KR101507153B1 - 서포트 입자를 압축밀집하는 방법 - Google Patents

Abstract

본원은, 주형 또는 모형이 용기에 위치하고, 용기가 지지 입자 매체로 채워진, 세라믹 셀 주형 둘레와 소모성 모형(fugitive patterns) 둘레에 서포트 입자 매체를 압축밀집시키는 장치와 방법에 관한 것이다. 상기 용기는 경사지면서 회전 및 진동을 하게 설정된다. 회전과 경사 동작의 조합은 주형 벽 또는 모형 벽에 있는 보이드(void)가 일정하게 조직적으로 방향설정을 다시 이루게 하여서, 보이드에 있는 서포트 매체(support media)의 자유 면이 동적 정지 각도(dynamic angle of repose)를 지나 이동되어, 중력 벡터에 대한 보이드의 일정하게 변경되는 방위와 진동의 통합 동작으로 상기 보이드 안으로 흘러가게 한다.

주형, 모형, 입자 매체, 진동, 회전, 기울임, 중력 벡터, 보이드, 압축.

Description

서포트 입자를 압축밀집하는 방법{METHOD OF COMPACTING SUPPORT PARTICULATES}

도1은 외부 주형 벽에서 보이드(voids)를 가진 세라믹 셀 주형의 길이방향 횡단면도 이다.
도1a는 플라스크가 모래와 같은 서포트 입자로 채워진, 플라스크 벽을 향하는 쪽으로 라이저(riser)에서 방사방향으로 이격져 있는 외측 주형 벽에 복잡하게 신장된 채널 형상의 환형상 보이드를 가진 일 예의 원통형 주형을 포함한 주조 플라스크의 횡단면도 이다.
도1b는 서포트 입자의 정적 정지 각으로 허용되는, 채널 형상의 보이드 안으로 서포트 매체가 침투한 상태를 나타낸 확대도 이다.
도2는 채널 형상 보이드(1, 4)가 완전하게 채워지고 그리고 나머지 채널 형상 보이드는 플라스크의 작은 경사도로 인해서 부분적으로만 채워져 있으며, 경사 동작(tilting)이 플라스크의 테두리를 서포트 입자 매체가 넘쳐 흐르는 동작에 의해 제약을 받는, 채널 형상 보이드 안으로의 입자 매체의 흐름을 향상하도록 기울어진 도1의 플라스크를 나타낸 도면이다.
도3은 충분한 진동으로, 대형 경사 각이 채널 형상 보이드(1 내지 4)를 채워서 상기 보이드 내의 서포트 입자를 강화시키며, 뚜껑이 중력에 의한 입자 매체를 형성하여 상기 뚜껑 없이 가능한 것보다 더 큰 경사각에서의 매체의 유출을 방지하는, 상기 매체의 부피 밀도보다 더 높은 밀도의 재료로 만들어진 부유 뚜껑(floating lid)이 설치된 도1의 플라스크를 나타낸 도면이다.
도4는 채널 형상 보이드(1 내지 4)가 완전하게 채워져 있으며 그리고 상기 매체는 하향하여 향하는 개구를 갖고 채널 형상 보이드(5, 8) 쪽으로 더 깊숙하게 있게 작용하는, 플라스크의 종축선(L)을 중심으로 느리게 약 180도 회전되어진 후에 도1의 플라스크를 나타낸 도면이다.
도5는 채널 형상 보이드(1 내지 5)가 조밀한 압축 매체로 완전하게 채워져 있으며, 나머지 채널은 압축공정의 지속 길이와 무관하게 이러한 경사각에서는 더 이상 채워지지 않는 상태를 나타낸, 축(L)을 중심으로 하는 수회 회전 사이클 후에 동일한 플라스크를 나타낸 도면이다.
도6은 모형이 45도까지 기울어져 있는 것을 나타낸, 모형의 외부 면과 연통하는 내부 오일 채널 형상의 통로를 가진 엔진 블록 모형을 도시한, 서포트 입자 매체에 있는 엔진 블록의 로스트 양식 모형(lost foam pattern)을 가진 주조 플라스크의 횡단면도이다.
도7a는 원형의 강화 리브와 원형 플랜지에 설치된 로스트 폼 주조 플라스크를, 사각 횡단면의 길이방향 단면으로 나타낸 도면으로, 상기 플라스크는 라이저에 부착된 1쌍의 엔진 실린더 헤드에 대응하는 로스트 양식 모형을 함유하고, 그리고 상기 플라스크는 서포트 매체로 채워지고, 플라스크가 기울어지기 전에, 주입 컵용 개구를 가진 사각형상의 뚜껑이 매체의 표면에 위치하여 도시되어 있으며, 뚜껑 중량에서 플라스크의 축선을 따라서 있는 힘 벡터는 정지 각도 위에 매체의 쐐기에서 대향 벡터보다 크게 있게 나타낸 도면이다.
도7b는 도7a의 주조 플라스크의 평면도이다.
도8a는 선택된 경사각 사이에서 기울어져 있는 동안에 도6의 엔진 블록 모형을 가진 주조 플라스크를 회전하는 압축 장치를 부분 단면으로 나타낸 입면도이다.
도8b는 도8a의 장치의 평면도이다.
도9는 본 발명의 실시로 압축 모래로 완전하게 채워진 도1 내지 도5에 보이드(5)와 유사한 복잡하게 이루어진 채널 형상 보이드를 가진 압축 테스트 셀의 입면도이다.
도10a는 이론적 압축 시켄스를 나타낸 테스트 셀을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도11a는 용기가 기울어지기 전에 반대-중력 주조 세라믹 셀 주형 둘레에 서포트 매체를 압축밀집하기 위해 본 발명의 실시예에 따라서 자체-함유된 장치의 입면도 이다.
도11b는 도11a의 둘러싸인 구역을 확대하여 나타낸 단면도 이다.
도11c는 용기가 선택된 경사각까지 기울어진 후에, 편의를 위해 횡단면으로 도시한 임의적인 성분을 가진, 도11a의 자체-함유된 장치의 입면도 이다.
도11d는 도11c의 화살표(11D) 방향으로 취해진 도면이다.
도11e는 애크미 나사(Acme screw)용 구동 모터의 부분 입면도 이다.
도12a는 용기가 핸드 윈치에 의해 당겨진 하니스(harness)를 사용하여 기울어진 후에 반대-중력 주조 세라믹 주형 둘레에 서포트 매체를 압축밀집시킨 본 발명의 다른 실시예에 따르는 장치의 입면도 이다.
도12b는 도12a의 장치의 평면도이다.
도13은 세라믹 셀 주형 또는 소모형 모형 둘레에 서포트 매체를 압축밀집하는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 유압식 운용 압축 장치의 사시도 이다.
도14는 세라믹 셀 주형 또는 소모형 모형 둘레에 서포트 매체를 압축밀집하는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 다른 유압식 운용 압축 장치의 등각도 이다.
도15는 도14의 다기능의 플로팅 뚜껑의 확대 횡단면도이다.
도16은 수평방향을 지나 경사진 플라스크를 나타낸 도14의 장치의 사시도 이다.
도17은 도14와 도16의 플라스크 뚜껑 성분을 부분 사시도로 부분 횡단면으로 나타낸 도면이다.
도18은 주조 플라스크에 직접 장착된 진동장치를 나타낸 도14의 장치의 사시도이며, 장치의 메인 구조는 플라스크로 회전하는 진동장치를 수용하게 확장된 것이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 310: 주형 12: 칼러 20, 320: 주조 플라스크
30, 330: 서포트 입자 매체 40, 340: 뚜껑 100: 지지 덱크
113: 프레임 133: 크레들 265: 모터
271: 레버 350: 네스트
V: 보이드 GV: 중력 벡터 OP: 개구

본 발명은 용기 내의 주형 또는 소모형 모형(fugitive pattern)의 주위의 서포트 입자상 물질을 압축밀집(compaction)시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
주조 시, 용기 내에서 산사 모래(loose sand)와 같은 압축밀집된 서포트 입자(compacted support particuates)로 세라믹 셀 주형을 외부로 둘러싸고, 이를 지지하는 금속 주조법이 알려져 있다. 미국특허 5,069,271호 등의 문헌에서는 그러한 주조법에 대해 기술되어 있다. 주조되는 물품의 양식 모형을 내화성 코팅으로 피복하고, 소위 로스트 폼 주조(lost foam casting) 시에 용기 내에서 모래와 같은 압축밀집된 서포트 입자로 상기 양식의 모형을 외부로 둘러싸고, 이를 지지하는 다른 주조법도 알려져 있다. 미국특허 4,085,790호, 4,616,689호, 및 4,874,029호는 그러한 로스트 폼 주조법을 기재하였다.
주조 플라스크(flask)(용기) 내에서 세라믹 셀 주형 또는 양식 모형의 외부 주위를 서포트 입자로 압축밀집하는 작업은 필요한 공정이다. 먼저, 산사 모래(loose sand)와 같은 서포트 입자는 유동화되어, 세라믹 셀 주형 또는 양식 모형의 외부 주위의 깊게 들어간 보이드 안으로 이동되어야 한다. 모래의 자유로운 유동화를 촉진하기 위해서는, 입자에 의한 가교동작(bridging)을 없애야 한다. 다음, 입자들은 견고하게 되어, 세라믹 셀 주형 또는 양식 모형을 구조적으로 지지해야 한다. 상기 셀 주형 또는 양식 모형은 셀 주형 벽의 두께와 내화성 코팅된 양식 모형의 표면 특성에 따라 매우 취약할 수 있다. 상기 2개의 요건은 상반되는 것이다.
종래에는, 주조 플라스크를 단순히 진동시켜 셀 주형 또는 양식 모형의 외측부 모두를 덮는 서포트 입자를 견고하게 하는데 사용했다. 주조 플라스크의 진동은 서포트 입자가 이동하고 견고하게 되도록 상당히 엄격하게 할 필요가 있지만, 취성의 주형 또는 모형을 변형하거나 손상이 가게 엄격해서는 안된다. 즉, 이것은 다른 서로 상반되는 요구이다.
셀 주형 또는 내화성 코팅 양식 모형의 외부에서 길고 좁은 채널형상의 보이드를 채우는 작업을 용이하게 하기 위해서, 셀 주형 또는 양식 모형은 상기 채널형상의 보이드가 수직 또는 거의 수직으로 있도록 지향되어 배치된다. 이것이 불가능하면, 대부분의 압축밀집 공정은 주조 플라스크의 충전 속도를 제어하여 상기 문제를 처리해 왔다. 서포트 입자의 자유 표면에 일부 상부부분 만이 용이하게 유동하기 때문에, 이 방식은 수평한 채널형상 보이드의 충전이 곤란해지는 레벨 위치로 입자 매체를 충전할 필요가 있고, 유동 입자들이 채널형상 보이드의 끝까지 이동할 수 있는 기회를 가질 때까지 입자를 채우는 충전작업을 중지할 필요가 있었다. 다음, 충전이 곤란한 보이드에 도달할 때까지 주조 플라스크를 충전하는 작업은 되풀이되었다. 이 기술은 정확한 진동 및 입자의 추가, 배합, 및 정확한 충전 레벨의 제어가 요구되는 것이다.
이 방식의 다른 문제는 압축밀집 처리 부분에서 셀 주형 또는 양식 모형의 상부가 위로부터 지지를 받지만, 그 하부는 진동하는 서포트 입자 매체에 부분적으로 매몰되어 주조 플라스크로 이동한다는 것이다. 그 결과, 셀 주형 또는 모형이 구부러져 변형하고, 주형의 균열이나 모형 코팅의 균열이 발생할 수가 있다.
상술한 문제를 해결하려는 시도로서, 미국특허 6,457,510호에 기재된 방식이 있으며, 그 방식은 4개의 진동기를 동기화시키면서, 주조 플라스크를 흔들어서 서포트 입자가 측방향으로 이동하게 유도하여, 서로 상관하여 회전 방향과 편심 각도를 변경한 것이다. 그런데, 상기 특허의 방식은 통로 모양의 보이드에 맞추어진 특정된 진동 벡터의 배합 변경이 필요한 것이다. 또한, 흔드는 동작(shaking)의 제어가 4개의 진동기 축에 대해 수직적인 일 평면으로 한정되어 있다. 끝으로, 상기 특허의 압축밀집 공정은 다른 모든 압축밀집 공정과 마찬가지로, 서포트 매체를 유동화시킬 때 항상 중력을 거스르는 것이다.

본 발명은 용기 내의 주형 또는 소모성 모형의 주위에 서포트 입자 매체를 압축밀집하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것으로, 용기를 진동하고, 용기를 회전하고, 그리고 용기를 중력방향(중력 벡터)에 대해 경사지게 하는 체계화된 단계의 조합을 사용하여, 주형 벽 또는 모형 벽에서 서포트 입자 매체가 간단한 보이드와 복잡한 보이드를 충전하게 유도하는 방식으로 주형 또는 모형의 방향을 변경하는 것이다. 서포트 입자 매체는 보이드 내로 흐르도록 유도되고, 여기서 서포트 입자 매체가 포획되어, 상기 방법을 이행하는 동안 금형 또는 모형에 대해 변화하는 중력 및 진동 벡터에 의해 견고해진다.
본 발명의 일 실시예는 용기를 지속적으로 진동하고, 연속하여 회전하고, 그리고 지속적으로 기울이어서, 중력방향에 대한 금형 또는 모형의 방향을 변화시키는 것이다. 본 발명의 다른 실시예는 용기 주위에 입자 매체를 압축하는 동안, 각도 증가분의 각도로 용기를 기울이는 단계를 포함하는 것이다. 용기를 연속적으로 회전 및 진동 또는 용기를 단속적으로 각각의 경사 증가분의 각도로 회전 및 진동시킨다. 또한, 본 발명의 다른 실시예는 용기를 중력방향에 대한 고정된 경사각으로 기울이면서 용기를 회전 및 진동시킨다.
본 발명은 중력 주조 금형 또는 모형 및 반(反)중력 주조 금형 또는 모형 주위의 서포트 입자 매체를 압축하여 밀집시키는 것이다.
본 발명을 설명하는 방법의 실시예에서, 주형 또는 소모성 모형은 주형 플라스크에 배치되고, 상기 주형 플라스크는 서포트 입자 매체로 충전된다. 주형 플라스크는 용기가 지속적으로 또는 영구적으로 중력방향에 대한 제2축에 대해 기울어진 상태에서 지속적으로 제1축 주위를 진동 및 회전하게 설정된다. 용기 진동, 회전, 및 중력방향에 대한 기울기의 조합으로, 채널, 챔버, 크레비스(crevices), 및 그외 다른 금형 또는 모형 벽의 특별한 구조로 형성된 보이드가 반복적이고 규칙적으로 방향을 변경하여, 보이드의 진동 및 그 연속한 방향의 변경을 조합한 동작은 상기 보이드들에 서포트 입자 매체의 자유 표면이 동적 정지 각도(dynamic angle of repose)를 넘어 이동하여, 상기 보이드에 유입되게 한다. 체계화된 주형 플라스크 동작의 반복에 의해 금형 벽 또는 모형 벽에 의해 형성되는 보이드가 압축밀집된 서포트 입자 매체로 충전된다. 보이드의 개구가 하향하도록 회전하는 동안 보이드의 방향이 순환할 때, 보이드 개구를 차단하는 압축밀집된 서포트 입자 매체에 의해 서포트 입자 매체가 보이드에서 배출되는 것이 방지된다. 용기의 입자 매체의 상향하는 면에 뚜껑을 임의로 배치하여, 압축밀집 방법을 실시하는 동안 용기의 경사 각도를 증가시킬 수 있다.
*본 발명을 설명하는 장치의 실시예에서, 용기는 회전가능한 고정물(fixture)에 배치되며 그리고 고정물을 회전시키기 위한 제1모터가 설치되어, 용기에 대해서 그 제1축을 회전시킨다. 상기 고정물은 차례로, 경사 가능한 프레임에 배치되고 그리고 이 프레임을 경사지게 하기 위해 제2모터를 설치하여 용기를 중력방향에 대한 제2축에 대해 경사지게 한다. 1개 이상의 진동기가 프레임을 지지하는 테이블에, 프레임 자체에, 고정물 자체에, 및/또는 용기 자체에 배치된다. 서포트 입자의 공급원이 제공되어, 주형 또는 모형을 용기에 배치한 후 입자로 용기를 충전한다.
본 발명의 압축밀집 방법 및 장치는 부품을 최소화하며, 복잡한 입자 공급 배합이 필요하지 않은 이점이 있는 것이다. 또한, 본 발명의 압축밀집 방법과 장치는 중력주조의 금형 또는 소모성 모형 및 반중력 주조의 금형 또는 소모성 모형의 주위에 배치된 서포트 입자 매체를 압축하여 조밀하게 밀집시킬 수 있는 것이다.
상기 이점 및 그외 다른 이점에 대해서는 첨부 도면을 참고로 이하에 기술되는 설명으로 보다 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 용기 내에서 세라믹 셀 주형과 같은 주조 금형 및 플라스틱 모형과 같은 소모성 모형의 주위에 서포트 입자를 압축밀집하는 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 용기 진동, 용기 회전, 및 중력방향에 대한 용기 경사의 조합으로 주형 또는 모형의 방향을 변화시켜 서포트 입자 매체가 주형 벽 또는 모형 벽에서 간단한 보이드와 복잡한 보이드를 충전하도록 유도되는 것이다. 본 발명은 금속 또는 합금의 주조에 사용되는 것으로, 주형 또는 모형의 지지(support)를 필요로 하는 경우에 임의 형식의 주형 또는 소모성 모형의 주위에 서포트 입자 매체를 보이드에 압축밀집하여 실시된다.
제한적이지 않은 기술로서 설명을 목적으로 도시한 도1을 참조하여 얇은 벽의 세라믹 셀 주형(10)을 설명하면 다음과 같다. 얇은 벽의 세라믹 셀 주형(10)은 중앙 라이저 통로(10a) 및 복수의 주형 공동(10b)을 포함하며, 복수의 주형 공동(10b)은 각 게이트 통로(10g)를 통해 라이저 통로(10a)와 연통하여, 미국특허 5,069,271호에 기술된 바와 같이 반중력 주조 시 용융 금속 또는 합금을 수용하며, 상기 문헌의 기술은 참고문헌으로 본원에 포함되었다. 일반적으로, 상기 세라믹 셀 주형(10)은 알려진 로스트 왁스 공정(lost wax process)으로 형성되며, 소모성(예, 왁스 또는 플라스틱) 모형 조립체(도시되지 않음)는 세라믹 슬러리에 넣어져, 초과 세라믹 슬러리를 제거하고, 거친 세라믹 치장 회반죽 입자로 발라져서, 필요한 셀 주형 벽의 두께가 될 때까지 건조되는 공정을 반복적으로 수행한다. 다음, 소모성 모형을 선택적으로 제거하여 세라믹 셀 주형을 남기고, 이를 소성처리 하여 용융 금속 또는 용융 합금의 주조를 위해 충분한 강도를 제공한다. 셀 주형(10)에는 상기 특허에 기재된 바와 같은 반중력 주조의 충전 관(fill tube)(도시되지 않음)과 연통하기 위한 세라믹 칼러(12)가 제공된다. 상기 반중력 주조는 라이저 통로(10a)를 통해 주형 공동(10b)과 세라믹 폐쇄부재(12') 안으로 용융 금속 또는 합금이 상향하여 공급된다. 본 발명은 주조 과정에서 세라믹 셀 주형 벽을 지지할 필요가 있을 때, 그 벽이 어떤 두께를 가진 것이라도 실시할 수 있다.
본 발명은 도1에 도시한 타입의 금속 또는 합금의 반중력 주조용의 세라믹 셀 주형에서의 실시에 한정되지 않으며, 어떠한 형태의 주형에서도 그리고 금속 또는 합금의 중력 주조에서도 실시할 수 있는 것이다. 설명만을 목적으로 한정되지 않는 기재로서, 본 발명의 실시에는 실질적으로 금속 또는 합금의 중력 주조의 서포트 입자 매체에 의해 지지되는 세라믹 셀 주형을 사용할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명은 설명만을 목적으로 하는 한정되지 않는 기재로서, 용기에 배치한 플라스틱(예, 폴리스티렌) 양식 모형과 같은 소모성 모형과 함께 실시할 수 있다. 상기 모형은 선택적으로 모형의 외면을 얇은 내화성 코팅물로 코팅할 수 있다.
도1에 도시한 바와 같이, 세라믹 셀 주형(10)은 주형의 외면 또는 외벽 주위에 복수의 신장된 채널형상 또는 오목한 형상의 보이드(V)를 형성하는 외부 형상을 포함한다. 보이드(V)는 라이저 통로(10a)에 대해 측면방향(일반적으로 반경방향)으로 연장된다. 예를 들어, 보이드(V)는 측면방향으로 연장된 주형 섹션(10s) 사이에 형성되며, 상기 주형 섹션(10s)은 각각 그 안에 주형 공동(10b)을 갖고 있다. 그러나, 보이드(V)의 형상 및/또는 라이저 통로에 대한 방향은 사용되는 주형의 구체적인 외부 형상에 따른 어떠한 것이어도 좋다. 도1은 본 발명에 따르는 압축밀집밀집된 서포트 입자로 충전될 수 있는 보이드(V)를 단지 설명하기 위해 대표적인 것으로 나타낸 도면이다.
도1a는 서포트 입자 매체(30)에 존재하는 예를 든 원통형의 주조 주형(10)을 수용하는 주조 플라스크(용기)(20)도 나타낸 것이다. 주형(10)은 예를 들어 복잡하게 얽힌 신장된 채널형상의 환형상 보이드(V)를 가지고 있다. 상기 보이드(V)는 라이저 통로(10a)에서 주형 플라스크(20)의 내부 벽 쪽으로 직경방향으로 있는 외측 주형 벽(10w)에 위치한다. 보이드(V)는 본 발명을 실시하여 압축밀집된 서포트 입자(예, 마른 모래)로 충전될 수 있는 다양한 보이드 형상을 나타내는 다양한 구조로 예시되었다.
예를 들어, 도1a에서 단면도로 도시한 바와 같이, 다수의 복잡한 구조의 보이드(V)를 가진 가상적인 원통형의 주형(10)을 고려해 본다. 주형(10)을 플라스크(20)에 배치하고, 이 주형을 서포트 입자 매체로 충전한 경우, 정적 정지각도에 의해 결정되는 소량의 입자 매체(30)가 도1b에 도시된 바와 같은 각각의 보이드(V)에 유입하게 될 것이다. 플라스크(20)를 진동하면, 플라스크(20) 내의 입자 매체(30)의 상부의 소량은 유동화되지만, 많은 입자 매체는 유도되지 않고 각각의 보이드(V)에 유입되지 않을 것이다.
플라스크(20)가 도2에 도시한 바와 같이 중력방향(GV)에 대하여 소정의 경사각(A)으로 기울어진 경우, 입자 매체(30)는 상향 개구(OP)를 갖고 하향하여 경사진 보이드(V) 안으로 즉시 유입될 것이다. 도1a에 도시한 보이드(1, 4)는 무른(건조) 입자 매체로 완전히 충전되어 있지만, 보이드(2, 3)는 플라스크(20)의 엣지 너머로 입자 매체가 넘쳐질 때까지 부분적으로만 충전될 것이다. 진동으로 입자 매체(30)의 보이드로의 유동성이 강화됨과 동시에, 이들 보이드의 입자 매체의 견고화를 촉진할 것이다. 또한, 진동에 의해 더 많은 매체가 플라스크(20)로부터 넘치게 될 것이다.
입자 매체(30)가 보이드(V) 안으로 유입하여 압축밀집되기 때문에, 위에서 나온 매체는 중력방향을 따라 흘러가, 그것으로 대신한다. 보이드를 "거품"으로 시각적으로 보이게 하는 것이 좋다. 매체가 하향하여 조금씩 흐르기 때문에, 이러한 "거품"은 희박한 매체(rarified media)가 되고, 그것이 매체에 대해 불침투성 표면에 닿을 때까지 중력 벡터에 반하여 상향하여 이동한다. 이러한 일이 발생하면, "거품"은 상기 면 밑에 보이드를 형성할 것이다. 그 형상 및 표면의 방향에 따라 "거품"을 포획할 것이다. 예를 들면, 중력방향에 대해 직각방향의 면은 "거품"을 포획할 것이다. 일 구역에서의 압축밀집은 다른 구역에서의 압축밀집을 희생하여 달성할 수 있다. 본 발명의 실시는 상기 보이드 "거품"이 포획 면을 체계적으로 다시 방향을 향하게 하여 누출되게 한다. "거품"이 경사진 플라스크 벽에 직면하면, 거품은 입자 매체(30)의 상부 개구 면을 통해 누출될 때까지 플라스크 벽을 따라 이동한다.
만약, 입자 매체의 부피 밀도보다 높은 밀도의 물질로 이루어진 헐겁게 끼워진 뚜껑(40)이 입자 매체(30)의 상부 면 위에 놓이게 되면(도3), 플라스크(20)는 입자 매체(30)가 플라스크(20)의 엣지 위로 넘치지 않을 정도의 상당한 급경사의 각도로 경사지게 될 수 있다. 상기 매체(30)의 표면에 대해 수직인 뚜껑(40)에서의 힘은 도7a와 유사한 정지 각도에 의해 생성되는 입자 매체(30)의 쐐기로 인하여 들어올리는 힘(lifting force)보다 크다. 따라서, 플라스크(20)는 입자 매체(30)를 흘리지 않으면서 45도 ~ 50도까지 기울여질 수 있다. 도3에 도시한 바와 같이, 뚜껑(40)에 의해 가능하게 만들어지는 경사각에서, 더 많은 보이드(V)가 입자 매체로 완전히 충전되게 된다. 플라스크(20)를 진동하여 보이드를 충전하는 동작을 가속화하고, 보이드가 완전하게 충전되었으면, 입자 매체(30)를 압축하여 밀집되게 한다. 입자 매체(30)로 보이드를 충전함과 함께 플라스크와 보이드가 압축되어 밀집하게 되므로, 결과적으로 발생하는 희박한 매체(rarefied media) "거품"이 뚜껑(40) 밑에 입자 매체의 상부 면으로 이동하여 작용하여, 뚜껑의 가장자리를 따라 누출된다. 그 결과, 입자 매체(30)의 상부 면이 하락하여, 뚜껑(40)이 플라스크(20) 안으로 더 깊숙하게 놓이게 된다.
만약, 경사진 플라스크(20)가 종축(L)에 대해서 서행으로 회전하면, 주형(10)의 라이저 통로(10a)에서 반경방향으로 있는 보이드(V)는 도4에 예시된 바와 같이 개구(OP)가 위를 향하는 위치로 이동할 것이다. 따라서, 각각의 보이드는 플라스크의 회전 사이클 중에 입자 매체를 수용할 것이다. 도4는 절반 회전 후에 주형을 나타낸 도면이다. 보이드 외측에 압축밀집된 입자 매체가 개구(OP)를 차단하기 때문에, 하향하는 보이드는 입자 매체를 잃지 않는다. 만일 회전 속도가 충분한 서행의 속도이면, 보이드(1 내지 4)는 1회전으로 충전될 것이다. 그러나, 보이드(5, 8)와 관련하여서는, 보이드에 대한 개구(OP)가 하향하여 있을 때 순환하는 동안, 입자 매체가 보이드 안으로 더 깊숙히 이동하여, 상기 보이드의 입자 매체 칼럼에 일시적 공간(temporary gap)을 남길 것이다. 플라스크를 수회 회전시킨 후, 지그재그 모양의 보이드(5)는 도5 및 도10L에 도시된 바와 같이 압축밀집된 입자 매체로 완전히 충전되어 진다.
희박한 매체 "거품"이 중력방향을 따라 수직으로 상승하기 때문에, 매체가 통하는 경로가 회전에 의해 왜곡되고, 플라스크의 내부 벽을 향하는 방향으로 나선형으로 움직인다. 만약, "거품"이 매체에 대해 비침투성인 임의적인 장애물과 부딪친다면, 그 장애물 아래에서 거품은 축적될 것이다. 만약, 장애물이 주형 면이면, 플라스크의 회전 사이클 부분에서 그것이 위로 향하고, "거품"을 풀어놓을 것이다. 그 결과, 희박한 매체 "거품"은 플라스크의 내부 벽과 부딪치고 그리고 경사진 플라스크의 회전에 의해, 그것이 상술한 바와 같이 입자 매체의 노출된 상부 면을 통해 거품이 누출될 때까지 플라스크의 내부 벽을 따라 나선형으로 상승할 것이다.
이러한 입자 매체와 희박한 매체 "거품"의 이동 과정을 통해, 플라스크(20)의 회전 사이클의 적어도 일 부분에서 보이드의 전체 구간이 하향으로 기울어져 있는 동안에는, 그 복잡성에도 불구하고 보이드(V)는 완전히 충전될 것이다. 상기 경사는 플라스크(20)에 주어진 소정의 진동에 대한 입자 매체의 정지(repose) 각도보다 커야한다. 이 각도는 이후 입자 매체의 동적 정지 각도(the dynamic angle of repose)로 지칭되며, 이것은 정적 정지 각도보다 매우 작은 각도이다.
도5에서, 보이드(6, 7, 8)는 상술한 플라스크의 진동, 회전 및 경사 상태에 따라 완전하게 충전될 수 없을 수 있다. 이러한 사실은 플라스크의 전체 회전 사이클 동안 보이드(6)의 끝이 상향하여 경사지고, 나머지 2개의 보이드(7, 8)는 항상 상향하여 경사진 제4의 부분에 의해 방해되기 때문이다. 상기 보이드(6, 7, 8)는 후술되는 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 의해 충전될 수 있다.
도1 내지 도5의 보이드(V)가 플라스크의 길이방향(회전) 축(L)을 포함한 평면에 존재하는 것으로 도시되어 있지만, 플라스크(20)의 회전 사이클의 일 부분에서 보이드가 하향하여 경사져 있는 동안은, 모든 방향으로 지향하며 입자 매체(30)로 충전될 수 있는 것이다. 또한, 도1 내지 도5의 보이드(6 내지 8)가 "플라스크의 길이방향(회전) 축에 대해 수직인 평면"(용기 바닥에 대해 평행한 평면)에서 지향하는 경우, 이들은 상술한 바와 같은 경사진 용기의 진동 및 회전에 의해 압축밀집된 입자 매체로 바로 충전될 수 있다.
도9는 본 발명의 실시에 의해 압축밀집된 모래로 완전히 충전된, 도1 내지 도5에 도시한 보이드(5)와 같은, 복잡하게 얽힌 채널형상의 보이드(V)를 가진 압축밀집 테스트 셀(주형 또는 모형(P) 부분의 시뮬레이션)의 입면도이다. 특히, 압축밀집 테스트 셀은 수직으로 투명한 아크릴산 평판(AP) 사이에 있는 폴리스티렌 막대로 형성되었다. 상기 압축밀집 테스트 셀은 도1 내지 도5의 보이드(5)의 형태와 유사한, 길이 91.44cm(36인치)의 면적 3.75cm x 3.75cm(1½ x 1½인치) 크기의 채널형상의 보이드로 형성된다. 도시된 바와 같은 수직 방위에서, 압축밀봉 테스트 셀은 76.2cm(30인치) 깊이의 원통형 플라스크의 바닥에 배치되고, 플라스크는 32초 동안 건조한 Calimo22의 서포트 입자 매체로 충전되었다. 상기 플라스크는 충전과정 중에는 진동하지 않았다. 다음, 초기 시험 목적에 맞게 경사, 회전, 및 약한 진동을 할 수 있는 원심분리 주조기에서 플라스크를 중력방향(수직)에 대해 30도의 소정 경사각으로 기울이고, 1G 미만으로 진동시켜, 6rpm에서 2분 동안 회전시켰다.
플라스크를 소정의 경사각에서 2분 동안 경사시키면서 플라스크를 진동 및 회전의 조합으로, 압축밀집된 주조 모래로 테스트 셀의 구불구불한 채널형상의 보이드를 완전히 충전하였다.
반면에, 동일한 주조 기계, 동일한 테스트 셀 및 동일한 서포트 입자 매체를 사용한 대비 시험을 수행했고, 상술한 플라스크 진동 조건 만을 사용했다. 즉, 플라스크는 30도의 경사각으로 기울이지 않았고, 회전시키지도 않았다. 상기 대비 시험 결과는 상부 폴리스티렌 막대 위에 채널형상 보이드가 헐거운 매체(loose media)로 부분적으로만 충전되었다는 것이다. 즉, 90%를 넘는 채널형상 보이드의 나머지 부분이 비워져 있고, 서포트 매체로 채워지지 않았다.
도10a 내지 도10l은 충전 시켄스를 나타낸 도면이며, 테스트 셀의 구불구불한 채널형상의 보이드(V)(도9)에 주물 모래를 채우고 압축하여 밀집하는 공정이다. 이 시켄스는 단지 본원을 설명할 목적으로 기술한 것이며, 상기 시켄스는 본원을 한정하는 것은 아니다. 도10a를 참조하면, 테스트 셀은 처음에는 수직 방향 플라스크(도시되지 않음)에서 그 측부에 위치하고 있으며, 테스트 셀의 개방 단부(E)가 도10a에서 좌측에 있다. 플라스크는 개방 단부가 상향하여 수직방향으로 지향된 것이다(예, 도1a 참조). 다음, 주조 모래(30)가 플라스크에 도입되는데, 이는 플라스크가 충전되어 테스트 셀이 주조 모래에 위치할 때까지 진행된다. 편의상, 플라스크 내의 테스트 셀 주위에 일 부분의 주조 모래 만을 도10a에 나타내었다. 도10b 내지 도10l에서는 테스트 셀 주위의 주물 모래(30)는 편의상 생략하였다. 도10a는 수직 플라스크를 충전한 후에 주조 모래가 정적 정지 각도로만 보급되는 것을 나타낸 도면이다. 도10b는 충전된 플라스크가 30도의 경사각도로 기울어지고 그리고 체계적인 회전이 이루어져 테스트 셀의 개방 단부(E)가 부분적으로 상향하는 위치에 전해진 후에 보이드 내로 입자 매체(모래)가 침투하는 정도를 나타낸 도면이며, 여기서 테스트 셀의 회전 축에 대한 초기 방향은 중요하지 않다. 도10c에서는, 경사진 플라스크가 1G 미만으로 진동하면서 6rpm에서 그 길이방향 축 주위를 180도 회전하고, 입자 매체의 슬러그는 채널 안으로 깊이 흘러가 유입되는 것을 나타내었다. 도10d 내지 도10k에서는 경사진 플라스크의 진동 및 회전이 이어지고 그리고 입자 매체는 보이드가 도10l에 도시한 바와 같이 압축밀집된 주물 모래로 충전될 때까지 보이드 안으로의 순차적인 흐름을 계속한다. 도면을 통해서, 어떻게 보이드 "거품"이 도입 매체에 의해 분류되는지 그리고 어떻게 "거품" 구간이 매체와 함께 채널을 역류하여 나가는 지를 이해할 수 있을 것이다. 보이드를 실질적으로 충전하고 압축하여 밀집하는 일은 플라스크를 12번 완전 회전할 것을 요한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 중력 또는 반중력 주조 공정에 사용하기 위한 주조 주형 또는 소모성 모형 주위에 서포트 입자 매체를 압축밀집하여 실행할 수 있다.
중력 주조의 실시예(Gravity Casting Embodiment)
도7a 및 도7b는 서포트 입자 매체(30')로 충전된 플라스크를 가진, 플라스크에 배치된 중력 주조 로스트 양식 모형(10')을 사용되는 플라스크(20')를 나타낸 도면이다. 다음의 기술은 본원을 한정하는 것이 아닌 설명을 목적으로 기술하는 것이다. 플라스크 또는 용기(20')는 철강(steel) 또는 그외 다른 적절한 물질로 제조되며, 예를 들면 원통형 플라스크 또는 사각형 또는 다른 다각형 단면을 가진 플라스크와 같은, 임의적인 형태로 이루어진다.
소모성 모형(10')은 주입 컵(10a'), 라이저(10s'), 및 게이팅(10g')에 의해 라이저(10s')에 연결된 1쌍의 엔진 실린더 헤드의 모형(10p')을 포함한다. 모형(10')은 얇은(예, ½ mm) 내화성의 층으로, 일반적으로 운모(mica) 또는 실리카 계 물질이지만 이에 한정되지는 않는 물질로 코팅된 폴리스티렌으로 제조될 수 있다.
플라스크(20')는 도8a 및 도8b의 압축밀집 장치에서 롤링 동작을 용이하게 하기 위한 원형 플랜지(20a')와 원형의 중간개재 보강 리브(20b')를 갖는다.
도8a 및 도8b는 로스트 폼 엔진 블록의 모형(10") 주위에 입자 매체(30')를 압축밀집하기 위한 장치를 나타낸 도면이며, 상세하게는 도6에서 플라스크(20') 내에 입자 매체(30')를 배치하여 나타내었다. 본원을 한정하는 것이 아닌 설명을 목적으로 기술하는 것으로, 서포트 입자 매체(30')는 마른 주물 모래 또는 임의적인 다른 자유롭게 흐르는 내화성 입자를 포함할 수 있으며, 이것은 일반적으로 미국특허 5,069,271호에 기술된 것과 같은 수지(resin) 또는 그외 다른 결합제(binder)를 함유하지 않은 비결합된 입자이다. 그러나, 서포트 입자 매체는 입자 매체의 유동화 능력에 불리한 영향을 미치지 않는 범위 내에서 선택적으로 결합하여, 본 발명에 따라 플라스크(20')의 주형 또는 모형 주위에 압축밀집될 수 있다.
도8a에 따르면, 장치는 종래의 진동 압축밀집 테이블(베이스)(T')(개략적으로 도시)을 포함한다. 선택적으로 또는 추가하여, 별도의 진동기가 도11a; 도12a 및 도12b; 도14, 도16 및 도18에 도시한 것 같이 이용될 수 있다. 플라스크(20')의 중력방향에 대해 선택된 경사각도로의 경사는 진동 테이블(T)에 배치된 도11a, 도11b, 도11c, 도12a, 도12b, 도13, 도14, 도16, 및 도18에 도시한 트러니언(trunnion)(경사) 기구 중 하나에 의해 행해지며, 이것은 다음에 설명된다. 본원을 한정하는 것이 아닌 설명을 목적으로 하는 기술로서, 트러니언 지지 기둥(17')은 테이블(T')에 배치되어 경사가능한 프레임(13')을 지지하고, 그 위에 플라스크(20')를 수용하기 위한 회전형 네스트(nest)(고정체)(50')가 배치된다.
플라스크(20')는 프레임(13')상의 네스트(50')를 기울이기 전에 네스트(50')에 배치된다. 상기 네스트(50')는 플라스크(20')가 그 위에 배치되는 베이스 평판(50a')을 포함한다. 네스트 베이스 평판(50a')은 원통형상의 리세스를 구비하며, 거기에 플라스크(20')의 바닥부를 수용한다. 네스트 베이스 평판(50a')은 프레임(13')상의 지지 포스트(13b')에서 120도 이격된 3개의 왕관형 롤러 베어링(B1')에 놓여져서, 플라스크의 원형 베이스 평판(50a') 주위와 결합하는 지지 플랜지(13f')상의 4개의 롤러 베어링(B2')의 중심에 놓여있다. 기어 모터(60')는 베이스 평판(50a')상의 벨트-수용 그루브(50g')와 결합하는 구동 벨트(62')에 의해 네스트(50')를 회전시킨다.
플라스크(20')가 네스트(50')에서 수직방향으로 향해져 있는 동안, 모형(10")은 플라스크에 위치하고 있으며, 이 플라스크는 위에 있는(overhead) 호퍼(도시되지 않음)와 같은 적절한 입자 공급원으로부터 마른 주물 모래와 같은 서포트 입자 매체(30')로 충전된다. 플라스크를 기울기 전에, 주입 컵(10a')용 개구를 가진 사각형태의 헐겁게 설치된 자유-부유 뚜껑(40')은, 입자 매체의 상부 면에 배치되어 경사각이 입자 매체의 정지 각도를 초과할 때 입자 매체가 넘쳐 흐르는 것을 방지한다. 주입 컵(10a")은 뚜껑 개방부를 통해 연장되어서, 도가니 또는 기타 용융물 유지용기(melt-holding vessel)(도시되지 않음)에서 중력에 의해 도8b에 도시된 바와 같이 주조되는 용융 금속 또는 용융 합금을 수용하도록 노출된다. 뚜껑(40')의 무게에 의해 플라스크의 축을 따라서 있는 힘 벡터는 도8a에 도시한 바와 같이, 정적 정지각도를 넘는 입자 매체(30')의 쐐기에서의 대향 벡터보다 크다. 따라서, 플라스크가 50도까지 기울어진 경우에 플라스크의 측부와 입자 매체의 상부 면이 직각이 되도록 유지된다. 상기 매체가 견고하게 됨으로써, 뚜껑은 플라스크 안으로 더 깊숙하게 위치하게 된다. 플라스크가 수직 위치로 돌아오게 되면, 상기 매체의 상부 면은 수평적으로 된다.
테이블(T')의 진동과 플라스크(20')의 회전은 플라스크(20')가 네스트(50')에서 수직방향으로 지향되어 있는 상태에서 시작하지만, 본 발명은 이러한 시켄스에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 네스트(50')는 트러니언 지지 기둥(17')(1개만 도시)에서 도8a에 도시한 바와 같이 중력방향에 대해 일정한 경사각도로 경사진다. 경사진 플라스크(20')는 도8b에 도시한 바와 같이 플라스크의 원형 중간개재 리브(20b')와 결합하게 하여, 프레임(13')의 기립 측면 평판(13s')에 배치된 2개의 롤러 베어링(B3')이 경사진 위치에서 회전할 수 있게 지지되어 있다. 플라스크가 기울어진 상태에서, 플라스크의 진동과 회전은, 모형(10"), 특히 엔진 블록의 모형상의 보이드가 압축밀집된 주물 모래로 충전될 때까지 계속된다.
또한, 부가적인 설명을 위해, 도6은 내부 오일 통로(10p")를 구비하는 로스트 폼 엔진 블록의 모형(10")을 나타내었다. 도6에서, 엔진 블록의 모형을 가진 플라스크는 중력에 대해 평행한 진동을 받아서, 단 이 진동은 본 발명의 실시예에서는 어떠한 방향의 것이더라도 좋은, 도시된 바와 같이 플라스크가 도시된 바와 같이 경사진 상태에서 회전할 수 있다. 플라스크가 회전할 때, 최장 길이의 오일 채널(101p")은 45도의 경사로 유지되고 있다. 최장 길이의 오일 통로에 대해 수직하여 있는 오일 채널(10pp")의 경사는 회전에 의한 정현파처럼 -45도 와 +45도 사이에서 변화한다. 다른 짧은 오일 채널(10sp")은 도시된 바와 같이 인출 평면 내외에서 연장된다. 이러한 오일 채널 또는 통로(10sp")의 경사도 또한 회전에 의해 -45도와 +45도 사이에서 변화한다. 압축밀집 시험에서, 실제 엔진 블록의 모형(10")은 플라스크의 회전 축(종축)(L)에서 수 인치 벗어나 선회하게 된다. 모형 선회의 각각에 있어서 완전한 1회전을 하기 위해서, 주조 모래의 모형(10")의 오일 채널의 충전 및 압축밀집의 작용은 같다.
도7a, 도7b, 도8a 및 도8b의 장치는 중력 주조를 하는 동안, 압축밀집된 입자 매체의 지지를 필요로 하는 임의적인 주형 또는 모형과 함께 사용할 수 있다. 도7a, 도7b, 도8a 및 도8b에 나타낸 본 발명의 중력 주조의 실시예에서, 본 발명에 따른 경사진 회전식 압축밀집 방법은 다음을 포함한다.
주조 플라스크(20')는 종래의 압축밀집 테이블(T')의 상부에 있는 가변식-경사, 회전가능한 네스트 또는 고정체(50')에 고정된다. 주형 또는 모형(10')은 플라스크의 진동이 없는 전형적인 방식으로 수동으로 플라스크에 장전된다. 예를 들어, 소량의 주물 모래를 플라스크에 배치하고 그리고 모형을 주물 모래 안으로 부드럽게 밀어 넣는다. 제조 시에, 플라스크 충전 사이클을 개시하는 시점에서 모형은 고정물(도시되지 않음)에 의해 플라스크 내에서 지지를 받게 된다. 상기 고정물은 후에 모형을 해제한다. 수직 플라스크는 종래 방법을 통해 주물 모래와 같은 서포트 입자 매체로 충전된다. 압축밀집 공정을 약간 줄이기 위해서, 플라스크(20')가 충전작업을 하는 동안에 진동을 받게 할 수 있지만, 그러나 이것은 동시에 할 필요는 없는 것이다. (만약, 진동을 충전 공정이 행해지는 동안에 유발하지 않으면, 진동 분리기를 주형-장전 고정물에 설치할 필요는 없다.) 충분한 입자 매체가 도입되어 주형 또는 모형의 방향을 유지하는 경우, 상기 주형 또는 모형이 해제되고 그리고 나머지 플라스크가 충전된다.
만약, 입자 매체가 넘치는 각도 이상으로 플라스크가 경사질 수 있으면, 헐겁게 끼워진 뚜껑(40')은 입자 매체(30')의 상부면에 위치하게 된다. 상기 뚜껑에는 모형의 주입 컵(10a')용의 개구가 설치되어 있다.
압축밀집 테이블(T')의 진동은 플라스크의 수직 종축(L) 주위의 회전과 동시에 시작되고, 상기 플라스크(20')는 중력방향에 대한 압축밀집 경사각도로 경사진다. 대부분의 주형 또는 모형(10')은 복수의 보이드를 가지고 있기 때문에, 30 내지 35도 경사 각도는 충분하며, 그리고 뚜껑(40')은 필요하지 않다.
플라스크(20')는 플라스크가 연속적 또는 단속적으로 진동 및 회전하는 일정한 경사각("A")으로 경사질 수 있다.
선택적으로, 플라스크(20')는 수직 위치에서 30-35도의 경사각("A")까지 지속적으로 경사지게 하고 다음, 플라스크를 지속적 또는 단속적으로 진동 및 회전하면서, 필요에 따라서, 전진 및 후진 방식으로 수직위치로 복귀시킬 수 있다.
또한, 플라스크(20')는 수직 위치와 30도-35도의 경사각("A") 사이에서 증가할 수 있으며, 그 내용을 한정하는 것이 아니고 설명을 하기 위한 기술로서, 용기를 진동 및 회전시키면서 수직으로부터 10도까지 소정 시간, 20도까지 소정 시간, 30도까지 소정 시간, 경사를 증가시킬 수 있으며, 이것은 각각의 각도 위치(예, 10도, 20도, 등)에 용기가 존재하는 경우, 지속적으로 또는 단속적으로 할 수 있다. 그리고 각각의 각도 위치(예를 들어, 10도, 20도 등)에 용기가 존재하는 경우, 용기를 진동 및 회전을 지속적 또는 단속적으로, 30도에서부터 소정 시간, 20도에서 소정 시간, 그리고 10도에서 소정 시간과 같이 순서를 역으로 할 수 있다.
압축밀집을 하는 동안 플라스크를 지속적으로 경사지게 하는 본 발명의 실시예에 따른 경사식 회전 압축밀집 방법을 실시할 때, 플라스크의 회전 사이클 빈도는 플라스크의 경사 사이클 빈도의 배수인 것이 바람직하다. 그 내용을 한정하는 것이 아닌 설명을 목적으로 하는 기술에서, 만약 플라스크가 일정한 2rpm으로 회전하는 경우, 플라스크는 경사가 0도(수직)에서 일정한 경사 각도까지, 그 다음 1분 안에 0도 위치로 돌아오는 완만하고 지속적인 사이클로 이루어진다. 이 사이클은 플라스크가 완전한 압축에 이를 때까지 반복된다. 그런 매개변수는 회전 축에 대해 좌우 대칭으로 지향하는 주형 또는 모형에서 모든 보이드가, 그 방향에 관계없이 동일하게 충전되는 기회를 줄 것이다.
서포트 입자 매체를 회전 속도, 진동 빈도 및 진동 폭의 조합으로 압축밀집하기 위해서, 입자 매체(30')의 상부 면에서의 하향 흐름이 입자 매체의 상부 면의 회전 속도에 따라 정확하게 부합하는 경사 각도를 발견할 수 있다. 이 경사각도를 초과하지 않는 한, 입자 매체(30')의 상부 면은 플라스크(20')의 테두리와 평행을 유지하고, 플라스크(20')가 수직으로 복귀하면 수평하게 될 것이다. 엔진 블록에서 오일 채널과 같은 길고 복잡한 내부 통로를 갖는 로스트 양식 모형의 경우, 도6 내지 도8에서 볼 수 있는 45도의 경사각도가 가장 좋다. 부동(floating) 뚜껑(40')은 모래가 넘치는 것을 방지하는데 필요할 수 있다.
0.5 내지 2rpm 사이의 플라스크 회전 속도가 대부분의 주형 또는 모형에 바람직하다. 느린 회전속도는 수평 및 거의 수평한 보이드(V)가 입자 매체의 동적 정지각도를 넘어 몇 초간 경사지게 하는 방향으로 지향된다. 이것은 보이드가 충분한 시간으로 채워지게 한다. 매우 느린 회전속도의 경우, 복잡하고 지그재그 모양의 보이드의, 예를 들어 도1 내지 도5의 보이드(5)의 충전에는 수회의 회전이 필요하므로, 더 긴 길이의 압축밀집 사이클을 명령한다.
고속 회전속도는 보이드로의 입자 매체의 흐름이 확립되기 전에 보이드의 방향을 변화시킨다. 충분히 빠르고 충분한 회전 반경에서는 원심력 효과가 일어나게 되며, 회전이 유해한 것이 된다. 예를 들면, 플라스크가 60rpm으로 회전하는 경우, 보이드(V)는 개구가 플라스크의 회전 축에서 12.7cm(5인치) 이상의 상태에서 용기 축(L)에 대해 30도로 경사지며, 보이드를 따라 작용하는 중력방향의 성분은 원심 가속도로 중화됨과 동시에 보이드 안으로 유입되는 입자 매체가 흐르지 못하게 할 것이다.
10rpm보다 느린 낮은 회전 속도에서는 원심력이 거의 작용하지 않아서 무시할 수 있다. 상술한 바와 같이, 플라스크의 기울기 각도(경사각) 때문에, 회전하여 부분적으로 상향하는 수평한 보이드는 중력과 진동의 결합된 영향을 받아 즉시 충전된다. 플라스크가 회전하기 때문에, 충전된 보이드는 회전 사이클의 절반에서 부분적으로 하향한다. 그러나, 보이드의 개구가 압축밀집된 입자 매체에 의해 폐색되어 개구를 차단하기 때문에, 보이드는 비워지지 않을 것이다. 주형 또는 모형의 주위에 압축밀집된 입자 매체가 주형 또는 모형이 플라스크 내에서 들어올려지는 이동을 막기 때문에; 주형 또는 모형은 플라스크의 압축밀집 사이클 동안 지지될 필요는 없다.
주형 또는 모형은 부유와 무관하면서 주형-장전 고정물과 같은 비-진동 요소에 설치되지 않기 때문에, 주형 또는 모형의 변형은 최소화된다.
깊이 또는 왜곡 보이드 또는 소 개구(OP)를 가진 대-용량의 보이드는, 1회전 사이클 동안에 완전히 충전되지 않는다. 그러나, 이러한 사실은 문제가 되지 않는다. 상기 보이드의 자유 표면이 동적 정지 각도를 지나 회전하기 위해서, 입자 매체가 다시 유동한다. 보이드 위로 회전하고, 그에 따라서 남은 압축밀집된 매체가 유동화하여, 다시 보이드 안으로 하향하여 흘러 간다.(도10에 도시) 종래의 입자 압축밀집 기술은 이렇게 하지 않는다.
입자 매체 과립체 또는 입자의 가교동작(bridging)은 불규칙하게 발생할 것이다. 만일 가교동작이 협소한 내부 보이드의 개구(예, 도1a의 개구(OP)) 근방이나 보이드에서 발생하면, 보이드로의 입자 매체의 흐름은 개구 또는 보이드에 정 위치에 형성되는 돔-형상의 2차적인 보이드에 의해 일시적으로 차단될 것이다. 그러나, 플라스크의 회전에 의해 이러한 2차적인 돔-형상의 보이드를 그 측면 쪽으로 회전시켜, 그로 인하여 돔-형상의 보이드 부분이 파괴되어, 보이드에 대한 매체 흐름을 다시 재설정할 것이다. 보이드가 완전히 충전되었으면, 보이드가 입자 매체의 동적 정지 각도를 넘어 경사지면서, 중력과 진동에 의해 보이드의 입자 매체를 견고하게 할 것이다. 보이드에 남겨진 자유 면이 존재하지 않는 경우, 상부의 자유 면을 제외하고 더 이상의 입자 매체의 유동화는 생기지 않을 것이다.
플라스크를 수직 방향으로 복귀하여, 회전 및 진동을 정지하여서, 압축밀집 사이클을 완료한다.
도13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중력 주조 또는 반중력 주조하는 주형 또는 모형용 장치를 나타낸 것이다. 도13은 종래의 압축밀집 테이블(베이스)(T)의 지지 덱크(100)에 설치된 유압작동 압축밀집 장치를 나타낸 도면이다. 플라스크(120)는 회전식 네스트(고정체)(150)에 지지를 받고 있으며, 상기 네스트는 순차적으로 기울어질 수 있는 네스트 지지 프레임(113)에 배치된다. 네스트 지지 프레임(113)은 피봇 핀(135)(1개만 도시됨)에 의해 고정된 트러니언 지주 또는 기둥(117)에 지지를 받으며 (피봇 식으로)기울어질 수 있게 있다. 트러니언 지지 기둥(117)은 덱크(100)에 장착되어 고정된 베이스 패드(141)에 탑재된다. 네스트 지지 프레임(113)은 베이스 패드(141)에 부착되어 고정되어 있거나 또는 일 부품으로 형성된 크레들(133)의 활모양의 레일(133a)에서 활주하는 활모양의 런너(132)를 갖추고 있다. 진동은 테이블(베이스)(T)에서 베이스 패드(141) 및 크레들(133)의 레일(133a)을 통해 플라스크(120)에, 그리고 플라스크(120)를 담고 있는 네스트 지지 프레임(113)의 런너(132)로 전달된다.
크레들 및 런너 설비는 또한 동축의 트러니언 피봇 핀(135)(1개만 도시)을 중심으로 하는 중앙설정 장치로도 작동한다. 플라스크(120)는 한쪽 단부가 크레들(133)에 연결되고 그리고 다른쪽 단부가 플라스크(120)의 외측에 연결되는 유압 실린더(136)의 작용에 의해 피봇 핀(135)을 중심으로 하는 상술한 바와 같은 방식으로 기울어지게 된다. 플라스크가 회전하는 동안에, 플라스크의 상부 절반(half)은 1쌍의 롤러 베어링(B3)에 실려있다. 플라스크(120)의 하부 단부는 네스트 지지 프레임(113)에 배치된 원통형의 회전식 네스트(150)에 놓여있다. 상기 네스트(150)는 조합된 레디얼/트러스트 베어링(도면에서 감추어져 있음)에서 자유롭게 회전한다. 상기 네스트(150)는 공압 타이어(도면에서 감추어져 있음)에 의한 마찰 구동을 통해 유압 모터로 회전하게 된다. 상기 플라스크(120)는 상기 타입의 주형 또는 모형(도시 않음)과 상기 타입의 입자 매체(도시 않음)를 수용하여 주형 또는 모형 주위에 압축밀집 된다.
반대 중력 주조(Countergravity Casting)
도11a 내지 도11e의 장치는 반대-중력 주조 시, 압축밀집된 서포트 입자 매체를 필요로 하는 임의적인 주형 또는 모형에 사용할 수 있는 것이다.
*도11a 내지 도11e는 플라스크(220)에서 반대-중력 주조 세라믹 셀 주형(210)의 주위에 있는 서포트 입자 매체(230)를 압축밀집하는 자체-내장된 장치를 설명하는 도면이다. 또한, 이 장치는 여러 종류의 중력-주입식 주형 주위 또는 여러 종류의 로스트 양식 모형 주위의 서포트 입자 매체를 압축밀집하는 용도로도 사용할 수 있다. 플라스크(210)의 바닥과 주형 체결 장치만이 다를 필요가 있을 수 있을 뿐이다.
도11c는 세라믹 충전 관(211)이 셀 주형(210)에 고정된 것을 나타낸 도면이며, 이는 미국특허 5,069,271호에 기술된 타입의 것이며, 셀 주형은 도1에서 세라믹 셀 주형(10)으로 설명되었다. 주형(210)은 상기 관(211)이 플라스크(210)의 바닥에서 돌출되도록 주조 플라스크(220)에 위치하여 있다. 플라스크(210)는 서포트 입자 매체(230)로 충전되며, 만일 플라스크가 입자 매체(230)가 플라스크에서 넘쳐 나올 수 있는 지점까지 기울어지게 될 때에는, 뚜껑(240)으로 덮여있게 된다. 플라스크(210)는 베이스 평판(250a)을 가진 원통형 네스트(고정체)(250)에 놓여 있으며, 상기 베이스 평판(250a)은 기울어질 수 있는 프레임(213)의 바닥에서 지지되는 3개의 왕관형 롤러 베어링(B1)에 의해 지지된다.
네스트 지지 프레임(213)은 메인 프레임(베이스)(218)의 기둥(217)에 위치한 트러니언(235)에 의해 지지를 받게 된다. 각각의 기둥은 기둥에 부착된 평판(217a)을 갖추고 있어서 지향성을 조합한 전기 진동장치(222)를 탑재한다. 이런 진동장치는 그 축을 측방향 진동의 경우 수직으로 또는 상하방향 진동의 경우는 수평으로 탑재된다. 진동장치는 실질적인 직선 진동의 경우, 회전을 역으로 하도록, 또는 원형 진동 형식의 경우는 동일한 방향으로 장착할 수 있다. 진동 횟수와 진폭도 조정할 수 있다. 압축밀집 장치는 4개의 공압식 진동 분리기(221)에서 지지를 받고 있다. 이 장치에서는 장치 전체가 진동한다.
플라스크(220)의 회전은 구동 벨트(262)에 의해 플라스크 네스트(250)가 전환되는 기어 모터(260)에 의해 이루어진다. 프레임(213)의 경사는 다른 기어 모터(265) 및 구동 벨트(267)에 의해, 차례로 레버(271)를 작동하여 프레임을 기울이는 막대(270)에 부착된 애크미 너트를 조종하는 애크미(Acme) 나사(269)를 돌려 이루어진다. 1G를 넘는 큰 대형 진폭의 진동에 의해 황동 애크미 너트에 수용할 수 없는 마모를 일으킨다. 기울어진 플라스크(220)는, 회전 시 기울어질 수 있는 프레임(213)에 배치되어 플라스크의 측부를 지지하는 2개 이상의 롤러 베어링(B3)에 의해 지지된다.
본 발명의 반대 중력 주조의 실시예에서, 본 발명에 따른 경사진 회전 압축밀봉 방법은 다음의 내용을 제외하고는 중력 주조의 실시예에서 상술된 기술내용과 동일한 것이다.
즉, 세라믹 셀 주형(210)은 용융 금속이 주형 안으로 빨려 들어오게 하는 세라믹 관(211)에 영구 조립되어 있다.
반대-중력 주조 실시예는 다음의 단계를 포함한다. 도11a에 도시한 수직 플라스크(220)는 종래 수단으로 주물 모래와 같은 서포트 입자 매체(230)로 충전된다. 압축밀집 공정을 약간 줄이기 위해, 충전 작업 시 플라스크(220)를 진동하여도 좋지만, 이것은 동시에 할 필요는 없다. (만약, 충전 공정 시 진동을 유발하지 않으면, 진동 분리기를 주형-충전 고정물에 설치할 필요는 없다.)
만일 플라스크가 매체가 테두리를 흘러 넘치는 각도를 넘어 기울일 경우, 뚜껑(240)은 상기 매체(230)를 함유하는 노출 면에 배치된다.
진동기(222)에 의한 메인 프레임(218)의 진동은 수직 축(L)을 중심으로 하는 플라스크의 회전과 함께 시작되고, 상기 플라스크는 중력방향에 대하여 지속적으로 증분으로 기울어지거나 또는 상기 방식으로 일정한 각도로 증가하여 기울어진다. 다수의 공동을 가진 대부분의 주형 또는 모형용으로는, 30도 내지 35도 경사각도로 충분하며, 뚜껑은 불필요하다.
서포트 입자 매체가 회전 속도, 진동 빈도 및 진동 진폭의 조합으로 압축밀집되기 위해, 서포트 입자 매체의 상부 면에 있어서 그 하향 흐름이 상부 면의 회전 속도에 따라 정확하게 부합하는 경사 각도를 찾을 수 있다. 이 경사 각도를 초과하지 않는 한, 입자 매체의 상부 면은 플라스크의 테두리와 평행을 유지하고, 플라스크가 수직으로 돌아오면 수평하게 있을 것이다.
0.5 내지 2rpm 사이의 플라스크 회전 속도는 대부분의 주형 또는 모형에 바람직하다. 플라스크의 경사각(기울어진 각도)으로 인해서, 회전하여 부분적으로 상향하는 수평한 보이드는 중력과 진동의 결합 영향을 받아서 즉시 충전된다. 상기 플라스크의 회전으로 인해서, 충전된 보이드는 회전 사이클의 절반에서 부분적으로 하향한다. 그러나, 보이드의 개구(예, OP)가 입자 매체에 의해 폐색되기 때문에 보이드는 비워지지는 않을 것이다.
주형 또는 모형의 주위에 압축밀집된 입자 매체에 의해 주형 또는 모형의 플라스크 내에서의 이동을 방지하여, 주형 또는 모형은 압축밀집 사이클에 있어서 지지를 받을 필요가 없다.
주형 또는 모형이 주형-장착 고정물과 같은 비-진동 요소에 부착되지 않고 자유롭게 부유하기 때문에, 주형 또는 모형의 변형은 최소로 된다. 깊은 깊이 또는 일그러진 보이드, 또는 작은 개구를 가진 대-용량의 보이드는 1회전 사이클 동안 완전하게 충전되지 않을 것이다. 그러나, 이러한 사실은 문제가 되지 않는다. 상기 보이드에 있는 자유 면이 동적 정지 각도 이상으로 회전하기 위해서, 입자 매체의 흐름이 다시 재설정된다. 이제는 보이드 위로 회전하고, 남은 압축밀집 매체가 유동화되어, 다시 보이드 안으로 하향하여 흐른다(도10 참조). 종래의 입자 압축밀집 기술은 이렇게는 하지 않는다.
입자 매체 과립자 또는 미립자의 가교동작은 불규칙하게 발생한다. 만일, 가교동작이 협폭 내부 보이드의 개구 근방에서 또는 보이드에서 발생하면, 보이드로의 입자 매체의 흐름은 보이드에서 또는 개구에서 제자리에 형성된 돔-형상의 2차적인 보이드에 의해 일시적으로 차단되게 된다. 그러나, 플라스크의 회전에 의해 2차적인 돔-형상의 보이드를 그 측면쪽으로 회전시킬 것이고, 그로 인하여 돔-형상 보이드의 파괴를 야기하여, 매체의 보이드로의 흐름이 다시 확립된다.
일단 보이드가 완전히 충전되면, 보이드가 입자 매체의 동적 정지 각도를 넘어 경사지며, 중력 및 진동에 의해 보이드의 입자 매체를 더욱 견고하게 한다. 보이드에 남겨진 자유 면이 존재하지 않을 경우, 더 이상 입자 매체의 유동화는 보이드에서 또는 그 근방에서 발생하지 않을 것이다.
플라스크를 수직방향으로 복귀하여(도11a) 회전 및 진동을 중지하여, 압축밀집 사이클을 완료한다. 물론, 라이저 통로를 통해 상향하여 셀 주형(210)의 주형 공동에 용융 금속 또는 용융 합금의 반대-중력 주조는 중력 주조와는 다른 방법으로 수행되며, 미국특허 5,069,271호에는 이러한 사실이 상세하게 기술되어 있다.
도12a 및 도12b는 도11a 및 도11b에 도시된 장치와 유사한 장치를 나타낸 도면으로, 핸드 윈치(282)에 의해 당겨지는 하니스(harness)(280)를 포함하는 플라스크 경사기구를 가진 것만이 다르다. 전동 윈치(282)도 하니스(280)의 견인에 사용할 수 있다. 이러한 경사기구는 1G를 넘는 진동에도 영향을 받지 않는다는 점에서 유리하다. 도12a 및 도12b에 사용된 도면부호는 도11a 및 도11b의 유사한 부분과 관련하여 사용하였다.
주형 또는 모형에 대한 다양한 중력과 진동 벡터의 압축밀집 효율성으로 인해서, 진동 진폭은 종래의 압축밀집 기술에서 필요로 하는 정도로 크지 않아도 된다. 많은 압축밀집 용도에서, 1G 미만의 진동 가속도이면 충분하다. 1G 미만의 진폭은 플라스크가 지지 베어링과의 접촉을 유지하고, 압축밀집 소음은 낮고, 장비 착용은 허용된다. 도11 내지 도13의 장치는 이러한 낮은 진폭에서 양호하게 작동한다.
가속도계에 의한 측정에서, 도11 내지 도13에 도시한 바와 같이 플라스크를 구속하지 않으면, 일 평면에서의 진동에 의해 모든 방향의 진동을 유발하는 것으로 나타났다. 따라서, 진동(들)의 위치와 방향은 그리 중요하지 않다. 진동을 압축밀집 장치의 정지 구성요소에 설치하는 것은 편리하기 때문에 바람직하다.
전형적으로, 전체 압축밀집 공정을 수행하는 동안, 플라스크는 12회 미만으로 회전시킬 필요가 있다. 또는, 플라스크는 360도 정도 회전시키고, 그로부터 역방향으로 360도 회전시킨다. 이러한 회전 주기의 변화는 필요에 따라 반복될 수 있다. 각각의 360도 회전 주기의 변동에 따라 동일한 방향으로 2회의 연속한 회전과 같은 효과가 있다. 일반적으로, 2 내지 6의 회전 주기의 변동으로 인해 압축밀집을 완료할 수 있다. 이 기술은 도18에 도시된 바와 같이 진동장치(322)가 플라스크(320)에 직접 배치되어 동력을 용이하게 공급할 수 있다. 이 실시예의 이점은 보다 많은 진동 에너지가 플라스크(320) 내의 입자 매체(도시되지 않음)로 전달되는 것이다. 주조 플라스크(320)의 플랜지(320f)는 볼트 결합 또는 클램프 체결되거나, 그렇지 않으면 허브 또는 네스트(고정)(350)에 장착된다. 허브 또는 네스트는 경사 가능한 플랫폼 프레임(352)으로 유지된다. 내충격성 합성 판은 플랜지, 허브, 또는 네스트(350)와, 도14 및 도15와 관련하여 후술되는 바와 같이, 플랫폼 프레임(352)과의 사이의 표면으로 사용된다. 허브 또는 네스트(350)는 유압 모터(360)로 구동되는 구동 벨트(362)에 의해 회전하게 된다. 기둥(317)에 배치되는 유압 작동기(355)는 플랫폼 프레임(352)을 180도까지 경사지게 한다. 이 기둥(317)은 테이블(T)에 장착되며, 상기 테이블은 4개의 공압식 진동 분리기(321)에 설치되어 있다. 플라스크는 뚜껑(도14 및 도15와 관련하여 기술되지만 도시되지는 않음)에 의해 밀봉되어 있다. 기둥(317)을 전개하여 플라스크와 함께 회전하는 진동장치를 수용한다. 이런 변형 실시예의 이점은 보다 많은 진동 에너지가 플라스크에 있는 매체로 전달되는 것이다.
만약 1G를 넘는 진동 진폭을 필요로 하면서 동시에 낮은 소음 수준이 바람직한 경우, 주조 플라스크는 압축밀집 장치의 회전 및 진동 요소에 고정할 필요가 있다. 도14 내지 도18은 그런 실시예를 기술한 것으로, 주조 플라스크(320)의 플랜지(320f)가 허브 또는 네스트(350)에 볼트 결합하거나 클램프 체결되고, 상기 허브 또는 네스트는 플랜지(351)와 플랫폼 프레임(352) 사이에서 유지된다. 허브 또는 네스트(350)는 도15에 도시한 바와 같이 합성 베어링 면(349)에서 회전한다. 이런 조립체는 유지 플랜지(351)와 플랫폼(352) 사이에서 포획된다. 상기 허브(350)는 유압 모터(360)에 의해 구동되는 구동 벨트(362)를 통해 회전한다. 기둥(317)에 배치된 유압 작동기(355)는 플랫폼(352)을 180도까지 경사지게 한다. 상기 기둥(317)은 테이블(T)에 장착된다. 상기 테이블은 4개의 공압식 진동 분리기(321) 위에 설치된다.
플라스크(320)는 서포트 매체(330)의 상부에 있는 뚜껑(340)으로 밀봉된다. 뚜껑은 진공펌프(도시 않음)와 같은 진공소스에 연결된 로터리 유니온(361)과 팽창성 테두리 밀봉 관(340t)을 구비한다. 상기 팽창성 테두리 밀봉 관(340t)은 플라스크(320)의 벽에 대하여 공기기밀한 밀봉부를 제공한다. 상기 뚜껑(340)은 스크린(359)을 구비하여, 공기가 통과하고 입자 매체(330)는 통과하지 않는, 뚜껑(340)에 배치된 플레넘(372)을 통해 플라스크의 부분적인 배기가 가능해진다. 상기 플레넘(372)은, 로터리 유니온(361)의 피팅(F1)을 진공 펌프와, 피팅(F2)을 통한 공기 펌프와 연통하여, 밀봉부(340t)를 부풀린다(도17). 상기 밀봉부(340t)는 시장에서 구입할 수 있는 로터리 유니온이다. 플레넘(372)은 레디알 핀(fins)(372a)을 구비하여 스크린(359)을 강화한다. 대기압에 의해 뚜껑(340)의 탄성 막(363)이 팽창하여, 플라스크 내의 입자 매체의 상부와 부합하게 된다. 플라스크는 로터리 유니온(361)과 플레넘(372)을 통해 부분적으로 진공(예, 3-4psi 진공)으로 배기될 수 있다. 뚜껑(340) 전체에 생기는 압력차를 사용하여, 도16에 도시된 바와 같은 플라스크가 역전하여, 즉 수평선을 넘어 반전된 상태에 있는 경우, 주형 또는 모형 및 플라스크 내의 입자 매체를 유지한다. 팽창성 테두리 밀봉 관(340t)을 가진 뚜껑(340)은 부분적으로 배기된 플라스크(320)에 대해 대기압으로 유지된다.
압축밀집 시에 있어서, 플라스크(320)의 진동은, 2개의 전기 진동기(322') 및/또는 도14 및 도16에 도시한 타입의 기둥에 탑재한 형식 또는 도18에서와 같이 플라스크(320)에 직접 탑재되는 형식의 진동기(322)에 의해 제공된다. 상기 장치는 테이블(T)을 지지하는 4개의 공압식 진동 분리기(321)에 탑재된다.
주형(310) 주위의 압축밀집 작업을 하는 동안, 입자 매체(330)가 플라스크 내의 주형(310)(또는 모형)의 보이드(V)에 압축밀집되어서, 입자 매체의 상부면은 하강한다. 주위 압력과 플라스크(320)의 부분적 진공과의 사이에서의 압력차에 의하여 뚜껑(340)은 플라스크의 방향과는 관계없이 플라스크 안으로 후퇴할 때, 입자 매체의 상부 면과의 결합을 지속한다. 플라스크(320)의 인접한 벽과 뚜껑(340)과의 사이에서 가동적인 공기 기밀한 밀봉은, 팽창성 테두리 밀봉 관(340t)에 의해 유지된다.
1G를 넘는 진동 진폭에 사용되는 도14 내지 도18의 장치는, 볼 롤러 베어링을 도15에 나타낸 것과 같은 내진동, 저마찰의 플라스틱으로 제조된 레디알 및 트러스트 베어링(349)으로 대체한, 다른 장치의 실시예와는 다른 것이다. 선택적으로, 2개의 대-직경 각도접촉 볼 베어링(도시 않음)을 사용하여 그들 사이에 포획된 회전 네스트를 마련할 수도 있다. 비록 자유롭게 반발하는 느슨한 부품이 없기 때문에, 소음이나 충돌 힘은 도14 내지 도18에서와 같이 조절된다.
상술한 바와 같이, 주조 플라스크(320)는 볼트 결합 또는 클램프 체결되어 경사 플랫폼의 부품 사이에 개재되어 회전동작 허브 또는 네스트(350)에 고정된다. 허브 또는 네스트는 그에 고정된 플라스크(320)와 함께 회전 및 경사가 있는 한에서만 국한되기 때문에, 플라스크에 전달되는 진동은 그 방향성질을 상당한 정도로 유지하고 그리고 진동벡터의 면에서 제2진동은 감소된다. 이러한 사실은 플라스크에서의 주형 또는 모형에 대한 중력 벡터 및 진동 벡터의 완만하고, 연속적이며 체계적인 방법으로 동시적으로 변경되는 바람직한 효과가 있다. 유압 모터에 의해 유압 작동기가 플랫폼(352)을 180도까지 연속적으로 증가하는 기울기 또는 소정의 경사각도까지 기울어지면서, 네스트(350)가 회전하게 한다.
플라스크는 충전 관(311)을 가진 세라믹 셀 주형(310)을 함유한다. 플라스크는, 그 둘레를 따라서 팽창성 관 밀봉부(340t)를 갖고 있고, 그리고 팽창성 밀봉 및 플라스크의 부분적인 배기를 위한 로터리 유니언(361)을 가진 뚜껑(340)을 구비한다. 선택적으로, 내부 관 타입 체크밸브(도시 않음)를 팽창성 관 밀봉(340t)에 사용하여 밀봉(340t)용 로터리 유니온의 환기 통로를 생략할 수도 있다. 이 뚜껑은 일 측에서 대기 공기에 노출되고 그리고 타 측에서 플라스크 내부에 노출되는 유연한 막을 갖고 있다. 일단, 플라스크(320)가 주형 또는 모형에 설치되어 있고, 헐겁게 있는 입자 매체(330)로 충전되고, 뚜껑(340)이 장착된 경우, 상기 밀봉(340t)은 팽창되고 그리고 플라스크(320)는 3-4psi 진공까지 감압 된다.
이러한 지점에서, 주조 플라스크(320)는 완전히 반대로 세워져 있다. 대기압에 의해 뚜껑(340)을 유지하고, 그 방향과 관계없이 플라스크의 내용물을 유지한다.
도14 내지 도18의 장치에서 입자 매체(330)를 압축밀집하는 동안, 입자 매체는 주형 또는 모형에 있는 보이드 안으로 유입되어 압축되어 견고하게 된다. 희박한 매체를 포함하는 "거품"이 성장하여 플라스크(320)의 상부 지점으로 이동한다. 만일 플라스크가 수평면을 넘는 경우, 상부 지점은 플라스크의 바닥 모서리에 위치하게 된다. 상방향으로 "거품"이 부유하면, 정지 각도에서 확산하여, 상향 통로에서 직면하는 임의적인 통과할 수 없는 장애물로 인해 축적되어 진다. 반대로 세워진 플라스크를 가진 상태에서는 공기 갭이 플라스크의 바닥에 형성된다. 회전하는 플라스크가 수직방향으로 후방으로 경사지면, 공기 갭이 플라스크 벽을 따라 플라스크의 상부까지 나선형으로 형성되고, 플라스크는 공간을 약간 차지하는 플라스크에 고정된 뚜껑(340)에 의해 수용되는 동시에, 나머지 공간은 유연한 막(363)이 대기압에 의해 플라스크 쪽으로 팽창하기 때문에, 이것으로 채워지게 된다. 플라스크 내에서 위치 이동한 공기는 뚜껑(340)의 바닥 중앙에 있는 스크린(359)을 통해 빠져나간다. 뚜껑(340)과 유연한 막(363)으로부터의 압력에 의해 상기 매체의 상부 층을 더욱 압축밀집 한다. 플라스크가 다시 반대로 세워져 있으면, 압력에 의해 압축밀집상태가 유지된다. 플라스크의 회전 및 진동과 동시에 이루어지는 부분적으로 배기된 플라스크의 경사의 반복된 사이클을 통해서, 모든 보이드 및 희박한 매체 용량이 플라스크 벽을 따라서 도입되어, 뚜껑(340)의 스크린(359)을 통해 배제된다.
본 발명의 실시예의 보다 복잡한 경사 회전식 압축밀집 방법을 실시하는데 있어서는, 회전 사이클 빈도를 경사 사이클 빈도의 배수와 동일하게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 만일 플라스크가 안정적으로 2rpm으로 회전하는 경우, 플라스크는 0도에서 180도로, 다시 0도로 1분 사이에 돌아오는 경사각으로 완만하고 연속적으로 순환된다. 이 사이클은 압축밀집이 완전히 될 때까지 반복된다. 상기 매개변수는 주형 또는 모형의 모든 보이드가 그 방향과 관계없이 동일하게 충전되는 기회가 주어진다. 도14 내지 도18에 기술된 장치는 압축밀집된 입자 매체를 가진 도1 내지 도5에 도시한 모든 보이드를 완전하게 채우는 것이다.
본 발명의 이러한 실시예는 또한 중력 주조 주형 주위의 입자 매체를 압축밀집하는데 이용할 수 있다. 플라스크의 모양에 관계없이, 뚜껑을 상술한 바와 같이 밀봉성의 유연한 막으로 제조할 수 있다. 주조 주형에 있는 주입 컵은 일시적으로 밀봉되며, 주입 컵을 구비한 전체 주조 주형은 서포트 매체로 덮여진다. 상기 뚜껑은 챔버에 설치된 뚜껑 밀봉부가 팽창되어, 플라스크는 대기압 밑으로 3-4psi까지 배기된다. 그때, 플라스크는 압축밀집 공정을 하는 동안에 완전히 반대로 세워지게 된다. 뚜껑 전체의 압력 차가 작기 때문에, 플라스크의 내용물을 보유하기에 충분하다. 압축밀집이 완료된 후, 플라스크는 수직으로 돌아오게 되고, 뚜껑은 제거되고, 그리고 충분한 매체가 제거되어 주조용 주입 컵을 노출시킨다.
경사진 회전식 압축밀집 공정의 실시는 몇 가지 장점이 있는데, 이에 한정되지는 않는 기재로서, 다이는 주형 또는 모형의 이격된 보이드 리세스와 수평한 돌출부(overhangs)가 압축밀집 매체에 효과적으로 충분하게 채워지게 되고, 압축밀집 서포트 입자 매체 밑에 깊게 매몰된 입자 매체의 자유 면은 각각의 플라스크 회전 사이클의 적어도 1/4 동안에 다시 보이드를 채우기 시작하고, 그리고 매체 입자 또는 과립에 의한 가교동작은, 돔-형상의 2차 보이드가 파괴되거나 충전되도록, 그 경사에 의해 효과적으로 제거된다. 또한, 주형 또는 모형은 지지를 받을 필요가 없고 그리고 압축밀집을 하는 동안 주형 또는 모형에 대한 중력방향이 연속적으로 완만하게 변화하기 때문에, 주형 또는 모형의 변형은 최소한으로 된다. 입자 매체를 플라스크에 보내는 공급율은 종래의 로스트 폼 압축밀집 장치에서와 같이 변할 필요는 없다. 상기 플라스크는 신속하게 채워지고 그 후, 압축밀집된다. 압축밀집 테이블의 진동 벡터는 변화할 필요가 없다. 그 대신, 주형 또는 모형의 방향은 진동 벡터와 중력 방향에 대하여 체계적으로 변화한다. 압축밀집 방법은 부분적으로 독립적인 것이고, 그리고 다양한 주형 또는 모형을 위한 특별한 압축밀집 배합은 필요하지 않다.

본 발명이 임의적인 실시예와 관련하여 기술되었지만, 당 기술분야의 기술인은 첨부된 특허청구범위의 정신을 일탈하지 않는 범위 내에서, 본 발명의 상술된 기술내용을 변경, 개조, 또는 그와 유사한 식으로 다르게 이룰 수 있을 것이며, 본원은 이러한 사실을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (41)

1. 주형 또는 모형 주위의 입자 매체를 압축밀집하는 방법에 있어서, 상기 방법은:

   용기의 입자 매체에 주형 또는 모형을 배치하는 단계와;

   입자 매체가 주형 벽 또는 모형 벽의 보이드에 유도되어, 보이드를 충전하도록, 용기가 진동, 회전, 및 경사동작을 조합하여 받게 하는 단계를 포함하며;

   상기 회전 및 경사동작을 조합하여 받게 하는 단계는, 주형 또는 모형의 외측 벽에 의해 형성된 보이드가, 보이드 내의 입자 매체의 자유면이 동적 정지각도를 지나 이동하도록 연속적이고 반복적으로 방향이 재설정되게 하여, 입자 매체가 중력 벡터와 관련한 보이드의 일정하게 변하는 방위와 결합된 진동에 의해 보이드 안으로 유입되게 하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
2. 제1항에 있어서, 용기를 제1축에 대하여 회전시키는 단계와 용기를 제2축에 대하여 경사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 용기는 그 길이방향 축에 대하여 회전하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 제2축은 제1축에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
5. 제1항에 있어서, 용기를 연속적으로 진동시키고, 지속적으로 회전시키고, 지속적으로 경사시켜서, 주형 또는 모형의 중력방향에 대한 방향을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
6. 제5항에 있어서, 회전은 반대방향으로의 회전이 동반된 제1방향으로의 1회전 사이에서 1회 이상의 진동을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
7. 제1항에 있어서, 입자 매체를 압축밀집하는 동안, 상기 용기를 각도 증가분으로 경사지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 용기는 각각의 경사의 각도 증가분으로 회전 및 진동을 받게 형성하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
9. 제1항에 있어서, 용기가 소정의 고정된 경사각으로 기울어져 있으면서, 용기가 회전 및 진동을 받게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서, 회전 및 경사동작의 조합은 보이드의 개구가 하향하도록 위치하게 형성하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
12. 제11항에 있어서, 플라스크 내의 입자 매체를 견고하게 하여 하향하는 개구를 막아서, 보이드 내의 입자 매체가 보이드로부터 누설되는 것을 막게 형성하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
13. 제1항에 있어서, 회전 및 경사동작의 조합에 의해 상기 보이드의 개구가 다시 상향하여 향하게 하여, 입자 매체가 다시 상기 보이드에 유입되게 형성한 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
14. 제1항에 있어서, 보이드가 입자 매체로 완전히 충전되면, 보이드의 개구는 상향하고 보이드는 하향하여 경사지면서, 진동과 중력을 결합하여 입자 매체의 견고화가 달성되게 형성한 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
15. 제1항에 있어서, 입자 매체를 압축밀집한 후에 용기를 수직방향으로 돌아오게 하는 최종 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
16. 제15항에 있어서, 플라스크가 진동 또는 수동 수평화(leveling)에 의해 수직방향으로 복귀된 후에 입자 매체를 수평화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
17. 제1항에 있어서, 입자 매체의 부피 밀도보다 고밀도의 물질로 이루어진 뚜껑을, 플라스크의 입자 매체의 자유 면에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 플라스크가 입자 매체의 정지 각도를 넘어 경사지는 경우, 뚜껑이 입자 매체가 플라스크에서 흘러나오지 않게 막게 구성한 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
19. 제18항에 있어서, 용기를 초기의 수직위치에 대해 50도까지 경사지게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
20. 제17항에 있어서, 용기 내의 압력이 하위 대기압력(subambient pressure)이 될 수 있도록, 부분적으로 뚜껑을 플라스크에 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 뚜껑은 뚜껑 전체에 걸친 압력 차에 의해 용기의 방향에 관계없이 압축밀집을 하는 동안 후퇴하여, 입자 매체의 상부 면과의 결합을 유지하도록 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 뚜껑의 일부 또는 전부가 유연한 막으로 이루어지며, 상기 유연한 막 전체에 걸친 압력 차에 의해 입자 매체 면과 밀착 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
23. 제20항에 있어서, 상기 뚜껑은 로터리 유니온(rotary union)을 통해 진공소스와 연통하고, 상기 뚜껑을 상기 용기와 함께 회전하게 형성하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
24. 제20항에 있어서, 용기가 수직방향과 역전방향 사이에서 전후로 180도까지 지속적으로 기울어지는 동안, 용기가 지속적인 회전 및 진동을 받게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
25. 제1항에 있어서, 압축밀집하기 전에 상기 용기의 중력 주조용 주형의 주입 컵을 입자 매체로 일시적으로 덮는(cover) 단계와, 압축밀집 후에 주입 컵의 덮개를 열도록(uncover) 충분한 입자 매체를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
26. 제1항에 있어서, 돌출된 충전 관을 가진 반대-중력 주조용 주형을 용기 외측으로 돌출된 충전 관을 가진 용기에 배치하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
27. 제26항에 있어서, 주형이 입자 매체로 덮여질 때까지 플라스크를 입자 매체로 충전하면서, 상기 충전 관을 클램핑 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
28. 제27항에 있어서, 입자 매체를 압축밀집한 후, 주조 뚜껑을 입자 매체의 상부에 배치하며, 표면을 표면 상에 보이드가 생길 가능성을 없애게 처리하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
29. 제1항에 있어서, 입자 매체는 세라믹 셀 주형 주위에 압축밀집되는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
30. 제1항에 있어서, 입자 매체는 내화성 소모성 모형(refractory fugitive pattern) 주위에 압축밀집되는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
31. 제1항에 있어서, 상기 용기가 진동, 경사, 및 회전의 조합된 동작을 받으면서, 주형 또는 모형을 가진 용기는 입자 매체로 충전되는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
32. 제1항에 있어서, 상기 용기가 진동, 경사, 및 회전의 조합된 동작을 받기 전에, 주형 또는 모형을 가진 용기는 입자 매체로 부분적으로 또는 완전히 충전되는 것을 특징으로 하는 압축밀집 방법.
33. 주형 또는 모형 주위의 입자 매체를 압축밀집하는 장치에 있어서, 상기 압축밀집 장치는:

    주형 또는 모형을 수용하는 용기와,

    상기 용기를 배치하는 회전가능한 고정물과,

    상기 고정물을 회전시켜 상기 용기를 제1축을 중심으로 회전시키는 제1모터와,

    상기 고정물이 배치되는 경사 가능한 프레임과,

    상기 프레임을 경사시켜 상기 용기를 제2축을 중심으로 경사시키는 제2모터와,

    상기 경사 가능한 프레임이 배치되는 베이스 및,

    베이스, 프레임, 고정물 또는 용기 중의 적어도 어느 1개에 배치되는 진동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
34. 제33항에 있어서, 상기 고정물은 상기 경사 가능한 프레임의 롤러 베어링에 배치된 회전 가능한 네스트(rotatable nest)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
35. 제33항에 있어서, 상기 경사 가능한 프레임은 상기 베이스에 연결된 기둥의 트러니언에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
36. 제35항에 있어서, 상기 고정물은 용기가 고정되는 회전 가능한 허브를 포함하며, 상기 허브는 경사 가능한 플랫폼에 고정되는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
37. 제36항에 있어서, 상기 허브는 벨트 드라이브에 의해 상기 경사 가능한 플랫폼으로 회전하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
38. 제33항에 있어서, 입자 매체의 부피 용량보다 고밀도의 물질로 이루어진 뚜껑을 부가로 구비하고, 상기 뚜껑은 용기 내의 입자 매체의 상부 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
39. 제38항에 있어서, 상기 뚜껑은 입자 매체와 반대측에서 대기압에 노출되는 유연한 공기 기밀한 막을 포함하며, 상부 면이 압축밀집에 의해 변화하는 경우 상부 면을 밀봉하고 또한 상부 면에 적합하게 이루어진 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
40. 제39항에 있어서, 상기 뚜껑은 팽창성 밀봉부를 구비하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.
41. 제39항에 있어서, 상기 뚜껑은 진공 소스와 연통하는 로터리 유니언을 구비하는 것을 특징으로 하는 압축밀집 장치.

Images