KR101145629B1 - 중력 주조용 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트윈 스크롤부를 갖는 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체형으로 주조하도록 하형과 상형의 내측 하부에서 터보차저 출구측에 대응하여 다수개의 게이트를 갖는 별도의 게이트 중자를 구성하여 지지금형과 함께, 상기 터빈 하우징과 배기 매니폴드의 캐비티를 연결함과 동시에, 스프루와 연결되는 런너를 형성하여 복잡한 구조의 트윈 스크롤부로 용탕의 흐름이 원활하도록 하고, 하형과 상형의 내측에서, 상기 런너를 통하여 연결되는 배기 매니폴드의 캐비티와 터빈 하우징의 캐비티에 각각 별도의 압탕이 제공되도록 하여 용탕의 냉각에 따른 수축에 안정적으로 대응할 수 있도록 하며, 하형의 일측에 상기 터빈 하우징의 트윈 스크롤부의 캐비티와 연결되는 별도의 가스빼기 홀을 형성하여 하측 스크롤부에 먼저 주입되는 용탕에 의해 발생되는 가스가 상측 스크롤부에 주입되는 용탕과 혼합되지 않도록 함으로써 표면 탈착 현상을 방지하는 중력 주조용 금형을 제공한다.

중력 주조, 금형, 주형, 중자, 트윈 스크롤, 터빈 하우징, 배기 매니폴드

Description

중력 주조용 금형{A MOLD FOR GRAVITY PRESSURE CASTING}

본 발명은 중력 주조용 금형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트윈 스크롤부를 갖는 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체형으로 주조하기 위한 중력 주조용 금형에 관한 것이다.

일반적으로 중력 주조법은 주입되는 용탕 자체의 중력을 이용하여 주형 즉, 금형내에서 응고시키는 주조 방법으로 용탕의 냉각속도가 빠르고 결정립이 미세한 특징이 있다.

도 1은 일반적인 중력 주조법의 개념도로서, 종래 기술에 따른 중력 주조법에 적용되는 금형은 하형과 상형으로 이루어지는 주형(111)과, 고온의 금속 용탕이 주입되는 주입구(115)와, 주입된 고온의 금속 용탕이 충전되는 스프루(Sprue:117)와, 상기 스프루(117)에 충전된 용탕을 전달하는 런너(119), 상기 런너(119)를 통해 전달되는 용탕이 충전되어 제품을 주조하는 캐비티(113), 상기 스프루(117)와 캐비티(113) 사이에 런너(119)와 연결되어 용탕이 충전되도록 형성되어 캐비티(113) 내에 충전된 용탕이 냉각 시, 부피가 감소될 때 용탕을 제공하는 압탕구(121)을 포함한다. .

따라서 상기한 바와 같은 구성의 금형을 이용하는 중력 주조법은 래들(Laddle:도시되지 않음)을 사용하여 주형(111)의 주입구(115)를 통해 고온의 금속 용탕을 주입하면, 주입된 고온의 금속 용탕은 스프루(117)에 충전된다.

이에, 스프루(117)에 충진된 금속 용탕은 런너(119)를 통해 유동되어 압탕구(121)와 캐비티(113)를 충전시키고, 캐비티(113)를 충전시킨 후, 스프루(117) 내의 금속 용탕을 가열 버너(123)로 가열하여 조기 응고되지 않도록 한다.

상기에서 캐비티(113) 내에 충전된 용탕이 냉각되면서 부피가 감소되어 주조된 제품에 균열이 발생하는 것을 방지하도록 상기 압탕구(121) 내에 충전된 금속 용탕이 캐비티(113) 내로 제공되어 보충된다.

이러한 중력 주조법은 특히, 자동차 메이커에서 실린더 헤드와 실린더 블록으로 이루어지는 엔진이나, 캠 샤프트, 크랭크 샤프트, 흡기 및 배기 매니폴드, 터빈 하우징의 제작을 위하여 적용되며, 상기 부품들의 몸체를 제작한 후, 수차례의 가공공정을 거쳐 완성품으로 만들어지고 있다.

한편, 최근에는 가솔린 터보차저의 확대 적용에 따라 배기계의 형상을 최적화함으로써, 그 내구성 및 Sealing성 개선과 수익성을 확보하는 일환으로, 트윈 스크롤(Twin Scroll) 터보 차저를 배기 매니폴드와 일체로 제작하는 방안이 추진되고 있다.

그러나, 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기한 배기 매니폴드(3)와 상기 트윈 스크롤(Twin Scroll) 터보 차저용 터빈 하우징(1)을 하나의 일체형 몸체로 주조하기 위해서는 종래 기술에 언급한 바와 같은 일반적인 중력 주조용 금형을 적 용하기에는 복잡한 제품의 특성에 대응하기 어렵고, 특히, 구조가 복잡한 상기 터빈 하우징(1)의 트윈 스크롤부(5)로 흐르는 용탕의 흐름을 개선하고, 표면 탈착 현상을 방지하기 위한 가스빼기 방안 등의 대안이 요구된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 요구에 따라 발명된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 트윈 스크롤부를 갖는 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체형으로 주조하도록 하형과 상형의 내측 하부에서 터보차저 출구측에 대응하여 다수개의 게이트를 갖는 별도의 게이트 중자를 구성하여 지지금형과 함께, 상기 터빈 하우징과 배기 매니폴드의 캐비티를 연결함과 동시에, 스프루와 연결되는 런너를 형성하여 복잡한 구조의 트윈 스크롤부로 용탕의 흐름이 원활하도록 하는 중력 주조용 금형을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 하형과 상형의 내측에서, 상기 런너를 통하여 연결되는 배기 매니폴드의 캐비티와 터빈 하우징의 캐비티에 각각 별도의 압탕이 제공되도록 하여 용탕의 냉각에 따른 수축에 안정적으로 대응할 수 있도록 하는 중력 주조용 금형을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 하형의 일측에 상기 터빈 하우징의 트윈 스크롤부의 캐비티와 연결되는 별도의 가스빼기 홀을 형성하여 하측 스크롤부에 먼저 주입되는 용탕에 의해 발생되는 가스가 상측 스크롤부에 주입되는 용탕과 혼합되지 않도록 함으로써 표면 탈착 현상을 방지하는 중력 주조용 금형을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 중력 주조용 금형은 트윈 스 크롤부를 갖는 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체형으로 주조하기 위하여 하형과 상형을 포함하는 중력 주조용 금형에 있어서,

상기 하형과 상형 사이에는 일측과 타측에 배기 매니폴드의 캐비티와 터빈 하우징의 캐비티를 형성함과 동시에, 상기 터빈 하우징의 캐비티와 연결되는 터빈 하우징용 압탕구를 형성하며,

상기 터빈 하우징의 캐비티 하부에 대응하여 상기 하형과 상형 사이에 설치되는 지지금형; 상기 하형과 상형 사이에서, 상기 지지금형에 설치되어 상기 지지금형과 함께, 상기 배기 매니폴드의 캐비티와 상기 터빈 하우징의 캐비티를 연결하는 런너를 형성함과 동시에, 상기 터빈 하우징의 캐비티 하부를 연결하는 다수개의 게이트를 형성하는 게이트 중자; 상기 하형과 상형의 내부 일측에 구성되어 상기 배기 매니폴드의 캐비티와 연결되는 배기 매니폴드측 압탕구를 형성하는 압탕금형; 상기 하형과 상형 사이의 상기 배기 매니폴드의 캐비티 내부에서, 상기 압탕금형 사이에 설치되어 상기 배기 매니폴드의 배기 런너부를 형성하는 배기 런너 중자; 상기 하형과 상형 사이의 상기 터빈 하우징의 캐비티 내부에서, 상기 터빈 하우징용 압탕구와 상기 게이트 중자 사이에 설치되어 상기 터빈 하우징의 내부 공간부로 이루어지는 트윈 스크롤부와 바이패스부를 각각 형성하는 트윈 스크롤부 중자 및 바이패스부 중자를 포함한다.

상기 상형에는 그 외면 중앙을 따라 스프루 커버와 함께, 상기 런너와 연결되는 스프루를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 하형에는 그 내부 일측에 상기 트윈 스크롤부의 하측 스크롤부에 대응 하는 터빈 하우징의 캐비티와 연결되도록 가스빼기 홀을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 지지금형은 상기 하형과 상형의 내부 일측 하부에 경사지지면을 통하여 지지되어 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 게이트 중자는 그 상면이 상기 트윈 스크롤부 중자 및 바이패스부 중자가 설치되는 설치면으로 형성되고, 상기 설치면 둘레를 따라 5개의 게이트를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 압탕금형은 상기 하형 상에 장착되는 하부 압탕형과 상기 상형 상에 장착되는 상부 압탕형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 트윈 스크롤부 중자는 그 상측 및 하측 스크롤부 형성면에 도형제를 도포하여 설치되는 것이 바람직하며, 상기 바이패스부 중자도 그 외부 형성면에 도형제를 도포하여 설치되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 중력 주조용 금형에 의하면, 트윈 스크롤부를 갖는 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체형으로 주조하도록 하형과 상형의 내측 하부에서 터보차저 출구측에 대응하여 5개의 게이트를 갖는 별도의 게이트 중자를 구성하여 지지금형과 함께, 상기 터빈 하우징과 배기 매니폴드의 캐비티를 연결함과 동시에, 스프루와 연결되는 런너를 형성하여 복잡한 구조의 트윈 스크롤부로 용탕의 흐름이 원활하도록 하여 공급할 수 있도록 한다.

또한, 하형과 상형의 내측에서, 상기 런너를 통하여 연결되는 배기 매니폴드 의 캐비티와 터빈 하우징의 캐비티에 각각 별도의 압탕이 제공되도록 하여 용탕의 냉각에 따른 수축에 안정적으로 대응할 수 있도록 한다.

또한, 하형의 일측에 상기 터빈 하우징의 트윈 스크롤부의 캐비티와 연결되는 별도의 가스빼기 홀을 형성하여 하측 스크롤부에 먼저 주입되는 용탕에 의해 발생되는 가스가 상측 스크롤부에 주입되는 용탕과 혼합되지 않도록 함으로써 표면 탈착 현상을 방지한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형에 의해 제작되는 터빈 하우징 일체형 배기 매니폴드의 상면 및 저면 사시도이다.

도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형 중, 하형 및 하형 상에 중자가 설치된 상태의 사시도이다.

도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형 중, 상형 및 하형과 상형의 합형 상태의 사시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형의 평면도이다.

먼저, 본 실시예에 따른 중력 주조용 금형을 통하여 주조되는 주조품은, 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 트윈 스크롤(Twin Scroll) 터보 차저용 터빈 하우징(1)이 일체로 형성되는 배기 매니폴드(3)로 상기 터빈 하우징(1)은 그 내부에 공간부로 이루어지는 트윈 스크롤부(5)와 바이패스부(7)를 갖는다.

이러한 터빈 하우징(1) 일체형 배기 매니폴드(1)를 주조하기 위한 중력 주조용 금형은, 도 4 내지 도 8에서 도시한 바와 같이, 기본적으로 하형(11)과 상형(13)이 구비된다.

즉, 상기 하형(11)과 상형(13) 사이에는 일측과 타측에 배기 매니폴드(3)의 캐비티(C1)와 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2)를 형성하며, 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2)와 연결되는 터빈 하우징용 압탕구(H2)를 함께 형성한다.

여기서, 상기 하형(11)에는 그 내부 일측에 상기 터빈 하우징(1)의 트윈 스크롤부(5) 중, 하측 스크롤부(5b)에 대응하는 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2)와 연결되도록 가스빼기 홀(H3)을 형성한다.

그리고 상기 하형(11)과 상형(13) 사이에는 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2) 하부에 대응하여 지지금형(15)이 설치된다.

상기 지지금형(15)은 상기 하형(11)과 상형(13)의 내부 일측 하부에 경사지지면(F)을 통하여 지지되어 설치된다.

그리고 상기 하형(11)과 상형(13) 사이에서, 상기 지지금형(15) 상에는 상기 지지금형(15)과 함께, 상기 배기 매니폴드(3)의 캐비티(C1)와 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2)를 연결하는 런너(R)를 형성하는 게이트 중자(17)가 설치된다.

상기 게이트 중자(17)는, 도 9에서 도시한 바와 같이, 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2) 하부를 연결하는 5개의 게이트(G)를 형성한다.

여기서, 상기 상형(13)에는 그 외면 중앙을 따라 스프루 커버(19)가 설치되는데, 상기 스프루 커버(19)와 함께 상형(13)의 외면상에 형성되는 스프루(S)가 상 기 런너(R)와 하부에서 연결되어 용탕을 공급받게 된다.

그리고 상기 하형(11)과 상형(13)의 내부 일측단에는 상기 배기 매니폴드(3)의 캐비티(C1)와 연결되는 배기 매니폴드측 압탕구(H1)를 형성하도록 압탕금형(21)이 설치된다.

즉, 상기 압탕금형(21)은 상기 하형(11) 상에 장착되는 하부 압탕형(21a)과 상기 상형(13) 상에 장착되는 상부 압탕형(21b)으로 이루어진다.

또한, 상기 하형(11)과 상형(13) 사이의 상기 배기 매니폴드(3)의 캐비티(C1) 내부에는 상기 하부 및 상부 압탕형(21a,21b) 사이에 상기 배기 매니폴드(3)의 배기 런너부(9)를 형성하는 배기 런너 중자(23)가 설치된다.

또한, 상기 하형(11)과 상형(13) 사이의 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2) 내부에는 상기 터빈 하우징용 압탕구(H2)와 상기 게이트 중자(17) 사이에 상기 터빈 하우징(1)의 내부 공간부로 이루어지는 트윈 스크롤부(5)와 바이패스부(7)를 각각 형성하는 트윈 스크롤부 중자(25) 및 바이패스부 중자(27)를 설치한다.

여기서, 상기 게이트 중자(17)는, 도 9에서 도시한 바와 같이, 그 상면이 상기 트윈 스크롤부 중자(25) 및 바이패스부 중자(27)가 설치되는 설치면(29)이 형성되는데, 상기 트윈 스크롤부 중자(25) 및 바이패스부 중자(27)는, 도 10에서 도시한 바와 같이, 상기 게이트 중자(17)의 상기 설치면(29)에 끼워져 설치된다.

또한, 상기 게이트 중자(17) 상의 5개의 게이트(G)는 상기 설치면(29) 둘레를 따라서 형성된다.

그리고 상기한 트윈 스크롤부 중자(25)는, 도 11에서 도시한 바와 같이, 상 기 상측 및 하측 스크롤부 형성면(25a,25b)에 도형제를 도포한 상태로 설치되며, 상기 바이패스부 중자(27)도 그 외부 형성면(27a)에 도형제를 도포한 상태로 설치된다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 중력 주조용 금형을 이용한 터빈 하우징(1) 일체형 배기 매니폴드(3)를 주조하기 위해서는, 상기한 도 7에서 도시한 바와 같이, 합형된 상태의 하형(11)과 상형(13) 상의 상기 스프루(S)를 통하여 고온의 금속 용탕을, 주입한다.

그러면, 상기 용탕은, 도 12에서 도시한 바와 같이(단, 도 12에서는 구성요소의 명칭에 대응하는 용탕의 위치를 해당 구성요소의 도면부호를 적용하여 설명한다), 스프루(S)를 통하여 하부의 런너(R)로 공급되어 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2)와 배기 매니폴드(3)의 캐비티(C1)를 채운 후, 터빈 하우징용 압탕구(H2) 및 배기 매니폴드측 압탕구(H1)를 채우게 된다.

이때, 상기 용탕의 주입은 수동 주입으로 행하며, 수동 이동시 용탕 온도 저감을 고려한 용탕 온도 조건은 1650℃±20℃가 적당하다.

여기서, 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2)로 공급되는 용탕은 상기 런너(R)로부터 게이트 중자(17)의 5개의 게이트(G)를 통하여 복잡한 구조의 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2) 내 상기 트윈 스크롤부(5)와 바이패스부(7)를 고르게 채워 충진되며, 상기 트윈 스크롤부(5)를 채우는 과정에서, 하측 스크롤부(5b)에 먼저 채워진 후, 상측 스크롤부(5a)를 채우게 된다.

이때, 상기 하측 스크롤부(5b)에 용탕이 충진되면서 발생되는 가스는 가스빼 기 홀(H3)을 통하여 바로 배출되어 상측 스크롤부(5a)로 공급되는 용탕에 가스가 혼합되지 않도록 함으로써 표면 탈착 현상을 방지하게 된다.

이러한 표면 탈착 현상은 상기 트윈 스크롤부 중자(25)와 상기 바이패스부 중자(27)에 도포되는 도형제에 의해서도 방지된다.

이와 같이, 상기 하형(11) 및 상형(13) 내부의 각 상기 터빈 하우징(1)의 캐비티(C2)와 배기 매니폴드(3)의 캐비티(C1)에 용탕이 모두 충진된 상태에서, 냉각 과정에 금속 용탕이 수축하게 되면, 상기 터빈 하우징용 압탕구(H2) 및 배기 매니폴드측 압탕구(H1)에 충진된 용탕이 공급되어 수축분을 보충해주게 된다.

도 1은 일반적인 중력 주조법의 개념도이다.

도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형에 의해 제작되는 터빈 하우징 일체형 배기 매니폴드의 상면 및 저면 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형 중, 하형의 사시도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형 중, 하형 상에 중자가 설치된 상태의 사시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형 중, 상형의 사시도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형 중, 하형과 상형의 합형 상태의 사시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형의 평면도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형에 적용되는 게이트 중자의 사시도이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형에 적용되는 게이트 중자의 조립 상태도이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형에 도형제의 도포부위를 나태내는 중자의 사시도이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 중력 주조용 금형에 주입되는 용탕의 모식도이다.

Claims (8)

1. 트윈 스크롤부를 갖는 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체형으로 주조하기 위하여 하형과 상형을 포함하는 중력 주조용 금형에 있어서,

   상기 하형과 상형 사이에는 일측과 타측에 배기 매니폴드의 캐비티와 터빈 하우징의 캐비티를 형성함과 동시에, 상기 터빈 하우징의 캐비티와 연결되는 터빈 하우징용 압탕구를 형성하며,

   상기 터빈 하우징의 캐비티 하부에 대응하여 상기 하형과 상형 사이에 설치되는 지지금형;

   상기 하형과 상형 사이에서, 상기 지지금형에 설치되어 상기 지지금형과 함께, 상기 배기 매니폴드의 캐비티와 상기 터빈 하우징의 캐비티를 연결하는 런너를 형성함과 동시에, 상기 터빈 하우징의 캐비티 하부를 연결하는 다수개의 게이트를 형성하는 게이트 중자;

   상기 하형과 상형의 내부 일측에 구성되어 상기 배기 매니폴드의 캐비티와 연결되는 배기 매니폴드측 압탕구를 형성하는 압탕금형;

   상기 하형과 상형 사이의 상기 배기 매니폴드의 캐비티 내부에서, 상기 압탕금형 사이에 설치되어 상기 배기 매니폴드의 배기 런너부를 형성하는 배기 런너 중자;

   상기 하형과 상형 사이의 상기 터빈 하우징의 캐비티 내부에서, 상기 터빈 하우징용 압탕구와 상기 게이트 중자 사이에 설치되어 상기 터빈 하우징의 내부 공 간부로 이루어지는 트윈 스크롤부와 바이패스부를 각각 형성하는 트윈 스크롤부 중자 및 바이패스부 중자를 포함하는 중력 주조용 금형.
2. 제1항에서,

   상기 상형에는

   그 외면 중앙을 따라 스프루 커버와 함께, 상기 런너와 연결되는 스프루를 형성하는 것을 특징으로 하는 중력 주조용 금형.
3. 제1항에서,

   상기 하형에는

   그 내부 일측에 상기 트윈 스크롤부의 하측 스크롤부에 대응하는 터빈 하우징의 캐비티와 연결되도록 가스빼기 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 중력 주조용 금형.
4. 제1항에서,

   상기 지지금형은

   상기 하형과 상형의 내부 일측 하부에 경사지지면을 통하여 지지되어 설치되는 것을 특징으로 하는 중력 주조용 금형.
5. 제1항에서,

   상기 게이트 중자는

   그 상면이 상기 트윈 스크롤부 중자 및 바이패스부 중자가 설치되는 설치면으로 형성되고, 상기 설치면 둘레를 따라 5개의 게이트를 형성하는 것을 특징으로 하는 중력 주조용 금형.
6. 제1항에서,

   상기 압탕금형은

   상기 하형 상에 장착되는 하부 압탕형과 상기 상형 상에 장착되는 상부 압탕형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중력 주조용 금형.
7. 제1항에서,

   상기 트윈 스크롤부 중자는

   그 상측 및 하측 스크롤부 형성면에 도형제를 도포하여 설치되는 것을 특징으로 하는 중력 주조용 금형.
8. 제1항에서,

   상기 바이패스부 중자는

   그 외부 형성면에 도형제를 도포하여 설치되는 것을 특징으로 하는 중력 주조용 금형.

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