KR101324407B1

KR101324407B1 - 제어된 압력 주조

Info

Publication number: KR101324407B1
Application number: KR1020077026695A
Authority: KR
Inventors: 씨타라마 에스. 코타기리; 티모씨 더블유. 스크스제크; 프랭크 에이. 호톤; 그레고리 피. 키셀리스
Original assignee: 마그나 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2013-11-01
Also published as: KR20080009209A; CA2852814A1; EP1881876A1; KR20120034225A; CN101175591B; US7806162B2; EP1881876B1; EP1881876A4; CN102527997B; WO2006122423A1; EP2388181A2; US20090014144A1; CN102527997A; CA2608168A1; EP2388181B1; CN101175591A; EP2388181A3; KR101379977B1; CA2608168C

Abstract

금속 주물 성형 방법은 제1 주형 공동 내에 구조 부재의 제1 단부를 그리고 제2 주형 공동 내에 구조 부재의 제2 단부를 위치 결정하는 단계를 포함한다. 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동은 용융 금속의 저장부에 유체 연결된다. 용융 금속을 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동 내로 가압하기 위하여 저장부 내의 용융 금속에 주 압력을 가한다. 그런 다음, 제 주형 공동 및 제2 주형 공동 내에 성형된 주물의 밀도를 높이기 위하여 제1 주형 공동에 제1 보조 압력을 그리고 제2 주형 공동에 제2 보조 압력을 가한다. 또한, 주조 방법은 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동이 채워진 후에 초기 주형-채움 압력 이하로 주 압력을 유지하는 단계를 포함한다. 또한, 주조 방법은 가동식 요소를 모니터링함으로써 제1 주형 공동이 용융 금속으로 충분히 채워지는지 여부를 감지하기 위한 방법이다.

주물 성형 방법, 주형 공동, 구조 부재, 주 압력, 보조 압력, 가동식 요소

Description

제어된 압력 주조{CONTROLLED PRESSURE CASTING}

본 발명은 주조 금속 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 제어된 보조 압력을 이용한 주조 금속 구조의 개선 및 주조 주형의 충전 시의 개선에 관한 것을 포함하는 본 발명의 실시예들을 나타낸 것이다.

종래의 알루미늄 고압 다이 주조는 분사(shot) 슬리브로부터 다이 공동 내로 용융된 알루미늄을 위치시키고, 제한된 게이트 영역을 통해 유동하도록 저항을 극복하는 분사 팁을 전진시키기 위해 유압 실린더를 이용한다. 다이 공동이 용융된 알루미늄으로 채워져 있을 때, 유압 분사 실린더에 가해진 압력은 분사 실린더 및 분사 팁 단면적의 비율에 기초하여 용융된 알루미늄으로 전달된다. 잠수(submerged) 부재의 일 단부를 함유하는 다이 공동이 잠수 부재의 대향 단부를 함유하는 다이 공동 또는 다이의 구역 전에 채워지고 가압되면, 합력은 잠수 부재의 단부 상에 부과된다. 잠수 부재의 움직임을 피하기 위해서, 클램프 또는 마찰 또는 형 피팅 다이와 같은 기구가 힘에 저항하도록 채용되어야 한다. 힘은 부재의 단면적이 증가할 때, 이런 기구들과 함께 관리되기가 매우 어렵게 된다. 다이 공동의 채워짐에 후속하여, 분사 팁에 선행하는 유압 실린더에 가해진 압력은 통상, 예를 들어 포획된 공기를 감소시키고 열전달률을 증가시키도록 계수가 2배만큼 증 가된다(즉, 강화됨). 또한, 내부 게이트(in-gate)가 보통 전체 다이 공동의 응고 전에 발생하는 응고를 통해 고화되면, 심지어 증가된 압력으로도 재료가 성형된 공동 내에 도달하지 못한다.

그로테케(Groteke)에 의한 미국 특허 제3,664,410호 및 루란트(Ruhlandt)에 의한 미국 특허 제4,779,666호에는 각각 다이 주조 방법 및 장치가 개시되어 있다.

본 발명의 일 태양은 복합 금속 주조 형성 방법에 관한 것이다. 구조 부재의 제1 단부는 제1 주형 공동 내에 위치 결정되고, 구조 부재의 제2 단부는 제2 주형 공동 내에 위치 결정된다. 제1 단부와 제2 단부는 용융 금속의 저장부(reservoir)에 유체 연결된다. 용융 금속을 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동 내로 가압하기 위하여 저장부 내의 용융 금속에 주 압력이 가해진다. 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동 내에 형성된 주물의 밀도를 높이기 위하여, 제1 주형 공동 내의 용융 금속에 제1 보조 압력을 가하고 제2 주형 공동 내의 용융 금속에 제2 보조 압력을 가한다.

본 발명의 다른 태양은 용융 금속의 저장부에 유체 연결된 제1 주형 공동 내에 구조 부재의 제1 단부를 위치 결정하는 단계와, 용융 금속을 제1 주형 공동 내로 가압하기 위하여 초기 주형-채움 압력에서 저장부 내의 용융 금속에 주 압력을 가하는 단계와, 제1 주형 공동 내의 용융 금속에 제1 보조 압력을 가하는 단계와, 제1 주형 공동이 채워진 후에 초기 주형-채움 압력 이하로 주 압력을 유지하는 단계를 포함하는 금속 주조 성형 방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 태양은 용융 금속의 저장부에 유체 연결된 제1 주형 공동 내에 구조 부재의 제1 단부를 위치 결정하는 단계와, 제1 주형 공동 내로 용융 금속을 가압하기 위하여 저장부 내의 용융 금속에 주 압력을 가하는 단계와, 가동식 요소를 모니터링함으로써 제1 주형 공동이 용융 금속으로 충분히 채워지는지 여부를 감지하는 단계와, 제1 주형 공동이 충분히 채워진 것을 감지한 후에 제1 주형 공동에 제1 보조 압력을 가하는 단계를 포함하는 금속 주조 성형 방법이다.

본 발명의 다른 태양, 특징 및 이점은 본 개시의 일부이고 본 발명의 원리를 예로써 나타내는 첨부 도면들과 연계할 때 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

첨부 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들의 이해를 도울 것이다.

도1은 본 발명의 일 예시적인 실시예의 개략도를 도시한 것이다.

도2는 용융 금속이 주형 내에 부분적으로 채워지는 도1의 실시예를 도시한 것이다.

도3은 용융 금속이 주형 내에 완전히 채워지는 도1의 실시예를 도시한 것이다.

도4는 보조 압력이 주형 내의 용융 금속에 가해지는 도1의 실시예를 도시한 것이다.

도5는 용융 금속이 저장부 내에서 부분적으로 응고되는 도1의 실시예를 도시한 것이다.

도6은 본 발명의 예시적인 실시예에 의해 제조될 수 있는 차량 크래들의 일 예의 사시도를 도시한 것이다.

도7은 본 발명의 일 태양에 따른 방법을 나타낸 것이다.

도8은 본 발명의 다른 태양에 따른 방법을 나타낸 것이다.

도9는 본 발명의 또 다른 태양에 따른 방법을 나타낸 것이다.

도10은 2개의 차량 크래들을 형성하기 위해 4개의 주형들이 동시에 작동되는 본 발명의 다른 실시예의 개략을 도시한 것이다.

도11 내지 도17은 본 발명에 사용된 튜브 단부 폐쇄 및 기계적 상호 체결의 다양한 예들을 도시한 것이다.

도1 내지 도5는 본 발명의 일 실시예를 도시한 것이다. 도1은 도6에 도시된 바와 같은 차량 크래들(50, cradle)과 같은 주물 금속 부품용 조립체(10)를 개략적으로 도시한 것이다. 조립체(10)는 유압 실린더 형태의 실린더(16) 및 분사 팁 조립체(14)의 형태로 나타낸 분사 팁 또는 주 압력 공급원(12)을 포함한다. 분사 팁 조립체(14)는 저장부(18; reservoir)[비스킷(biscuit)이라고도 불리움]에 유체 연결되고, 저장부(18)를 따라 많은 용융 금속(20)을 함유한다. 저장부(18)는 2개의 다이 조립체들(22, 24)에 유체 연결된 분사 슬리브를 형성한다. 다이 조립체(22)는 제1 다이 공동(30) 또는 주조 영역을 형성하는 적어도 2개의 다이 요소들(26, 28)로 구성된다. 다이 조립체(22)는 용융 금속(20)이 내부 게이트(32)를 통해 다이 공동(30) 내로 가압될 수 있도록 저장부(18)에 유체 연결되는 제한된 내부 게이트(32)를 갖는다. 유사하게, 다이 조립체(24)는 제2 다이 공동(38) 또는 주조 영역을 형성하는 적어도 2개의 다이 요소들(34, 36)로 구성된다. 다이 조립체(24)는 용융 금속(20)이 내부 게이트(40)를 통하여 다이 공동(38) 내로 가압될 수 있도록 저장부(18)에 유체 연결되는 제한된 내부 게이트(40)를 갖는다.

도면들에서, 다이 조립체들(22, 24)은 분리식 조립체로서 도시되었다. 다이 조립체들(22, 24)이 단일 다이 조립체로 결합될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 2개의 다이 조립체들 사이의 중간 섹션은 아래에 기술되는 바와 같이 지지 부재(52)에 지지를 제공하는데 이용될 수 있다.

다이 조립체(22, 24) 각각은 내부 게이트(32, 40)로부터 이격되거나 또는 말단에 있는 다이 공동(30, 38) 각각의 지점에 부착되는 적어도 하나의 보조 압력 공급원(42, 44)을 각각 갖는다. 바람직하게는, 보조 압력 공급원(42, 44)은 내부 게이트(32, 40)로부터 가능한 멀리 이격되고, 가장 바람직하게는 다이 공동(30, 38)의 대향 단부 상에 있다. 보조 압력 공급원(42, 44)은 2가지 기능을 실행한다. 첫째, 보조 압력 공급원(42, 44) 각각은 그 다이 공동(30, 38) 각각이 용융 금속(20)으로 충분히 채워졌다는 표시를 제공하고, 둘째로 하기되는 바와 같이 다이 공동(30, 38) 각각에 보조 압력을 가한다. 보조 압력 공급원(42)은 다이 공동(30)에 직접 연결되는 피스톤(45)을 갖는 보조 유압 실린더로서 도면들에 도시되어 있다. 피스톤(45)은 다이 공동(30)과 작동식으로 연통하고 팽창 체적 및 소정 체적을 형성하기 위하여 왕복으로 움직인다.

다이 공동(30)을 채우는 용융 금속(20)에 의해 유발되는 움직임을 포함하는 피스톤(45)의 움직임은 다양한 방식으로 모니터링될 수 있다. 도1은 다이 공동(30) 내외의 움직임을 트래킹하기 위해 피스톤(45)에 인접한 리미트 스위치(46, limit switch)를 도시하고 있다. 보조 압력 공급원(44)은 또한 다이 공동(38)에 직접 작동식으로 연결되는 피스톤(47)을 갖는 보조 유압 실린더로서 도면들에 도시되어 있다. 다이 공동(38)을 채우는 용융 금속(20)에 의해 유발되는 움직임을 포함하는 피스톤(47)의 움직임은 다양한 방식으로 모니터링될 수 있지만, 다이 공동(38) 내외로의 그 움직임을 트래킹하기 위해 피스톤(47)에 인접한 리미트 스위치 또는 위치 센서(48)로서 도시되어 있다.

도1의 예시적인 실시예에 있어서, 복합 또는 하이브리드 주조 조립체는 도6에 도시된 바와 같이, 다수의 주물들(80, 82) 사이에서 연장되는 다수의 지지 부재들(52, 84)을 갖는 차량 크래들(50)의 단부를 주조하고 있다. 도1에서는, 단지 하나의 지지 부재(52)가 도시되어 있지만, 다른 지지 부재들은 사실상 동일한 방식으로 또는 원한다면 도6에 도시된 바와 같은 다른 구성으로 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 지지 부재(52)는 다양한 구성들을 취할 수 있지만, 통상 고강도 강재의 중공 튜브와 같은 관형 부재이다. 튜브와 같은 지지 부재(52)는 하이드로포밍(hydroforming) 가공과 같은 조작에 의해 제조될 수 있고, 바람직하게는 미국 특허 제5,979,201호, 제6,014,879호, 제6,065,502호, 제6,474,534호, 제6,609,301호 및 제6,662,611호에 기술되어 있는 바와 같이 공지된 방법들에 따라 제조될 수 있다.

크래들(50)을 성형하기 위하여, 관형의 지지 부재(52)는 관형의 지지 부재(52)의 2개의 단부들(54, 56) 상에 주물을 갖는다. 다이 조립체(22)는 단부(54)용 주물을 제공하도록 구성되고, 다이 조립체(24)는 단부(56)용 주물을 제공하도록 구성된다. 도1에는 다이 공동(30, 38) 내로 연장되는 관형의 지지 부재(52)만을 도시하고 있지만, 도6에 도시된 바와 같이, 관형의 지지 부재(52)와 같은 다수의 튜브들이 다이 공동(30, 38) 각각 내로 연장될 수 있고 다이 조립체(22, 24)에 의해 제조된 주물들과 일체로 될 수 있다.

관형의 지지 부재(52)의 단부(54, 56)는 다이 공동(30, 38) 각각 내로 연장되고, 단부(54, 56) 각각은 용융 금속(20)이 중공 관형의 지지 부재(52)로 진입되지 않도록 폐쇄된다. 도11 내지 도17은 폐쇄 단부를 갖는 중공 튜브의 다양한 예들을 도시하고 있다. 다양한 예들은 중공 튜브의 단부를 폐쇄하고, 성형된 주물과 중공 튜브의 외부 표면 사이의 기계적 상호 체결을 제공하는 2개의 기능들을 제공한다. 기계적 상호 체결은 중공 튜브와 주물 사이의 비틀림 방향 및 축방향의 상대적인 움직임을 방지한다. 기계적 상호 체결은 기계적 상호 체결면을 제공함으로써 향상된다.

도11에서, 튜브 단부는 튜브보다 더 넓은 편평 단부를 나타내도록 2개의 다이들 사이에 크러싱(crushing)된다. 상호 체결면을 나타내도록 편평 단부를 관통하는 구멍이 제공된다.

도12에서, 분리식 스탬핑 캡은 단부가 폐쇄된 튜브의 내측에 위치 결정된다. 캡은 튜브에 가용접되거나 또는 크림핑된다. 캡은 기계적 상호 체결면을 제공하도록 비원형 구성을 갖는 플랜지를 가질 수 있다.

도13에서, 분리식 스탬핑 캡은 단부가 폐쇄된 튜브의 외측에 위치 결정된다. 캡은 튜브에 가용접되거나 또는 크림핑된다. 캡은 기계적 상호 체결면을 제공하도록 비원형 구성을 갖는 플랜지를 가질 수 있다.

도14에서, 분리식 스탬핑 캡은 단부가 폐쇄된 튜브의 단부 상에 위치 결정된다. 캡은 튜브에 용접된다. 캡은 기계적 상호 체결면을 제공하도록 비원형 구성을 가지는 플랜지 또는 탱(tang)을 가질 수 있다.

도15에서, 튜브 단부는 베이어닛(bayonet) 형상으로 단부를 형성하기 위해 회전 스웨이징 가공된다.

도16에서, 재료는 튜브 상에 제공된 오목부를 갖는 튜브의 단부를 중심으로 스피닝된다.

도17에서, 단부 캡은 튜브의 단부에 용접되고, 기계적 상호 체결면을 나타내도록 튜브의 외측면에 널부(knurl)가 형성된다.

다이 조립체(22, 24) 각각은 다이 요소들(26, 28과 34, 36) 사이에 튜브 수용 개구(55, 57) 및 분할선 또는 분리선을 갖는다. 튜브 수용 개구(55, 57)는 마찰 또는 간섭 끼움으로 튜브 단부(54, 56)를 각각 완전히 수용하도록 구성된다. 튜브 수용 개구(55, 57)는 다이 요소들(26, 28과 34, 36)이 각각 폐쇄된 후에 관형의 지지 부재(52)를 제자리에 클램핑하고 보유할 것이다. 관형의 지지 부재(52)가 직선 및 대칭으로 도시되었지만, 하이드로포밍 가공은 본 발명에 이용되는 복잡한 형상의 튜브도 제조 가능하다. 클램핑 능력을 향상시키기 위해, 다이 조립체들(22, 24) 사이의 중간 다이는 관형의 지지 부재(52)를 수용하도록 제공되고, 거기에 지지를 제공하여 보유하고 있는 관형의 지지 부재(52)가 주조 공정 중에 위치 결정된다.

바람직하게는, 도1에 도시된 바와 같은 조립체(10)는 컴퓨터 기반 제어기 조립체 또는 다른 자동 또는 수동 모니터링 제어기 조립체의 형태를 취할 수 있는 제어기(60)에 의해 제어된다. 제어기(60)는 주 압력 공동원(12), 보조 압력 공급원(42, 44) 및 다이 공동(30, 38)의 채움을 모니터링하고 제어할 수 있다. 도시된 실시예에서, 공동의 채움은 센서 또는 리미트 스위치(46, 48)를 모니터링하는 제어기(60)에 의해 모니터링될 수 있다.

도1에 도시된 실시예의 작동은 도2 내지 도5와 조합하여 도1을 조명함으로써 가장 잘 나타내었다. 관형의 지지 부재(52)는 관형의 지지 부재(52)의 제1 단부(54)가 제1 주형(22) 내에 위치 결정되고 관형의 지지 부재(52)의 제2 단부(56)가 제2 주형(24) 내에 위치 결정되도록 주조 조립체(10) 내에 위치 결정된다.

제1 주형 및 제2 주형(22, 24)은 용융 금속(20)의 저장부(18)에 유체 연결된다. 주 압력은 실린더(16)에 의해 가해지고, 저장부(18) 내의 용융 금속(20)은 내부 게이트(32)를 통해 제1 다이 공동(30; 제1 주형 공동) 내로 그리고 동시에 내부 게이트(40)를 통해 제2 다이 공동(38; 제2 주형 공동) 내로 가압된다. 바람직하게는, 다이 공동(30, 38)을 채우기 위해 실린더(16)로부터 필요한 압력 크기는 단지 제한된 내부 게이트(32, 40)를 통해 용융 금속(20)을 밀어내는 저항을 극복하기 위한 압력이다. 따라서, 주 압력은 실린더(16)에 의해 다이 공동(30, 38) 내로 용융 금속(20)을 가압 또는 분사하기 위해 초기 주형-채움 압력에서 저장부(18) 내의 용융 금속(20)에 가해진다. 도2에 도시된 바와 같이, 용융 금속(20)이 다이 공동(30, 38)을 채우기 시작하면, 용융 금속(20)은 관형의 지지 부재(52)의 단부(54, 56)를 둘러싼다.

용융 금속(20)은 알루미늄인 것이 바람직하다. 분사 시에, 용융 금속(20)은, 바람직하게는 600℃ 미만에서, 가장 바람직하게는 583℃ 내지 595℃에서 약 40% 내지 50%의 고형물을 함유한다.

도3에 도시된 바와 같이, 실린더(16)는 초기 채움 압력을 가하는 것을 계속하고, 용융 금속(20)은 다이 공동(30, 38) 각각에 완전히 채워진다. 보조 압력 공급원(42, 44)을 위한 피스톤(45, 47)은 용융 금속(20)으로 자유롭게 이동된다. 용융 금속(20)은 피스톤(45, 47)과 접촉하고 공동 각각의 체적이 팽창 체적으로 증가되도록 피스톤(45, 47)을 외측으로 가압하여 다이 공동(30, 38)의 체적을 증가시킨다. 피스톤(45, 47)은 용융 금속(20)에 의해 가압되고 변위된다.

피스톤(45, 47)의 변위는 각각 위치 센서 또는 리미트 스위치(46, 48)와 같이 당업계에 공지된 임의의 다양한 방식으로 측정되고 관찰될 수 있다. 리미트 스위치(46, 48) 각각은 피스톤(45, 47)이 소정량 진행되면 각각의 채움 신호를 발생시킨다. 채움 신호는 보조 압력 공급원(42, 44)을 반응식으로 작동시키는 제어기(60)로 전달된다.

다이 공동(30, 38)이 채워지는 시기를 판별하기 위해 다른 장치 또는 기구가 이용될 수 있다. 이들 장치들은 보조 압력 공급원(42, 44)과 일체식 또는 도시된 바와 같이 상호 작동 가능하게 연결된 분리식일 수 있다. 예를 들면, 다이 공동(30, 38) 각각을 채우는데 걸리는 시간이 어느 정도인지를 판별하기 위한 공정에 의한 실험 후에, 타이밍 루틴(timing routine)은 실린더(16) 및 보조 압력 공급원(42, 44)의 압력이 소정 타이밍 순서에 기초하여 온/오프되게 이루어질 수 있다. 또한, 제어기(60)를 이용하는 컴퓨터 제어식 시스템은 다이 공동(30, 38)이 채워지는 시기와 보조 압력 공급원(42, 44)을 작동시키고 실린더(16)를 제어하는 시기를 판별하기 위해 위치 센서 또는 리미트 스위치(46, 48) 또는 다른 모니터링 장치 또는 방법을 자동적으로 모니터링하도록 이용될 수 있다. 보조 압력 공급원(42, 44)은 다이 공동(30, 38)의 채움을 판별하기 위해 하나의 기구만을 제공하고, 보조 장치의 일부 또는 그와 분리식인 다른 기구들이 이용될 수 있다.

도4에 도시된 바와 같이, 실린더(16)가 여전히 초기 채움 압력을 가하거나 또는 실린더(16)가 작동 중지 또는 릴랙스(relax)될 때, 보조 압력 공급원(42, 44)은 각각 다이 공동(30, 38) 내의 용융 금속(20)에 보조 압력을 가한다. 보조 압력 공급원(42, 44)에 의한 이런 보조 압력의 가함은 피스톤(45, 47)을 팽창 체적으로부터 소정 체적으로 이동시켜서, 냉각 시 수축된 응고 금속을 보정하거나 또는 그 밀도를 높이기 위해 다이 공동(30, 38) 내로 용융 금속(20)의 적은 양을 되돌리게 분사한다. 보조 압력 공급원(42, 44)은 실린더(16)에만 의존하는 대신에 다이 공동(30, 38) 각각 내의 용융 금속(20)의 소정 압력을 유지한다. 보조 압력 공급원(42, 44)의 사용 없이, 다이 공동(30, 38)이 응고 단계 동안 응고된 금속 주물이 주형 공동에 정합하는 것을 보장하도록 다이 공동(30, 38) 내로의 용융 금속(20)의 분사를 계속하기 위해 저장부(18) 내의 용융 금속(20) 상에 충분한 압력을 제공하도록 용융 금속(20)으로 채워지면, 실린더(16)는 필수적으로 상대적으로 높은 압력을 제공하도록 작동되어야 한다. 그러나, 보조 압력 공급원(42, 44)의 이용은 실린더(16)가 이전 주조 시스템보다 상대적으로 낮은 압력을 가하는 것을 허용하고, 따라서 본 주조 조립체(10)의 실린더(16)는 보조 압력 공급원(42, 44) 없이 시스템에 이용되는 주 실린더보다 더 작게 될 것을 허용한다.

수행되는 주조 공정에 따라서, 실린더(16)는 응고 동안 용융 금속(20)에 낮은 압력의 제공을 계속하는 한편, 다이 공동(30, 38) 내에서의 응고를 위해 용융 금속(20)에 필요한 압력은 보조 압력 공급원(42, 44)에 의해 가해진다. 대안적으로, 실린더(16)는 보조 압력 공급원(42, 44)이 압력을 가하기 시작하거나 또는 그 후의 어느 시점에서 작동 중지되거나 또는 릴랙스될 수 있다.

결국, 도5에 도시된 바와 같이, 용융 금속(20)은 응고되기 시작한다. 용융 금속(20)은 초기에 내부 게이트(32, 40) 및 저장부(18)에서와 같은 장소에서 응고를 시작할 수 있다. 내부 게이트(32, 40)가 응고되면, 실린더(16)에 의해 가해진 임의의 압력은 다이 공동(30, 38) 내의 반 용융된 임의의 금속에 적당한 압력을 가함에 있어서 영향을 주는 것을 그칠 것이다. 도5는 내부 게이트(32, 40)가 응고된 금속(70)에 의해 차단된 후에도 실린더 각각이 다이 공동(30, 38) 내의 용융 금속에 압력을 가하는 것을 계속하는 보조 압력 공급원(42, 44)의 이점을 설명한다.

용융 금속(20)이 완전히 그리고 충분히 응고되면, 보조 압력 공급원(42, 44)은 작동 중지되고, 다이 공동(30, 38) 내의 응고된 용융 금속(20)으로 형성되는 주물(80, 82)을 드러내기 위해 다이 요소(26, 28) 및 다이 요소(34, 36)는 각각 개방된다. 도6에 도시된 바와 같이, 주물(80, 82)은 도시된 바와 같이, 예를 들어 자동차용 전방 엔진 크래들 또는 후방 크래들과 같은 차량 크래들(50)을 성형하기 위하여 관형의 지지 부재(52, 84)에 견고하게 연결된다.

도7에 도시된 바와 같이, 금속 주물 형성의 일 태양은 제1 다이 공동(30) 내로 지지 부재(52; 구조 부재)의 제1 단부(54)를 위치 결정하는 위치 결정 단계(88)와, 제2 다이 공동(38) 내로 지지 부재(52)의 제2 단부(56)를 위치 결정하는 제2 위치 결정 단계(89)와, 용융 금속(20)을 제1 다이 공동(30) 및 제2 다이 공동(38) 내로 가압하기 위하여 저장부(18) 내의 용융 금속(20)에 주 압력을 가하는 가압 단계(90)와, 제1 다이 공동(30) 내의 금속 압력이 제2 다이 공동(38) 내의 금속 압력과 사실상 동일하도록 제1 다이 공동(30) 내의 용융 금속에 제1 보조 압력을 그리고 제2 다이 공동(38) 내의 용융 금속에 제2 보조 압력을 가하는 가압 단계(91)를 포함하고, 제1 다이 공동과 제2 다이 공동(30, 38)은 용융 금속(20)의 저장부(18)에 유체 연결되는 금속 주물 성형 방법에 설명된다.

도8에 도시된 바와 같이, 복합 금속 주물 성형의 다른 태양은 용융 금속(20)의 저장부(18)에 유체 연결된 제1 다이 공동(30) 내로 지지 부재(52)의 제1 단부(54)를 위치 결정하는 위치 결정 단계(88)와, 용융 금속(20)을 제1 다이 공동(30) 내로 가압하기 위하여 초기 주형-채움 압력에서 저장부(18) 내의 용융 금속(20)에 주 압력을 가하는 가압 단계(92)와, 제1 다이 공동(30) 내의 용융 금속에 제1 보조 압력을 가하는 다른 가압 단계(93)와, 제1 다이 공동(30)이 채워진 후에 초기 주형-채움 압력 이하로 주 압력을 유지하는 유지 단계(94)를 포함하는 금속 주물 성형 방법에 설명된다.

도9에 도시된 바와 같이, 금속 주물 형성의 다른 태양은 용융 금속(20)의 저장부(18)에 유체 연결된 제1 다이 공동(30) 내로 지지 부재(52)의 제1 단부(54)를 위치 결정하는 위치 결정 단계(88)와, 용융 금속(20)을 제1 다이 공동(30) 내로 가압하기 위하여 저장부(18) 내의 용융 금속(20)에 주 압력을 가하는 가압 단계(95)와, 피스톤(45)과 같은 가동식 부재를 모니터링함으로써 제1 다이 공동(30)이 용융 금속(20)으로 충분히 채워지는지 여부를 감지하는 감지 단계(96)와, 제1 다이 공동(30)이 충분히 채워진 것을 감지한 후에 제1 다이 공동 내의 용융 금속에 제1 보조 압력을 가하는 가압 단계(97)를 포함하는 복합 금속 주물 형성 방법에 설명된다.

반고체 반액체 주조(SLC; Semi-Liquid Casting) 장치의 사이즈는 플래튼 사이즈 및 클램프 톤수에 의해 한정된다. 플래튼 사이즈는 프레스의 클램프 하에서 물리적으로 끼워 맞춤될 수 있는 가장 큰 다이 치수를 결정한다. 클램프 톤수는 "투영 면적(projected area)"과 금속 압력의 곱에 의한 결과에 의해 한정된다. 주물 결함의 사이즈 및 관련 재료 특성에 관련된 금속 압력은 4 톤/in²(약 620 kg/cm²)의 금속 압력까지 중요하다. 4 톤/in²(약 620 kg/cm²)을 초과하는 금속 압력의 더한 증가는 추가적인 값을 거의 제공하지 않는 것으로 보고되어 있다.

도1 내지 도5의 시스템의 일 실시예에 있어서, 반액체 주조(SLC) 공정 반고체 주조 공정은 용융 금속(20)이 실린더(16) 및 분사 팁 조립체(14)를 거쳐 다이 공동(30, 38) 내로 전달되는 비스킷 또는 용융 금속 저장부(18)[통상 20 in(약 50.8 cm) 직경]를 포함한다. 요구되는 장치 톤수는 금속 압력[즉, 대략 4 톤/in²(약 620 kg/cm²)]과 분사 팁 조립체(14) 및 저장부(18; 비스킷)의 투영 면적 및 분사 팁 조립체(14) 및 저장부(18; 비스킷)의 주연 외측의 주물의 투영 면적의 합의 곱의 결과에 의해 결정된다.

SLC 공정은 주물 투영 면적의 대부분이 분사 팁/비스킷 영역 바로 위에 위치되는 것으로 통상 추정된다. 따라서, 플래튼 사이즈는 장치 톤수 요구를 정의하는 한계 특징으로서 금속 압력 및 주물 투영 면적(분사 팁 면적 + 주물 면적)을 나타내는 상대적으로 큰 다이를 수용하도록 설계된다.

본 출원의 "제어된 압력(controlled pressure)" 방법은 특히 고강도 강관에 의해 통상 분리되는 크래들과 같은 "하이브리드 재료(hybrid material)" 주물 자동차 부품의 제조에 적용 가능하다. 주물의 분리는 주물 면적의 상당한 부분이 비스킷의 투영 면적의 외측이 되는 결과를 초래하여, 예를 들어 실린더(16)의 장치 사이즈 톤수 요구를 증가시킨다. 제어된 압력 방법은 다이 공동(30, 38) 내로 금속을 분사하기 위하여 분사 팁 조립체(14) 및 저장부(18)를 이용하고, 보조 압력 공급원(42, 44)은 다이 공동(30, 38)이 가득 찬 후에 압력을 제공한다. 이 기술은 다이 채움 및 초기 응고 상 동안의 금속 압력을 장치 클램프 톤수를 다이 공동(30, 38)과 분사 팁 조립체(14) 및 저장부(18)와 관련된 총 투영 면적으로 나눈 압력으로 제한되는 결과를 초래한다. 다이 공동(30, 38)이 가득 차면, 분사 팁 압력은 감소되고 다이 공동(30, 38)과 일체로 된 보조 압력 공급원(42, 44)은 각각 주물 투영 면적에만 압력을 제공하도록 작동된다.

특별히, 이는 특정 후방 크래들 예를 취하여 나타낼 수 있다.

종래의 SLC 주조 방법

분사 팁/비스킷 직경 .................................. 20 in

분사 팁/비스킷 투영 면적 ............................. 314 in²

(분사 팁의 주연 외측의) 주물 투영 면적 ............... 192 in²

총 투영 면적 (주물 및 분사 팁) ............. 506 in²(192 + 314)

요구되는 장치 톤수 @ 8,000 psi (4 톤/in²) 금속 압력 .. 2,000 톤

본 출원의 실시예에 따른 제어된 압력 SLC 주조 방법

분사 팁/비스킷 직경 .................................. 20 in

분사 팁/비스킷 투영 면적 ............................. 314 in²

(분사 팁의 주연 외측의) 주물 투영 면적 ............... 192 in²

다이 채움의 단부에 허용된 금속 압력 ................. 2 톤/in²

요구되는 장치 톤수 @ 8,000 psi (4 톤/in²) 금속 압력 ... 768 톤

따라서, 본 출원의 실시예에 따른 방법을 이용할 때, 요구되는 장치 톤수는 종래의 방법 및 장치를 이용하는, 요구되는 장치 톤수 미만이다. "제어된 압력" 주조라고 언급된 본 출원의 실시예는 주물(80, 82) 및 저장부(18)의 투영 면적의 합보다 "수요가 있는(saleable)" 주물 투영 면적[주물(80, 82) 자체]에만 관련되는 감소된 장치 톤수에 있어서, 일 주조 장치 사이클에서 후방 크래들 또는 전방 크래들과 같은 부품들의 주조 능력을 제공한다.

도10은 2개의 차량 크래들(122, 124)이 동시에 주조될 수 있도록 일 분사 팁 압력 조립체(112)가 4개의 주조 다이 조립체(114, 116, 118, 120)에 용융 금속을 공급하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주조 조립체(100)를 도시한 것이다. 차량 크래들(122, 124) 각각은 2개의 구조 부재(123, 125) 각각과 함께 도시되어 있고, 엔진 크래들(122, 124) 각각은 도6의 크래들(50)과 유사할 수 있다. 구조 부재(123, 125)는 복합(composition) 및 조립(make-up)에 있어서 관형의 지지 부재(52)와 사실상 동일할 수 있다. 물론, 임의의 구조 부재(123, 125)의 특정 형상은 성형된 특정 차량 크래들에 따라 다양할 것이다. 상기한 바와 같이, 도10에 도시된 바와 같은 이런 구성은 본 명세서에서 본 출원의 실시예로 개시된 주조 조립체의 효율성으로 인해 가능하다.

도10에서, 주 압력 조립체(112)는 각각 분사 슬리브(126, 128, 130, 132)에 의해 다이 조립체(114, 116, 118, 120) 각각의 다이 공동에 유체 연결된다. 다이 조립체(114, 116, 118, 120) 각각은 다이 조립체(114, 116, 118, 120) 각각에 형성된 주물들이 구조 부재(123, 125)의 2개의 단부들을 둘러싸도록 2개의 구조 부재들(123, 125)의 단부들을 수용한다. 다이 조립체(114, 116, 118, 120) 각각은 또한 상기한 보조 압력 공급원(42, 44)과 유사한 보조 압력 공급원(140, 142, 144, 146)을 갖는다. 또한, 주조 조립체(100)는 제어기(60)에 대해 상기한 바와 같은 방식으로 제어기(60)에 의해 제어될 수 있다. 4개의 다이 조립체(114, 116)에 용융 금속을 공급하는 주 압력 조립체(112)보다는, 주조 조립체(100)의 형상은 상기한 주조 조립체(10)와 사실상 동일하다.

도10의 실시예는 본 출원의 예시적인 실시예의 효율성의 하나를 설명한 것이다. 즉, 보조 압력은 응고 동안에 다이 조립체(114, 116, 118, 120) 각각에 가해지기 때문에, 실린더(16)에 의해 다이 조립체(114, 116, 118, 120) 각각에 공급된 주 압력은 당업계의 주조 구성의 주 실린더에 의해 통상 가해지는 압력 미만이다. 따라서, 본 출원의 실시예에서의 주 압력은 낮기 때문에, 압력 시스템 및 주 유압 실린더의 사이즈 요구는 덜하다. 이는 본 출원의 실시예들이 보다 작은 주 유압 실린더 및 보다 작은 압력 요구를 이용하는 것을 허용한다. 대안적으로, 종래 기술에 알려진 동일한 사이즈 및 압력 제한으로, 본 출원의 실시예들은 보다 많은 수의 다이 공동을 용융 금속(20)으로 채우는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 종래 기술의 구성이 하나의 차량 크래들 부재를 주조하는 데에만 이용될 수 있는 반면, 본 출원의 실시예들은 보다 많은 주물들, 예를 들어 크래들 각각이 2개의 주물들이 요구되는 2개의 크래들 조립체를 제조하는데 이용될 수 있다. 따라서, 종래 기술은, 예를 들어 사이클당 2개의 주물을 생산할 수 있는 반면, 도10의 실시예는, 예를 들어 동일한 압력 및 사이즈의 장치를 이용하여 사이클당 4개의 주물을 생산할 수 있다.

따라서, 본 출원의 실시예들은 용융 금속(20)을 저장부(18)로부터 내부 게이트(32, 40)를 통해 다이 공동(30, 38)으로 전달하는데 요구되는 유압의 최소 레벨을 이용한다. 다이 공동(30, 38)을 채우는데 필요한 실린더(16)로부터의 유압은, 예를 들어 갇힌 공기의 체적을 줄이도록 응고 동안에 압력을 제공하기 위해 그리고 응고 동안의 열전달률을 증가시키기 위해 일 압력 공급원-주 압력 공급원-에만 의존하는 종래 기술의 장치에 있어서, 주 압력 실린더로부터 필요한 유압보다 훨씬 작다. 본 출원의 실시예들은 또한 다이 공동(30, 38) 각각에 보조 압력 공급원(42, 44)을 위한 보조 유압 실린더의 형태로 가동식 코어(스퀴즈 핀)를 포함시킨다. 보조 압력 공급원(42, 44)은 다이 공동(30, 38) 내의 금속 압력이 증가하기 전에 그 다이 공동(30, 38) 각각이 가득 차는 것을 감지할 수 있다.

본 출원의 실시예들은 또한 금속 압력을 증가시키기 위한 가동식 코어가 일반적인 지지 부재(52)를 점유하는 다이 공동(30, 38) 각각과 일체로 될 때 작동하는 보조 압력 공급원(42, 44)을 동시에 작동시킨다. 따라서, 본 출원의 실시예들은 주 압력 힘을 최소화하기 위해 다수의 다이 공동(30, 38) 내의 금속의 밀도를 높이기 위한 방법을 설명한다.

또한, 본 출원의 실시예들은 또한 보조 압력 공급원(42, 44)을 위한 보조 유압 실린더 형태와 같은 가동식 코어를 이용함으로써 다이 공동(30, 38)과 같은 다이 공동들이 용융 금속(20)으로 채워지는지 여부를 감지하는 방법을 제공한다.

전술한 특정 실시예들은 본 발명의 구조적 그리고 기능적 원리를 설명하기 위해 제공된 것이고, 이에 한정하려는 의도는 아니다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범주 내에서 모든 변경, 대안 및 대체를 포함하려는 의도이다.

Claims

제1 구조 부재의 제1 단부를 제1 주형 공동 내에 그리고 제1 구조 부재의 제2 단부를 제2 주형 공동 내에 위치 결정하는 단계로서, 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동은 용융 금속의 저장부에 유체 연결되는 단계와,

용융 금속이 제1 주형 공동을 제1 팽창 체적으로 그리고 제2 주형 공동을 제2 팽창 체적으로 팽창시킬 때까지, 용융 금속을 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동 내로 가압하기 위하여 저장부 내의 용융 금속에 주 압력을 가하는 단계와,

제1 주형 공동의 체적을 제1 소정 체적으로 감소시키기 위해 제1 주형 공동 내의 용융 금속에 제1 보조 압력을 가하고, 제2 주형 공동의 체적을 제2 소정 체적으로 감소시키기 위해 제2 주형 공동 내의 용융 금속에 제2 보조 압력을 가하는 단계를 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제1항에 있어서, 제2 구조 부재의 제1 단부를 제3 주형 공동 내에 그리고 제2 구조 부재의 제2 단부를 제4 주형 공동 내에 위치 결정하는 단계로서, 제3 주형 공동 및 제4 주형 공동은 용융 금속의 저장부에 유체 연결되는 단계와,

용융 금속이 제3 주형 공동을 제3 팽창 체적으로 그리고 제4 주형 공동을 제4 팽창 체적으로 팽창시킬 때까지, 용융 금속이 제1 주형 공동 및 제2 주형 공동 내로 가압될 때 용융 금속을 제3 주형 공동 및 제4 주형 공동 내로 가압하는 단계와,

제1 보조 압력 및 제2 보조 압력이 가해지는 동안, 제3 주형 공동의 체적을 제3 소정 체적으로 감소시키기 위해 제3 주형 공동 내의 용융 금속에 제3 보조 압력을 그리고 제4 주형 공동의 체적을 제4 소정 체적으로 감소시키기 위해 제4 주형 내의 용융 금속에 제4 보조 압력을 가하는 단계를 더 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보조 압력들 각각은 용융 금속이 주형 공동 각각 내에 가압되는 곳으로부터 이격된 위치에서 주형 공동 각각에 가해지는 복합 금속 주물 성형 방법.
제3항에 있어서, 상기 용융 금속은 40% 내지 50%의 고형물을 함유하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제4항에 있어서, 상기 보조 압력들을 가하는 상기 단계는 상기 주형 공동 각각이 상기 팽창 체적을 각각 달성하는 것을 감지한 후에 초기화되는 복합 금속 주물 성형 방법.
제5항에 있어서, 중공 부재를 제공함으로써 그리고 상기 중공 부재의 대향 단부를 폐쇄함으로써 구조 부재를 성형하는 사전 단계를 더 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제6항에 있어서, 상기 중공 부재의 대향 단부를 폐쇄하는 상기 단계는 기계적 상호 체결면을 형성하는 단계를 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제7항에 있어서, 상기 폐쇄 단계는 크러싱(crushing), 캡핑(capping), 스웨이징(swaging) 및 스피닝(spinning) 가공을 포함하는 그룹에서 선택되는 작동인 복합 금속 주물 성형 방법.
제8항에 있어서, 상기 사전 단계는 중공 부재를 하이드로포밍(hydroforming) 가공하는 단계를 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 주형 공동 내에 제3 구조 부재의 제1 단부 및 상기 제2 주형 공동 내에 제3 구조 부재의 제2 단부를 위치 결정하는 단계를 더 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제2항에 있어서, 상기 제3 주형 공동 내에 제4 구조 부재의 제1 단부 및 상기 제4 주형 공동 내에 제4 구조 부재의 제2 단부를 위치 결정하는 단계를 더 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제9항에 있어서, 보조 압력들은 사실상 동일한 복합 금속 주물 성형 방법.
제9항에 있어서, 보조 압력들은 사실상 동일하지 않은 복합 금속 주물 성형 방법.
제9항에 있어서, 주 압력은 보조 압력들이 가해진 후에 감소되는 복합 금속 주물 성형 방법.
제9항에 있어서, 주 압력은 보조 압력들이 가해질 때 완화(relax)되는 복합 금속 주물 성형 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 슬라이딩 피스톤을 갖는 유압 실린더가 주형 공동 각각에 제공되는 사전 단계를 더 포함하고, 상기 슬라이딩 피스톤은 각각 상기 주형 공동과 연통하고 상기 팽창 체적 및 상기 소정 체적을 형성하도록 가동되는 복합 금속 주물 성형 방법.
제16항에 있어서, 유압 실린더 각각에 센서를 제공하는 사전 단계를 더 포함하고, 상기 센서들 각각은 상기 주형 공동들 각각이 상기 팽창 체적을 달성한 경우에 각각 신호를 발생시키는 복합 금속 주물 성형 방법.
제17항에 있어서, 주 압력을 가하는 단계는 초기 주형-채움 압력에서 주 압력을 가하는 단계와, 주형 공동이 채워진 후에 초기 주형-채움 압력 이하로 주 압력을 유지하는 단계를 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
용융 금속의 저장부에 유체 연결된 주형 공동 내에 구조 부재의 제1 단부를 위치 결정하는 단계와,

용융 금속을 내부 게이트를 통해 주형 공동 내로 가압하기 위하여 저장부 내의 용융 금속에 주 압력을 가하는 단계와,

상기 주형 공동과 연통하는 가동식 부재를 모니터링함으로써 주형 공동이 용융 금속으로 충분히 채워지는지 여부를 검지하는 단계로서, 상기 가동식 부재는 팽창 체적 및 소정 체적을 형성하는 검지 단계와,

주형 공동이 상기 팽창 체적을 달성하는 것을 감지한 후에 주형 공동 내의 용융 금속에 보조 압력을 가하는 단계를 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제19항에 있어서, 상기 모니터링 단계는 상기 가동식 부재와 협동하는 보조 유압 실린더의 피스톤의 위치를 트래킹(tracking)하는 단계를 포함하고, 보조 압력을 가하는 단계는 상기 주형 공동을 팽창 체적으로부터 소정 체적으로 감소시키는 가동식 부재를 이동시키는 보조 유압 실린더의 피스톤을 구동함으로써 달성되는 복합 금속 주물 성형 방법.
제20항에 있어서, 주 압력을 가하는 단계는 초기 주형-채움 압력에서 주 압력을 가하는 단계와, 주형 공동이 상기 팽창 체적을 달성한 것을 감지한 후에 초기 주형-채움 압력 이하로 주 압력을 유지하는 단계를 포함하는 복합 금속 주물 성형 방법.
제20항에 있어서, 주 압력은 보조 압력이 가해질 때 감소되는 복합 금속 주물 성형 방법.
제20항에 있어서, 주 압력은 보조 압력이 가해질 때 완화되는 복합 금속 주물 성형 방법.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 보조 압력은 유입구로부터 이격된 위치에서 주형 공동에 가해지는 복합 금속 주물 성형 방법.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 용융 금속은 40% 내지 50%의 고형물을 함유하는 복합 금속 주물 성형 방법.