신뢰성과 고경량화가 특히 요구되므로 경량의 알루미늄 내열합금을 용융하여 금형주조로 양산하였다. 그러나, 금형주조는 다이캐스팅에 비하여 신뢰성은 우수하나 생산성이 낮고, 치수산포로 인한 후가공이 많으므로 특정 소재 외에는 사실상 만족할 만한 물성과 신뢰성을 획득할 수 없다. 따라서, 자동차 부품은 염가의 고생산성과 후가공이 적은 다이캐스팅을 선호하고 있다.

이러한 자동차 부품 중에서 고신뢰성 제품의 경우 현재 진공다이캐스팅법, 국부가압 다이캐스팅법, 용탕단조 다이캐스팅법, 저속충진 다이캐스팅 및 최근 개발된 반고상을 이용한 다이캐스팅법에 의해 제조되고 있다. 이 중에서 엔진피스톤 과 같이 고강도 고신뢰성이 요구되는 제품은 일본 혼다의 경우 진공다이캐스팅법 및 국부가압 다이캐스팅법이 혼용된 방식으로 제조하고 있다. 이 경우 특정의 소재를 사용하므로 기존의 상용 합금에서의 고품위 성형가능성이 불분명하고, 나아가 제조공법에서 국부가압부위를 후가공으로 제거하므로 공정비용이 가중된다. 특히 국부가압의 경우 가압하는 조건과 형상에 따라 결함이 제거되기도 하나 전혀 효과가 없는 경우도 있으며, 제품내부에 가압력이 작용하면서 오히려 결함이 증가하기도 한다. 따라서, 다이캐스팅은 주요 특징인 일체형 정밀 실형상(net shape) 성형이 가능하여 후가공을 최소화하면서 내부 결함을 억제할 수 있고, 이에 의해 고신뢰성과 고생산성 및 일반 상용합금을 사용하는 국부가압 다이캐스팅법의 개발이 절실하다.

한편, 첨부된 도 1 및 도 2는 전술한 바와 같은 진공 및 국부가압식 다이캐스팅방법을 설명하기 위한 도면으로서, 첨부된 도 1은 대한민국특허청에 출원되어 등록된 등록 제19567호(다이캐스팅방법)의 다이캐스팅장치를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 국부가압기의 확대도이다.

종래기술에 의한 다이캐스팅장치는 도 1에 도시된 바와 같이 사출슬리브(14)의 탕구(15)로 투입된 용탕이 플런저(13)에 의해 고정몰드(26) 및 가동몰드(20)의 캐비티(30)에 고압으로 주입되어 충전됨에 따라 성형품을 성형한다. 이때, 고정몰드(26) 및 가동몰드(20)는 진공시스템에 의해 진공된 상태로 용탕이 주입된다.

이러한 다이캐스팅장치는 도 2에 도시된 바와 같이 캐비티(30)에 용탕이 충전된 후 캐비티(30)의 일부분(35a)으로 스퀴즈핀(36)이 삽입된다. 이때, 스퀴즈 핀(36)은 가이드링(35)을 통해 캐비티(30)의 일부분(35a)으로 삽입되면서 캐비티(30)의 일부분(35a)에 충전된 용탕을 가압하여 캐비티(30)의 내측으로 이동시킨다. 따라서, 캐비티(30)에 형성되는 수축공 및 캐비티(30)의 후육부에 형성되는 기포동공은 용탕에 의해 매립된다. 물론, 이로 인하여 성형품은 치밀한 조직을 갖는다.

다른 한편, 첨부된 도 3은 성형물의 측방을 국부적으로 가압하는 일반적인 측방가압식 다이캐스팅장치를 도시한 것이다. 이러한 일반적인 다이캐스팅장치는 사출슬리브(44)의 탕구(44a)로 투입된 용탕이 플런저(45)에 의해 고압으로 고정몰드(41) 및 가동몰드(42)의 캐비티(43)에 주입되어 충전됨에 따라 주조성형품을 성형한다. 이때, 고정몰드(41) 및 가동몰드(42)는 진공시스템(47)에 의해 진공된 상태로 용탕이 충전된다. 이와 같은 다이캐스팅장치는 캐비티(43)에 용탕이 충전된 후 가압시스템(48)에 의해 캐비티(43)의 양측으로 스퀴즈핀(46)이 삽입된다. 따라서, 다이캐스팅장치는 캐비티의 수축공 및 후육부의 기포동공이 용탕에 의해 매립됨에 따라 조직이 치밀한 주조성형품을 생산한다.

전술한 바와 같이 진공상태로 국부가압을 2차적으로 실시하는 다이캐스팅장치들은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 우수한 기공율을 갖는다. 즉, 전술한 다이캐스팅장치들은 보통다이캐스팅장치나 진공다이캐스팅보다 조직이 치밀한 주조성형품을 양산한다.

그러나, 이러한 도 3의 다이캐스팅장치는 전반적으로 우수한 내부조직을 제공하지만, 스퀴즈핀(46)에 의해 2차적으로 국부가압되는 일부분이 후육부의 내측에 방사상태로 균일하게 분산되지 못하고 일부분에 집중됨에 따라 국부가압되는 일부분이 "

"와 같이 가압력의 방향과 거의 일직선을 이루는 상태로 삽입(함몰)된다. 따라서, 후육부의 내부에 "

"와 같은 일직선의 계면을 형성한다. 즉, 전술한 다이캐스팅장치들에 의해 성형된 주조성형물은 국부가압된 후육부의 일부분만이 가압력에 의해 조직이 매우 치밀해지므로 치밀해진 조직과 그 주변 부위와의 사이에 밀도차에 의한 일직선의 계면이 형성된다. 이로 인해, 주조성형물은 반복 하중상태에서 사용될 경우 계면부위의 균열에 의해 피로강도가 급속하게 악화되어 도 5에 도시된 바와 같이 계면부위에 의한 취성파괴가 발생되는 문제가 있다.

또, 국부가압되는 일부분의 용탕이 방사상으로 골고루 균일하게 분산되지 못하므로 후육부의 조직이 균일하지 못한 문제도 있다.

또한, 국부가압부위가 내부로 함몰되므로 주조성형물의 외관이 미려하지 못하여 상품성이 저하되는 문제도 있다.

이와 달리, 전술한 도 2의 다이캐스팅장치는 국부가압되는 부위가 캐비티(30)의 외측으로 "

"와 같이 돌출형성되고, 돌출부위의 단부(35d)가 직각으로 절곡됨에 따라, 국부가압시 후육부의 내부 보다 약간 더 냉각된 돌출부위의 측방측 표면이 "

"와 같이 후육부의 내부로 혼입되면서 전술한 계면 보다 더욱 극심한 계면을 형성하는 문제가 있다. 이때, 후육부로 삽입되는 부위는 도시된 바와 같이 돌출부위의 단부(35d)가 직각으로 절곡됨에 따라 더욱 방사상으로 분산되지 못할 뿐만 아니라, 스퀴즈핀(36)의 직경과 돌출부위의 직경이 거의 동일하기 측방측 표면까지 함께 후육부로 삽입된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위해 창출된 것으로서, 국부가압되는 부위가 캐비티의 외측에 성형되는 구조로 이루어지고, 국부가압되는 부위의 표면이 후육부로 삽입되는 것이 방지되는 구조를 가지며, 국부가압에 의해 후육부로 삽입되는 용탕을 방사상태로 분산시킬 수 있는 구조로 이루어진 다이캐스팅장치를 이용하여 고품위의 주조성형물을 양산할 수 있는 다이캐스팅방법을 제공하기 위함이 그 목적이다.

특히, 국부가압되는 부위가 가압력에 대응이 가능한 체적으로 이루지며, 더 나아가 국부가압에 의해 함몰되는 부위의 함몰 깊이를 최소화할 수 있도록 설계된 다이캐스팅장치를 이용하여 성형물을 양산할 수 있는 다이캐스팅방법을 제공하기 위함이 그 목적이다.

삭제

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다이캐스팅방법은, 용탕사출기에 의하여 고압으로 주입되는 용탕을 이용하여 금속재 성형물을 성형하는 다이캐스팅장치에 있어서, 성형물의 형상에 대응하는 성형캐비티 및 성형캐비티의 일측 단부에서 연장되어 성형캐비티의 외측으로 돌출형성되는 소정크기의 서브캐비티가 내부에 마련되고, 이 서브캐비티 및 성형캐비티에 고압으로 주입되어 충전되는 상기 용탕에 의해 금속재 성형물을 성형하는 분할가능한 구조로 이루어진 몰드; 상기 몰드에 형성된 상기 서브캐비티의 단부로 삽입되면서 서브캐비티에 충전된 상기 용탕의 일부분을 가압하여 서브캐비티에 충전된 용탕의 일부를 상기 성형캐비티의 내부로 이동시키고, 이동되는 용탕을 통해 성형캐비티에 형성된 수축공 및 기포공동을 매립하는 스퀴즈핀 및; 상기 몰드에 마련되어 상기 서브캐비티에서 상기 성형캐비티로 공급되는 일부의 상기 용탕을 성형캐비티의 내부로 골고루 분산시켜서 성형캐비티에 충전된 성형물의 밀도를 증가시키는 밀도증가수단;을 포함하며, 상기 서브캐비티는, 상기 스퀴즈핀이 삽입되는 단부의 직경이 스퀴즈핀의 직경에 대해 1.2배 내지 1.8배의 크기로 형성되어 스퀴즈핀의 가압력이 단부측 표면에 작용하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅장치를 이용한 다이캐스팅방법에 있어서, 분할가능한 구조의 상기 몰드를 합체하는 몰드합체단계; 상기 몰드의 상기 성형캐비티 및 서브캐비티를 18mmhg 내지 22mmhg의 압력으로 진공시키면서 성형캐비티 및 서브캐비티에 상기 용탕을 고압으로 주입하여 충전하는 용탕충전단계; 상기 몰드에 충전된 상기 용탕을 몰드의 내부에 1 내지 5초간 방치시켜서 반고상으로 상변환시키는 용탕변환단계; 상기 몰드에 상기 용탕을 주입하는 압력의 2.5배 내지 5.0배의 압력으로 상기 스퀴즈핀을 상기 서브캐비티의 내부에 3.0mm 내지 12.0mm의 깊이로 삽입시켜서 서브캐비티에 충전된 용탕을 상기 밀도증가수단을 통해 분산시키면서 상기 성형캐비티의 내부로 강제이동시킴으로써, 성형캐비티에 충전된 성형물의 밀도를 증가시켜서 성형캐비티의 수축공이나 기포공동과 같은 공간을 매립하는 공간매립단계; 상기 성형캐비티 및 서브캐비티에 충전된 상기 용탕을 상기 몰드의 내부에 방치한 상태로 수 초간 용탕을 냉각시켜서 금속재 성형물을 성형하는 성형단계 및; 상기 몰드를 분할하여 상기 성형물을 몰드에서 분리하는 성형물 분리단계;를 포함한다.

삭제

상기 공간매립단계는, 상기 스퀴즈핀이 200MPa 내지 400MPa의 압력에 의해 상기 서브캐비티의 내부로 삽입되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 의한 다이캐스팅방법은 서브캐비티가 성형캐비티의 외측에 돌출형성되고, 서브캐비티의 직경이 스퀴즈핀의 직경에 대해 설정된 범위의 크기로 크게 형성되며, 스퀴즈핀의 가압작동시 서브캐비티의 용탕이 밀도증가수단에 의해 성형캐비티의 내부로 골고루 분산되면서 성형캐비티에 충전된 성형물의 밀도를 증가시키는 다이캐스팅장치를 이용하여 다이캐스팅 성형을 실시하므로, 후육부의 내부에 계면이 발생되거나 불균일한 조직밀도가 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또, 서브캐비티가 스퀴즈핀의 가압력에 대응하는 체적으로 형성되므로 스퀴즈핀의 가압력이 서브캐비티의 단부측 표면에 작용되는 것을 더욱 무효화할 수 있는 효과도 있다.

또한, 스퀴즈핀이 국부가압에 의해 형성되는 성형물의 함몰부위를 최소화 할 수 있는 거리만큼만 행정하므로 함몰깊이에 의해 성형물의 상품성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과도 있다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 다이캐스팅방법을 설명하면 다음과 같으며, 첨부된 도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 다이캐스팅장치의 구성을 도시한 종단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 다이캐스팅장치의 작동상태를 도시한 종단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 다이캐스팅장치는 도시된 바와 같이 몰드(70)와 스퀴즈핀(80) 및 후술되는 밀도증가수단을 포함한다.

몰드(70)는 도시된 바와 같이 서로 분리가능하게 합체되는 고정몰드(70a) 및 가동몰드(70b)를 갖는다. 몰드(70)는 도시된 바와 같이 내부에 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)가 형성된다. 몰드(70)는 용탕슬리브(62)의 탕구(62a)로 투입된 용탕을 플런저(64)를 통해 고압으로 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)에 주입하여 충전시키는 통상의 용탕사출기(60)와 연결된다. 또, 몰드(70)는 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)를 진공시키는 통상의 진공시스템(51)과 연결된다.

여기서, 전술한 성형캐비티(72)는 금속재 성형물(주조성형물)의 형상에 대응하는 형상으로 형성되어 용탕에 의해 실제의 주조성형물을 성형한다. 그리고, 전술한 서브캐비티(74)는 성형캐비티(72)의 일측 단부에서 연장형성되어 여분의 용탕이 충전된다. 이러한 서브캐비티(74)는 확대 도시된 바와 같이 성형캐비티(72)의 단 부(72a)에서 소정크기로 연장형성되어 성형캐비티(72)의 외측으로 돌출형성된다.

서브캐비티(74)는 도시된 바와 같이 성형캐비티(72)의 후육부와 직통되는 상태로 성형캐비티(72)에서 연장형성된다. 또, 서브캐비티(74)는 확대 도시된 바와 같이 후술되는 경사(θ, β)에 의해 성형캐비티(72) 보다 작은 직경(체적)을 갖는다.

서브캐비티(74)는 확대 도시된 바와 같이 단부측 직경(D)이 후술되는 스퀴즈핀(80)의 직경(d)에 대해 1.2배 내지 1.8배의 크기로 하면서 최소한 d+1.0mm의 공차로 형성된다. 따라서, 서브캐비티(74)는 단부의 테두리(양측 끝단)가 확대 도시된 바와 같이 스퀴즈핀(80)의 외경과 이격된다. 이때, 이격거리(L2)는 통상 0.5mm~2.0mm가 된다. 예를 들면, 서브캐비티(74)의 단부직경(D)이 스퀴즈핀(80) 직경(d)의 약 1.5배이고, 스퀴즈핀(80)의 직경(d)이 10mm일 경우 서브캐비티(74)의 단부직경(D)은 12.2mm가 되므로 이격거리(L2)는 1.1mm가 된다. 이러한 서브캐비티(74)는 성형캐비티(72)의 단부(72a)측 직경에 의해 단부의 직경(D)이 결정된다. 물론, 스퀴즈핀(80)은 이러한 서브캐비티(74)의 직경(D)에 의해 직경(d)이 결정된다.

여기서, 서브캐비티(74)의 단부측 직경(D)을 전술한 바와 같이 스퀴즈핀(80)의 직경(d)에 대해 1.2배 내지 1.8배의 크기로 하면서 최소한 공차 d+1.0mm 범위 이내로 결정하는 이유는, 서브캐비티(74)의 단부측 직경(D)을 스퀴즈핀(80)의 직경(d)에 대해 1.2배 미만의 크기로 하면서 d+1.0mm로 구성할 경우, 이격거리(L)가 작아지면서 반대로 전술한 스퀴즈핀(80)의 유효가압면적이 커지므로 스퀴즈핀(80)의 압력에 의한 서브캐비티(74)의 표면측 마찰저항에 의해 큰 손실(서브캐비티의 테두리측까지 압력이 작용)이 발생된다. 반면, 1.8배를 초과한 크기로 하면서 d+1.0mm로 구성할 경우, 이격거리(L2)가 커지면서 반대로 전술한 스퀴즈핀(80)의 유효가압면적이 작아지므로 스퀴즈효과가 발생하지 못한다. 이러한 스퀴즈핀(80)과 서브캐비티(74)의 직경(D)간 이격거리(L2)는 후술되는 스퀴즈핀(80)의 가압력과 상관되므로 매우 중요하다. 이에 대해서는 후술한다.

스퀴즈핀(80)은 도시된 바와 같이 유압이나 공압 실린더식으로 구성되며, 몰드(70)에 이동가능한 상태로 관통되어 서브캐비티(74)의 단부와 마주하는 상태로 배치된다. 이때, 스퀴즈핀(80)은 도시된 바와 같이 성형캐비티(72)의 후육부와 대향하는 상태로 서브캐비티(74)의 단부와 마주한다. 이러한 스퀴즈핀(80)은 어큐물레이터나 콤프레셔와 같은 장치가 마련된 구동부(85)에 의해 구동한다.

한편, 전술한 밀도증가수단은 몰드(70)에 동일체로 마련된다. 이러한 밀도증가수단은 후술되는 바와 같이 서브캐비티(74)에서 성형캐비티(72)로 공급되는 일부의 용탕을 성형캐비티(72)의 내부로 골고루 분산시키는 요소이다.

이러한 밀도증가수단은 예컨대, 확대 도시된 바와 같이 서브캐비티(74)의 측방에 경사(θ, β)형성되는 경사면(74a) 및; 서브캐비티(74) 및 성형캐비티(72)의 연결부위에 곡률(R1, R2)을 갖는 형태로 형성되는 곡선면(74b, 74c)을 포함하여 구성할 수 있다. 경사면(74a)은 서브캐비티(74)의 양측에 형성될 수 있으며, 이와 달리 서브캐비티(74)의 원주방향을 따라 형성되어 서브캐비티(74)의 측벽을 이루도록 형성될 수도 있다. 그리고, 곡선면(74b, 74c)은 확대 도시된 바와 같이 서브캐비티(74)와 마주하는 성형캐비티(72)의 단부(72a)에 형성되어 서브캐비티(74) 및 성형캐비티(72)의 연결부위에 형성된다.

한편, 전술한 서브캐비티(74)는 확대 도시된 바와 같이 스퀴즈핀(80)의 직경(d)에 대해 0.7배 내지 1.8배의 길이(L)로 형성된다. 이렇게 서브캐비티(74)의 길이(L)가 스퀴즈핀(80)의 직경(d)에 의해 결정되는 이유는, 후술되는 바와 같이 스퀴즈핀(80)의 가압력에 대응이 가능하여 스퀴즈핀(80)의 가압력을 테두리측에서 무효화할 수 있는 체적을 확보하기 위함이다. 이에 대해서는 후술한다.

도 7을 참조하면, 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 다이캐스팅장치는, 도시된 바와 같이 고정몰드(70a) 및 가동몰드(70b)가 합체된 후, 용탕사출기(60)에 의해 합체된 몰드(70)의 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)에 용탕이 충전된다. 이때, 몰드(70)는 진공시스템(51)에 의해 약 18mmhg 내지 22mmhg의 압력으로 내부가 진공된 상태에서 용탕이 충전된다. 이러한 몰드(70)는 예컨대, 내부에 도시된 바와 같은 차량의 피스톤 성형물이 성형될 경우 약 21mmhg의 압력으로 내부가 진공된다. (몰드합체단계 및 용탕충전단계)

여기서, 전술한 진공 압력은 22mmhg 미만일 경우 진공력이 떨어져서 용탕을 몰드(70)의 내부에 완전하게 충전할 수 없으며, 18mmhg를 초과할 경우 용탕의 충전은 우수하지만 효율이 낮다는 문제가 있다. 따라서, 진공 압력은 18mmhg 내지 22mmhg 이내의 범위에서 결정하는 것이 바람직하다. 물론, 이러한 진공 압력은 몰드(70)에 형성된 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)의 용량에 의해 결정된다.

한편, 몰드(70)는 용탕이 충전된 후 1 내지 5초간 방치된다. 이때, 용탕은 약간 냉각되면서 반고상으로 상변환된다. 이러한 몰드(70)는 예컨대, 내부에 도시된 바와 같은 차량의 피스톤 성형물이 성형될 경우 약 2초간 방치된다. 물론, 이러한 방치시간은 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)의 용량에 의해 결정된다.(용탕변환단계)

스퀴즈핀(80)은 용탕이 전술한 바와 같이 반고상의 상태로 상변환되면, 구동부(85)에 의해 도시된 바와 같이 서브캐비티(74)의 내부로 이동하면서 용탕을 주입하는 용탕사출기(60)의 압력 보다 2.5배 내지 5.0배 큰 압력으로 서브캐비티(74)에 충전된 반고상의 용탕을 국부가압한다. 이러한 스퀴즈핀(80)은 확대 도시된 바와 같이 서브캐비티(74)의 단부측 내부에 약 3.0mm 내지 12.0mm의 깊이로 삽입(피스톤의 경우 약 5mm)된다. 이때, 스퀴즈핀(80)에 의해 발생되는 압력은 이격거리(L2)로 인하여 서브캐비티(74)의 테두리(외경)까지 작용하지 못한다. 따라서, 서브캐비티(74)의 테두리는 스퀴즈핀(80)의 압력에 의해 후육부로 삽입되지 않는다.

스퀴즈핀(80)은 서브캐비티(74)에 삽입되면서 서브캐비티(74)에 충전된 여분의 용탕을 가압하여 반고상으로 응고된 일부의 용탕, 즉 용탕성형물을 성형캐비티(72)로 밀어낸다. 다시 말하면, 스퀴즈핀(80)은 서브캐비티(74)의 일부 용탕을 강제로 성형캐비티(72)에 공급한다. 이때, 서브캐비티(74)의 경사면(74a)은 확대 도시된 바와 같이 경사(θ, β)로 인해 용탕(반고상 성형물)을 확산시킨다. 그리고, 서브캐비티(74) 및 성형캐비티(72)의 연결부위에 형성된 곡선면(74b, 74c)은 용탕을 곡선형태로 안내하여 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)의 연결부위측 테두리를 따라 공급한다. 이로 인하여, 용탕의 성형압력은 성형캐비티(72) 및 서브캐비 티(74)의 연결부위측 테두리를 따라 등분포된다. 따라서, 용탕은 경사면(74a) 및 곡선면(74b, 74c)에 의해 확산되면서 원활하게 이동되므로 등분포상태로 성형캐비티(72)의 내부에 골고루 분산된다. 물론, 용탕은 성형캐비티(72)에 유입되면서 성형캐비티(72)에 충전된 성형물의 밀도를 증가시켜서 성형캐비티(72)에 형성된 수축공 및 후육부의 기포공동을 매립한다.(공간매립단계)

여기서, 스퀴즈핀(80)은 확대 도시된 바와 같이 서브캐비티(74)의 내측에 3.0mm 내지 12.0mm의 깊이로 삽입됨에 따라 삽입되는 깊이와 동일한 행정거리(SL)를 갖는다. 이러한 행정거리(SL)는 3.0mm 미만일 경우 스퀴즈핀(80)이 충분한 가압력을 발휘할 수 없고, 12.0mm를 초과할 경우 스퀴즈핀(80)의 가압력이 과도하게 발휘될 뿐만 아니라 스퀴즈핀(80)을 이동시키는 압력을 무리하게 상승시켜야 하기 때문에 3.0mm 내지 12.0mm 이내의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 물론, 이러한 행정거리(SL)는 3.0mm 내지 12.0mm 이내의 범위에서 결정되되, 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)의 용량에 의해 결정된다.

한편, 전술한 서브캐비티(74)는 확대 도시된 바와 같이 테두리가 스퀴즈핀(80)의 외경으로부터 이격거리(L2)를 확보함에 따라 스퀴즈핀(80)의 가압력이 단부측의 표면에 작용되지 않는다. 즉, 스퀴즈핀(80)의 가압력은 이격거리(L2)로 인하여 서브캐비티(74) 테두리 내측까지 유효하다.

특히, 서브캐비티(74)는 길이(L)에 의해 스퀴즈핀(80)의 가압력에 대응하는 체적이 확보됨에 따라 스퀴즈핀(80)의 가압력이 단부측의 표면에 작용되지 않는다.

다른 한편, 스퀴즈핀(80)은 서브캐비티(74)의 용탕이 성형캐비티(72)로 유입 된 후 약 1 내지 3초간 이동상태를 유지한 후 다시 원위치로 복귀한다.

몰드(70)는 스퀴즈핀(80)이 원위치로 복귀한 후 약 3 내지 4초간 그대로 방치된다. 이때, 몰드(70)는 내부에 순환되는 미도시된 차가운 냉각수에 의해 냉각되면서 내부의 용탕을 냉각시킨다. 따라서, 몰드(70)는 용탕이 응고되면서 내부에 성형물이 성형된다.(성형단계)

몰드(70)는 내부에 성형물이 거의 완전한 고체상태로 성형되면 가동몰드(70b)가 이동되면서 분할된다. 이때, 성형물은 몰드(70)로부터 분리된다.(성형물 분리단계)

이렇게, 완성된 성형물(주조성형물)은 서브캐비티(74)에 충전된 용탕으로 인하여 일단부에 동일체로 돌출형성되는 막대형태의 돌기를 갖는다. 이러한 돌기는 전술한 경사면(74a) 및 곡선면(74b, 74c)에 의해 경사면(74a) 및 곡선면(74b, 74c)의 경사(θ, β) 및 곡률(R1, R2)에 상응하는 경사 및 곡률을 갖는다.

한편, 첨부된 도 8은 제1비교예에 의한 다이캐스팅장치의 사용상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 제2 내지 제4비교예에 의한 다이캐스팅장치의 사용상태를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 10은 도 8 및 도 9의 다이캐스팅장치 의해 제조된 성형품의 상태를 도시한 사진이다. 그리고, 도 11은 도 6에 도시된 다이캐스팅장치의 성형품을 도시한 사진이며, 도 12는 도 6에 도시된 스퀴즈핀의 가압력에 따른 성형품의 상태를 도시한 사진이다. 여기서, 비교예에 의한 다이캐스팅장치들은 기술내용이 용이하게 이해되도록 성형캐비티(72)와 서브캐비티(74) 및 스 퀴즈핀(80)만을 개략적으로 도시하여 설명한다.

도 8을 참조하면, 제1비교예에 의한 다이캐스팅장치는 도면의 (a)에 도시된 바와 같이 서브캐비티(74)의 일측방은 경사를 형성하고 타측방은 수직으로 형성하였다. 그리고, 타측방의 하단은 도시된 바와 같이 경사상태로 절곡하였다.

이러한 다이캐스팅장치는 도면의 (b)에 도시된 바와 같이 스퀴즈핀(80)이 가압할 경우 표면(skin)이 성형캐비티(72)의 내부로 혼입되었다. 물론, 표면은 서브캐비티(74)의 용탕이 성형캐비티(74)의 내부에 골고루 분산되지 못하고, 스퀴즈핀(80)의 외경과 서브캐비티(74)의 테두리(외경)와의 이격거리가 너무 가깝기 때문에 혼입된 것이다. 따라서, 이러한 다이캐스팅장치는 양품의 주조성형물을 제조할 수 없었다.

도 9를 참조하면, 제2비교예에 의한 다이캐스팅장치는 도면의 (a)에 도시된 바와 같이 서브캐비티의 타측방에도 경사를 형성하였다. 그리고, 제3비교예에 의한 다이캐스팅장치는 도면의 (b)에 도시된 바와 같이 제1비교예와 동일하게 구성하되, 다만 스퀴즈핀의 외경과 서브캐비티의 테두리간 이격거리를 확장하여 구성하였다. 또, 제4비교예에 의한 다이캐스팅장치는 도면의 (c)에 도시된 바와 같이 제1비교예와 같은 서브캐비티에 반구형의 단면을 갖는 스퀴즈핀을 적용하였다. 하지만, 이러한 다이캐스팅장치들도 제1실시예와 동일하게 표면(skin)이 혼입되었거나, 거의 직각상태로 절곡된 부위에 균열이 발생되었다. 물론, 표면은 전술한 제1비교예와 동일한 이유로 혼입된 것이다. 그리고, 균열은 단지 용탕이 골고루 분산되지 못하였기에 발생된 것이다. 따라서, 이러한 다이캐스팅장치들도 양품의 주조성형물을 제 조할 수 없었다.

도 10을 참조하면, 전술한 제1 내지 제3비교예에 의해 제조된 성형품(도면의 (a) 및 (b))은 거의 직각으로 절곡된 부위가 도면의 (b)에 금속현미경으로 확대 도시된 바와 같이 미세한 균열이 발생되었다. 이러한 성형품은 도면의 (c)에 도시된 바와 같이 "V"와 같은 형태로 균열이 발생하였을 뿐만 아니라 전단파괴식 균열도 발생하였다. 물론, 균열은 서브캐비티의 용탕이 성형캐비티의 내부에 골고루 분산되지 못함에 따라 발생한 것이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 적용되는 다이캐스팅장치의 전술한 곡선면(74b, 74c)에 적용된 곡률(R1, R2)을 도면의 (a)에 도시된 바와 같이 4R 미만으로 형성할 경우 도면의 (b)에 확대 도시된 바와 같이 전단파괴형태의 균열만이 발생되었다. 하지만, 전술한 곡률(R1, R2)을 도면의 (c)에 도시된 바와 같이 4R 이상으로 형성할 경우 도면의 (d)에 확대 도시된 바와 같이 건전한 양품의 주조성형물을 득할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 적용되는 다이캐스팅장치는 곡선면(74b, 74c)에 적용된 곡률(R1, R2)을 4R 이상으로 형성하는 것이 바람직하였다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 적용되는 다이캐스팅장치는 스퀴즈핀이 서브캐비티의 용탕을 200MPa 미만의 압력으로 가압할 경우 도면의 (a)에 확대 도시된 바와 같이 표면결함은 거의 없었으나, 도면의 (b)에 확대 도시된 바와 같이 약간의 결함은 발생하였으며, 도면의 (c)에 도시된 바와 같이 후육부의 내부에 미세한 가스 기포들이 다수 존재하였다. 즉, 본 발명의 실시예에 적용되는 다이캐스팅장치는 스퀴즈핀이 200MPa 미만의 압력으로 용탕을 가압할 경우 고품위의 주조성형물을 득할 수 없었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 적용되는 다이캐스팅장치는 반드시 200MPa 이상의 압력으로 용탕을 가압하도록 작동시켜야 함을 확인하였다.

상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하므로, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되지 않으며, 동일 사상의 범주내에서 적절한 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있으므로, 이러한 형상 및 구조의 변형은 첨부된 본 발명의 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 종래기술에 의한 다이캐스팅장치의 종단면도;

도 2는 도 1에 도시된 국부가압기의 확대도;

도 3은 일반적인 다이캐스팅장치의 구성을 도시한 종단면도;

도 4는 도 3의 다이캐스팅장치에 의해 제조된 성형품의 기공율을 도시한 사진 및 그래프;

도 5는 도 1 및 도 3의 다이캐스팅장치로 제조된 성형품의 피로파괴를 도시한 사진;

도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 다이캐스팅장치의 구성을 도시한 종단면도;

도 7은 도 6에 도시된 다이캐스팅장치의 작동상태를 도시한 종단면도;

도 8은 제1비교예에 의한 다이캐스팅장치의 사용상태를 개략적으로 도시한 단면도;

도 9는 제2 내지 제4비교예에 의한 다이캐스팅장치의 사용상태를 개략적으로 도시한 단면도;

도 10은 도 8 및 도 9의 다이캐스팅장치 의해 제조된 성형품의 상태를 도시한 사진;

도 11은 도 6에 도시된 다이캐스팅장치의 성형품을 도시한 사진; 및

도 12는 도 6에 도시된 스퀴즈핀의 가압력에 따른 성형품의 상태를 도시한 사진.

Claims

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용탕사출기(60)에 의하여 고압으로 주입되는 용탕을 이용하여 금속재 성형물을 성형하는 다이캐스팅장치에 있어서, 성형물의 형상에 대응하는 성형캐비티(72) 및 성형캐비티(72)의 일측 단부에서 연장되어 성형캐비티(72)의 외측으로 돌출형성되는 소정크기의 서브캐비티(74)가 내부에 마련되고, 이 서브캐비티(74) 및 성형캐비티(72)에 고압으로 주입되어 충전되는 상기 용탕에 의해 금속재 성형물을 성형하는 분할가능한 구조로 이루어진 몰드(70); 상기 몰드(70)에 형성된 상기 서브캐비티(74)의 단부로 삽입되면서 서브캐비티(74)에 충전된 상기 용탕의 일부분을 가압하여 서브캐비티(74)에 충전된 용탕의 일부를 상기 성형캐비티(72)의 내부로 이동시키고, 이동되는 용탕을 통해 성형캐비티(72)에 형성된 수축공 및 기포공동을 매립하는 스퀴즈핀(80) 및; 상기 몰드(70)에 마련되어 상기 서브캐비티(74)에서 상기 성형캐비티(72)로 공급되는 일부의 상기 용탕을 서브캐비티(74) 및 성형캐비티(72)의 연결부위로 골고루 분산시켜서 성형캐비티(72)에 충전된 성형물의 밀도를 증가시키는 밀도증가수단;을 포함하며, 상기 서브캐비티(74)는, 상기 스퀴즈핀(80)이 삽입되는 단부의 직경(D)이 스퀴즈핀(80)의 직경(d)에 대해 1.2배 내지 1.8배의 크기로 형성되어 스퀴즈핀(80)의 가압력이 단부측 표면에 작용하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅장치를 이용한 다이캐스팅방법에 있어서,

분할가능한 구조의 상기 몰드(70)를 합체하는 몰드합체단계;

상기 몰드(70)의 상기 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)를 18mmhg 내지 22mmhg의 압력으로 진공시키면서 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)에 상기 용탕을 고압으로 주입하여 충전하는 용탕충전단계;

상기 몰드(70)에 충전된 상기 용탕을 몰드(70)의 내부에 1 내지 5초간 방치시켜서 반고상으로 상변환시키는 용탕변환단계;

상기 몰드(70)에 상기 용탕을 주입하는 압력의 2.5배 내지 5.0배의 압력으로 상기 스퀴즈핀(80)을 상기 서브캐비티(74)의 내부에 3.0mm 내지 12.0mm의 깊이로 삽입시켜서 서브캐비티(74)에 충전된 용탕을 상기 밀도증가수단을 통해 분산시키면서 상기 성형캐비티(72)의 내부로 강제이동시킴으로써, 성형캐비티(72)에 충전된 성형물의 밀도를 증가시켜서 성형캐비티(72)의 수축공이나 기포공동과 같은 공간을 매립하는 공간매립단계;

상기 성형캐비티(72) 및 서브캐비티(74)에 충전된 상기 용탕을 상기 몰드(70)의 내부에 방치한 상태로 수 초간 용탕을 냉각시켜서 금속재 성형물을 성형하는 성형단계; 및

상기 몰드(70)를 분할하여 상기 성형물을 몰드(70)에서 분리하는 성형물 분리단계;를 포함하는 다이캐스팅방법.
제 5 항에 있어서, 상기 공간매립단계는,

상기 스퀴즈핀(80)이 200MPa 내지 400MPa의 압력에 의해 상기 서브캐비티(74)의 내부로 삽입되는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅방법.