KR101695184B1 - 원심주조를 이용한 로터 어셈블리 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심주조를 이용한 로터 코어 어셈블리 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 원심주조를 이용하여 조직이 치밀하고 기공이 없는 주조조직을 가지는 로터 어셈블리를 제조하고, 제조공정을 효율적으로 개선하여 설비비용을 절약할 수 있고, 생산성 향상 및 품질을 보장할 수 있는 로터 코어 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 코어 어셈블리 및 이의 제조방법은, 코어플레이트, 슬리브, 금형, 메인샤프트, 더미샤프트 및 원심주조장치를 준비하는 제 1 단계와, 상기 더미샤프트에 상기 코어플레이트를 적층하여 제 1 조립체를 형성하는 제 2 단계, 상기 제 2 단계를 통해 형성된 제 1 조립체에 금형 및 슬리브를 결합하여 제 2 조립체를 형성하는 제 3 단계, 상기 제 3 단계를 통해 형성된 제 2 조립체를 원심주조장치에 설치 후, 알루미늄 용탕을 주입하여 원심주조하는 제 4 단계, 상기 제 4 단계를 통해 원심주조 후, 상기 제 2 조립체에서 금형 및 슬리브를 해체하여 제 3 조립체를 형성하는 제 5 단계, 상기 제 5 단계를 통해 형성된 상기 제 3 조립체의 상하부에 형성된 엔드링부를 황삭가공하는 제 6 단계, 상기 제 6 단계를 통해 황삭가공된 상기 제 3 조립체의 더미샤프트를 제거하고, 메인샤프트를 삽입하여 로터 어셈블리를 제조하는 제 7 단계, 상기 제 7 단계를 통해 형성된 로터 어셈블리 상하부의 엔드링부를 정삭가공하는 제 8 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 로터 코어 어셈블리 및 이의 제조방법은, 알루미늄을 사용하여 기존의 방식인 동(구리)를 사용하여 로터를 제조하는 것 보다 비용을 절약할 수 있는 효과가 있고, 원심주조방식을 이용하여 주조조직이 치밀해져 강도가 우수한 로터를 제조할 수 있는 효과가 있고, 슬리브를 사용하여 주조 시 발생할 수 있는 열충격으로부터 로터를 보호할 수 있고, 온도구배를 동일하게 하여 주조성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

원심주조를 이용한 로터 어셈블리 및 이의 제조방법{Rotor assembly and manufacturing method by centrifugal casting}

본 발명은 로터 어셈블리의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 원심주조를 이용하여 조직이 치밀하고 기공이 없는 주조조직을 가지는 로터 어셈블리를 제조하고, 제조공정을 효율적으로 개선하여 설비 비용을 절약할 수 있고, 생산성 향상 및 품질을 보장할 수 있는 로터 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.

전류가 흐르는 도체를 자기장 속에 놓으면 자기장의 방향에 수직한 방향으로 전자기적인 힘(로렌츠 힘)이 발생한다. 모터는 이를 이용한 것으로 내부에 자석을 놓아 자기장을 만들고, 축에 연결된 도선에 전류를 흘리면 전자력이 발생하여 플레밍의 왼손법칙에 의해 회전하게 되어 동력을 창출한다. 로터(회전자) 주위에 회전자기장을 만들어 로터(회전자)를 회전시키는 방법으로 동력을 만드는 것으로 스테이터(고정자)의 안쪽에 자극으로 되어 있는 로터(회전자)를 위치시켜 회전시킨다.

로터(회전자)는 중앙에는 샤프트가 삽입 장착될 수 있도록 홀이 형성되어 있는 다수의 얇은 강판으로 이루어진 코어플레이트가 적층되고, 상기 적층된 코어를 관통하는 다수의 도체바(회전자바)가 일정 원호상으로 다수 형성되고, 상기 적층된 코어플레이트의 양단에는 상기 도체바(회전자바)와 코어를 연결하여 하나의 회로를 구성하도록 하는 엔드링으로 구성된다.

종래에는 이러한 도체바(회전자바)와 엔드링을 동(구리)으로 주로 제조하였으나, 근래에는 가격대비 우수한 전기적 성질을 가지고 있는 알루미늄으로 대체하려는 노력이 발생되고 있다. 하지만 일반적인 주조방법을 통해서는 알루미늄으로 제조된 도체바(회전자바) 및 엔드링의 주조가 쉽지 않고, 주조 후에도 결함이 발생되어 파손이 되는 문제점이 발생되었다. 따라서, 알루미늄을 이용하여 원활하게 도체바(회전자바) 및 엔드링의 주조가 가능한 방법이 필요하게 되었다.

이와 관련하여, 종래의 기술을 살펴보면, 원심주조를 이용하여 주조를 실시한 ‘회전자 원심주조방법’이 대한민국 등록특허 제10-1001340호에 게시되고 있으나, 이와 같은 방법으로 주조 시, 주조중에 알루미늄 용탕의 온도가 떨어져 원하는 형상의 주조물이 형성되기 힘들고, 결함이 발생할 수 있는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1001340호 (2010.12.08)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 알루미늄을 이용한 도체바(회전자바) 및 엔드링을 보다 효과적인 형태의 원심주조방법으로 제조하는 것이다.

본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 코어 어셈블리 및 이의 제조방법은, 코어플레이트, 슬리브, 금형, 메인샤프트, 더미샤프트 및 원심주조장치를 준비하는 제 1 단계와, 상기 더미샤프트에 상기 코어플레이트를 적층하여 제 1 조립체를 형성하는 제 2 단계, 상기 제 2 단계를 통해 형성된 제 1 조립체에 금형 및 슬리브를 결합하여 제 2 조립체를 형성하는 제 3 단계, 상기 제 3 단계를 통해 형성된 제 2 조립체를 원심주조장치에 설치 후, 알루미늄 용탕을 주입하여 원심주조하는 제 4 단계, 상기 제 4 단계를 통해 원심주조 후, 상기 제 2 조립체에서 금형 및 슬리브를 해체하여 제 3 조립체를 형성하는 제 5 단계, 상기 제 5 단계를 통해 형성된 상기 제 3 조립체의 상하부에 형성된 엔드링부를 황삭가공하는 제 6 단계, 상기 제 6 단계를 통해 황삭가공된 상기 제 3 조립체의 더미샤프트를 제거하고, 메인샤프트를 삽입하여 로터 어셈블리를 제조하는 제 7 단계, 상기 제 7 단계를 통해 형성된 로터 어셈블리 상하부의 엔드링부를 정삭가공하는 제 8 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 로터 어셈블리 및 이의 제조방법은, 알루미늄을 사용하여 기존의 방식인 동(구리)를 사용하여 로터를 제조하는 것 보다 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.

또한, 원심주조방식을 이용하여 주조조직이 치밀해져 강도가 우수한 로터를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 슬리브를 사용하여, 주조 시 발생할 수 있는 열충격으로부터 로터를 보호할 수 있고, 온도구배를 낮추어 주조성을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 코어플레이트의 평면도이다.
도 3는 본 발명에 따른 제 1 조립체(코어 플레이트, 더미샤프트, 슬리브)의 결합전 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 완제품의 가로측면 형상 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 완제품의 세로측면 형상 사진이다.
도 6는 본 발명에 따라 원심 주조 시 코어 외경에 따라 최적의 주조조건을 나타내기 위한 용탕 주입 시, 금형의 회전속도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 원심 주조 시 코어 외경에 따라 최적의 주조조건을 나타내기 위한 용탕의 완전 주입 후, 금형의 회전속도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 원심 주조 시 최적의 주조조건을 나타내기 위한 코어 외경에 따른 금형 및 코어플레이트 적층물의 예열시간을 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명에 따른 실시예 1을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 외부의 측면 형상을 나타낸 사진이다.
도 10는 본 발명에 따른 실시예 1을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링 형상을 나타낸 사진이다.
도 11는 본 발명에 따른 실시예 1을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 단면 형상을 나타낸 사진이다.
도 12은 본 발명에 따른 비교예 1을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 하부 엔드링 형상을 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명에 따른 비교예 1을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 상부 엔드링 형상을 나타낸 사진이다.
도 14는 본 발명에 따른 비교예 1을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 하부 엔드링 형상을 확대하여 나타낸 사진이다.
도 15은 본 발명에 따른 비교예 2를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링 형상을 나타낸 사진이다.
도 16는 본 발명에 따른 비교예 2를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링부의 절단면 형상을 나타낸 사진이다.
도 17는 본 발명에 따른 비교예 2를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 중간부분의 절단면 형상을 나타낸 사진이다.
도 18은 본 발명에 따른 비교예 3을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링 형상을 나타낸 사진이다.
도 19은 본 발명에 따른 비교예 3를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 중간부분의 절단면 형상을 나타낸 사진이다.
도 20은 본 발명에 따른 비교예 4를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링부의 형상을 나타낸 사진이다.
도 21는 본 발명에 따른 비교예 4를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 하부 엔드링부의 형상을 나타낸 사진이다.
도 22은 본 발명에 따른 비교예 5를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링부의 형상을 나타낸 사진이다.
도 23은 본 발명에 따른 비교예 5를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링부 형상의 결함부를 확대하여 나타낸 사진이다.
도 24는 본 발명에 따른 비교예 5를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 하부 엔드링부의 형상을 나타낸 사진이다.
도 25은 본 발명에 따른 비교예 6을 통해 주조 된 로터 어셈블리의 하부 엔드링부의 형상을 나타낸 사진이다.
도 26는 본 발명에 따른 비교예 6를 통해 주조 된 로터 어셈블리의 엔드링부 형상의 결함부를 확대하여 나타낸 사진이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법은 기존의 주로 사용되는 동(구리)이 아닌 알루미늄을 사용하여 보다 효율적인 원심주조 방식으로 조직이 치밀하고 기공이 없는 주조조직을 가지는 로터 어셈블리를 제조하는 것으로, 코어플레이트(100), 슬리브(160), 금형, 메인샤프트(300), 더미샤프트(150) 및 원심주조장치를 준비하는 제 1 단계(S1), 상기 더미샤프트(150)에 상기 코어플레이트(100)를 적층하여 제 1 조립체(200)를 형성하는 제 2 단계(S2), 상기 제 2 단계(S2)를 통해 형성된 제 1 조립체(200)에 금형 및 슬리브(160)를 결합하여 제 2 조립체를 형성하는 제 3 단계(S3), 상기 제 3 단계(S3)를 통해 형성된 제 2 조립체를 원심주조장치에 설치 후, 알루미늄 용탕을 주입하여 원심주조하는 제 4 단계(S4), 상기 제 4 단계(S4)를 통해 원심주조 후, 상기 제 2 조립체에서 금형 및 슬리브(160)를 해체하여 제 3 조립체를 형성하는 제 5 단계(S5), 상기 제 5 단계(S5)를 통해 형성된 상기 제 3 조립체의 상하부에 형성된 엔드링부(400)를 황삭가공하는 제 6 단계(S6), 상기 제 6 단계(S6)를 통해 황삭가공된 상기 제 3 조립체의 더미샤프트(150)를 제거하고, 메인샤프트(300)를 삽입하여 로터 어셈블리를 제조하는 제 7 단계(S7), 상기 제 7 단계(S7)를 통해 형성된 로터 어셈블리의 상하부 엔드링부(400)를 정삭가공하는 제 8 단계(S8)를 포함하여 구성된다.

먼저, 제 1 단계에서(S1)는 코어플레이트(100), 슬리브(160), 금형, 메인샤프트(300), 더미샤프트(150) 및 원심주조장치를 준비한다.

도 2는 상기 코어플레이트(100)의 평면도를 나타낸 것으로, 상기 코어플레이트(100)는 원반 형태로 형성되고, 중심부에 관통 형성되는 샤프트홀(130)과 외주면 내측에 인접하게 관통 형성되는 복수개의 도체바홀(110), 또한, 상기 샤프트홀(130)과 상기 도체바홀(110)의 사이에 관통 형성되는 복수개의 에어밴트부(120)를 포함하고 있다.

구체적으로, 상기 샤프트홀(130)은 상기 더미샤프트(150) 및 로터의 회전축이 되는 상기 메인샤프트(300)가 삽입되는 곳으로, 상기 샤프트홀(130)에는, 고정홈(140)이 더 형성된다.

상기 고정홈(140)은, 상기 코어플레이트(100)를 적층 시 일정한 방향으로 적층을 유도하고, 로터의 회전 시, 메인샤프트(300)와 코어플레이트(100)의 회전이 용이하게 하는 역할을 한다.

상기 도체바홀(110)은, 원심주조를 통해 주입되는 알루미늄용탕이 흘러들어 로터(회전자)의 도체바를 형성하는 공간으로 상기 코어플레이트(100)의 외주면 내측에 인접하게 관통 형성되고, 그 형태는 로터의 성능을 최적화하기 위해서 어떠한 형태로도 구성될 수 있다.

상기 에어밴트부(120)는 상기 코어플레이트(100) 내에서 상기 샤프트홀(130)과 상기 도체바홀(110)의 사이에 복수개로 관통 형성되어 상기 로터(회전자)가 회전 시, 공기통로의 역할을 한다.

또한, 상기 슬리브(160)는 상기 코어플레이트(100)의 적층을 통해 형성된 상기 제 1 조립체(200)의 외경에 밀착될 수 있는 크기의 내경이 형성되는 원통형의 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이는, 상기 코어플레이트(100)를 적층 후, 로터를 제조하기 위한 원심 주조 시, 급속한 온도변화에 의해 상기 코어플레이트(100)의 열변형 혹은 열충격이 발생할 수 있어 이를 방지하고, 주조 시, 내부의 온도를 일정하게 유지하여 주조성을 우수하게 하기 위함이다.

상기 슬리브(160)가 사용되지 않을 시, 높은 온도구배로 인해 주조성이 현저히 떨어져 용탕이 구석구석 충진 되기 힘들어 주조가 어려워지는 단점이 있다.

상기 금형은 상부금형과 하부금형으로 구성된다.

먼저, 상부금형은 상기 제 1 조립체(200)의 상부에 설치되어 주조 시, 상기 코어플레이트(100)의 도체바홀(110)에 용탕이 주입될 수 있도록 유도하며 상부의 엔드링부(400)가 형성할 수 있도록 한다.

상기 하부금형은 상기 제 1 조립체(200)의 하부에 설치되어, 상기 도체바홀(110)에 주입된 용탕이 새어나가지 않도록 상기 도체바홀(110)의 하부 구멍을 차단하며 하부의 엔드링부(400)가 형성할 수 있도록 한다.

상기 더미샤프트 및 메인샤프트(300)는, 상기 코어플레이트 적층물의 샤프트홀(130)에 관통 삽입될 수 있도록 외경이 형성되고, 상기 샤프트홀(130)에 마련된 상기 고정홈(140)에 결합되는 고정부가 더 형성된다.

구체적으로 상기 코어플레이트(100)를 상기 더미샤프트(150)에 적층하여 상기 제 1 조립체(200)를 구성한다. 적층 시, 상기 더미샤프트(150)에 형성되어 있는 고정부에 상기 코어플레이트(100)의 고정홈(140)을 결합하여 동일한 방향으로 원활하게 적층을 실시 할 수 있다.

상기 메인샤프트(300)는 본 발명에 따른 제조과정의 마지막에 더미샤프트를 제거 후 삽입되는 것으로 상기 로터의 회전축 역할을 한다.

그리고 상기 원심주조장치는, 수직형 원심주조장치를 이용하여 주조를 실시하는 것이 바람직하다. 이는 보다 세밀한 형상 주조가 가능하고, 균일한 미세조직을 가지는 제품을 생산할 수 있으며, 용탕의 주입이 용이하기 때문이다.

다음으로, 제 2 단계에서(S2)는 더미샤프트(150)에 상기 코어플레이트(100)를 적층하여 상기 제 1 조립체(200)를 형성한다.

도 3은 상기 제 1 조립체(200)의 결합전 구성을 사시도로 나타낸 것이다.

구체적으로, 상기 제 2 단계에서(S2)는, 상기 더미샤프트(150)를 이용하여 상기 더미샤프트(150)에 마련된 상기 고정부에 상기 코어플레이트(100)에 형성되어 있는 상기 고정홈(140)을 맞춰 적층하고, 상기 코어플레이트(100) 적층 시, 적층물의 높이 100~200mm 간격마다, 35~45ton의 힘으로 프레스 가압을 실시한다.

이는 상기 제 1 조립체(200)를 가압하는 간격을 높이 100mm 미만일 때 마다 가압을 실시하면 작업의 효율이 현저히 떨어지는 단점이 있고, 200mm를 초과하여 가압을 실시하면 가압 시, 상기 코어플레이트(100)의 밀착이 원활히 이루어지지 않는 현상이 발생할 수 있기 때문이다.

또한, 상기 코어플레이트(100)를 적층을 통해 서로 완전히 밀착시키기 위한 가압 시, 35톤 미만의 힘으로 가압을 실시하면, 상기 코어플레이트(100)가 충분한 밀착이 되지 않으며, 45톤을 초과하여 가압을 실시하면 상기 코어플레이트(100)의 표면에 손상이 발생할 수 있다.

제 3 단계에서(S3)는 상기 제 2 단계(S2)를 통해 형성된 상기 제 1 조립체(200)에 금형 및 슬리브(160)를 조립하여 제 2 조립체를 형성한다.

도 3은 상기 제 1 조립체(200)와 상기 슬리브(160)0)의 결합 전 형태를 나타낸 것이다.

구체적으로, 상기 제 3 단계(S3)는, 하기의 제 3-1 단계(S3-1)부터 제 3-5 단계(S3-5)까지를 포함하여 구성된다.

제 3-1 단계(S3-1)는, 상기 제 2 단계(S2)를 통해 형성된 상기 제 1 조립체(200)의 최상단부에 위치한 에어벤트부에 용탕 및 이물질이 침입하지 않도록 캡을 장착한다.

제 3-2 단계(S3-2)는, 상기 제 3-1 단계(S3-1)를 통해 캡이 장착 된 상기 제 1 조립체(200)의 하단부에 하부금형을 조립한다.

제 3-3 단계(S3-3)는, 상기 제 3-2 단계(S3-2)를 통해 하부금형이 조립된 상기 제 1 조립체(200)에 상기 슬리브(160)를 조립하여 외측면을 완전히 감싸는 형태를 취한다.

상기 슬리브(160) 조립을 통해 하기의 주조 시, 코어플레이트 적층물(150)을 열충격으로부터 보호할 수 있고, 내부 온도를 유지하여 주조성을 우수하게 유지할 수 있다.

제 3-4 단계(S3-4)는, 상기 제 3-3 단계(S3-3)를 통해 상기 슬리브(160)가 조립된 상기 제 1 조립체(200)의 상단부에 상부금형을 조립한다.

제 3-5 단계(S3-5)는, 상기 상부금형 및 하부금형을 복수개의 스터드볼트로 연결 조립하여 상기 제 2 조립체를 형성한다.

상기 상부 금형 및 하부 금형은 도 4에 나타낸 바와 같이, 엔드링이 형성될 수 있는 형상으로 구성된다.

다음으로, 제 4 단계(S4)에서는, 상기 제 3 단계(S3)를 통해 형성된 상기 제 2 조립체를 원심주조장치에 설치 후, 알루미늄 용탕을 주입하여 원심주조를 실시한다.

구체적으로, 상기 제 4 단계(S4)는, 하기의 제 4-1 단계(S4-1)부터 4-4 단계(S4-4)까지를 포함하여 구성된다.

제 4-1 단계(S4-1)는, 상기 제 3 단계(S3)를 통해 형성된 상기 제 2 조립체를 예열한다.

구체적으로, 상기 제 2 조립체를 예열로에 장입하여 510~530℃에서 10~14시간 동안 예열한다.

이는 예열온도가 510℃ 미만이면 용탕 주입 시, 온도가 떨어져 주조성이 나빠져 원하는 형상의 주조가 힘들고, 530℃를 초과하면 필요이상의 온도로 예열되어 작업효율이 떨어지는 단점이 있기 때문이다.

또한, 예열 시간이 10시간 미만이면, 상기 제 2 조립체 전체에 충분한 예열이 이루어지지 않아 주조성이 떨어지고, 14시간을 초과하면, 필요이상의 예열시간으로 작업효율이 떨어지는 단점이 있기 때문이다.

제 4-2 단계(S4-2)는, 상기 제 4-1 단계(S4-1)를 통해 예열 된 상기 제 2 조립체를 상기 원심주조장치에 장착 후 상기 상부금형을 통해 불활성가스를 주입하여 산소를 제거한다.

구체적으로, 상기 제 2 조립체를 원심주조장치에 장착하여 130~170rpm 으로 저속 회전시키며, 불활성가스를 3~7분 동안 주입한다.

이는 상기 제 2 조립체 내부에 산소를 제거하여 주조 시, 기포 발생을 줄이고, 주조성을 우수하게 하기 위함으로 원심주조장치의 회전을 통해 불활성가스를 주입 시, 효율적으로 내부의 산소제거가 가능하다.

제 4-3 단계(S4-3)는, 상기 제 4-2 단계(S4-2)를 통해 불활성가스가 주입된 상기 제 2 조립체에 상기 상부금형을 통해 알루미늄용탕을 주입하며 원심주조한다.

구체적으로, 상기 제 2 조립체를 260~310rpm 으로 회전시키며, 상기 알루미늄용탕을 주입하고, 주입완료 후, 800~900rpm으로 회전시키며 원심주조를 실시한다.

상기 알루미늄 용탕 주입 시, 상기 제 2 조립체의 회전속도를 260rpm 미만으로 주입을 실시하면 용탕이 상기 제 2 조립체 내부에 구석까지 주입이 이루어지지 않아 생성된 형상이 미비할 수 있고, 310rpm을 초과하여 주입을 실시하면 불필요한 회전속도로 인한 작업 효율이 떨어지고, 용탕이 외부로 튈 가능성이 많아 사고가 발생할 수 있기 때문이다.

또한, 용탕 주입 후, 상기 제 2 조립체의 회전속도를 800rpm 미만으로 실시하면 상기 제 2 조립체 내부의 깊은 구석까지 용탕의 충진이 이루어 지지 않아 생성된 형상이 미비할 수 있고, 900rpm을 초과하면 필요 이상의 회전속도로 인해 작업의 효율이 떨어지는 단점이 있다.

이때, 상기 알루미늄 용탕 주입 시, 용탕은 790℃로 용해하여 760℃에서 주입한다. 이는 상기 알루미늄을 원심주조 시, 가장 우수한 주조성 및 우수한 미세조직을 가지도록 하는 주조조건이다.

제 4-4 단계(S4-4)는, 상기 제 4-3 단계(S4-3)를 통해 원심주조 된 상기 제 2 조립체를 냉각시킨다.

구체적으로, 상기 제 4-3 단계(S4-3)를 통해 원심주조 된 상기 제 2 조립체를 6~12분 동안 공회전 시킨 후, 공냉 시킨다.

이는 다수의 실험을 통해 최적의 형상 및 미세조직을 갖는 주조조건을 설정한 것으로 상기 공회전 시간이 6분 미만이거나 12분을 초과하면 균일한 미세조직 형성이 어려워진다.

다음으로, 제 5 단계에서(S5)는 상기 제 4 단계(S4)를 통해 원심주조 후, 상기 금형 및 슬리브를 해체하여 제 3 조립체를 형성한다.

구체적으로, 상기 제 3 조립체는 상기 금형 및 슬리브(160)가 해체되고, 상기 원심주조를 통해 알루미늄으로 형성된 도체바 및 상하부 엔드링부(400)가 형성된다.

제 6 단계(S6)에서는 상기 제 5 단계(S5)를 통해 형성된 상기 제 3 조립체 상하부의 엔드링부(400)를 황삭가공한다.

구체적으로, 상하부 엔드링부(400) 및 상하부 끝부분의 코어플레이트(100)를 황삭가공을 통해 제거한다. 이는 하기에 진행될 상하부 엔드링부(400)의 정삭가공을 효율적으로 하고, 주조를 통해 손상된 표면을 다듬기 위함이다.

제 7 단계(S7)에서는 상기 제 6 단계(S6)를 통해 황삭가공된 상기 제 3 조립체의 더미샤프트(150)를 제거하고, 메인샤프트(300)를 삽입하여 로터 어셈블리를 제조한다.

구체적으로, 상기 제 3 조립체를 예열 후, 상기 더미샤프트(150)를 제거하고, 상기 메인샤프트(300)를 열박음 한다. 상기 열박음 과정을 통해 메인샤프트(300)를 상기 제 3 조립체와 완전히 밀착되게 조립 가능하다.

마지막으로, 제 8 단계(S8)에서는 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 제 7 단계(S7)를 통해 메인샤프트(300)가 삽입 된 상기 로터 어셈블리의 상하부 엔드링부(400) 형상을 세밀하게 정삭가공한다.

하기에서는 본 발명에 따른 원심주조를 이용하여 로터 어셈블리를 제조하는 방법을 실시예 1로 나타내고, 그 외 다양한 조건으로 원심주조를 실시하여 형성되는 로터 어셈블리의 제조방법을 비교예 1~6으로 표현하여 효과를 비교하였다.

[실시예 1]

실시예 1의 원심주조 조건은, 상기 제 2 조립체를 520℃에서 12시간 예열하고, 내부 산소제거를 위한 불활성 가스 주입시간은 5초, 용탕 주입 시 주입온도는 760℃, 용탕 주입 시 상기 제 2 조립체의 회전속도는 280rpm, 용탕 주입 후 상기 제 2 조립체의 회전 속도는 840rpm으로 주조를 실시하였다.

[비교예 1]

비교예 1의 원심주조 조건은, 상기 제 2 조립체를 520℃에서 16시간 예열하고, 내부 산소제거를 위한 불활성 가스 주입시간은 5초, 용탕 주입 시 주입온도는 760℃, 용탕 주입 시 상기 제 2 조립체의 회전속도는 320rpm, 용탕 주입 후 상기 제 2 조립체의 회전 속도는 765rpm으로 주조를 실시하였다.

[비교예 2]

비교예 2의 원심주조 조건은, 상기 제 2 조립체를 500℃에서 5시간 예열하고, 내부 산소제거를 위한 불활성 가스 주입시간은 10초, 용탕 주입 시 주입온도는 760℃, 용탕 주입 시 상기 제 2 조립체의 회전속도는 274rpm, 용탕 주입 후 상기 제 2 조립체의 회전 속도는 824rpm으로 주조를 실시하였다.

[비교예 3]

비교예 3의 원심주조 조건은, 상기 제 2 조립체를 500℃에서 8시간 예열하고, 내부 산소제거를 위한 불활성 가스 주입시간은 10초, 용탕 주입 시 주입온도는 760℃, 용탕 주입 시 상기 제 2 조립체의 회전속도는 150rpm, 용탕 주입 후 상기 제 2 조립체의 회전 속도는 825rpm으로 주조를 실시하였다.

[비교예 4]

비교예 4의 원심주조 조건은, 상기 제 2 조립체를 250℃에서 8시간 예열하고, 내부 산소제거를 위한 불활성 가스 주입시간은 5초, 용탕 주입 시 주입온도는 760℃, 용탕 주입 시 상기 제 2 조립체의 회전속도는 400rpm, 용탕 주입 후 상기 제 2 조립체의 회전 속도는 840rpm으로 주조를 실시하였다.

[비교예 5]

비교예 5의 원심주조 조건은, 상기 제 2 조립체를 520℃에서 16시간 예열하고, 내부 산소제거를 위한 불활성 가스 주입시간은 5초, 용탕 주입 시 주입온도는 760℃, 용탕 주입 시 상기 제 2 조립체의 회전속도는 350rpm, 용탕 주입 후 상기 제 2 조립체의 회전 속도는 740rpm으로 주조를 실시하였다.

[비교예 6]

비교예 6의 원심주조 조건은, 상기 제 2 조립체를 420℃에서 12시간 예열하고, 내부 산소제거를 위한 불활성 가스 주입시간은 5초, 용탕 주입 시 주입온도는 760℃, 용탕 주입 시 상기 제 2 조립체의 회전속도는 305rpm, 용탕 주입 후 상기 제 2 조립체의 회전 속도는 920rpm으로 주조를 실시하였다.

대분류	소분류	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5	비교예 6
금형 준비 (예열)	장입(예열)시간 (시간)	12	16	5	8	8	16	12
	목표온도 (코어온도), (℃)	520	520	500	500	250	520	420
금형설치	출로금형온도(℃)	525	525	505	455	242	527	423
주입	Ar주입시간(sec)	5	5	10	10	5	5	5
	금형온도(℃)	495	500	485	480	230	510	402
	저속 rpm	280	320	274	150	400	350	305
	고속 rpm	840	765	824	825	840	740	920
결과분석		엔드링 양호	엔드링 성형미비	절단면에일부결함	엔드링양호/ AL충진부족/성형미비 결함발생	하부 엔드링 미성형 / AL 충진부족	엔드링 완충전 되었으나, 빨림현상심함 (약43mm)	성형미비 결함발생

상기 표 1은 실시예 1 및 비교예 1~6을 비교하여 나타낸 것이다.

먼저, 실시예 1의 조건으로 주조한 로터 어셈블리를 도 9~10에 나타내었고, 이를 절단하여 단면부를 도 11에 나타내었다. 실시예 1의 조건으로 주조된 로터 어셈블리는, 도 9~10을 통해 상기 엔드링부(400)가 양호하게 주조된 것을 육안으로 확인할 수 있다. 또한, 도 11을 통해 내부의 도체바홀(110)에 주조된 도체바가 양호하게 주조되어 있는 것을 확인할 수 있다.

비교예 1의 조건으로 주조한 로터 어셈블리를 도 12~14에 나타내었다. 비교예 1의 조건으로 주조 된 로터 어셈블리는, 주조 결과 주입량이 부족하고, 엔드링부(400)의 상태가 양호하지 않은 것으로 나타났다.

비교예 2의 조건으로 주조한 로터 어셈블리를 도 15~17에 나타내었다. 비교예 2의 조건으로 주조 된 로터 어셈블리는, 주조 결과 주조품의 표면에 검은 반점과 같은 표면결함이 발생하고, 절단면을 살펴본 결과, 내부 기공과 같은 결함이 다수 발생된 것을 확인할 수 있다.

비교예 3의 조건으로 주조한 로터 어셈블리를 도 18~19에 나타내었다. 비교예 3의 조건으로 주조 된 로터 어셈블리는, 주조 결과 내부 도체바 부위에 용탕의 주입량이 부족하여 형상이 미비하고, 엔드링부(400)의 표면 상태가 양호하지 않은 것으로 나타났다.

비교예 4의 조건으로 주조한 로터 어셈블리를 도 20~21에 나타내었다. 비교예 4의 조건으로 주조 된 로터 어셈블리는, 주조 결과 엔드링부(400)의 형태가 완전히 형성되지 않은 미성형 상태인 것으로 나타났다.

비교예 5의 조건으로 주조한 로터 어셈블리를 도 22~24에 나타내었다. 비교예 5의 조건으로 주조 된 로터 어셈블리는, 주조 결과 엔드링부(400)에 완충은 되었으나, 빨림 현상이 심하게 나타나 엔드링부(400)의 형상이 제대로 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.

마지막으로, 비교예 6의 조건으로 주조한 로터 어셈블리를 도 25~26에 나타내었다. 비교예 6의 조건으로 주조 된 로터 어셈블리는, 주조결과 엔드링부(400)의 성형이 미비한 것으로 나타났다.

따라서, 본 연구의 결과, 본 발명에 따른 조건으로 원심주조 시, 미세조직의 결함이 없고, 성형성이 우수한 로터 어셈블리를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

다만, 상기 결과는 340~360mm 크기의 코어 외경을 가지는 로터 제조에 해당하는 것으로 코어 외경에 따라 최적의 주조조건이 변할 수 있다.

따라서, 코어 외경에 따라 가장 적합한 주조 조건을 반복적인 실험을 통해 도 6~8에 나타내었다.

도 6는 용탕 주입시, 코어 외경에 따른 상기 제 2 조립체의 최적 회전속도를 나타내었고, 도 7은 용탕 주입 후, 코어 외경에 따른 상기 제 2 조립체의 최적 회전속도를 나타내었으며, 도8은 상기 제 2 조립체의 예열 시, 코어 외경에 따른 최적의 예열시간을 나타내었다.

상기 도 6~8의 결과에 따라 본 발명에 따른 원심주조를 이용한 로터 어셈블리 제조 시, 코어 외경의 변화에 능동적으로 대처가능하다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

S1 : 제 1 단계(준비단계)
S2 : 제 2 단계(코어플레이트 적층물(제 1 조립체) 형성)
S3 : 제 3 단계(제 1 조립체에 금형 및 슬리브 조립(제 2 조립체))
S3-1 : 제 3-1 단계(에어벤트부 캡장착)
S3-2 : 제 3-2 단계(하부금형 조립)
S3-3 : 제 3-3 단계(슬리브 조립)
S3-4 : 제 3-4 단계(상부금형 조립)
S3-5 : 제 3-5 단계(스터드 볼트 조립)
S4 : 제 4 단계(원심주조)
S4-1 : 제 4-1 단계(제 2 조립체 예열)
S4-2 : 제 4-2 단계(산소 제거)
S4-3 : 제 4-3 단계(알루미늄 용탕 주입)
S4-4 : 제 4-4 단계(냉각)
S5 : 제 5 단계(금형 및 슬리브 해체(제 3 조립체))
S6 : 제 6 단계(엔드링부 황삭가공)
S7 : 제 7 단계(메인샤프트 삽입(로터 어셈블리))
S8 : 제 8 단계(엔드링부 정삭가공)
100 : 코어플레이트
110 : 도체바홀
120 : 에어벤트부
130 : 샤프트홀
140 : 고정홈
150 : 더미샤프트
160 : 슬리브
200 : 제 1 조립체
300 : 메인샤프트
400 : 엔드링부

Claims (14)

1. 코어플레이트, 슬리브, 금형, 메인샤프트, 더미샤프트 및 원심주조장치를 준비하는 제 1 단계;
   상기 더미샤프트에 상기 코어플레이트를 적층하여 제 1 조립체를 형성하는 제 2 단계;
   상기 제 2 단계를 통해 형성된 제 1 조립체에 금형 및 슬리브를 결합하여 제 2 조립체를 형성하는 제 3 단계;
   상기 제 3 단계를 통해 형성된 제 2 조립체를 원심주조장치에 설치 후, 알루미늄 용탕을 주입하여 원심주조하는 제 4 단계;
   상기 제 4 단계를 통해 원심주조 후, 상기 제 2 조립체에서 금형 및 슬리브를 해체하여 제 3 조립체를 형성하는 제 5 단계;
   상기 제 5 단계를 통해 형성된 상기 제 3 조립체의 상하부에 형성된 엔드링부를 황삭가공하는 제 6 단계;
   상기 제 6 단계를 통해 황삭가공된 상기 제 3 조립체의 더미샤프트를 제거하고, 메인샤프트를 삽입하여 로터 어셈블리를 제조하는 제 7 단계; 및
   상기 제 7 단계를 통해 형성된 상기 로터 어셈블리 상하부의 엔드링부를 정삭가공하는 제 8 단계;를 포함하고,
   상기 슬리브는,
   상기 제 1 조립체의 외경에 밀착될 수 있는 크기의 내경이 형성되는 원통형의 금속재질로 형성되어,
   상기 코어플레이트를 열변형 혹은 열충격으로부터 보호하고, 주조 시, 일정한 온도유지 역할을 하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어플레이트는, 원반 형태로 형성되고,
   중심부에 관통 형성되는 샤프트홀;
   외주면 내측에 인접하게 관통 형성되는 복수개의 도체바홀; 및
   상기 샤프트홀과 상기 도체바홀의 사이에 관통 형성되는 복수개의 에어밴트부;를 포함하고,
   상기 샤프트홀은,
   상기 코어플레이트를 적층 시 일정한 방향으로 적층을 유도할 수 있는 고정홈;이 더 형성되고,
   상기 금형은,
   상기 제 1 조립체의 상부에 설치되어, 주조 시, 상기 코어플레이트의 도체바홀에 용탕이 주입될 수 있도록 유도하며 상부의 엔드링부를 형성하는 상부금형; 및
   상기 코어플레이트 적층물의 하부에 설치되어, 상기 도체바홀에 주입된 용탕이 새어나가지 않도록 상기 도체바홀의 하부 구멍을 차단하며 하부의 엔드링부를 형성하는 하부금형;을 포함하고,
   상기 더미샤프트 및 메인샤프트는,
   상기 코어플레이트의 샤프트홀에 관통 삽입되고, 상기 샤프트홀에 마련된 상기 고정홈에 결합되는 고정부;가 더 형성되고,
   상기 원심주조장치는,
   수직형 원심주조장치인 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 2 단계에서는,
   상기 더미샤프트를 이용하여 상기 더미샤프트에 마련된 상기 고정부에 상기 코어플레이트에 형성되어 있는 상기 고정홈을 맞춰 상기 코어플레이트를 적층하고,
   상기 코어플레이트 적층 시, 적층물의 높이 100~200mm 간격마다, 35~45ton의 힘으로 프레스 가압을 실시하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 3 단계에서는,
   상기 제 2 단계를 통해 형성된 상기 제 1 조립체의 최상단부에 위치한 에어벤트부에 용탕 및 이물질이 침입하지 않도록 캡을 장착하는 제 3-1 단계;
   상기 제 3-1 단계를 통해 캡이 장착 된 제 1 조립체의 하단부에 상기 하부금형을 조립하는 제 3-2 단계;
   상기 제 3-2 단계를 통해 하부금형이 조립된 상기 제 1 조립체에 상기 슬리브를 조립하여 외측면을 감싸는 제 3-3 단계;
   상기 제 3-3 단계를 통해 상기 슬리브가 조립된 상기 제 1 조립체의 상단부에 상부금형을 조립하는 제 3-4 단계;
   상기 상부금형 및 하부금형을 복수개의 스터드볼트로 연결 조립하여 상기 제 2 조립체를 형성하는 제 3-5 단계;를 포함하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 4 단계에서는,
   상기 제 3 단계를 통해 형성된 상기 제 2 조립체를 예열하는 제 4-1 단계;
   상기 제 4-1 단계를 통해 예열 된 상기 제 2 조립체를 상기 원심주조장치에 장착 후 상기 상부금형을 통해 상기 제 2 조립체의 내부로 불활성가스를 주입하여 산소를 제거하는 제 4-2 단계;
   상기 제 4-2 단계를 통해 불활성가스가 주입된 상기 제 2 조립체의 내부로 상기 상부금형을 통해 알루미늄용탕을 주입하며 원심주조하는 제 4-3 단계;
   상기 제 4-3 단계를 통해 원심주조 된 상기 제 2 조립체를 냉각시키는 제 4-4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 4-1 단계에서는,
   상기 제 2 조립체를 예열로에 장입하여 510~530℃에서 10~14시간 동안 예열하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 4-2 단계에서는,
   상기 제 2 조립체를 원심주조장치에 장착하여 130~170rpm 으로 회전시키며, 불활성가스를 3~7분 동안 주입하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 4-3 단계에서는,
   상기 제 2 조립체를 260~310rpm 으로 회전시키며, 상기 알루미늄용탕을 주입하고,
   주입완료 후, 800~900rpm으로 회전시키며, 원심주조하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 알루미늄 용탕 주입 시, 용탕은 790℃로 용해하여 760℃에서 주입하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 4-4 단계에서는,
    상기 제 4-3 단계를 통해 원심주조된 상기 제 2 조립체를 6~12분 동안 공회전 시킨 후, 공냉시키는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 단계에서 형성되는 상기 제 3 조립체는, 상기 원심주조를 통해 알루미늄으로 형성된 도체바 및 상하부 엔드링부가 형성되는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 7 단계에서는,
    상기 제 3 조립체의 예열을 통해 상기 더미샤프트를 제거하고, 상기 메인샤프트를 열박음 하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 이용한 로터 어셈블리의 제조방법.
14. 삭제

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