KR101719829B1 - 다이 캐스팅 피스톤 및 링 조립체 - Google Patents

다이 캐스팅 피스톤 및 링 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피스톤(2)에 마련된 합치하는 시트(22)에 결합되도록 반경 방향 치형부(11)가 내부에 끼워진 다이 캐스팅 링(1)에 관한 것이다. 피스톤-링 조립체는 다이 캐스팅 공정 중에 액체 금속의 침입에 대해 최적의 시일을 보장하는 것 외에 상호 회전 또는 축방향 병진을 방지한다. 링이 컷아웃(10)을 가질 때에, 치형부(11)는 여하튼 컷아웃이 피스톤에 대해 위치 결정되게 하기 때문에 링은 피스톤 상에 정확하게 장착될 수 있다.

Description

다이 캐스팅 피스톤 및 링 조립체{DIE CASTING PISTON AND RING ASSEMBLY}
본 발명은 특히 제한하지 않지만 냉가압실식 다이 캐스팅 공정을 위한 다이 캐스팅 피스톤 및 링 조립체에 관한 것이다.
이하의 설명에서, 간소화를 위해 주로 냉가압실식 다이 캐스팅을 참조하지만, 본 발명은 또한 구체적으로 모순되지 않는다면 금속 또는 비금속 재료를 위한 다른 타입의 다이 캐스팅 공정(예컨대, 열가압실식 다이 캐스팅)에도 적용될 수 있기 때문에 제한의 인자로서 이해되어서는 않된다는 점을 미리 특정하는 것이 적절하다.
냉가압실식 다이 캐스팅 공정은 오랫 동안 공지되었으며, 따라서 본 발명을 이해하기 위하여 엄격히 요구되는 것을 제외하고는 아래에서 상세하게 설명하지 않는다. 추가 정보를 위해, 이 주제에 관한 다수의 기술적 및 과학적 공보를 참조한다.
이 공정에서, 용융 금속이 원통형 내부 캐비티를 갖는 용기 내로 주입되고, 그 용기 내에서 금속은 축방향 출구를 향해 이동 피스톤에 의해 압박됨으로써, 캐스팅될 부품의 몰드를 수용하는 다이로 사출된다.
피스톤에 의해 용융 금속에 가해지는 압력을 개선하기 위하여, 물론 상이한 용례는 특정한 기술적 조치를 필요로 하지만, 기존의 해법은 내연 기관의 피스톤에 적용되는 것과 같은 밀봉 링을 채용한다.
간소화를 위해 2개의 상이한 카테고리로 분할될 수 있는 여러 타입의 밀봉 링을 이 목적을 위해 이용할 수 있다.
제1 카테고리는 링과 피스톤 사이에 용융 금속의 침입을 활용하는 원리를 기초로 하여, 링이 반경 방향으로 팽창하게 하여 용기의 원통형 내벽에 대해 원하는 밀봉을 달성하는 것이다. 이 종류의 링의 일례는 2001년에 허여된 유럽 특허 제EP 1 197 279호에 설명되어 있다.
제2 카테고리는 양 구성요소의 주름형 형태 때문에 링 내표면과 피스톤 사이에 래비린스 시일을 생성하는 것을 기초로 하는 것으로서, 링 내표면은 피스톤에 마련된 상동의 환형 홈 및 환형 리브와 합치하는 환형 홈 및 환형 리브를 갖는다.
이 래비린스 시일은 링에 탄성을 제공하는 컷아웃의 특별한 단차형 형태와 함께 용융 금속이 피스톤과 밀봉 링 사이에서 누출할 수 있는 우려 없이 링이 반경 방향으로 팽창하게 한다.
이 기술의 일례는 1997년에 허여된 유럽 특허 제EP 423 413호에 설명되어 있다.
전술한 종래 기술의 해법은 피스톤과 용기의 원통형 벽 사이에서의 시일 관점에서 만족스런 결과를 제공하지만, 여전히 성능 및 신뢰성의 한계를 갖고 있다.
사실상, 이들 기술 중 제1 기술에 관한 한, 하나의 작동 사이클과 다음의 사이클 사이에서 일어나는 피할 수 없는 냉각으로 인해 링과 피스톤 사이에서 경화하는 금속은 링이 탄성을 잃게 만들기 때문에, 용기의 원통형 벽에 대한 그 마찰이 매우 높아져 원통형 벽을 손상시키거나 여하튼 피스톤 고착의 위험을 발생시킬 수 있다.
이 이유로 유럽 특허 제1 197 279호에 설명된 밀봉 링은 구리, 즉 피스톤이 슬라이드하는 용기의 강보다 연성인 재료로 제조된다.
전술한 제2 기술에 따른 밀봉 링은 전술한 바와 같이 이전의 경우와 달리 용융 금속의 침입을 방지하는 링 자체와 피스톤 사이에 래비린스 시일이 존재하기 때문에 이들 문제를 겪지 않는다.
그러나, 이 해법에서, 링은 다이 캐스팅 공정 중에 발생되는 힘들의 영향을 통해 피스톤에 대해 회전하는 것을 방지할 수 있는 시스템이 없기 때문에 환형 피스톤 안정성의 문제를 겪는다.
따라서, 본 발명의 기초가 되는 기술적 문제는 전술한 종래 기술의 단점들을 극복하도록 그러한 구조적 및 기능적 특징을 갖는 피스톤 및 링 조립체를 제공하는 것이다.
상기 문제는 첨부된 청구범위에 기술된 특징을 갖는 피스톤 및 링 조립체에 의해 해결된다.
본 발명에 의해 달성되는 상기 특징 및 유리한 효과는 첨부 도면에 도시된 비제한적인 바람직한 실시예를 참조하는 이하의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 밀봉 링의 각각의 축측 투영도이고;
도 3 및 4는 이전 도면들에 도시된 링이 적용될 본 발명에 따른 피스톤의 각각의 축측 투영도 및 측면도이며;
도 5는 조립된 상태에서 이전 도면들의 링과 피스톤을 도시하고;
도 6은 본 발명에 따른 밀봉 링의 변경예의 축측 투영도를 도시하며;
도 7은 도 6의 링이 적용될 본 발명에 따른 피스톤의 변경예의 축측 투영도이고;
도 8은 조립된 상태에서 도 6 및 도 7의 링과 피스톤을 도시하며;
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 피스톤의 다른 변경예의 도 7 및 도 8에 대응하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면, 참조 번호 1은 본 발명에 따른 다이 캐스팅 피스톤(2)을 위한 밀봉 링을 지시한다.
피스톤(2)은 바람직하게는 구리로 제조되지만, 이와 달리 강 또는 임의의 다른 적절한 금속 재료로 제조될 수 있다. 어떠한 경우에도, 본 발명의 이해를 위해 중요하지 않기 때문에 도면에 도시하지 않은 자체로 공지된 피스톤 캐리어 또는 로드에 고정되도록 의도된다.
도 1 및 도 2에 도시된 밀봉 링은 개방형이고, 즉 바람직하게는 서로 접촉하는 수평면을 갖는 단차형 타입의 컷아웃(10)을 갖는다.
링 내에는, 후방 링 에지, 즉 다이 캐스팅 공정 중에 피스톤(2)의 전방 이동 방향으로 하류측 에지의 부근에서 원주 둘레에 서로 균일하게 떨어져 있는 치형부(11)가 존재한다. 바람직하게는, 치형부(11)의 하나의 에지는 링 에지와 정렬된다.
바람직한 실시예에 따르면, 컷아웃(10)에는, 다른 것들보다 작지만 그 조합된 길이는 실질적으로 치형부(11)의 길이와 동일한 2개의 치형부(11a, 11b)가 존재한다.
치형부는 링의 내벽(13)으로부터 반경 방향으로 돌출하고, 그 치수, 즉 링의 내벽(13)으로부터 반경 방향 높이, 원주 방향 길이 및 축방향 폭은 링 직경, 링 폭, 피스톤에 대한 링 위치, 치형부의 갯수 등과 같은 여러 인자들에 따라 변할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 치형부의 갯수는 바람직하게는 2개보다 많고, 보다 바람직하게는 4개와 10개 사이라고 말할 수 있다.
피스톤(2)은 하나의 부재로, 바람직하게는 구리 또는 그 합금으로 제조되지만, 대안으로서 다른 적절한 금속 재료가 사용될 수 있고, 지지 로드(도시 생략)에 고정될 수 있도록 적어도 부분적으로 내부가 중공인 원통형 스커트(20)를 갖는다.
정면에서, 피스톤(2)은 테이퍼형 헤드(21)를 갖고, 테이퍼형 헤드의 기부에는 링(1)의 치형부(11)의 형태에 결합되지만 약간 큰 형태를 갖는 시트(22)가 존재한다. 예컨대, 시트(22; 22')는 헤드(21; 21')의 기부에 배치될 수 있다. 또한, 시트(22; 22')는 서로 균일하게 떨어져 있을 수 있다. 이 방식에서, 다이 캐스팅 공정을 위해 조립될 때에(도 5에 도시된 바와 같이), 치형부(11)가 시트(22)에 결합되는 경우, 링과 피스톤 사이에는 링이 피스톤에 대해 탄성적으로 팽창하게 하는 약간의(그러나 무시할 수 없는) 유격이 존재할 것이다.
더욱이, 시트(22)와 헤드(21)의 단부 사이에는, 다이 캐스팅 공정 중에 링(1)이 액체 금속에 의해 발생된 압력에 의해 압박되는 접촉면(23)이 존재한다. 결과적으로, 상기 접촉면에서 링은 피스톤과 접촉 상태를 축방향으로 유지하여, 용융 금속이 링을 지나 침입하는 것을 방지한다.
그러나, 링은 치형부와 시트 사이의 전술한 유격 때문에 반경 방향으로 팽창할 수 있어, 용기의 원통형 내벽에 대해 원하는 시일을 제공한다.
이와 관련하여, 치형부(11)는 각각의 시트(22) 내에 결합된 상태로 있으므로, 링(1)은 그 조립된 상태에서 피스톤(2)에 대해 회전하는 일 없이 안정적으로 유지된다는 점을 주목해야 한다.
또한, 링(1)의 후방 에지에서, 즉 전방 에지로부터 충분히 멀리 있는 치형부(11)의 위치 결정은 용융 금속이 시트(22)에 도달하여 시트를 고형화 후에 폐색하는 것을 방지한다는 점을 유념해야 한다.
시트가 폐색되면, 링은 더 이상 초기의 후퇴된 상태로 복귀할 수 없기 때문에 링이 탄성을 잃게 된다.
더욱이, 밀봉 링(1)은 임의의 액체 금속, 즉 피스톤이 슬라이드하는 원통형 챔버의 벽 아래로 유동하는 금속이 외측으로부터 유입되는 것에 대해 시트(22)를 보호한다.
바꿔 말해서, 이는 링 자체가 용융 금속의 침입에 대해 합치하는 영역을 보호하기 때문에, 링(1)과 피스톤(2)으로 이루어지는 조립체가 본래부터 신뢰성이 있다는 것을 의미한다.
따라서, 위의 관점에서, 링(1)과 피스톤(2)이 어떻게 본 발명의 기초인 기술적 문제를 해결할 수 있는가를 이해할 수 있다.
사실상, 이 조립체는 링(1)의 탄성을 활용함으로써 필요한 시일을 보장한다. 따라서, 이 양태하에서, 본 발명은 전술한 제2 타입의 기술 내에 그 이점 전부와 함께 속한다고 말할 수 있다.
그러나, 개시된 종래 기술과 달리, 치형부(11)와 시트(22) 사이의 결합은 링이 피스톤에 대해 회전하는 것을 방지함으로써, 전체 시스템이 적절하게 작동하는 것을 보장한다.
이는 고형화될 때에 몇몇의 종래 기술을 참조하여 전술한 문제를 유발할 수 있는 용융 금속의 임의의 축적을 링과 피스톤 사이에 마련된 시일이 방지하기 때문에, 링의 탄성 거동을 보존함으로써 달성된다.
전술한 것 외에, 본 발명은 또한 추가의 유리한 효과를 달성한다.
사실상, 링(1)과 피스톤(2) 각각의 복수 개의 치형부(11)와 시트(22)의 존재는 선택된 커플링에 따라 임의의 구성에서 링이 피스톤에 대해 소정 각도로 위치 결정되게 한다.
바꿔 말하면, 치형부와 시트에 의해 제공되는 다양한 가능한 조합 중에서 하나의 조합을 선택함으로써, 링(1)은, 예컨대 컷아웃(10)을 상부에, 바닥에, 수평 직경에 또는 중간 각도 위치에 배치하도록 선택함으로써 정확하게 위치 결정될 수 있다.
이 링(1)의 선택적 위치 결정은 피스톤(2)이 슬라이드하는 원통형 챔버의 임의의 불규칙성(둥글지 않은) 뿐만 아니라 용융 금속에 가해지는 압력의 불균형 및 다이 캐스팅 공정 중에 일어날 수 있는 기타 상황들을 보상하게 한다.
이 구조에서, 컷아웃에 배치된 절반 치형부(11a, 11b)가 작은 치수를 갖기 때문에 이들이 다른 치형부와 같이 임의의 시트(22)와 결합할 수 있다는 것은 중요하다.
본 발명의 다른 중요한 이점은 링 내의 치형부가 또한 링을 바요넷(bayonet) 방식으로 피스톤 상에 링을 장착하도록 활용될 수 있다는 점이다.
이 상황은 특히 링이 도 6, 7, 8 및 9에 도시된 것과 같이 폐쇄형 링, 즉 컷아웃이 없는 링일 때마다 유리할 수 있고, 전술한 것과 구조적으로 또는 기능적으로 등가인 이들 요소는 아포스트로피를 추가한 동일한 참조 번호에 의해 지시된다.
알 수 있는 바와 같이, 이 경우에, 링(1')이 정면으로부터 피스톤(2') 상에 미끄러져 들어간 다음, 통상적인 바요넷 타입의 조립에 따라 피스톤(2')으로부터 반경 방향으로 돌출하는 시트(22') 아래에 링의 치형부(11')가 있도록 링을 회전시킴으로써 적소에서 로킹된다.
링(10')의 임의의 후방 이동을 방지하고 링을 적소에 유지하기 위하여, 피스톤(1')은 링(10')이 아래로 이동하여 치형부(11')와 시트(22') 사이의 결합의 반대 방향으로 회전하는 것을 방지하는 얇은 탄성 링으로 이루어지는 칼라(24')를 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 링 및 바요넷 타입 장착에 대해 여러 변경이 또한 가능하다.
이 경우에, 시트(22")는 일측이 개방됨으로써 링(1")의 바요넷 장착을 용이하게 한다. 링의 반대 회전은 피스톤 스커트(20")에서 연장하고 피스톤 스커트(20")에 마련된 홀(도면에 도시하지 않음) 내에 나사 결합되는 나사식 유지 스템(26")을 갖는 로드(25")에 의해 방지된다.
로드(25")의 단부는 시트(22") 중 하나에 배치된 캐비티(27") 내에 결합됨으로써 링(1")이 회전하는 것을 방지한다.
물론, 칼라(24') 또는 로드(25")에 대한 별법으로서 피스톤에 대해 링이 회전하는 것을 방지하도록 다른 시스템이 채용될 수 있다. 이들 모든 해법에 대해 공통적인 특징은 상기 개시에 따른 내부 치형부를 갖는 링이다. 이와 관련하여, 폐쇄형 링이 특정한 다이 캐스팅 용례에 사용된다는 점을 주목해야 하고, 용기 단부는 피스톤이 슬라이드하는 원통형 챔버에 대해 리드를 갖지 않는다.
본 발명의 폐쇄형 링 변경예는 링(1', 1")과 피스톤(2', 2") 사이에 시일이 여전히 마련되기 때문에 전술한 다른 해법과 동일한 결과를 달성한다. 사실상, 바요넷 장착은 각각의 대향 표면들 사이에 약간의 강제적 축방향 접촉을 보장하므로, 링을 지나서 액체 금속의 침입을 방지한다.
더욱이, 이 바요넷 타입의 장착은 다수의 치형부(11', 11")와 반경 방향 시트(22', 22")에 의해 복수 개의 조합이 가능해지기 때문에 선택적이고 정확한 방식으로 링이 피스톤에 대해 위치 결정되게 한다. 이 경우에, 컷아웃이 존재하지 않지만, 그럼에도 불구하고 링(1', 1")이 예정된 각도 형태에 따라 위치 결정될 수 있다는 것은 유리하다.
지금까지 설명하고 도시한 것의 다른 가능한 변경예로서, 당업계에 이미 공지된 바와 같이 하나의 피스톤이 2개의 이상의 밀봉 링에 끼워질 수 있다는 점을 유념해야 한다.
따라서, 피스톤은 하나의 개방향 링(1)과 하나의 폐쇄형 링(1'), 또는 동일한 타입(개방형 또는 폐쇄형)의 2개의 링을 가질 수 있다.
결론적으로, 초기의 서문으로 돌아가면, 냉가압실식 다이 캐스팅 공정용 피스톤과 링의 상기 설명은 다른 타입의 공정에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 반드시 금속을 수반하지 않는다(예컨대, 플라스틱 재료)는 점을 주목해야 한다.
물론, 치형부(11, 11')와 시트(22, 22')의 형태가 도면에 도시된 것과 상이할 수 있고, 양자는 4변형 형태를 갖는다.
따라서, 예컨대, 핀과 유사한 치형부와 세장형 홀과 유사한 시트, 또는 물론 상이한 기하학적 형태를 채용하는 것이 예상될 수 있다. 그러나, 개방형 링(즉, 컷아웃을 가짐)이 사용될 때에, 링이 설명한 바와 같이 탄성적으로 팽창하게 하도록 치형부와 시트 사이의 커플링에 특정한 유격을 제공하는 것이 필요할 것이다. 이들 모든 변경예는 여전히 이하의 청구범위의 범위 내에 속할 것이다.

Claims (14)

  1. 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링(1; 1')으로서, 다이 캐스팅 공정 동안 피스톤의 전방 이동을 기준으로 전방 에지 및 후방 에지를 포함하고,
    상기 후방 에지 부근에 배치되는 복수 개의 내향 돌출형 치형부(11; 11')를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링.
  2. 제1항에 있어서, 상기 치형부(11; 11')는 서로 균일하게 떨어져 있는 것인 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개의 절반 치형부(11a, 11b)가 양측면에 배치되는 컷아웃(10)을 더 포함하는 것인 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폐쇄형 링인 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 치형부의 갯수는 4개 내지 10개인 것인 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링.
  6. 전방 이동 방향을 기준으로 측면 스커트(20)와 전방 헤드(21)를 포함하는 다이 캐스팅 피스톤(2)으로서, 제1항 또는 제2항에 따른 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링(1) 및 상기 다이 캐스팅 피스톤 밀봉 링(1)으로부터 돌출하는 치형부(11; 11')와 결합하도록 된 복수 개의 측방향으로 배치된 시트(22; 22')를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 피스톤.
  7. 제6항에 있어서, 상기 시트(22; 22')는 헤드(21; 21')의 기부에 배치되는 것인 다이 캐스팅 피스톤.
  8. 제6항에 있어서, 상기 시트(22; 22')는 서로 균일하게 떨어져 있는 것인 다이 캐스팅 피스톤.
  9. 제6항에 있어서, 상기 시트(22; 22')와 헤드(21; 21')의 단부 사이에 배치되는 접촉면(23; 23')을 포함하는 것인 다이 캐스팅 피스톤.
  10. 제6항에 있어서, 링(1')이 피스톤(2')에 대해 회전하는 것을 방지하도록 된 유지 수단(25', 26')을 포함하는 것인 다이 캐스팅 피스톤.
  11. 제10항에 있어서, 상기 유지 수단은 피스톤(2')의 스커트(20')를 통과하는 로드(25')를 포함하는 것인 다이 캐스팅 피스톤.
  12. 제11항에 있어서, 상기 유지 수단은 헤드(21')의 기부에서 링(1')과 접촉면(23') 사이에 배치되는 탄성 칼라(24')를 포함하는 것인 다이 캐스팅 피스톤.
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