KR101404592B1

KR101404592B1 - 피스톤헤드의 강성 증대방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101404592B1
Application number: KR1020120098678A
Authority: KR
Inventors: 임규철; 장재식; 박세혁; 유연설; 하문영
Original assignee: 동서공업주식회사
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-06-09
Also published as: KR20140032154A

Abstract

본 발명은 고출력 엔진에 적응하기 위한 피스톤헤드의 강성을 증대시키는 방법 및 이 방법을 실현시키기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 방법은; 상기 피스톤헤드(1)를 예열하는 예열공정(S10); 상기 모서리(5)가 상방향을 향하도록 상기 피스톤헤드(1)를 수직축(V)에 대하여 제1각(A1)으로 기울임으로써 상기 피스톤헤드(1)의 중심축(C)이 상기 제1각(A1)으로 기울어지도록 하는 세팅공정(S20); 상기 피스톤헤드(1)를 상기 중심축(C)을 축으로 하여 회전시켜가면서 상기 림부위(7)에 티그(TIG) 용접기를 이용하여 고열을 가함으로써 상기 림부위(7)가 용융 및 응고를 반복하도록 하는 부분용융공정; 상기 피스톤헤드(1)를 냉각시키는 냉각공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

피스톤헤드의 강성 증대방법 및 그 장치{Method For Improving Strength Of Piston Head And Apparatus For The Method}

본 발명은 피스톤헤드의 강성 증대방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 엔진에 적응하기 위한 피스톤헤드의 강성을 증대시키는 방법 및 이 방법을 실현시키기 위한 장치에 관한 것이다.

차량엔진용 피스톤은 엔진의 연소실을 형성하는 요소이기 때문에 고열과 강한 충격력을 받는 것이 일반적이다. 따라서 피스톤은 이러한 환경에 견딜 수 있는 재질로 주조성형하는 것이 일반적이다. 엔진의 효율을 높이기 위한 다양한 노력이 지속되고 있으며 그 일환으로 피스톤헤드 또한 제조사나 엔진형식에 따라 다양한 구조를 갖게 되었다. 피스톤헤드의 일반적인 구조는 연소실을 향한 면에 요홈이 만들어진다는 것이다. 요홈의 넓이와 깊이도 다양하며 형태 또한 대칭적 구조는 물론이고 비대칭적 구조까지 제안되고 있다(국내 특허등록 제10-0365114호, 제10-0946484호 참조).

한편 최근에는 적은 배기량으로 높은 출력을 낼 수 있는 고출력 엔진에 대한 연구가 가속화되고 있는데, 이는 고유가 시대에 적응하고자 하는 노력으로 해석될 수 있을 것이다. 피스톤 헤드의 재질을 강성이 높은 고가의 것으로 선택하면 고출력 엔진에 적절하게 대응할 수 있겠지만, 고비용에 따른 문제가 있게 된다. 따라서 기존의 소재를 이용하여 고출력 엔진에 대응할 수 있는 방안이 요구되는 것이다.

위와 같은 문제에 대한 본 발명의 목적은, 기존 소재를 이용하여 고출력 엔진에 적합한 피스톤 헤드를 제조하는 방법을 제공하는 것에 있다. 좀더 상세하게는 피스톤헤드의 표면강도를 부분적으로 향상시킬 수 있는 피스톤헤드의 강성증대방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적은, 피스톤헤드의 상면에 오목하게 마련되는 연소실의 가장자리를 따라 형성된 모서리를 포함하고 있는 림부위의 강성을 증대시키기 위한 방법에 있어서;

상기 피스톤헤드를 예열하는 예열공정; 상기 모서리가 상방향을 향하도록 상기 피스톤헤드를 수직축에 대하여 제1각으로 기울임으로써 상기 피스톤헤드의 중심축이 상기 제1각으로 기울어지도록 하는 세팅공정; 상기 피스톤헤드를 상기 중심축을 축으로 하여 회전시켜가면서 상기 림부위에 티그(TIG) 용접기를 이용하여 고열을 가함으로써 상기 림부위가 용융 및 응고를 반복하도록 하는 부분용융공정; 상기 피스톤헤드를 냉각시키는 냉각공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤헤드의 강성 증대방법에 의해 달성된다.

본 발명의 특징에 의하면 상기 티그 용접기의 토치는 상기 피스톤헤드를 회전시키는 방향에 대하여 반대방향으로 제2각으로 기울어진 상태로 상기 림부위에 고열을 가하여 용융시킬 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 티그 용접기에 전류를 걸어 용융을 시작하는 지점은 피스톤핀이 설치되는 핀축의 연장방향에 대하여 경사진 지점에 위치되도록 하며;

주된 용융작업은 피스톤헤드를 1 ~ 1.5 회전시키는 동안 고전류를 공급하면서 실시함으로써 오버랩구간이 마련되도록 하며;

용접 마무리 지점의 변형을 최소화하기 위한 것으로서, 상기 주된 용융작업 직후 전류를 낮추고 상기 피스톤헤드를 더 회전시켜 슬롭다운(slop down) 구간이 마련되도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 냉각공정은 상온의 냉각수에 상기 피스톤헤드를 스커트부에서 핀홀의 중심부까지만 냉각수에 담근 상태에서 실시할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 티그 용접기의 전극봉은 텅스텐이며, 쉴드(shield)가스는 헬륨(He)으로 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 티그용접기의 전극봉 끝단의 원뿔각은 20 ~30°인 것을 특징으로 하는 이 팁은

본 발명의 다른 목적은,

베이스플레이트; 상기 베이스플레이트 위에 고정 설치되는 것으로서 2개 이상의 암을 갖는 로봇장치; 상기 로봇장치의 선단에 설치되는 것으로서 피스톤헤드의 외주면을 압박하여 홀딩하기 위한 집게 형태의 홀더; 브래킷을 매개로 하여 상기 로봇장치의 선단에 매달린 형태로 설치되는 티그 용접기의 토치;

상기 로봇장치와 나란하도록 상기 베이스플레이트에 고정 설치되는 것으로서 지면과 평행을 이룬 상태에서 축회전되는 횡축을 제공하는 피스톤지지대; 상기 횡축상에 설치되는 피스톤지지판; 상기 피스톤지지판 위에 설치되는 것으로서 확장하면서 피스톤헤드의 내주면을 압박하여 피스톤헤드를 상기 피스톤지지판 위에 고정시키기 위한 피스톤 고정대; 상기 횡축과 직각을 이루며 상기 피스톤 고정대의 중심에 위치하는 종축을 축으로 하여 상기 피스톤지지판을 회전시키기 위한 지지판회전수단;

냉각수가 담기게 되는 냉각수조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 헤드 강성 증대장치에 의해 달성된다.

위와 같은 구성에 의하면, 피스톤헤드의 강성을 증대시킬 수 있는 방법과 장치가 제공된다. 따라서 기존의 소재로써 고출력 엔진에 적응할 수 있는 피스톤헤드를 제조할 수 있게 된다. 따라서 강성이 뛰어난 고가의 소재를 사용하지 않아도 되므로 경제성을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 피스톤헤드 강성 증대방법에 대한 순서도이다.
도 2는 토치의 세팅각을 설명하기 위한 피스톤헤드의 측면도이다.
도 3은 토치의 세팅각을 설명하기 위한 피스톤헤드의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 티그용접토치에 공급되는 전류의 변화패턴을 도시하는 그래프이다.
도 5는 용접의 시작지점과 종료지점을 설명하기 위한 피스톤헤드의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 티그용접기의 토치의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 강성증대공정중 냉각공정을 나타내는 냉각수도의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 피스톤헤드 강성 증대장치의 개략 사시도이다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 주로 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다. 도 4 내지 도 8은 필요한 곳에서 인용하기로 한다.

본 발명은 피스톤헤드(1)의 상면에 오목한 연소실(3)을 구비하며 연소실(3) 가장자리를 따라 형성된, 모서리(5)를 포함하는 림부위(7)의 강성을 증대시키기 위한 방법에 관한 것이다. 연소실(3)의 구체적 형태가 어떠한 지 여부는 불문한다. 다만 피스톤헤드(1)의 상면에 움푹 패인 형태의 연소실(3)을 구비함으로써 연소실(3) 가장자리에 모서리(5)가 존재하는 경우라면 본 발명의 방법이 적용될 수 있다. 모서리(5)의 형태 역시 도시된 것에 한정되지 않고 다양할 수 있다. 도 3에 도시된 바에 의하면 모서리(5)가 이루는 단면도상의 각은 예각을 이루고 있지만 둔각이 될 수도 있다. 이 모서리(5)를 포함하는 돌출된 부위를 통상 림(rim)이라 하며, 따라서 이하에서는 림부위라 칭하기로 한다.

이하, 본 발명의 제조공정을 설명한다.

우선 피스톤헤드를 예열시키는 예열공정(S10)이 선행된다. 예열은 180 ~ 250℃의 온도조건을 갖는 오븐에 30 ~ 60분 동안 가열함으로써 피스톤헤드(1)의 온도가 180 ~ 250℃가 되도록 한다. 예열을 마친 피스톤헤드(1)는 세팅공정(S20)으로 공급된다.

세팅공정(S20)은 피스톤헤드(1)를 림부위의 뾰족한 모서리(5)가 상방향을 향하도록 기울이는 공정이다. 세팅공정(S20)은 피스톤헤드(1)를 지면에 수직을 이루는 수직축(V)에 대하여 제1각(A1)으로 기울임으로써 피스톤헤드의 중심축(C)이 제1각(A1)으로 기울어지도록 하는 공정으로서, 림부위(7)가 용용되어 자중에 의해 흘러내리는 경우 림부위의 모서리(5)를 중심으로 대칭적으로 흘러내릴 수 있도록 하기 위함이다. 제1각(A1)은 연소실의 형태에 따라 달라질 수 있지만 평균적으로 30 ~ 60°가 될 수 있다.

이후 상기 피스톤헤드(1)를 그의 중심축(C)을 축으로 하여 회전시켜가면서 부분용융공정(S30)이 시행된다. 본 발명의 실시예에 의하면 부분용융공정(S30)은 티그(TIG) 용접기를 이용하여 시행한다. 여러 가지 용접방식중 티그용접방식을 선택한다는 것 역시 본 발명의 특징적 사항이다. 티그 용접기의 토치(9)가 위치하는 부분은 예열된 상태이기 때문에 즉시로 용융될 것이고 토치가 지나간 다음에는 대기에 의해 일부 냉각되어 응고상태가 될 것이다.

본 발명의 특징에 의하면 티그 용접기의 토치(9)는 도 3에 도시된 바와 같이 수직축(V)을 기준으로 하여 피스톤헤드를 회전시키는 방향(W)에 대하여 반대방향으로 제2각(A2)으로 기울어진 상태로 상기 림부위에 고열을 가하여 용융시킬 수 있다. 제2각(A2)은 30 ~ 60°가 될 수 있다.

그러면 토치에 의해 용융된 상태로 있게 되는 구간(M) 사이의 소재는 피스톤헤드의 중심점으로부터 반경방향(중력이 작용하는 방향과 같음)으로 하중을 받게 될 것이고 따라서 림부위의 형상이 원형에 가깝게 유지되게 된다. 부분용융공정(S30)은 3개의 단위공정(S31,S32,S33)으로 진행되는데 토치(9)에 공급되는 전류의 변화패턴으로 구분될 수 있다.

이하, 다음의 도표 및 도 4의 그래프를 통해 피스톤헤드(1)의 회전각에 따른 티그용접기의 토치에 공급하는 전류의 변화패턴을 살펴본다.

단계	피스톤헤드의 회전각(°)	공급전류(A)
1	0 ∼ 20	115
2	20 ∼ 45	125
3	45 ∼ 99	140
4	99 ∼ 153	145
5	153 ∼ 207	145
6	207 ∼ 262	135
7	262 ∼ 316	120
8	316 ∼ 370	115
9	370 ∼ 412	115
10	412 ∼ 455	90
11	455 ∼ 497	40
12	497 ∼ 540	20

위 표에서와 같이 피스톤헤드(1)는 총 540°를 회전시킬 수 있다. 0 ~ 360°까지는 메인용융 구간(S31)에 해당하며, 360 ~ 412°는 오버랩 구간(S32)이다. 412 ~ 540°는 슬롭다운 구간(S33)에 해당한다. 이처럼 본 실시예에 의하면 피스톤헤드는 총 1.5회전된다. 총회전구간에서 360 ~ 412°의 구간은 다소 전류를 낮춘 오버랩(over-lap) 구간(S32)이며, 412 ~ 540°은 전류를 점진적으로 낮추어가는 슬롭다운(slop down) 구간(S33)이다. 오버랩 구간(S32)은 상대적으로 온도가 낮은 용접작업의 시작 지점에서의 적은 용입량을 보상하기 위해 마련된다. 슬롭다운 구간(S33)은 용접 마무리 지점의 변형을 최소화하기 위한 구간이다.

메인용융 구간(S31)인 0 ~ 412°의 구간에서는 거의 균일한 정도의 강한 전류가 공급된다. 다만 용입량을 균일하게 하기 위해서 1,2,8,9 단계를 포함하는 오버랩 구간에서는 메인용융 구간(S31)의 공급전류보다 약간 낮은 값의 전류를 공급한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 티그 용접기에 전류를 걸어 용융을 시작하는 지점(Ps)은 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤 핀홀(11)이 설치되는 방향과 동일한 방향인 핀홀축(P)에 대하여 소정의 제3각(A3)으로 경사진 지점에 위치되도록 한다. 시작점(13)과 끝지점(15)이 전류가 과잉공급됨에 따라 피스톤헤드(1)의 강성이 취약해질 수 있는 소지가 있다. 따라서 시작점(13)과 끝지점(15)이 엔진구동시 큰충격을 받게 되는 핀홀축(P)의 구간으로부터 빗겨나도록 하고 있는 것이다. 제3각(A3)은 40 ~ 50°가 적당하다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 티그 용접기의 전극봉(17)은 텅스텐이며, 쉴드(shield)가스(19)는 헬륨(He)으로 할 수 있다(도 6 참조). 이들을 이용한 용접특성은 본 발명자가 의도하는 작업형태에 적합하기 때문이다. 이와 같은 맥락으로 티그용접기의 전극봉 끝단의 원뿔각(A4)은 20 ~30°의 것을 선택할 수 있다. 이 경우 그 이상의 원뿔각(예를 들어 60° 이상)으로 할 경우보다 모재(21) 상의 용융범위는 넓고 용융깊이는 낮게 되는 특성을 갖게 된다.

위와 같은 부분용융공정 이후 피스톤헤드를 냉각시키는 냉각공정(S40)이 이루어진다. 이하, 도 7을 참조하여 설명한다. 냉각공정(S40)은 상온의 물이나 기름에서 시행된다. 냉각수(23)는 냉각수조(24)에 담겨져 있으며 지속적으로 공급되고 배출되도록 함으로써 일정한 온도(상온)를 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 의하면 피스톤헤드(1)는 핀홀(11)의 중심부까지만 냉각수(23)에 잠긴 상태에서 냉각되며 냉각시간은 4분 이상으로 한다.

냉각공정(S40)을 마친 피스톤헤드(1)는 로봇장치 등을 이용한 배출공정(S50)을 통해 후속공정으로 공급된다.

이하, 본 발명의 다른 태양인 피스톤헤드 강성 증대장치에 대해 도 8을 주로 참조하여 설명한다. 본 장치는 위에 설명된 방법을 현실화시킬 장치의 일례가 된다.

베이스플레이트(31)가 지면에 고정 설치된다. 베이스플레이트(31)의 상면 일측에는 2개 이상의 암(33,35)을 갖는 로봇장치(37)가 설치된다. 로봇장치(37)의 암 선단에는 피스톤헤드(1)의 외주면을 압박하여 홀딩하기 위한 집게 형태의 피스톤홀더(39)가 설치된다. 피스톤홀더(39)는 브이(V)블록과 같은 형태의 상하대칭을 이루는 한쌍의 핑거(41)가 설치되고 있다.

티그 용접기의 토치(9)는 브래킷(43)을 매개로 하여 로봇장치(37)의 암 선단에 매달린 형태로 설치된다. 피스톤지지대(45)는 로봇장치(37)와 나란하도록 베이스플레이트(31) 상에 고정 설치된다. 피스톤지지대(41)는 지면과 평행을 이룬 상태에서 축회전되는 횡축(47)을 회전 가능하게 지지한다. 피스톤지지판(49)이 횡축(47) 상에 설치된다. 피스톤지지판(49) 위에 피스톤헤드(1)를 피스톤지지판(49) 위에 고정시키기 위한 피스톤고정대(51)가 설치된다. 피스톤고정대(51)는 3개의 방사대칭형 척(53)이 설치되며 이들 척(53)은 방사방향으로 확장 또는 축소되면서 피스톤헤드의 내주면을 압박하게 된다. 지지판회전수단은 횡축(47)과 직각을 이루며 상기 피스톤고정대의 중심에 위치하는 종축(X)을 축으로 하여 피스톤지지판(49)을 회전시킨다. 지지판회전수단으로는 통상 서보모터(55)가 사용된다.

냉각수가 담기게 되는 냉각수조(25)가 베이스플레이트(1)의 측방에 설치된다. 로봇장치(37)에는 냉각수조(23)의 위치가 정확히 입력될 것이다. 냉각수조(37)에는 피스톤헤드(1)의 핀홀(11)의 중심부 정도까지만 잠길 수 있을 정도로 냉각수가 채워진다(도 7 참조).

냉각수조(25)의 일측 정확한 위치에 처리를 위한 피스톤헤드(1)가 공급된다. 예열작업과 티그 용접기에 의한 부분용융작업을 마친 다음 피스톤헤드(1)는 로봇장치에 의해 냉각수조(25)로 공급된다.

위에 도시 및 설명된 구성은 본 발명의 기술적 사상에 근거한 바람직한 실시예에 지나지 아니한다. 당업자는 통상의 기술적 상식을 바탕으로 다양한 변경실시를 할 수 있을 것이지만 이는 본 발명의 보호범위에 포함될 수 있음을 주지해야 할 것이다. 특히 위에 언급된 각종의 수치는 본 발명의 기술적 사상을 최적 상태로 발현할 수 있는 예시에 지나지 아니하며, 당업자는 그 이외의 범위에서도 유사한 효과를 얻을 수 있을 것이다.

1 : 피스톤헤드 3 : 연소실
5 : 모서리 7 : 림부위
9 : 토치 11 : 핀홀
13, 15 : 시작점, 끝지점 17 : 전극봉
19 : 가스 23 : 냉각수
25 : 냉각수조 31 : 베이스플레이트
33,35 : 암 37 : 로봇장치
39 : 피스톤홀더 41 : 핑거
43 : 브래킷 45 : 피스톤지지대
47 : 횡축 49 : 피스톤지지판
51 : 피스톤고정대 53 : 척
A1 ~ A4 : 제1 ~ 제4각

Claims

피스톤헤드(1)의 상면에 오목한 연소실(3)을 구비하며 상기 연소실(3) 가장자리를 따라 형성된 모서리(5)를 포함하는 림부위(7)의 강성을 증대시키기 위한 방법에 있어서;
상기 피스톤헤드(1)를 예열하는 예열공정(S10); 상기 모서리(5)가 상방향을 향하도록 상기 피스톤헤드(1)를 수직축(V)에 대하여 제1각(A1)으로 기울임으로써 상기 피스톤헤드(1)의 중심축(C)이 상기 제1각(A1)으로 기울어지도록 하는 세팅공정(S20); 상기 피스톤헤드(1)를 상기 중심축(C)을 축으로 하여 회전시켜가면서 상기 림부위(7)에 티그(TIG) 용접기를 이용하여 고열을 가함으로써 상기 림부위(7)가 용융 및 응고를 반복하도록 하는 부분용융공정; 상기 피스톤헤드(1)를 냉각시키는 냉각공정을 포함하되;
상기 티그 용접기의 토치(9)는 상기 피스톤헤드(1)를 회전시키는 방향에 대하여 반대방향으로 제2각(A2)으로 기울어진 상태로 상기 림부위(7)에 고열을 가하여 용융시키는 것을 특징으로 하는 피스톤헤드의 강성 증대방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 티그 용접기에 전류를 걸어 용융을 시작하는 지점은 피스톤핀이 설치되는 핀홀(11)의 연장방향에 대하여 제3각(A3)으로 경사진 지점에 위치되도록 하며;
주된 용융작업은 상기 피스톤헤드(1)를 1 ~ 1.5 회전시키는 동안 실시함으로써 오버랩 구간(S32)이 마련되도록 하며;
용접 마무리 지점의 변형을 최소화하기 위한 것으로서, 상기 주된 용융작업 직후 전류를 낮추고 피스톤헤드(1)를 더 회전시켜 슬롭다운(slop down) 구간(S33)을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 피스톤헤드의 강성 증대방법.
제1항에 있어서,
상기 냉각공정은 상온의 냉각수에 상기 피스톤헤드(1)를 스커트부에서 핀홀(11)의 중심부까지만 담근 상태에서 실시하는 것을 특징으로 하는 피스톤헤드의 강성 증대방법.
제1항에 있어서,
상기 티그 용접기의 전극봉(17)은 텅스텐이며, 쉴드(shield)가스는 헬륨(He)으로 하는 것을 특징으로 하는 피스톤헤드의 강성 증대방법.
베이스플레이트(31); 상기 베이스플레이트(31) 위에 고정 설치되는 것으로서 2개 이상의 암을 갖는 로봇장치(37); 상기 로봇장치(37)의 선단에 설치되는 것으로서 피스톤헤드(1)의 외주면을 압박하여 홀딩하기 위한 집게 형태의 피스톤홀더(39); 브래킷(43)을 매개로 하여 상기 로봇장치(37)의 선단에 매달린 형태로 설치되는 티그 용접기의 토치(9);
상기 로봇장치(37)와 나란하도록 상기 베이스플레이트(31)에 고정 설치되는 것으로서 지면과 평행을 이룬 상태에서 축회전되는 횡축(47)을 제공하는 피스톤지지대(45); 상기 횡축(47)상에 설치되는 피스톤지지판(49); 상기 피스톤지지판(49) 위에 설치되는 것으로서 확장하면서 피스톤헤드(1)의 내주면을 압박하여 상기 피스톤헤드(1)를 상기 피스톤지지판(49) 위에 고정시키기 위한 피스톤 고정대(51); 상기 횡축(47)과 직각을 이루며 상기 피스톤 고정대(51)의 중심에 위치하는 종축을 축으로 하여 상기 피스톤지지판(49)을 회전시키기 위한 지지판회전수단;
냉각수가 담기게 되는 냉각수조(25);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 헤드 강성 증대장치.
제6항에 있어서,
상기 티그용접기의 전극봉(17) 끝단의 원뿔각(A4)은 20 ~30°인 것을 특징으로 하는 피스톤 헤드 강성 증대장치.