KR101637739B1 - 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 및 그 제조 방법은, 내부에 중공이 형성된 코어를 제작하는 단계; 상기 코어가 금형에 접하지 않고 일정 간격 이격되도록 고정핀을 매개로 상기 코어와 상기 금형을 연결하여 상기 코어를 설치하는 단계; 상기 금형에 알루미늄 용탕을 공급하여 휠을 주조하는 단계; 및 상기 휠을 상기 금형으로부터 탈형하는 단계; 를 포함하고, 상기 탈형하는 단계 이후에 상기 코어를 제거하지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 및 그 제조 방법{ALUMINIUM WHEEL HAVING HOLLOW CORE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 휠을 경량화시킬 수 있는 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 알루미늄 주조 휠은, 직경 18인치를 기준으로 약 9~11KG이고, 고성능 차량이나 고급 부품 시장을 통해 유통되는 알루미늄 단조 휠의 경우 주조 휠 대비 약 20~30% 경량화가 가능하지만 단가는 10~50배 가량 비싸지게 된다.

이에 제조 비용을 절감하면서 단조 휠과 근접한 수준으로 경량화한 알루미늄 휠을 제조하기 위한 중공화 기술이 요구되고 있다.

그러나 종래에 중공형 휠을 제조하기 위해서는, 형상 구현을 위한 코어 형상의 사이드 금형을 이용한 주조, 스피닝, 레이저 용접으로 접합하는 방식이나, 2피스용 금형을 이용한 주조, 사형 코어 인서트 후 탈사, 마찰 압접법에 의한 중공 접합 방식 등의 복잡한 공정이 필요하여 실제 제품에 적용하는데 어려움이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 한 번의 주조로 성형 가능한 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법은, 내부에 중공이 형성된 코어를 제작하는 단계; 상기 코어가 금형에 접하지 않고 일정 간격 이격되도록 고정핀을 매개로 상기 코어와 상기 금형을 연결하여 상기 코어를 설치하는 단계; 상기 금형에 알루미늄 용탕을 공급하여 휠을 주조하는 단계; 및 상기 휠을 상기 금형으로부터 탈형하는 단계; 를 포함하고, 상기 탈형하는 단계 이후에 상기 코어를 제거하지 않는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 제작하는 단계는, 두께가 0.8~2.2mm인 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 재질로 상기 코어를 제작하는 것을 특징으로 한다.

상기 제작하는 단계는, 상기 휠의 축방향에 수직한 면으로 나뉜 한 쌍의 코어 몸체를 제작하는 과정, 상기 한 쌍의 코어 몸체를 결합시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 설치하는 단계는, 지름이 1.0~2.0mm이고 길이가 5.0~8.0mm인 티타늄 재질의 상기 고정핀을 상기 코어에 삽입하여 결합시키는 것을 특징으로 한다.

상기 주조하는 단계는, 상기 금형에 용탕을 공급하기 전에 상기 코어를 200~250 ℃로 예열하는 것을 특징으로 한다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠은, 외주면에 타이어가 결합되는 도넛 형상의 플랜지; 상기 플랜지의 내주면에서 중심축 방향으로 연장 형성된 복수 개의 스포크; 및 상기 플랜지와 대응되는 형상으로 형성되어 상기 플랜지 내부에 설치되는 플랜지코어 및 상기 스포크와 대응되는 형상으로 형성되어 각각의 상기 스포크 내부에 설치되는 스포크코어를 포함하고, 내부에 중공이 형성된 코어; 를 포함한다.

삭제

상기 플랜지코어와 상기 스포크코어는, 내부가 모두 연통되어 하나의 중공을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 코어는, 두께 0.8~2.2mm의 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 및 그 제조 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 중공 알루미늄 휠을 제조하는데 있어 공정을 최소화할 수 있다.

둘째, 스포크 내부에 형성된 코어의 강성 보강 효과를 이용하여 스포크의 두께를 축소시킬 수 있다.

셋째, 중공부의 체적을 쉽게 늘릴 수 있기 때문에 경량화에 유리하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠과 코어를 나타낸 평면도,
도 2는 스포크의 단면도,
도 3은 한 쌍의 코어 몸체가 분리된 모습을 나타낸 사시도,
도 4는 스포크부의 금형에 설치된 코어의 모습을 나타낸 단면도이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

내부에 중공이 형성된 코어(100)를 제작하는 단계, 코어(100)를 금형(300) 내면에서 일정 간격 이격되도록 설치하는 단계, 금형(300)에 알루미늄 용탕을 공급하여 휠(1)을 주조하는 단계 및 휠(1)을 금형(300)으로부터 탈형하는 단계를 포함하고, 탈형하는 단계 이후에 코어(100)를 제거하지 않는 것을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 코어(100)를 제작하는 단계에서 내부에 중공이 형성된 코어(100)를 제작하고, 이를 금형(300)에 설치하여 고정시키며, 금형(300)에 알루미늄 용탕을 공급하여 알루미늄 휠을 주조하는데 있어, 이렇게 주조된 알루미늄 휠의 내부에 남아 있는 코어(100)를 제거하지 않고 그대로 잔존시키는 것이 본 발명의 핵심적인 사항이다.

코어(100)를 휠(1) 내부에서 제거하기 위해서는 휠(1)의 일부분에 구멍을 뚫어 코어를 녹인 후 빼내거나, 휠(1) 자체를 두 조각으로 성형한 후 접합시켜야 한다. 그러나 이는 공정이 복잡해지고, 휠(1)에 구멍을 뚫고 코어(100)를 제거하는 방법을 사용하면 다시 구멍을 막는 과정에서 휠(1)의 강성이 약해질 우려도 있다. 따라서 코어(100)를 잔존시킨 상태로 휠(1)이 완성되면, 이후에는 코어(100) 자체가 휠(1)의 보강재 역할을 수행하면서 코어(100) 내부에 형성된 중공만큼의 알루미늄 부피가 줄어들어 휠(1)의 경량화가 가능해지는 것이다.

이를 위해 코어(100)는 알루미늄 용탕에 의해 파손되어 내부의 중공으로 용탕이 흘러들어가는 것을 방지할 수 있는 강도와 내열성이 있는 재질로 형성될 필요가 있다. 후술하겠지만, 코어(100)의 재질은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)로 이루어져 이러한 요구조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

설치하는 단계는, 코어(100)가 금형(300)에 접하지 않도록 고정핀(200)을 매개로 코어(100)와 금형(300)을 연결하는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 코어(100)가 금형(300)에 직접 접하게 되면 코어(100)와 금형(300)이 접하는 부분에는 알루미늄 용탕이 접근할 수 없게 되고, 이는 곧 알루미늄 휠(1)의 외곽 부분이 뚫리거나 얇아지는 결과를 가져온다. 휠(1)의 강성을 유지할 수 있는 최소한의 두께는 필요하므로, 코어(100)와 금형(300)의 직접적인 접촉을 방지하기 위한 고정핀(200)을 코어에 설치하고, 이러한 고정핀(200)이 금형에 접하도록 설치하여 코어(100)와 금형(300)의 직접적으로 접촉하지 않으면서도 코어(100)의 유동을 방지할 수 있는 것이다.

제작하는 단계는, 두께가 0.8~2.2mm인 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 재질로 코어(100)를 제작하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 코어(100)의 재질은 CFRP인 것이 바람직하며, 그 두께는 상술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 코어(100)의 재질 특성상, 두께가 0.8mm 미만으로 얇아지면 알루미늄 용탕에 의해 변형되거나 파손될 가능성이 높아지고, 이렇게 코어가 파손된다면 코어 내부로 알루미늄 용탕이 공급되어 휠(1)의 경량화를 달성할 수 없다. 코어(100)의 두께가 일정 이상 두꺼워져도 문제는 없으나, 두께가 2.2mm를 초과할 경우에는 코어(100) 자체의 중량이 높아지며, 고가인 CFRP의 사용량이 너무 많아지게 된다. 따라서 코어(100)의 두께는 0.8mm~2.2mm 범위를 만족시키는 것이 바람직한 것이다.

제작하는 단계는, 휠(1)의 축방향에 수직한 면으로 나뉜 한 쌍의 코어 몸체(101)를 제작하는 과정, 한 쌍의 코어 몸체(101)를 결합시키는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 중공이 형성된 코어(100)를 한 번의 사출로 제작하는 것은 난이도가 높은 공정을 요구하기 때문에 대량생산에 적합하지 않다. 따라서 코어(100)는 한 쌍의 코어 몸체(101)를 제작한 후, 이를 접합시켜 제작하는 것이 바람직하다.

코어 몸체(101)는 비교적 단순한 형상을 가지므로 대량생산이 가능하며, 이렇게 형성된 한 쌍의 코어 몸체(101)를 접합시키는 것은 다양한 방법을 사용 가능하다. 예를 들어, 클램핑, 압입 접합, 리벳 접합 등의 기계-물리적 접합 방법이나, 열접합, 고내열 접착제를 이용한 화학적 접합 방법 등을 사용할 수 있다. 그러나 용탕의 진입을 방지할 수 있다면 그 방법이나 코어 몸체(101)의 계면 간극, 접합 강도 등은 특별히 한정하지 않는다.

설치하는 단계는, 지름이 1.0~2.0mm이고 길이가 5.0~8.0mm인 티타늄 재질의 고정핀(200)을 코어(100)에 삽입하여 결합시키는 것을 특징으로 한다.

도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 고정핀(200)은 티타늄 재질을 사용하는데, 알루미늄 휠(1)이 완성된 이후에도 제거되지 않고 남아 있어야 하는 고정핀(200)의 특성상, 내부식성과 강도가 강하면서 가벼운 재질의 티타늄이 가장 적합한 것이다.

고정핀(200)의 지름이 1.0mm 미만일 경우 코어(100)를 금형(300)에 고정시키기 위한 강도 유지가 어렵고, 2.0mm 초과일 경우 고정핀(200)의 단부를 코어(100)의 표면에 삽입 고정시키는데 어려움이 있다. 상술한대로 코어(100)의 두께는 0.8mm~2.2mm인데, 고정핀(200)의 단부가 이러한 코어(100)를 관통하지 않는 정도로 삽입되어 고정되는 것이 보다 바람직하다. 이는 알루미늄 용탕이 코어(100)와 고정핀(200)의 연결부위를 통해 코어(100) 내부로 진입하는 것을 방지하기 위해서이다.

고정핀(200)의 길이는 5.0mm 이상으로 해야 알루미늄 휠(1)에 필요한 최소한의 강성을 확보할 수 있는 두께를 형성시킬 수 있다. 또한, 고정핀(200)의 길이가 5.0mm 미만이라면, 해당 부위로 알루미늄 용탕이 충진되지 않는 현상이 발생할 수도 있다. 고정핀의 지름이 8.0mm를 초과하면 코어 내부의 중공 체적이 줄어들어 휠(1)의 경량화를 충족시킬 수 없다.

주조하는 단계는, 금형(300)에 용탕을 공급하기 전에 코어(100)를 200~250 ℃로 예열하는 것이 바람직하다.

코어(100)를 예열하지 않을 경우, 알루미늄 용탕이 공급되면서 급격하게 가열된 코어(100)가 열충격에 의한 변형, 갈라짐, 파손 등의 문제가 발생할 수 있으며, 이는 코어(100) 내부의 중공을 유지시킬 수 없는 결과를 가져온다. 따라서 코어(100)를 금형(300)의 관리온도인 200~250 ℃로 예열하여 갑작스러운 온도 상승에 따른 열충격을 최소화하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠에 대해 설명한다.

외주면에 타이어가 결합되는 도넛 형상의 플랜지(2), 플랜지(2)의 내주면에서 중심축 방향으로 연장 형성된 복수 개의 스포크(3) 및 플랜지(2)와 스포크(3)의 내부에 설치되고, 내부에 중공이 형성된 코어(100)를 포함한다.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 플랜지(2) 또는 아우터 플랜지는 타이어의 내주면에 직접 접하는 부분으로, 도넛 형상으로 형성되어 타이어와 접하는 외주면에서 허브(4)가 있는 내주면까지 연결되어 형성된다. 스포크(3)는 허브(4)와 플랜지(2)를 연결하기 위한 구성으로, 빈 공간을 형성시켜 경량화하기 위해 기둥 형태로 형성된다.

코어(100)는 플랜지(2)와 스포크(3) 내부에 형성되고, 코어(100)의 내부는 비어 있기 때문에 알루미늄 휠(1)에 중공을 형성시키는 것과 같은 역할을 수행한다. 이를 통해 휠(1)의 경량화가 가능해지는 것이다.

코어(100)는, 플랜지(2)와 대응되는 형상으로 형성되어 플랜지(2) 내부에 설치되는 플랜지코어(110) 및 스포크(3)와 대응되는 형상으로 형성되어 각각의 스포크(3) 내부에 설치되는 스포크코어(120)를 포함하는 것이 바람직하다.

휠(1)의 형상은 다양하며, 이는 기능적, 심미적 기능을 위해 변경되는 부분이다. 휠(1)의 형상을 이루는 플랜지(2) 및 스포크(3) 역시 다양한 형상을 이루기 때문에, 이러한 플랜지(2)와 스포크(3)의 형상과 대응되는 형상으로 이루어진 플랜지코어(110) 및 스포크코어(120)를 제작하여 휠 내부에 설치함으로써 휠(1)의 형상에 무관하게 코어(100)를 적용하여 경량화시킬 수 있는 것이다.

플랜지코어(110)와 스포크코어(120)는, 내부가 모두 연통되어 하나의 중공을 형성하는 것이 바람직하다.

플랜지코어(110)와 스포크코어(120)를 각각 개별적으로 형성시킬 수도 있으나, 코어(100)의 대량생산을 위해서는 한 쌍의 코어 몸체(101)를 일체형으로 제작하는 것이 보다 바람직하다. 이렇게 생산된 코어(100)는, 플랜지코어(110)와 스포크코어(120)가 일체형으로 제작되어 내부의 중공을 공유하게 된다.

코어(100)는, 두께 0.8~2.2mm의 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)인 것이 바람직하다. 이에 대한 상세한 설명은 상술한 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법 발명에 대한 설명으로 갈음한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 알루미늄 휠 2: 플랜지
3: 스포크 4: 허브
5: 볼트공 100: 코어
101: 코어 몸체 110: 플랜지코어
120: 스포크코어 200: 고정핀
300: 금형

Claims (10)

1. 내부에 중공이 형성된 코어를 제작하는 단계;
   상기 코어가 금형에 접하지 않고 일정 간격 이격되도록 고정핀을 매개로 상기 코어와 상기 금형을 연결하여 상기 코어를 설치하는 단계;
   상기 금형에 알루미늄 용탕을 공급하여 휠을 주조하는 단계; 및
   상기 휠을 상기 금형으로부터 탈형하는 단계; 를 포함하고,
   상기 탈형하는 단계 이후에 상기 코어를 제거하지 않는 것을 특징으로 하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제작하는 단계는, 두께가 0.8~2.2mm인 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 재질로 상기 코어를 제작하는 것을 특징으로 하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제작하는 단계는, 상기 휠의 축방향에 수직한 면으로 나뉜 한 쌍의 코어 몸체를 제작하는 과정, 상기 한 쌍의 코어 몸체를 결합시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 설치하는 단계는, 지름이 1.0~2.0mm이고 길이가 5.0~8.0mm인 티타늄 재질의 상기 고정핀을 상기 코어에 삽입하여 결합시키는 것을 특징으로 하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법.
   
6. 청구항 1, 3, 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주조하는 단계는, 상기 금형에 용탕을 공급하기 전에 상기 코어를 200~250 ℃로 예열하는 것을 특징으로 하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠 제조 방법.
   
7. 외주면에 타이어가 결합되는 도넛 형상의 플랜지;
   상기 플랜지의 내주면에서 중심축 방향으로 연장 형성된 복수 개의 스포크; 및
   상기 플랜지와 대응되는 형상으로 형성되어 상기 플랜지 내부에 설치되는 플랜지코어 및 상기 스포크와 대응되는 형상으로 형성되어 각각의 상기 스포크 내부에 설치되는 스포크코어를 포함하고, 내부에 중공이 형성된 코어; 를 포함하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠.
   
8. 삭제
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 플랜지코어와 상기 스포크코어는, 내부가 모두 연통되어 하나의 중공을 형성하는 것을 특징으로 하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠.
   
10. 청구항 7 또는 9에 있어서,
    상기 코어는, 두께 0.8~2.2mm의 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)인 것을 특징으로 하는, 중공 코어 삽입형 알루미늄 휠.
    

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