KR101745087B1

KR101745087B1 - 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기

Info

Publication number: KR101745087B1
Application number: KR1020150067241A
Authority: KR
Inventors: 김영찬; 이준민; 김민수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2017-06-09
Also published as: US20160332224A1; US9597727B2; JP2016215274A; DE102015220951B4; KR20160134966A; DE102015220951A1; CN106141134A; CN106141134B

Abstract

본 발명에 의한 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기는, 서로 맞물려 회전하는 상부 금형과 하부 금형 사이에 형성된 주형공간에 용탕을 주입하여 주조하는 원심 주조 장치를 냉각시키는 수냉식 냉각기로서, 내부에 제1냉각유로가 형성되며, 단부에 노즐이 형성된 회전축, 중심축선상에 상기 회전축이 연결되고, 내부에 주형공간과 별개로 상기 노즐과 대면하는 면이 오목한 형상의 챔버가 형성되어 상기 노즐에서 분사되는 냉각수를 저장하며, 상기 챔버에서 외주면 방향으로 연장된 제2냉각유로가 하나 이상 형성된 하부 금형, 상기 하부 금형 측면을 둘러싸되 상기 하부 금형에서 이격 설치되어 상기 제2냉각유로를 통해 상기 하부 금형의 측면으로 배출되는 냉각수를 수집하는 수집부를 포함하고, 상기 제2냉각유로는, 상기 챔버의 하부 측면에 형성된 유입구와, 상기 하부 금형의 측면에 형성되되 상기 노즐의 높이보다 높게 형성된 배출구와, 상기 유입구에 연결되어 상기 하부 금형의 외주면 방향으로 상향 절곡된 상승부와, 상기 상승부에 연결되어 상기 배출구 방향으로 수평하게 형성된 냉각부를 포함하여, 냉각수가 상기 하부 금형의 회전에 의해 발생되는 원심력의 반대 방향으로 유동되지 않도록 안내하는 것을 특징으로 한다.

Description

원심 주조 장치용 수냉식 냉각기{WATER COOLING APPARATUS FOR CENTRIFUGAL CASTING EQUIPMENT}

본 발명은 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원심 주조에 사용되는 금형의 내부에 형성된 유로로 냉각수를 흘려보내 냉각시키는 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기에 관한 것이다.

원심주조란 용탕을 주입하여 응고시키는 과정 중에 주형을 고속으로 회전시켜 이때 발생하는 원심력을 이용하여 주물을 성형하는 공법이다. 이러한 원심주조 공법으로 주조하기 위해서는 용탕을 주형에 신속하고 균일하게 주입하여 용융금속이 주형과 닿는 표면부터 안쪽 방향으로 응고가 되어야 내부 결함이 없는 고품질의 주조 제품을 얻을 수 있다. 이를 위해서는 주형의 회전 속도, 용탕의 주입 온도 및 주입 속도가 균일하게 유지되어야만 한다. 또한 주형이 충분히 예열되어 있지 않으면 용탕이 주입 된 즉시 응고되어 용탕 내부에 있던 기포들이 포집된 상태로 응고 되어 내부 품질에 문제가 발생하게 된다.

알루미늄과 같은 고온(660~750℃)의 용탕을 연속적으로 주조 할 경우에는 주형의 온도가 지속적으로 상승하기 때문에 응고가 지연되거나 제품 형상에 따라 국부적인 열 고립이 발생되어 제품 내부에 주조 결함(기포결함, 수축 결함)이 발생하는 문제점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 주조시에 주형을 냉각시켜야 하는데, 원심주조의 특성상 주조시에는 주형이 300~3000RPM으로 회전하기 때문에 냉각수를 이용한 순환형 냉각기를 적용하는 것이 어려운 현실이다.

냉각수를 이용하지 않는 종래의 주형 냉각 방법은, 주조 작업을 중단시키고 주형 내부로 냉공기를 불어넣어 냉각시키거나, 주형의 표면에 냉공기를 분사하여 냉각시키는 방법을 사용하였다. 그러나 주형 내부를 냉각시키려면 주조 공정을 중단해야 하고, 외부를 냉각시키는 방법은 냉각 효율이 높지 않은 문제가 있었다.

종래에 냉각수를 이용한 주형 냉각 방법이 "스테인레스 스틸 파이프 플랜지용 블랭크의 주조장치(대한민국공개특허 10-2002-0037429(2002.05.21))"에 구체적으로 공지되어 있다.

상기 발명은 파이프를 주조하기 위한 회전몰드의 저면벽에 형성된 냉각자켓에 냉각수를 공급하여 몰드를 냉각시키는 기술이다. 상기 발명은 중공축의 축공 내부에 냉각수유입관과 냉각수유출관을 각각 설치한 순환식 냉각 시스템을 채용하여, 냉각수가 중공축을 통해 냉각 자켓으로 공급된 후 다시 중공축을 통해 배출된다. 이때, 회전몰드가 회전하면 원심력에 의해 냉각수가 냉각자켓의 외주면 방향으로 쏠리는 현상이 발생하게 되는데, 이렇게 냉각수가 외곽에 정체되면 냉각수가 가열되어 몰드의 냉각 효율이 저하되고, 냉각수유입관을 통해 유입된 냉각수가 바로 냉각수유출관을 통해 배출되는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 냉각 자켓의 형태를 챔버 형상에서 파이프 형상으로 변경시킬 수도 있으나, 이 경우에도 파이프에 형성된 변곡 구간에 냉각수가 고립되어 정체되는 문제가 발생하게 된다. 이를 해소하기 위해서는 냉각수 공급 압력을 더욱 상승시키기 위한 300 bar 이상의 고압 펌프가 필요하게 된다.

따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있도록 몰드의 고속 회전중에도 안정적으로 냉각수를 공급, 배출할 수 있는 수냉식 냉각기가 요구되는 실정이다.

대한민국공개특허 10-2002-0037429(2002.05.21)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 금형의 냉각 효율을 향상시킨 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기를 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기는, 서로 맞물려 회전하는 상부 금형과 하부 금형 사이에 형성된 주형공간에 용탕을 주입하여 주조하는 원심 주조 장치를 냉각시키는 수냉식 냉각기로서, 내부에 제1냉각유로가 형성되며, 단부에 노즐이 형성된 회전축, 중심축선상에 상기 회전축이 연결되고, 내부에 주형공간과 별개로 상기 노즐과 대면하는 면이 오목한 형상의 챔버가 형성되어 상기 노즐에서 분사되는 냉각수를 저장하며, 상기 챔버에서 외주면 방향으로 연장된 제2냉각유로가 하나 이상 형성된 하부 금형, 상기 하부 금형 측면을 둘러싸되 상기 하부 금형에서 이격 설치되어 상기 제2냉각유로를 통해 상기 하부 금형의 측면으로 배출되는 냉각수를 수집하는 수집부를 포함하고, 상기 제2냉각유로는, 상기 챔버의 하부 측면에 형성된 유입구와, 상기 하부 금형의 측면에 형성되되 상기 노즐의 높이보다 높게 형성된 배출구와, 상기 유입구에 연결되어 상기 하부 금형의 외주면 방향으로 상향 절곡된 상승부와, 상기 상승부에 연결되어 상기 배출구 방향으로 수평하게 형성된 냉각부를 포함하여, 냉각수가 상기 하부 금형의 회전에 의해 발생되는 원심력의 반대 방향으로 유동되지 않도록 안내하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 배출구는, 상기 하부 금형의 측면 외부로 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 회전축은, 내부에 축 방향으로 상기 제1냉각유로가 형성되고 일단에 주입호스가 연결되고 타단에 상기 노즐이 설치된 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 파이프 형상의 케이스를 포함하고, 상기 코어와 상기 케이스는 베어링을 매개로 연결되어, 상기 코어가 고정되고 상기 케이스가 독립적으로 회전하는 것을 특징으로 한다.

상기 노즐은, 상기 코어와 상기 케이스 사이의 틈새를 막을 수 있도록 상기 코어의 직경보다 넓은 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 수집부는, 상기 하부 금형 주변을 둘러싸는 링 형상의 본체와, 상기 본체에 수집된 냉각수를 전달받아 정화하는 필터와, 상기 필터를 거친 냉각수를 다시 상기 제1냉각유로로 주입시키는 펌프를 포함하고, 상기 하부 금형과 대면되는 상기 본체의 내주면에는 냉각수를 받아내는 수집홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 본체는, 일방이 하방으로 기울어져 설치되고, 일방 하부에 배수구가 형성되며, 상기 배수구에서 배출된 냉각수를 상기 필터로 전달하는 배출호스와, 상기 필터와 상기 펌프를 거친 냉각수를 상기 제1냉각유로로 전달하는 주입호스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 회전축이 아닌 몰드 측면에 배출구가 형성되기 때문에 비교적 낮은 압력으로 냉각수를 공급할 수 있다.

둘째, 원심력에 의해 냉각수가 빠른 속도로 몰드 외부로 배출되기 때문에, 새로운 냉각수가 빠르게 공급되어 냉각 효율이 높다.

셋째, 몰드의 내부를 직접 냉각시켜 외부 냉각 방법보다 냉각 효율이 높다.

넷째, 주물을 빠르게 냉각시켜 균일하게 응고시킴으로써 조직을 미세화시키고 물성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기를 나타낸 단면도,
도 2는 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기의 전체 냉각수 순환 구조를 나타낸 도면,
도 3은 수집부와 냉각수 순환 구조를 나타낸 평면도,
도 4는 종래 방법으로 제조된 주물과 본 발명을 적용하여 제조된 주물의 물성을 비교한 그래프,
도 5는 종래 방법으로 제조된 주물과 본 발명을 적용하여 제조된 주물의 조직을 비교한 사진,
도 6은 종래 방법으로 제조된 주물의 응고시 온도를 나타난 열화상 사진,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 주물의 응고시 온도를 나타난 열화상 사진이다.

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 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기에 대하여 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 맞물려 회전하는 상부 금형(10)과 하부 금형(20) 사이에 형성된 주형공간(C)에 용탕을 주입하여 주조하는 원심 주조 장치를 냉각시키기 위해, 냉각수를 공급하는 제1냉각유로(200)가 내부에 형성된 회전축(100)과, 이 회전축(100)에 연결되어 함께 회전하고, 내부에 제2냉각유로(300)가 형성되어 측면으로 냉각수를 배출하는 하부 금형(20)과, 하부 금형(20) 측면으로 배출되는 냉각수를 수집하기 위한 수집부(500)를 포함하는 것이다.

회전축(100)은 크게 두 부분으로 분할되는데, 그 내부에 축 방향으로 제1냉각유로(200)가 형성된 코어(110)와, 이 코어(110)를 둘러싸고 하부 금형(20)과 함께 회전하는 케이스(120)로 분할된다. 코어(110)와 케이스(120)는 베어링(130)을 매개로 연결되어 케이스(120)가 회전하더라도 코어(110)는 회전하지 않고 고정된 상태를 유지할 수 있다. 이렇게 코어(110)가 고정됨으로써, 후술할 주입호스(710)와의 연결부가 꼬이지 않게 되는 것이다.

코어(110)와 케이스(120)의 단부는 하부 금형(20)에 형성된 챔버(400)로 삽입되는데, 챔버(400)는 하부 금형(20)의 축선상에 형성된 오목홈 형상의 공간으로서, 그 홈의 입구를 코어(110)와 회전축(100)이 폐쇄하여 내부에 일정한 공간을 형성시키는 것이다. 챔버(400)는 주물이 제조되는 주형공간(C)과는 별개로 형성되어, 주물에 직접 냉각수가 접촉하지 않게 한다.

또한 코어(110)의 단부에는 노즐(210)이 형성되어 챔버(400) 내부로 냉각수를 분사하게 된다. 노즐(210) 외주면의 직경은 코어(110)의 직경보다 크게 형성되는 것이 바람직한데, 이는 노즐(210)로 코어(110)와 케이스(120) 사이의 틈새를 막아 냉각수가 이 틈새를 통해 역류하는 것을 방지하기 위해서이다.

제2냉각유로(300)는 하부 금형(20) 내부에 형성되어 챔버(400)로부터 하부 금형(20)의 측면으로 냉각수를 유도하는 유로이다. 제2냉각유로(300)는 유입구(310), 상승부(320), 냉각부(330)를 포함하는데, 챔버(400)의 하부, 즉 회전축(100)이 삽입되는 방향의 측면에 제2냉각유로(300)의 유입구(310)가 형성되어 있다. 이 유입구(310)를 통해 제2냉각유로(300)로 진입한 냉각수는 소정 각도 상방으로 형성된 상승부(320)를 통과하고, 이에 연결되어 하부 금형(20) 바깥쪽까지 연장 형성된 냉각부(330)를 통해 하부 금형(20) 바깥으로 배출되는 것이다. 상승부(320)가 소정 각도 상방 절곡되어 있기 때문에, 냉각부(330)의 바깥쪽 단부에 형성된 배출구(340)는 노즐(210)의 높이보다 높게 형성된다. 이렇게 노즐(210)보다 배출구(340)를 높게 형성시킴으로 인해서, 노즐(210)에서 배출된 냉각수를 챔버(400)에 임시 저장하고, 금형이 회전을 시작할 때 냉각수의 공급을 보다 원활하게 할 수 있다.

배출구(340)는 하부 금형(20)의 측면 외부로 일정 길이 돌출 형성되는 것이 바람직한데, 이는 냉각수가 배출되면서 비산되는 것을 방지하고, 냉각수가 수집부(500)를 통해 회수되는 것을 보조하기 위해서이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 수집부(500)는, 하부 금형(20) 주변을 둘러싸는 링 형상의 본체(510)와, 본체(510)에 수집된 냉각수를 전달받아 정화하는 필터(600)와, 필터(600)를 거친 냉각수를 다시 제1냉각유로(200)로 주입시키는 펌프(700)를 포함하고, 하부 금형(20)과 대면되는 본체(510)의 내주면에는 냉각수를 받아내는 수집홈(520)이 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 본체(510)의 일방이 하방으로 기울어져 설치되고, 그 일방 하부에 배수구가 형성되어 이를 통해 배출된 냉각수가 배출호스(530)를 통해 필터(600)로 전달되는 것이다. 필터(600)에서 정화된 냉각수는 펌프(700)에 의해 주입호스(710)를 거쳐 제1냉각유로(200)에 다시 공급된다. 도시되어 있지는 않지만, 필터(600)와 펌프(700) 사이에는 별도의 물탱크가 설치될 수도 있는데, 이는 냉각수 순환 과정 중에 소모되는 냉각수를 보충하기 위해 외부에서 물을 공급받기 위한 구성이다.

이하 도 4 내지 도 7을 참고로 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 주물의 물성 향상에 대해 설명한다.

도 4 및 도 5는 Si 7%를 포함하고 있는 알루미늄 합금(A356)의 냉각 속도 차이에 의한 물성과 미세조직의 차이를 나타내고 있다. 종래의 냉각 방식을 이용하여 만들어진 제품에서 냉각이 불완전하여 표면온도가 상대적으로 높은 부위의 미세조직은 알루미늄 α상의 크기가 조대해지고, DAS(Dendrite Arm Spacing)는 30㎛을 나타낸다(도 5의 좌측). 하지만 본 발명의 일 실시예에 의한 수냉식 냉각기를 이용하여 주물을 냉각시킬 경우, 동일한 부위에서 조직의 크기가 미세하며 고르게 분포하고 있음을 알 수 있다. DAS 역시 20㎛ 로 종래 제품에 비해 조직이 치밀한 것을 알 수 있다(도 5의 우측).

도 6 및 도 7에는 종래의 냉각 방법과 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각 방법을 사용할 경우, 각각의 주물의 응고시 온도를 나타낸 열화상 사진이 도시되어 있다.

도 6에서는 온도 상승부(원 내부)가 비교적 광범위하고 온도 편차가 큰 것으로 관측되는데 비해, 도 7에서는 온도 상승부(원 내부)의 범위가 비교적 좁고 온도 편차가 적은 것을 알 수 있다.

이렇게 조직의 크기 차이나, 온도 상승부의 범위 및 온도 편차의 정도는 물성 차이로도 연결된다. 종래의 방법으로 제조된 주물은 항복강도 221MPa, 인장강도 252MPa, 연신율 6.2%를 나타내었으나, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 주물은 항복강도 239MPa, 인장강도 293MPa, 연신율 11.1%를 나타내었다. 각각 항복강도 8%, 인장강도 16%, 신율 79%가 향상되는 결과를 나타내어, 동일한 주물이라도 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 방법을 사용하여 제조된 주물의 물성이 훨씬 뛰어난 것을 알 수 있다.

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.

10: 상부 금형 20: 하부 금형
100: 회전축 110: 코어
120: 케이스 130: 베어링
200: 제1냉각유로 210: 노즐
300: 제2냉각유로 310: 유입구
320: 상승부 330: 냉각부
340: 배출구 400: 챔버
500: 수집부 510: 본체
520: 수집홈 530: 배출호스
600: 필터 700: 펌프
710: 주입호스 C: 주형공간

Claims

서로 맞물려 회전하는 상부 금형과 하부 금형 사이에 형성된 주형공간에 용탕을 주입하여 주조하는 원심 주조 장치를 냉각시키는 수냉식 냉각기로서,
내부에 제1냉각유로가 형성되며, 단부에 노즐이 형성된 회전축;
중심축선상에 상기 회전축이 연결되고, 내부에 주형공간과 별개로 상기 노즐과 대면하는 면이 오목한 형상의 챔버가 형성되어 상기 노즐에서 분사되는 냉각수를 저장하며, 상기 챔버에서 외주면 방향으로 연장된 제2냉각유로가 하나 이상 형성된 하부 금형;
상기 하부 금형 측면을 둘러싸되 상기 하부 금형에서 이격 설치되어 상기 제2냉각유로를 통해 상기 하부 금형의 측면으로 배출되는 냉각수를 수집하는 수집부;를 포함하고,
상기 제2냉각유로는, 상기 챔버의 하부 측면에 형성된 유입구와, 상기 하부 금형의 측면에 형성되되 상기 노즐의 높이보다 높게 형성된 배출구와, 상기 유입구에 연결되어 상기 하부 금형의 외주면 방향으로 상향 절곡된 상승부와, 상기 상승부에 연결되어 상기 배출구 방향으로 수평하게 형성된 냉각부를 포함하여, 냉각수가 상기 하부 금형의 회전에 의해 발생되는 원심력의 반대 방향으로 유동되지 않도록 안내하는 것을 특징으로 하는, 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 배출구는, 상기 하부 금형의 측면 외부로 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는, 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기.
청구항 1에 있어서,
상기 회전축은, 내부에 축 방향으로 상기 제1냉각유로가 형성되고 일단에 주입호스가 연결되고 타단에 상기 노즐이 설치된 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 파이프 형상의 케이스를 포함하고,
상기 코어와 상기 케이스는 베어링을 매개로 연결되어, 상기 코어가 고정되고 상기 케이스가 독립적으로 회전하는 것을 특징으로 하는, 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기.
청구항 5에 있어서,
상기 노즐은, 상기 코어와 상기 케이스 사이의 틈새를 막을 수 있도록 상기 코어의 직경보다 넓은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기.
청구항 1에 있어서,
상기 수집부는, 상기 하부 금형 주변을 둘러싸는 링 형상의 본체와, 상기 본체에 수집된 냉각수를 전달받아 정화하는 필터와, 상기 필터를 거친 냉각수를 다시 상기 제1냉각유로로 주입시키는 펌프를 포함하고,
상기 하부 금형과 대면되는 상기 본체의 내주면에는 냉각수를 받아내는 수집홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기.
청구항 7에 있어서,
상기 본체는, 일방이 하방으로 기울어져 설치되고, 일방 하부에 배수구가 형성되며,
상기 배수구에서 배출된 냉각수를 상기 필터로 전달하는 배출호스와, 상기 필터와 상기 펌프를 거친 냉각수를 상기 제1냉각유로로 전달하는 주입호스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 원심 주조 장치용 수냉식 냉각기.