KR101140720B1 - 차량엔진의 피스톤 제조금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조시 성형공간에서 발생되는 가스를 외부로 배출할 수 있는 구조를 가지는 차량엔진용 피스톤 제조금형에 관한 것이다. 중력주조방법으로 차량엔진용 피스톤을 성형할 때 사용되는 금형으로서, 피스톤 헤드부위를 성형하기 위한 상부금형(1), 피스톤의 하부 및 저부의 공간을 성형하기 위한 하부금형(3), 피스톤의 원통부위를 성형하기 위한 2개의 측부금형(5)으로 구성되며; 상기 상부금형(1)에는 다공성 금속으로 된 제1 벤트부재(7)가 요철식으로 결합되되; 상기 제1 벤트부재(7)의 일측은 금형의 성형공간에 노출되어 있으며; 상기 제1 벤트부재(7)의 타측은 외기에 연통되는 가스홀(27)에 노출됨으로써; 성형시 상기 성형공간으로부터 배출되는 가스가 상기 제1 벤트부재(7)를 통해 외부로 배출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량엔진의 피스톤 제조금형{Mold For Piston Of Vehicle}

본 발명은 차량엔진용 피스톤 제조금형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주조시 캐비티에서 발생되는 가스를 외부로 배출할 수 있는 구조를 가지는 차량엔진용 피스톤 제조금형에 관한 것이다.

차량엔진용 피스톤은 통상 금형에 의해 중력주조방식으로 제조된다. 도 1은 종래의 차량엔진용 피스톤을 성형하기 위한 한 벌의 금형과 그에 의해 성형되는 피스톤의 개략적인 구성도이다. 이하, 도 1을 참조하여 종래기술의 문제점을 설명한다.

금형은 몇 개의 부속금형이 하나의 세트를 이루도록 되어 있다. 주조시 금형의 캐비티(cavity)에서는 수증기를 포함하는 가스가 발생된다. 이 가스가 잔류하는 경우에는 제품의 형상에 영향을 미치므로 제품을 정밀하게 성형하기가 어렵다. 따라서 가스는 가급적 모두 배출되도록 하는 것이 바람직하다. 종래에는 이 가스를 배출하기 위한 벤트(vent)수단을 채용하였다. 벤트수단으로는 금형의 접합부위를 따라 라인(line) 형태로 미세한 틈을 만들어 놓거나 벤트플러그(P, vent plug)를 금형에 인서트하는 방식이 사용되었다. 특히 벤트플러그(P)는 봉형상의 작은 부품으로서 미세한 구멍을 만들어놓은 것인데, 이를 금형에 설치하기 위해서는 금형에 캐비티까지 소통되는 구멍을 뚫고 이를 압입하여 고정시켜야 한다.

그러나 금형의 성형면이 만곡면인 경우에는 벤트플러그(P)를 그 만곡면에 맞도록 사상하여야 한다. 그리고 몇 개의 벤트플러그(P)만으로 캐비티의 가스를 모두 배출시키기에는 역부족이었다. 금형에 지나치게 많은 수의 벤트플러그를 설치하는 것은 작업효율 등에서 극히 불리하고 설치에 따른 흔적이 제품 표면에 남기 때문이다.

벤트라인은 가스배출구의 위치가 한정되기 때문에 꼭 필요한 곳에서의 벤트를 할 수 없기 때문에 벤트플러그보다 더 많은 제한을 가진다.

금형은 상부금형(100), 하부금형(102) 및 2개의 측부금형(104)으로 구성된다. 상부금형(100)은 피스톤(108)의 헤드부위(108a)를 성형하기 위한 것이며, 측부금형(104)은 피스톤의 원통부(108b)를 성형하기 위한 것이다. 하부금형(102)은 피스톤의 저부 공간(108c)을 성형하기 위한 것이다.

이러한 피스톤 성형용 금형에 있어서 가스발생에 따른 문제를 많이 일으키는 곳은 피스톤 헤드부위(108a)와 통상 스커트라고 불리는 원통부(108b)이다.

근자에는 엔진성능의 향상을 위해 피스톤(108)이 갈수록 경량화되고 있는 추세에 있다. 또한 피스톤 헤드부위(108a)는 직접 연소실을 구성하기 때문에 점화플러그, 인젝터 또는 흡배기밸브의 구성 및 배치형태에 따라 다양하고도 섬세하게 설계된다. 그러므로 헤드부위(108a)의 고정밀도가 요구된다. 원통부(108b)에는 커넥팅로드의 소단부가 부시를 매개로 결합하기 위한 커넥팅로드끼움공(108d)이 횡방향으로 마련된다.

원통부(108b) 또한 경량화를 위한 살빼기 부위가 마련되거나 복잡한 형태로 제작되어야 하므로 가스에 의한 영향을 많이 받는 부위이다.

이러한 부위에 가스배출을 위한 종래의 벤트수단을 채용하는 것에는 정밀도 향상 등에 있어서 한계가 따르게 마련이다.

위와 같은 문제에 대하여 본 발명은 차량엔진용 피스톤의 주조시에 금형의 캐비티에서 발생되는 가스를 원활하게 배출케 함으로써 제품의 성형 정밀도를 향상시키는 것에 있다. 나아가 종래의 벤트라인과 벤트플러그를 대체함으로써 금형을 용이하게 제작할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적은, 중력주조방법으로 차량엔진용 피스톤을 성형할 때 사용되는 금형으로서,

피스톤 헤드부위를 성형하기 위한 상부금형, 피스톤의 하부 및 저부의 공간을 성형하기 위한 하부금형, 피스톤의 원통부위를 성형하기 위한 2개의 측부금형으로 구성되며;

상기 상부금형에는 다공성 금속으로 된 제1 벤트부재가 결합되되; 상기 제1 벤트부재의 일측은 금형의 성형공간에 노출되어 있으며; 상기 제1 벤트부재의 타측은 외기에 연통되는 가스홀에 노출됨으로써; 성형시 상기 성형공간으로부터 배출되는 가스가 상기 제1 벤트부재를 통해 외부로 배출되도록 하며;

상기 가스홀은 상기 상부금형을 조립하는 과정에서 자연적으로 생기게 되는 미세한 틈 자체이거나, 외기가 상기 제1 벤트부재에 이르도록 상기 상부금형에 천공을 가함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 차량엔진 성형용 금형에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 측부금형에는 다공성 금속으로 된 제2 벤트부재가 결합되되; 상기 제2 벤트부재의 일측은 금형의 성형공간에 노출되어 있으며; 상기 제2 벤트부재의 타측은 외기에 연통되는 가스홀에 노출됨으로써; 성형시 상기 성형공간으로부터 배출되는 가스가 상기 제2 벤트부재를 통해 외부로 배출되도록 하며;

상기 가스홀은 상기 측부금형과 상부금형의 합형부위 또는 측부금형과 하부금형의 합형부위에 자연적으로 생기게 되는 미세한 틈 자체이거나, 외기가 상기 제2 벤트부재에 이르도록 상기 측부금형에 천공함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 차량엔진 성형용 금형에 의해 달성된다.

위와 같은 구성에 의하면, 성형시 상기 성형공간으로부터 배출되는 가스가 상기 제1 벤트부재를 통해 가스홀로 배출되게 된다. 따라서 제1 벤트부재가 성형공간에 접촉하는 면적을 충분히 확보할 수 있게 되므로 많은 양의 가스를 금형 외부로 배출시킬 수 있게 된다. 그러므로 가스에 의한 성형상의 애로사항이 해결되므로 고정밀도를 가지는 피스톤 등의 성형제품을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 차량엔진용 피스톤을 성형하기 위한 한 벌의 금형과 그에 의해 성형되는 피스톤의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 상부금형의 조립 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 상부금형의 분해 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 상부금형의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 측부금형의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 측부금형의 결합단면도로서 도 5의 A-A선을 따라 취한 것이다.

언급했던 바와 같이 중력주조방법으로 차량엔진용 피스톤을 성형할 때 몇 개의 단위 금형이 조합된 형태의 금형이 사용된다. 이 금형은 피스톤 헤드부위를 성형하기 위한 상부금형(1), 피스톤의 하부 및 저부의 공간을 성형하기 위한 하부금형(3), 피스톤의 원통부위를 성형하기 위한 것으로서 일반적으로 대칭을 이루는 2개의 측부금형(5)으로 구성된다. 본 발명은 성형시 발생되는 가스에 의한 영향을 가장 많이 받게 되는 상부금형(1)과 측부금형(5)의 구성을 제안한다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 상부금형(1)에 본 발명이 적용된 예를 상세하게 설명한다.

상부금형(1)은 기본적으로 다공성 금속으로 된 제1 벤트부재(7)를 포함한다. 제1 벤트부재(7)는 일측이 금형의 성형공간을 향해 노출되어 있으며 타측은 외기에 연통되는 소정의 가스홀에 노출되어 있다.

로드(9)의 상부는 상부금형(1)을 상하방향으로 기동시키기 위한 미도시된 기동부에 연결된다. 로드(9)의 중심부에는 외부와 통하는 배출관로(11)가 마련된다. 배출관로는 로드의 중심을 관통하는 제1관로(11a)와 제1관로(11a)로부터 로드의 측면을 관통하는 제2관로(11b)로 구성된다. 로드(9)의 하단부에는 링형태의 플랜지(13)가 일체로 부착되어 있다.

플랜지(13)의 하부에는 실린더 형태의 몸체(15)가 볼트로써 체결된다. 몸체의 중간에는 원통형 완충공간(17, 도 3 참조)이 마련되는데 이 완충공간(17)에는 원통형의 석고와 같은 재질의 완충부재(18)가 끼워진다. 완충부재(18)를 포함하여 몸체(15)의 내부구조는 종래부터 있어왔던 것으로서 본 발명과 직접적 관련은 없으며 단지 참고로 간략히 설명한다. 완충부재(18) 하부 중간에는 원뿔통 형태의 비어 있는 여유공간(18a)이 마련되며, 이 여유공간으로 용탕이 일부 채워진다. 완충부재(18)의 상부에는 가스가 배출되도록 미세한 가스공(18b)이 드릴에 의해 천공되며, 이 가스공(18b)은 배출관로(11)에 연통된다.

다시 본 발명의 내용으로 돌아가서, 몸체(15)의 하부 외측에는 원주방향을 따라 안착공간(15a)이 마련된다. 이 안착공간(15a)에는 반고리 형태인 한쌍의 홀더부재(19)와 이 홀더부재(19)에 의해 상기 안착공간(15a)에 고정 설치되는 제1 벤트부재(7)가 안착된다. 홀더부재(19)는 볼트 등을 이용하여 몸체(15)에 결합된다.

제1 벤트부재(7) 및 후술되는 제2벤트부재(21)는 다공성 금속(porous metal)으로 되어 있다. 다공성 금속은 시중에 보급되고 있는 것으로서, 석유화학, 가스, 섬유, 반도체 또는 원자력 분야에서 여과기(filter) 소재로 사용되고 있다. 다공성 금속은 자체적으로 미세한 구멍을 많이 가지고 있는 것으로서 통상 소결에 의해 제작된다.

참고로 다공성 금속의 성상을 설명하면 다음과 같다. 다공성 금속이 가지는 미세한 구멍의 크기는 주문에 따라 0.1 ~ 200㎛의 범위가 가능하며, 사용되는 소재는 SUS304, SUS316, MONEL, HASTELLOY, TITANIUM 등 다양하다. 형상은 주문자의 요구에 맞게 성형되어 제공될 수 있다. 내압온도 및 압력 역시 주문자의 요구에 따라 제안된다.

당업자는 이러한 다공성 금속을 중력주조에 맞는 소재로 선택하여 절삭 가공함으로써 도시된 바와 같은 형상의 제1 벤트부재(7) 및 제2벤트부재(21, 도 5 참조)를 얻을 수 있다. 다공성 금속은 태핑에 적합하지 않으므로 도시된 바와 같이 홀더부재(19)와 같은 매개수단에 요철식으로 결합된다.

이를 위해 홀더부재(19)의 하부 내측면에는 원주방향을 따라 돌기(23)가 형성되고, 제1 벤트부재(7)의 외측면에는 원주방향으로 돌기가 끼워질 수 있는 홈(25)이 형성된다. 홀더부재(19) 한 쌍은 제1 벤트부재(7)의 외주면을 감싼 상태에서 안착공간(15a)에 끼워진 후 볼트에 의해 몸체(15)에 결합된다.

제1 벤트부재(7)는 환형으로서 저면(7a)에는 피스톤 헤드면에 대응되는 성형면이 가공되어 있다. 제1 벤트부재(7)의 일측, 즉 저면은 금형의 성형공간에 노출되게 된다. 그러므로 가스는 이 저면을 통해 외부로 배출된다.

제1 벤트부재(7)은 타측은 소정의 가스홀(27)을 통해 외기에 접촉 가능하여야 한다. 가스홀(27)은 상부금형(1)을 조립하는 과정에서 자연적으로 생기게 되는 미세한 틈 자체이거나, 도시된 것처럼 외기가 제1 벤트부재(7)에 이르도록 상부금형(1)에 천공(또는 그루빙)함으로써 작위적으로 만들어질 수 있다.

한편, 홀더부재(19)의 내측면과 몸체(15)의 외측면 사이에는 가스체류공간(29)이 마련된다. 제1 벤트부재(7)의 타측인 상면의 일부는 이 가스체류공간(29)과 접촉된다.

정리하면, 가스체류공간(29)에 있는 가스는 홀더부재(19)와 몸체(15)의 결합부위에 의해 자연적으로 만들어지는 미세한 틈을 통해 외부로 빠져나갈 수 있다는 것이다. 다만 가스의 배출을 더욱 용이하게 하기 위해서는 가스홀(27)을 부가적으로 만들어놓을 수 있다는 것이다. 가스가 배출되는 경로가 도 2에서 점선으로 표시된다.

몸체(15)는 금형의 다른 기본적 구성요소와 마찬가지로 스틸로 되어 있으며, 하부에는 피스톤 헤드의 중심부를 향하여 연장되는 환형의 강도보강판(31)을 가진다. 강도보강판(31)은 상대적으로 강도가 약한 완충부재(18)와 제1 벤트부재(7)의 강도를 보강하기 위한 것이다.

제1 벤트부재(7)의 하부에는 플랜지 형태의 얇은 연장판(33)이 마련되어 있는데 이 연장판(33)은 성형완료시 제품인 피스톤의 헤드면에 홀더부재와 제1 벤트부재 사이의 경계선(성형후 버(burr)로 남게 되는 것)이 피스톤헤드의 중심을 향해 치우쳐 나타나도록 하기 위한 배려이다. 피스톤헤드의 가장자리 부위에는 밸브자리를 마련하기 위한 밸브자리성형돌기(7b)가 독특한 형상으로 돌출되기 때문이다.

때에 따라 상부금형(1)과 제1 벤트부재(7)는 요철식 결합이 아닌 접착제 또는 용접에 의해 접합될 수도 있다.

본 발명은 금형의 성형공간에 접하는 부위의 일부분을 다공성 금속으로 대체하는 것에 핵심을 가지고 있다. 위에서는 피스톤헤드를 성형하기 위한 상부금형(1)에 제1 벤트부재(7)를 사용하는 것을 예시하였지만, 이에 대체하여 또는 이와 병행하여 다른 부위에도 다공성 금속을 사용할 수 있음은 물론이다. 다만, 다공성 금속은 고가이고 강도면에서 취약하기 때문에 그의 사용을 가능한 자제하여야 하며 구조설계에 있어서도 주의를 요한다. 제시된 구조는 이를 모두 고려한 것이라고 볼 수 있으나, 당업자에 의해 다양한 변경설계가 가능함은 물론이다.

한편 가스에 의한 영향을 많이 받는 곳 중 하나가 두께가 얇고 구조가 다소 복잡한 피스톤의 원통부(108b, 도 1 참조)이다. 주지하다시피 원통부의 외측면은 측부금형(5, 도 1에서의 도면부호 104 에 해당함)에 의해 성형된다. 이하에서는 도 5 내지 도 6을 참조하여 측부금형(5)에 다공성 금속으로 제작한 제 2벤트부재(21)를 적용한 예를 설명한다. 측부금형(5)은 대칭을 이루므로 도 5에는 한쪽만을 도시하고 있다.

피스톤의 원통부를 성형하기 위한 측부금형(5)은 역시 측부금형 기동부에 의해 좌우방향으로 기동되면서 합형을 이루는 것으로서, 제조사마다 또는 차량의 모델마다 상이한 기동방식과 구조가 될 수 있다. 그러므로 도시된 측부금형(5)의 형상에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다. 이는 위에 언급한 상부금형(1)에 관해서도 마찬가지이다.

측부금형(5)의 성형공간으로 치우친 위치에 다공성 금속으로 된 제2 벤트부재(21)가 요철방식으로 결합된다. 이를 위해 측부금형(5)에는 평면상 디귿자 형태가 되도록 하는 결합공간(35)이 마련되며, 내측벽에는 결합돌기(37)가 세로방향으로 돌출 형성된다. 또한 제2 벤트부재(21)의 양 측면에는 결합돌기(37)에 암수결합될 수 있는 결합홈(39)이 마련된다. 이에 의해 제2 벤트부재(21)와 측부금형(5)은 세로방향으로 슬라이딩되면서 결합된다. 제2 벤트부재(21)와 측부금형(5)을 고정시키기 위해 측부금형(5)의 측벽에는 볼트공(5a)이, 제2 벤트부재(21)의 측벽에는 탭공(21a)이 각각 마련될 수 있다. 때에 따라 측부금형(5)과 제2 벤트부재(21)는 접착제를 이용하여 또는 용접과 같은 접합방식에 의해 접합될 수도 있다.

제2 벤트부재(21)의 성형면(21b)은 성형공간으로 노출된다. 따라서 성형시 발생되는 가스는 제2 벤트부재(21)에 흡수되며, 제2 벤트부재(21)에 흡수된 가스는 가스홀(27')를 통해 외부로 빠져나간다.

여기서 가스홀(27')은 측부금형(5)과 상부금형(1)의 합형부위 또는 측부금형(5)과 하부금형(3)의 합형부위에 자연적으로 생기게 되는 미세한 틈이 될 수 있다. 이와 더불어 또는 가스의 용이한 배출을 위해 작위적으로 가스홀(27')을 만들어놓을 수도 있다. 본 실시예에서도 가스체류공간(29')이 측부금형(5)과 제2 벤트부재(21)의 사이에 마련될 수 있다. 도 6에는 점선으로 가스가 배출되는 경로를 표시하고 있다.

제1,2 벤트부재(7, 21)는 독립적으로 설치된다. 사용자의 필요에 따라 제1 벤트부재(7)만을 설치하거나 제2 벤트부재(21)만을 설치할 수 있으며 동시에 설치할 수도 있다. 또한 필요하다면 하부금형(3)에도 제3의 벤트부재를 설치할 수 있을 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 피스톤의 제조뿐만 아니라 금형과 관련되어 있는 모든 산업분야에 공히 적용될 수 있는 것이다. 즉, 각종 금형의 일부분을 다공성 금속으로 된 벤트부재로 대체함으로써 성형공간(cavity)에서 발생되는 가스를 용이하게 금형 외부로 배출시키는 작용을 하는 것에 본 발명의 권리범위가 미칠 수 있다.

1 ; 상부금형 3 ; 하부금형
5 ; 측부금형 7, 21 ; 제1,2 벤트부재
23 ; 돌기 25 ; 홈
27,27' ; 가스홀 29 ; 가스체류공간
31 ; 강도보강판 33 ; 연장판
35 ; 결합공간 35 ; 결합공간
37 ; 결합돌기 39 ; 결합홈

Claims (2)

1. 중력주조방법으로 차량엔진용 피스톤을 성형할 때 사용되는 금형으로서,
   피스톤 헤드부위를 성형하기 위한 상부금형(1), 피스톤의 하부 및 저부의 공간을 성형하기 위한 하부금형(3), 피스톤의 원통부위를 성형하기 위한 2개의 측부금형(5)으로 구성되며;
   상기 상부금형(1)에는 다공성 금속으로 되어 있으며 피스톤의 헤드면에 대응되는 성형면이 가공된 제1 벤트부재(7)가 결합되되; 상기 제1 벤트부재(7)의 일측은 금형의 성형공간에 노출되어 있으며; 상기 제1 벤트부재(7)의 타측은 외기에 연통되는 가스홀(27)에 노출됨으로써; 성형시 상기 성형공간으로부터 배출되는 가스가 상기 제1 벤트부재(7)를 통해 외부로 배출되도록 하며;
   상기 제1벤트부재(7)는 원주방향으로 돌기가 끼워질 수 있도록 상기 제1벤트부재(7)의 외측면에 형성되는 홈(25)과; 하부 내측면에 원주방향을 따라 돌기(23)가 형성되는 홀더부재(19)에 의해 상기 상부금형(1)에 결합되며;
   상기 가스홀(27)은 상기 상부금형(1)의 조립부위에 있는 미세한 틈 자체이거나, 외기가 상기 제1 벤트부재(7)에 이르도록 상기 상부금형(1)에 천공을 가함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 차량엔진의 피스톤 제조금형.
   
2. 중력주조방법으로 차량엔진용 피스톤을 성형할 때 사용되는 금형으로서,
   피스톤 헤드부위를 성형하기 위한 상부금형(1), 피스톤의 하부 및 저부의 공간을 성형하기 위한 하부금형(3), 피스톤의 원통부위를 성형하기 위한 2개의 측부금형(5)으로 구성되며;
   상기 측부금형(5)에는 다공성 금속으로 된 제2 벤트부재(21)가 결합되되; 상기 제2 벤트부재(21)의 일측은 금형의 성형공간에 노출되어 있으며; 상기 제2 벤트부재(21)의 타측은 외기에 연통되는 가스홀(27')에 노출됨으로써; 성형시 상기 성형공간으로부터 배출되는 가스가 상기 제2 벤트부재(21)를 통해 외부로 배출되도록 하며;
   상기 측부금형(5)과 제2 벤트부재(21)는;
   평면상 디귿자 형태가 되도록 상기 측부금형(5)에 마련되는 결합공간(35)과; 상기 측부금형의 내측벽에 세로방향으로 돌출 형성되는 결합돌기(37)와; 상기 결합돌기(37)에 암수결합될 수 있는 것으로서 상기 제2 벤트부재(21)의 양측면에 마련되는 결합홈(39)에 의해 세로방향으로 슬라이딩되면서 결합되며;
   상기 가스홀(27')은 상기 측부금형(5)과 상부금형(1)의 합형부위 또는 측부금형(5)과 하부금형(3)의 합형부위에 자연적으로 생기게 되는 틈 자체이거나, 외기가 상기 제2 벤트부재(21)에 이르도록 상기 측부금형(5)에 천공을 가함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 차량엔진의 피스톤 제조금형.

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