KR101874560B1 - 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법 - Google Patents

차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 기재의 차량 엔진용 피스톤 제조 방법은, 서로 이격되며 원주방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제1 피스톤부, 접합 부재, 및 서로 이격되며 원주 방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제2 피스톤부를 조립하여 피스톤 조립체를 형성하는 피스톤 조립 단계, 조립된 상기 피스톤 조립체를 가열하여 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부를 개방된 분위기에서 상호 용접시키는 피스톤 용접 단계, 및 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부가 용접되어 형성된 피스톤 유닛을 냉각하는 피스톤 냉각 단계를 포함하고, 상기 피스톤 조립체는 상기 제1 피스톤부 및 상기 제2 피스톤부가 조립된 위치가 유지되도록 하기 위한 걸림부;를 더 포함하고, 상기 냉각된 피스톤 유닛에서, 상기 걸림부를 제거하는 걸림부 제거 단계;를 더 포함한다.

Description

차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법{PISTON FOR VEHICLE ENGINE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세히 내부에 냉각 갤러리가 형성된 차량 엔진용 피스톤 및 이것의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 내연기관에 사용되는 스틸 재질의 피스톤의 경우, 연료의 연소 과정에서 발생되는 고열을 신속하게 냉각시켜, 상기 피스톤의 손상을 방지하기 위한 냉각 갤러리가 형성된다.
상기 냉각 갤러리를 형성하기 위하여, 밸브 포켓 및 연소 공동이 형성된 상부 피스톤부와, 피스톤 스커트 및 피스톤 핀홀이 형성되는 하부 피스톤을 별도로 제조하고, 제작된 상기 상부 피스톤부 및 상기 하부 피스톤을 상호 용접시켜, 상기 냉각 갤러리를 형성한다.
상기 상부 피스톤부 및 상기 하부 피스톤부를 상호 용접시키기 위한 방법으로는 마찰용접(Friction welding), 브레이징 접합(Brazing) 등 다양한 방법이 제시되고 있다.
미국등록특허 제6,260,472호에서는, 마찰 용접에 의하여 스틸 피스톤을 제조하는 공정을 설명하고 있으나, 마찰 용접에 의하여 상부 피스톤부 및 하부 피스톤부가 용접되는 과정에서, 플래시(Flashing)가 발생하게 되며, 발생된 플래시가 냉각 갤러리 내부에 남게 됨으로써, 냉각 갤러리 내부의 유체 흐름을 방해할 수 있는 문제가 있다.
미국등록특허 제8,991,046호에서는, 브레이징 접합에 의하여 스틸 피스톤을 제조하는 공정을 설명하고 있으나, 밀폐된 챔버 내에서 가열 및 냉각이 이루어짐에 따라 생산성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로, 생산성이 향상될 수 있는 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법은, 차량 엔진용 피스톤의 제조방법에 있어서, 서로 이격되며 원주방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제1 피스톤부, 접합 부재, 및 서로 이격되며 원주 방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제2 피스톤부를 조립하여 피스톤 조립체를 형성하는 피스톤 조립 단계; 조립된 상기 피스톤 조립체를 가열하여 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부를 개방된 분위기에서 상호 용접시키는 피스톤 용접 단계; 및 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부가 용접되어 형성된 피스톤 유닛을 냉각하는 피스톤 냉각 단계;를 포함하고, 상기 피스톤 조립체는 상기 제1 피스톤부 및 상기 제2 피스톤부가 조립된 위치가 유지되도록 하기 위한 걸림부;를 더 포함하고, 상기 냉각된 피스톤 유닛에서, 상기 걸림부를 제거하는 걸림부 제거 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 걸림부는, 상기 제1 피스톤부 및 상기 제2 피스톤부 중 어느 하나에 형성되며, 상기 걸림부는 상기 걸림부가 형성되지 않은 상기 피스톤부의 일부를 감싸도록 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 걸림부는, 상기 제1 피스톤부 또는 상기 제2 피스톤부에 형성된 한 쌍의 상기 접합면 중, 상기 제1 피스톤부 또는 상기 제2 피스톤부의 중심 측에 배치되는 제1 접합면에 인접한 테두리에 배치되며, 상기 접합면이 이루는 평면과 교차되는 방향으로 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 걸림부는, 상기 제1 피스톤부 또는 상기 제2 피스톤부에 형성된 한 쌍의 상기 접합면 중, 상기 제1 피스톤부 또는 상기 제2 피스톤부의 중심 측에 배치되는 제1 접합면과 이격된 제2 접합면에 인접한 테두리에 배치되며, 상기 접합면이 이루는 평면과 교차되는 방향으로 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 걸림부와 상기 제1 접합면 사이 또는 상기 걸림부와 상기 제2 접합면 사이에는 기설정된 곡률 반경을 갖는 제1 라운드부가 형성되며, 상기 라운드부와 마주보는, 상기 걸림부가 형성되지 않은 상기 피스톤부의 모서리부에는 사선으로 형성되는 컷팅부 또는 기설정된 곡률 반경을 갖는 제2 라운드부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 라운드부의 곡률 반경은 상기 제1 라운드부의 곡률 반경보다 클 수 있다.
또한, 상기 걸림부는, 상기 제1 피스톤 및 상기 제2 피스톤에 대하여 분리 가능하게 마련되며, 상기 걸림부는, 환형으로 형성되며, 중앙에 관통홀이 형성되는 걸림부 몸체;를 포함하고, 상기 걸림부 몸체의 외경은, 상기 제1 피스톤부의 상기 접합면들 중 중앙 측에 배치되는 접합면에 인접한 제1 피스톤측 접합면 테두리와, 상기 제2 피스톤부의 상기 접합면들 중 중앙 측에 배치되는 접합면에 인접한 제2 피스톤측 접합면 테두리의 내경에 대응되는 크기로 형성되며, 상기 걸림부가 상기 피스톤 조립체에 배치된 상태에서, 상기 걸림부의 외주면은 상기 제1 피스톤측 접합면 테두리 및 상기 제2 피스톤측 접합면 테두리에 동시에 접촉될 수 있다.
또한, 상기 걸림부가 상기 피스톤 조립체에 장착된 상태에서, 상기 걸림부는 상기 연소 공동 측에 배치되며, 상기 걸림부 몸체의 일면은 상기 제1 피스톤부의 일면과 나란하게 배치되고, 상기 걸림부 몸체의 이면은 상기 제2 피스톤부에 의하여 지지될 수 있다.
또한, 상기 피스톤 용접단계는, 일부가 개방되어 있어 있는 가열 공간, 상기 가열 공간 내부에 열을 제공하는 가열수단, 및 상기 가열 공간 내부에서 일방향으로 움직이는 이동수단을 포함하는 피스톤 제조 장치에서 이루어지며, 상기 피스톤 용접단계에서, 상기 피스톤 조립체가 상기 이동수단에 의하여, 상기 가열 공간 내부를 일방향으로 기설정된 속도로 이동되면서 가열될 수 있다.
또한, 상기 피스톤 용접단계는, 상온에서 상호 조립된 상기 피스톤 조립체를 상기 상온으로부터 상기 접합부재의 용융 온도보다 낮은 예비 가열 온도까지 가열하는 예비 가열 단계; 및 상기 예비 가열 단계에서 상기 예비 가열 온도까지 가열된 상기 피스톤 조립체를 상기 접합부재의 상기 용융 온도보다 높은 메인 가열 온도로 가열하여, 상기 피스톤 조립체의 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부를 상호 용접시키는 메인 가열 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 피스톤부는, 피스톤 스커트 및 피스톤 핀홀을 포함하고, 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부가 순서대로 적층되어 상기 피스톤 조립체를 형성한 상태에서, 복수의 상기 피스톤 조립체는, 상기 이동수단에 의하여 연속적으로 이동될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 차량 엔진용 피스톤은, 차량 엔진용 피스톤의 제조방법에 있어서, 서로 이격되며 원주방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제1 피스톤부, 접합 부재, 및 서로 이격되며 원주 방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제2 피스톤부를 조립하여 피스톤 조립체를 형성하는 피스톤 조립 단계; 조립된 상기 피스톤 조립체를 가열하여 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부를 개방된 분위기에서 상호 용접시키는 피스톤 용접 단계; 및 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부가 용접되어 형성된 피스톤 유닛을 냉각하는 피스톤 냉각 단계;를 포함하고, 상기 피스톤 조립체는 상기 제1 피스톤부 및 상기 제2 피스톤부가 조립된 위치가 유지되도록 하기 위한 걸림부;를 더 포함하고, 상기 냉각된 피스톤 유닛에서, 상기 걸림부를 제거하는 걸림부 제거 단계;를 더 포함하는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 의하여 제조된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 생산성이 향상되는 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법을 제공함으로써, 보다 적은 비용 또는 시간으로 대량의 차량 엔진용 피스톤을 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤의 단면을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 차량 엔진용 피스톤의 상부 피스톤부 및 하부 피스톤부가 조립되기 전의 상태를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 상부 피스톤부, 하부 피스톤부 및 접합 부재가 조립된 피스톤 조립체를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 VI 부분을 확대한 도면이다.
도 5는 도 1의 접합 부재를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 3의 피스톤 조립체가 피스톤 제조 장치에서 용접되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6의 피스톤 제조 장치의 내부 온도 분포를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 6의 피스톤 제조 장치에 피스톤 조립체가 안착될 때, 피스톤 조립체가 지그에 의하여 파지된 상태의 단면을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 6의 피스톤 제조 장치에 의한 피스톤 제조 공정 전/후 피스톤의 금속 조직 크기를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 6의 피스톤 제조 장치에서 피스톤 조립체가 용접되어 형성된 피스톤 유닛의 냉각 갤러리를 보여주는 도면이다.
도 11은 도 10의 XII 부분을 확대한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
도 15는 도 14의 XV 부분을 확대하여 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
본 발명에 있어서 "~상에"라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법을 상세히 설명한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
본 발명에 있어서 "~상에"라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤의 단면을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤(1)은, 예시적으로 석출 경화형 페라이트 펄라이트 스틸(AFP 스틸)과 같은 단조강 또는 42CrMo4 등과 같은 열처리강으로 제조되는 제1 피스톤부(110)(도 2 참조) 및 제2 피스톤부(120)(도 2 참조)가 용접되어 형성되는 피스톤 몸체(100)를 포함하며, 피스톤 몸체(100)의 상측 내부에는 실린더 내부에서의 연소과정에서 발생되는 고열을 냉각시키기 위한 냉각 갤러리(140)가 형성된다. 그리고, 피스톤 몸체(100)의 하부 측에는 피스톤 스커트(125) 및 피스톤 핀(미도시)가 수용되는 핀 홀(126)이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤(1)의 냉각 갤러리(140)를 형성하기 위하여, 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)에 각각 복수의 접합면들을 형성하고, 대향되는 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)의 상기 접합면들을 접합하여, 피스톤 몸체(100) 내부에 냉각 갤러리(140)를 형성한다.
도 2는 도 1의 차량 엔진용 피스톤의 상부 피스톤부 및 하부 피스톤부가 조립되기 전의 상태를 보여주는 도면이며, 도 3은 도 2의 상부 피스톤부, 하부 피스톤부 및 접합 부재가 조립된 피스톤 조립체를 보여주는 도면이다. 그리고, 도 4는 도 3의 VI 부분을 확대한 도면이며, 도 5는 도 1의 접합 부재를 보여주는 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 제1 피스톤부(110)는 피스톤(1)의 상부 측을 형성하며, 제1 피스톤부(110)의 중앙에는 연소 공동(115)이 형성되고, 제1 피스톤부(110)의 하면에는 상호 이격되며 원주 방향으로 연장 형성되는 제1 접합면(112) 및 제2 접합면(113)이 형성된다. 그리고, 제1 접합면(112) 및 제2 접합면(113) 사이에는 제1 홈(114)이 함몰 형성된다. 제2 접합면(113)은 제1 접합면(112)에 비하여 제1 피스톤부(110)의 중앙 측, 즉 내측으로 배치된다.
제2 피스톤부(120)는, 피스톤(1)의 하부 측을 형성하며, 제2 피스톤부(120)에는 피스톤 스커트(125) 및 피스톤 핀홀(126)이 형성된다.
제2 피스톤부(120)의 상면에는, 제1 피스톤부(110)와 마찬가지로, 상호 이격되며 원주 방향으로 연장 형성되는 제3 접합면(122) 및 제4 접합면(123)이 형성되고, 제3 접합면(122) 및 제4 접합면(123) 사이에는 제2 홈(124)이 함몰 형성된다. 제4 접합면(123)은 제3 접합면(122)에 비하여 제2 피스톤부(120)의 중앙 측, 즉 내측으로 배치된다.
그리고, 제2 홈(124)과 이격된 제3 접합면(122)의 테두리 측에는, 상방을 향하여 걸림부(127)가 돌출 형성된다. 걸림부(127)는 원주 방향, 즉 환형으로 형성되며, 걸림부(127)의 외주 직경은 제1 피스톤부(110)의 중앙에 관통 형성되는 연소 공동115)의 직경에 대응되는 크기로 형성된다.
제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)가 용접 전, 조립된 상태에서, 제2 피스톤부(120)의 걸림부(127)가 제1 피스톤부(110)의 연소 공동(115)에 삽입되어 제1 피스톤부(110)의 일부, 보다 상세히 제1 피스톤부(110)의 내측 테두리를 감싸게 됨으로써, 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)가 상호 정합된 상태가 유지되도록 할 수 있다.
한편, 제1 피스톤부(110)의 내측 테두리, 즉, 제2 접합면(113)의 내측 단부 측에는 제1 컷팅부(118)가 사선으로 형성되며, 제2 피스톤부(120)의 제4 접합면(123) 및 걸림부(127)가 연결되는 부분에는 기설정된 곡률 반경(Radius of curvature), 예시적으로 0.2 mm 내지 0.7 mm의 곡률 반경을 갖는 라운드부(128)가 형성된다. 그리고, 걸림부(127)의 상측 단부에는, 제1 피스톤부(110)의 내측 테두리 측을 향하여 사선으로 제2 컷팅부(129)가 형성된다.
제1 컷팅부(118), 제2 컷팅부(129) 및 라운드부(128)에 의하여, 조립과정에서 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120) 간에 서로 간섭받는 것이 억제될 수 있어, 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120) 간 조립 및 용접이 원활하게 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 걸림부(127)가 제2 피스톤부(120)의 내측에 형성되는 구성으로 설명되고 있으나, 걸림부(127)가 제1 피스톤부(110)에 형성되거나, 제1 피스톤부(110) 또는 제2 피스톤부(120)의 외측 테두리에 형성되는 구성 또한 가능하다.
제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)가 용접 전, 조립된 상태에서, 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120) 사이에는 접합부재(130)가 배치된다.
접합부재(130)는 예시적으로 원형의 판상으로 형성되는 접합부재 몸체(131)를 포함하고, 접합부재 몸체(131)의 중앙에는 관통홀(132)이 형성된다. 접합부재(130)는 예시적으로 니켈계 합금 재질로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 접합부재(130)는 3원계 니켈 필러 메탈로 형성될 수 있으며, 예시적으로 50 um 내지 200 um의 두께를 갖는 금속 박막 형태로 제공될 수 있다.
접합부재 몸체(131)의 직경은 제1 피스톤부(110)의 하면 및 제2 피스톤부(120)의 상면 직경에 대응되는 크기로 형성되며, 관통홀(132)의 직경은 제2 피스톤(120)에 형성된 걸림부(127)의 직경에 대응되는 크기로 형성된다. 따라서, 제1 피스톤부(110), 접합부재(130) 및 제2 피스톤부(120)가 상호 조립되어 피스톤 조립체를 형성한 상태에서, 걸림부(127)에 의한 접합부재(120)의 배치 간섭이 억제될 수 있다.
제1 피스톤부(110), 접합부재(130) 및 제2 피스톤부(130)가 상호 조립되어 상기 피스톤 조립체를 형성한 상태에서, 접합부재(130)의 일면에는 제1 피스톤부(110)의 제1 접합면(112) 및 제2 접합면(113)이 접촉되며, 접합부재(130)의 이면에는 제2 피스톤부(120)의 제3 접합면(122) 및 제4 접합면(123)이 접촉된다. 그리고, 제1 접합면(112) 및 제2 접합면(113)은 접합부재(130)를 사이에 두고 각각 제3 접합면(122) 및 제4 접합면(123)가 마주보도록 배치된다. 제1 피스톤부(110)의 제1 홈(114) 및 제2 피스톤부(120)의 제2 홈(124) 사이에는 접합부재(130)의 일부가 위치된다.
그리고, 제1 피스톤부(110), 접합부재(130) 및 제2 피스톤부(120)를 가열 및 용접하여, 접합면들(112, 113, 122, 123)이 상호 용접되면 제1 피스톤부(110)의 제1 홈(114) 및 제2 피스톤부(120)의 제2 홈(124)은 냉각 갤러리(140)를 형성한다. 이때, 제1 홈(114) 및 제2 홈(124) 사이에 배치되었던, 접합부재(130)의 일부는 냉각 갤러리(140) 내부 측으로 확산되어, 냉각 갤러리(140)의 내면 측에 이종 금속 예시적으로 니켈계 합금이 포함된 확산층(150)(도 10 참조)을 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤(1)을 제조하는 과정을 상세하게 설명한다.
도 6은 도 3의 피스톤 조립체가 피스톤 제조 장치에서 용접되는 과정을 보여주는 도면이며, 도 7은 도 6의 피스톤 제조 장치의 내부 온도 분포를 보여주는 도면이다.
이하에서, 설명되는 상기 피스톤 조립체는, 제1 피스톤부(110), 접합부재(130) 및 제2 피스톤부(120)가 용접되기 전 상호 조립된 상태를 의미하며, 피스톤 유닛은 상기 피스톤 조립체가 피스톤 제조 장치(200)(도 6 참조)에서 가열 과정을 거쳐, 제1 피스톤(110) 및 제2 피스톤(120)이 상호 용접된 상태를 의미한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 피스톤(1)을 제조하기 위한 피스톤 제조 장치(200)는, 일부가 개방되어 있는 가열 공간(Z1, Z2) 및 일부가 개방되어 있는 냉각 공간(Z3, Z4)을 포함하는 제조 장치 몸체(210)와, 가열 공간(Z1, Z2)의 내부에 열을 제공하기 위한 가열수단(230)과, 상기 피스톤 조립체가 안착된 상태에 가열 공간(Z1, Z2) 및 냉각 공간(Z3, Z4)을 거쳐 일방향으로 이동하는 이동수단(220)을 포함한다.
가열 공간(Z1, Z2)은 제1 개방부(211)를 통하여 피스톤 제조 장치(200)의 외부와 연통되어 개방된 분위기로 형성되며, 제2 개방부(212)를 통하여 냉각 공간(Z3, Z4)과 연통된다. 즉, 가열 공간(Z1, Z2)은 일부가 개방된 가열로(Heating Furnace)로 형성된다.
이때 제1 개방부(211) 및 제2 개방부(212)는 가열 공간(Z1, Z2)이 전체적으로 개방되지 않도록, 이동수단(220) 및 상기 피스톤 조립체가 이동될 수 있는 크기의 일부 영역이 개방된 상태로 형성될 수 있다.
그리고, 가열공간(Z1, Z2)은 상호 간에 연통되는 예비 가열 공간(Z1) 및 메인 가열 공간(Z2)을 포함한다. 예비 가열 공간(Z1)은 가열공간(Z1, Z2)의 전방 측, 제1 개방부(211)에 인접하여 위치되며, 메인 가열 공간(Z2)은 예비 가열 공간(Z1)의 후방 측에 배치된다.
그리고, 예비 가열 공간(Z1)은 이동수단(220)의 이동방향으로 배치되는 복수 개의 서브 예비 가열 공간(Z11, Z12, Z13, Z14)을 포함한다.
마찬가지로, 메인 가열 공간(Z2)은 이동수단(220)의 이동방향으로 배치되는 복수 개의 서브 메인 가열 공간(Z21, Z22, Z23, Z24)을 포함한다.
가열수단(230)은 전기 또는 연소에 의하여 발생된 고열을 가열 공간(Z1, Z2)에 제공하며, 복수의 가열 유닛(231 ~ 238)들을 포함한다. 가열 수단(230)으로부터 공급되는 열에 의하여 가열 공간(Z1, Z2)을 기설정된 속도로 이동하는 상기 피스톤 조립체들은 연속적으로 예비 가열된 다음, 용접될 수 있다.
이때, 복수의 가열 유닛(231 ~ 238)들은 각각 복수 개의 서브 예비 가열 공간(Z11, Z12, Z13, Z14) 및 복수의 서브 메인 가열 공간(Z21, Z22, Z23, Z24)에 각각 배치되며, 하나의 가열 유닛(231 ~ 238)은 다른 가열 유닛과 서로 다른 열량을 제공함으로써, 각각의 서브 예비 가열 공간(Z11, Z12, Z13, Z14) 및 서브 메인 가열 공간(Z21, Z22, Z23, Z24)들의 내부 온도가 다르게 형성될 수 있다. 각 서브 예비 가열 공간(Z11, Z12, Z13, Z14) 및 서브 메인 가열 공간(Z21, Z22, Z23, Z24)들의 일방향 길이, 즉 이동수단(220)의 이동 방향으로의 길이는 동일하게 형성될 수 있다. 따라서, 이동수단(220)에 의하여 상기 피스톤 조립체가 이동되는 과정에서, 각 서브 예비 가열 공간(Z11, Z12, Z13, Z14) 및 서브 메인 가열 공간(Z21, Z22, Z23, Z24)에서 머무는 시간은 동일하다.
본 실시예에서, 예시적으로 서브 예비 가열공간(Z11, Z12, Z13, Z14)의 제1 서브 예비 가열 공간(Z11)의 내부온도는 제1 예비 가열 온도(Temp1)로, 제2 서브 예비 가열 공간(Z12)의 내부온도는 제2 예비 가열 온도(Temp2)로, 제3 서브 예비 가열 공간(Z13)의 내부온도는 제2 예비 가열 온도(Temp2)로, 제4 서브 예비 가열 공간(Z12)의 내부온도는 제3 예비 가열 온도(Temp3)로 형성될 수 있다.
제1 예비 가열 온도(Temp1), 제2 예비 가열 온도(Temp2) 및 제3 예비 가열 온도(Temp3) 순으로 상승된다. 제1 예비 가열 온도(Temp1), 제2 예비 가열 온도(Temp2) 및 제3 예비 가열 온도(Temp3)는 접합부재(130)의 용융 온도보다 낮게 형성되며, 제3 예비 가열 온도(Temp3)는 접합부재(130)의 상기 용융온도에 근접하게 형성된다.
예시적으로, 제1 예비 가열 온도(Temp1)는 섭씨 500도 보다 크고 섭씨 800도 보다 작게 형성되며, 제2 예비 가열 온도(Temp2) 및 제3 예비 가열 온도(Temp3)는 섭씨 800도 보다 크며 섭씨 1200도 보다 작게 형성될 수 있다.
즉, 상기 피스톤 조립체가 예비 가열 공간(Z11, Z12, Z13, Z14)에서 예비 가열 단계를 거침으로써, 상기 피스톤 조립체에 조립된 접합부재(130)의 전체 면적의 온도가 균일하게 상기 용융온도에 근접한 온도까지 상승될 수 있게 된다.
한편, 각 서브 메인 가열 공간(Z11, Z12, Z13, Z14)들의 내부 온도는 메인 가열 온도(Temp4)로 균일하게 유지된다. 이때, 메인 가열 온도(Temp4)는 접합부재(130)의 상기 용융온도보다 높게 형성되며, 예시적으로 섭씨 1000도보다 크고 섭씨 1300도보다 작게 형성된다.
본 실시예에 따른 접합부재(130)는 예시적으로 3원계 니켈 필러 메탈 일 수 있으며, 이 경우, 접합부재(130)의 상기 용융온도는 예시적으로, 섭씨 950도 내지 섭씨 1070도이다. 제1 예비 가열 온도(Temp1), 제2 예비 가열 온도(Temp2) 및 제3 예비 가열 온도(Temp3)는 접합부재(130)의 상기 용융온도인 섭씨 950도 내지 섭씨 1070도보다 낮게 설정되며, 메인 가열 온도(Temp4)의 상기 용융온도보다 높게 설정된다.
상기 피스톤 조립체가 메인 가열 공간(Z2)의 내부 공간에서 메인 가열 단계를 거치면서, 상기 피스톤 조립체의 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120) 사이에 배치된 접합부재(130)가 용융되면서 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)로 확산되면서, 제1 피스톤부(110)의 접합면(112, 113) 및 제2 피스톤부(120)의 접합면(122, 123)이 상호 간에 견고하게 용접되도록 한다.
냉각 공간(Z3, Z4)은 제1 냉각 공간(Z3) 및 제1 냉각 공간(Z3)과 연통되는 제2 냉각 공간(Z4)을 포함한다.
제1 냉각 공간(Z3)은 제2 개방부(212)를 통하여 가열 공간(Z1, Z2)과 연통되며, 제2 개방부(212)를 통하여 제1 냉각 공간(Z3)으로 이동된 상기 피스톤 유닛은 제1 냉각 단계를 거친다. 제1 냉각 공간(Z3)의 내부 온도는 전방, 즉 제2 개방부(212) 측에서 후방, 즉 제2 냉각 공간(Z4) 측으로 갈수록 온도가 급격하게 감소된다. 즉, 제1 냉각 공간(Z3)의 내부 온도는 메인 가열 온도(Temp4)에서 냉각 온도(Temp5)로 감소된다. 이때, 냉각 온도(Temp5)는 예시적으로 섭씨 10 도 내지 100도 일 수 있다. 따라서, 상기 제1 냉각 단계에서 상기 피스톤 유닛은 급속 냉각 과정을 거치게 된다.
이때, 제1 냉각 공간(Z3)의 내부 온도를 급속하게 하강시키기 위하여, 저온의 냉각 가스를 제1 냉각 공간(Z3)에 공급할 수 있다.
제2 냉각 공간(Z4)의 내부 온도는 냉각 온도(Temp5)로 유지되며, 제2 냉각 공간(Z4)에서 상기 피스톤 유닛은 제2 냉각 단계를 거친다. 상기 제2 냉각 단계에서는 상기 제1 냉각 단계에 비하여 상대적으로 낮은 속도로 상기 피스톤 유닛의 냉각이 이루어질 수 있다. 제2 냉각 공간(Z4)은 제3 개방부(213)을 통하여 외부와 연통될 수 있다.
제2 냉각 공간(Z4)의 상기 일방향으로의 길이는 제1 냉각 공간(Z3)의 상기 일방향으로의 길이보다 길게 형성된다. 따라서, 제1 냉각 공간(Z3) 및 제2 냉각 공간(Z4)을 동일한 속도로 상기 피스톤 유닛이 이동하게 될 경우, 제2 냉각 공간(Z4)에서 냉각이 수행되는 상기 제2 냉각 단계가 상기 제1 냉각 단계보다 더 긴 시간 동안 이루어 질 수 있다. 예시적으로 하나의 상기 피스톤 유닛이 제1 냉각 공간(Z3)에서 머무는 시간은 동일한 상기 피스톤 유닛이 제2 냉각 공간(Z4)에서 머무는 시간의 2배 내지 4배의 범위에 포함될 수 있다.
본 실시예에서, 냉각 공간(Z3, Z4)는 제2 개방부(212) 및 제3 개방부(213)를 제외한 나머지 부분이 폐쇄된 공간으로 설명되고 있으나, 제3 개방부(213)가 형성되지 않고, 냉각 공간(Z3, Z4)이 전체적으로 개방된 분위기로 형성되는 구성 또한 본 발명의 실시예에 포함된다.
이동 수단(220)은, 용접되기 전의 상기 피스톤 조립체가 가열 공간(Z1, Z2) 및 냉각 공간(Z3, Z4)를 거치면서 용접 및 냉각되도록, 상기 피스톤 조립체를 일방향으로 이동시킨다.
이동 수단(220)은, 예시적으로 컨베이어 벨트를 이용한 이동 장치일 수 있으며, 복수의 상기 피스톤 조립체가 안착되며 일방향으로 이동되는 컨베이어 벨트(211), 컨베이어 벨트(211)를 일방향으로 이동되도록 하기 위한 회전력을 제공하는 동력부(221, 223)을 포함한다. 본 실시예에 따른 컨베이어 벨트(211)는 예시적으로 분당 5 내지 30 센티미터의 속도로 이동할 수 있다.
컨베이어 벨트(211)의 상면과 상기 피스톤 조립체 사이에는 판상의 안착 부재(400)가 배치되어, 상기 피스톤 조립체의 안착이 안정적으로 이루어지며, 상기 피스톤 조립체의 손상을 방지할 수 있다.
상기 피스톤 조립체는 제1 피스톤부(110), 접합 부재(130) 및 제2 피스톤부(120) 순서로 적층된 상태로 컨베이어 벨트(211)에 안착된다. 즉, 연소 공동(115)이 형성되는 제1 피스톤부(110)이 가장 아래에 위치되며, 피스톤 스커트(125) 및 핀 홀(216)이 형성되는 제2 피스톤부(120)가 가장 위에 위치되도록, 상기 피스톤 조립체를 배치시켜, 컨베이어 벨트(211) 상에 안착시킨다. 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)의 경계면이 상기 피스톤 조립체의 무게 중심보다 아랫쪽에 위치되도록 함으로써, 보다 안정적인 상기 피스톤 조립체의 이송이 이루어질 수 있다.
한편, 피스톤 제조 장치(200)의 가열 공간(Z1, Z2)은 일부가 개방된 상태로 형성되면, 개방된 분위기의 가열 공간(Z1, Z2)에서 고온의 가열 단계를 거치면서 상기 피스톤 조립체의 표면에 산화가 발생될 수 있는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 제조 방법을 수행하는 피스톤 제조 장치(200)는 혼합 가스 공급부(240)를 더 포함한다. 혼합 가스 공급부(240)는, 혼합 기체를 가열 공간(Z1, Z2)의 내부로 공급하며, 가열 공간(Z1, Z2)으로 공급된 혼합 기체는 가열 공간(Z1, Z2) 내부를 이동하는 상기 피스톤 조립체들의 산화를 억제하며, 개방된 외부로 배출된다.
혼합 가스 공급부(240)의 공급 유로(f1)는 예시적으로 제3 서브 메인 가열 공간(Z23) 및 제4 서브 메인 가열 공간(Z24) 사이에 배치된 기체 토출구(미도시)로부터 하방을 향하여 형성된다. 즉, 혼합 가스의 공급 유로(f1)는 냉각 공간(Z3, Z4)에 인접한 가열 공간(Z1, Z2)의 후방부 측에 배치된다.
가열 공간(Z1, Z2)에 유입되는 혼합 가스는 가열 공간(Z1, Z2) 내부에서 제 개방부(211) 및 제2 개방부(212)를 향하는 배출 유로(f11, f12)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
혼합 가스는 예시적으로 질소 및 수소 혼합 기체일 수 있으며, 이러한 경우 제1 개방부(211) 및 제2 개방부(212) 또는 제3 개방부(213) 측에는 상기 수소를 제거하기 위한 연소 수단(미도시)이 마련될 수 있다. 질소의 경우 불활성 기체이며, 수소는 환원 기체로서, 본 실시예에 따른 혼합 가스를 가열 공간(Z1, Z2)에 공급함으로써, 가열 과정에서 상기 피스톤 조립체가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
본 실시예에서는 연속적으로 상기 피스톤 조립체가 피스톤 제조 장치(200)의 내부로 이송되어 용접 및 냉각됨으로써, 보다 생산성이 향상될 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 의할 경우, 상기 피스톤 조립체는 이동 수단(220)에 의하여 이동되며 가열 및 용접되기 때문에, 상기 피스톤의 정합 상태가 유지되어야 한다. 따라서, 이하에서는 상기 피스톤 조립체가 이동과정에서 정합 상태가 유지되도록 하는 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
도 8은 도 6의 피스톤 제조 장치에 피스톤 조립체가 안착될 때, 피스톤 조립체가 지그에 의하여 파지된 상태의 단면을 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 피스톤 제조 과정에서, 상기 피스톤 조립체가 조립되어, 상기 피스톤 조립체가 피스톤 제조 장치(200)의 컨베이어 벨트(221)에 안착된 상태에서, 지그(300)가 상기 피스톤 조립체에 설치되어, 제2 피스톤부(120)를 제1 피스톤부(110) 측으로 가압하여, 상기 피스톤 조립체가 정합된 상태가 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
지그(300)는 중량(heavy weight) 금속 재질로 형성되는 제1 지그(310) 및 제2 지그(320)를 포함한다.
제1 지그(310)는 제2 피스톤부(120)의 중앙홀(160) 측에 배치되어, 제2 피스톤부(120)를 제1 피스톤부(110) 측으로 가압한다.
제2 지그(320)는, 내부에 관통홀(323)이 형성되는 제2 지그 몸체(321)와, 제2 지그 몸체(321)의 양 단부에서 하방을 향하여 연장 형성되며, 제2 피스톤부(120)의 헤드부(129)의 일면과 접촉되는 한 쌍의 가압부(322)를 포함한다. 제2 지그(320)가 상기 피스톤 결합체에 설치된 상태에서, 제2 지그 몸체(321)는 상기 피스톤 결합체와 일정 거리 이격된다. 그리고, 제2 지그 몸체(321)에 형성된 관통홀(323)을 통하여 가열 공간(Z1, Z2)의 열이 상기 피스톤 결합체로 원활하게 전달될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 지그(300)의 제1 지그(310)는 상기 피스톤 결합체의 주앙부를 가압하며, 제2 지그(320)는 상기 피스톤 결합체의 테두리 부분을 가압함으로써, 상기 피스톤 결합체에 대한 균일한 가압력을 제공할 수 있다.
도 9는 도 6의 피스톤 제조 장치에 의한 피스톤 제조 공정 전/후 피스톤의 금속 조직 크기를 보여주는 도면이다.
도 9(A)는 본 실시예에 따른 피스톤(1)이 용접을 거치기 전, 상기 피스톤 결합체의 일부 단면에 형성된 금속 조직을 광학 현미경으로 촬영한 도면이며, 도 9(B)는 상기 피스톤(1)이 용접 및 냉각을 거친 다음, 상기 피스톤 유닛의 일부 단면에 형성된 금속 조직을 광학 현미경으로 촬영한 도면이다.
도 9(A) 및 9(B)를 참조하면, 본 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 의한 제조 공정을 거치기 전, 제1 피스톤부(110) 및/또는 제2 피스톤부(120)에 형성된 금속 조직 내의 펄라이트 조직(G1)의 결정립 크기는 제1 크기(W1)로 형성된다.
그리고, 상기 제조 공정을 거친 다음, 상기 피스톤 유닛에 형성된 금속 조직 내의 펄라이트 조직(G2)의 결정립 크기는 제2 크기(W2)로 형성된다.
이때, 제1 크기(W1)는 제2 크기(W2)보다 크게 형성되며, 예시적으로 제1 크기(W1)는 64 um 내지 90 um 크기로 형성되며, 제2 크기(W2)는 32 um 내지 45 um로 형성된다.
또한, 본 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 의하 제조 공정을 거친 피스톤(1)의 경도(Hardness)가 상기 제조 공정을 거치기 전의 상기 피스톤 조립체의 경도 대비 약 2 % 내지 5 % 상승하였음을 확인하였다.
본 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 의할 경우, 피스톤(1)의 금속 조직의 입자 크기가 감소되며, 경도는 증가되는 장점이 있다.
도 10은 도 6의 피스톤 제조 장치에서 피스톤 조립체가 용접되어 형성된 피스톤 유닛의 냉각 갤러리를 보여주는 도면이며, 도 11은 도 10의 XII 부분을 확대한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 제조 방법에 의하여 제조된 피스톤(1)의 냉각 갤러리(140)의 내면에는 접합 부재(130)의 일부가 확산되어 형성되는 확산층(150)이 형성된다.
확산층(150)은 접합 부재(130)에 포함된 니켈계 합금 재질의 이종 금속을 포함하고 있으며, 확산층(150)이 냉각 갤러리(140)의 내면에 형성됨에 따라서, 냉각 갤러리(140)의 열전도율 및 내부식성을 향상시킬 수 있다.
한편, 피스톤(1)의 피스톤 몸체에는, 피스톤 몸체의 상면과 나란하며, 냉각 갤러리(140)를 관통하는 접합 계면(I)이 형성된다.
접합 계면(I)은 접합 부재(130)가 용융되어 확산되면서, 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)의 접합면들이 접합되어 형성된 부분이며, 접합 계면(I)의 중앙(A)에서 접합 계면(B)의 바깥쪽으로 갈수록 스틸 재질로 형성되는 상기 피스톤 몸체의 재질과 다른 이종 금속, 예시적으로 니켈의 농도가 작아진다.
이하는 예시적으로 도 11의 피스톤의 접합 계면의 성분을 분석한 자료이다.
위치 C(%) Si(%) Fe(%) Ni(%)
A 1.83 8.98 14.34 74.56
B 1.36 2.21 42.13 54.3
즉, 본 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 의할 경우, 접합 부재(130)가 배치 되었던 접합 계면(I)에서의 금속 확산이 원활하게 이루어져, 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)가 안정적으로 용접될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법을 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법은 먼저 제1 피스톤(110), 접합 부재(130) 및 제2 피스톤(120)을 정렬시켜, 상기 피스톤 조립체를 조립하는 피스톤 조립 단계(S100)를 수행한다.
그 다음, 조립된 상기 피스톤 조립체에 지그(300)를 설치하여, 상기 피스톤 조립체가 정렬된 상태가 안정적으로 유지되도록 하는 지그 설치 단계(S200)를 수행한다.
그 다음, 상기 피스톤 조립체를 제조 장치(200)의 컨베이어 벨트(221)에 안착시킨 다음, 안착된 상기 피스톤 조립체들을 제조 장치(200)의 가열 공간(Z1, Z2)에서 가열하여 연속적으로 용접시키는 피스톤 용접 단계(S300)를 수행한다.
피스톤 용접 단계(S300)에서, 접합 부재(130)의 용융 온도도 직전까지 상기 피스톤 조립체를 가열시키는 상기 예비 가열 단계 및 상기 예비 가열 단계에서 예비 가열된 상기 피스톤 조립체를 접합 부재(130)의 상기 용융 온도보다 높은 메인 가열 온도로 가열하여, 접합 부재(130)의 확산에 의하여 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)가 서로 용접되도록 하는 메인 가열 단계를 수행한다.
이때, 상기 메인 가열 온도는, 접합 부재(130)의 상기 용융 온도보다 높고, 모재, 즉 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)의 용융 온도보다는 낮게 형성된다.
그 다음, 상기 피스톤 조립체가 용접되어 형성된 상기 피스톤 유닛을 냉각시키는 피스톤 냉각 단계(S400)를 수행한다.
피스톤 냉각 단계(S400)에서, 상기 메인 가열 단계에서 상기 메인 가열 온도까지 가열된 상기 피스톤 유닛을 급속 냉각시키기 위한 제1 냉각 단계, 및 상기 제1 냉각 단계에서 냉각된 상기 피스톤 유닛을 냉각 온도로 냉각시키는 제2 냉각 단계를 수행한다.
그 다음, 냉각이 완료된 상기 피스톤 유닛의 연소 공동(115) 측으로 돌출되는 걸림부(127)를 제거하고, 상기 피스톤 유닛을 가공하는 피스톤 가공 단계(S500)를 수행한다. 피스톤 가공 단계(S500)는 예시적으로 절삭 가공일 수 있다. 이때, 피스톤 가공 단계(S500)는, 걸림부 제거 단계라고도 할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 걸림부(127)가 제거되는 절삭 가공 등에 의하여 제거되는 피스톤 가공 단계(S500)를 포함하는 구성으로 설명되고 있으나, 걸림부(127)가 외부로 돌출되지 않는 상태에서 제1 피스톤부(110) 및 제2 피스톤부(120)의 조립된 상태가 유지되도록 하는 경우, 피스톤 가공 단계(S500)에서 걸림부(127)를 제거하지 않을 수 있다.
제안되는 실시예에 의하면, 브레이징 방법에 의하여 스틸 재질의 피스톤을 제조함으로써, 플래시(Flashing) 없이 상부 피스톤부 및 하부 피스톤부를 용접할 수 있는 장점이 있다.
또한, 피스톤 제조 공정이 개방된 분위기에서 이루어짐에 따라서, 피스톤의 용접을 연속적으로 수행할 수 있어, 피스톤의 제조 효율이 증대될 수 있는 이점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허 청구 범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예들을 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 걸림부가 형성되는 구성에 있어서 차이가 있을 뿐, 다른 구성에 있어서는 도 1 내지 도 12에서 설명되고 있는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법과 동일하므로, 이하에서는 본 실시예의 특징적인 부분을 중심으로 설명한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 조립단계에서 조립된 피스톤(5)은, 제1 피스톤부(510), 제2 피스톤부(520)을 포함하며, 제1 피스톤부(510), 제2 피스톤부(520), 제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520) 사이에 배치되는 접합 부재(미도시)가 조립된 상태에서, 가열되어 제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520)가 용접된다.
제1 피스톤부(510)는, 제1 접합면(512), 제2 접합면(513)과, 제1 접합면(512) 및 제2 접합면(513) 사이에 배치되는 제1 홈을 포함하고, 제2 피스톤부(520)는 제1 접합면(512)과 마주보는 제3 접합면(522), 제2 접합면(513)과 마주보는 제4 접합면(523)과, 제3 접합면(522) 및 제4 접합면(523) 사이에 배치되는 제2 홈을 포함한다. 제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520)가 용접, 예시적으로 브레이징된 상태에서, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 서로 연통되며, 냉각 갤러리(540)를 형성한다.
본 실시예에 따른 피스톤(5)의 제1 피스톤부(510)는 걸림부(517)를 더 포함한다.
걸림부(517)는, 제1 피스톤부(510)의 중심 측에 배치되는 제2 접합면(513)에 인접한 테두리에 배치되며, 제2 접합면(513)이 이루는 평면과 교차되는 방향, 바람직하게 수직한 방향으로 돌출 형성된다. 즉, 걸림부(517)는 제2 접합면(513) 보다 더 제1 피스톤부(510)의 중심 측으로 인접한 위치에 형성되며, 제1 피스톤부(510)로부터 제2 피스톤부(520)를 향하여 수직한 방향으로 돌출 형성된다.
제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520)가 조립된 상태에서, 걸림부(517)는, 제2 피스톤부(520)의 내측 테두리, 즉 제4 접합면(523)에 인접한 테두리를 감싸게 된다. 예시적으로 걸림부(517)는 제2 접합면(513)이 인접한 상기 테두리가 이루는 환형에 대응되는 환형으로 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 피스톤(5)의 제1 접합면(512), 제2 접합면(513), 제3 접합면(522) 및 제4 접합면(524)의 위치는 상호 간에 변경될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 피스톤(5)의 제1 접합면(512) 및 제3 접합면(522)은, 각각 제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520)의 외주 측에 인접하게 배치되며, 제2 접합면(513) 및 제4 접합면(523)은 각각 제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520)의 중심 측에 인접하여 배치되지만, 제1 접합면(512) 및 제3 접합면(522)이, 각각 제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520)의 중심 측에 인접하게 배치되며, 제2 접합면(513) 및 제4 접합면(523)이 각각 제1 피스톤부(510) 및 제2 피스톤부(520)의 외주 측에 인접하여 배치될 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이며, 도 15는 도 14의 XV 부분을 확대하여 보여주는 도면이다.
먼저, 도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 본 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 조립단계에서 조립된 피스톤(6)은, 제1 피스톤부(610), 제2 피스톤부(620)을 포함하며, 제1 피스톤부(610), 제2 피스톤부(620), 제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620) 사이에 배치되는 접합 부재(미도시)가 조립된 상태에서, 가열되어 제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620)가 상호 용접된다.
제1 피스톤부(610)에는 제1 접합면(612) 및 제2 접합면(613)이 형성되며, 제2 피스톤부(620)에는 제3 접합면(622) 및 제4 접합면(623)이 형성된다. 제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620)이 상호 용접된 상태에서, 제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620) 사이에는 냉각 갤러리(640)가 형성된다.
제2 피스톤부(620)는, 걸림부(627)를 더 포함한다.
걸림부(627)는, 제2 피스톤부(620)의 외주 측에 배치되는 제3 접합면(622)에 인접한 테두리에 배치되며, 제3 접합면(622)이 이루는 평면과 교차되는 방향, 바람직하게 수직한 방향으로 돌출 형성된다. 즉, 걸림부(627)는 제3 접합면(622) 보다 더 제2 피스톤부(620)의 외주 측으로 돌출된 위치에 형성되며, 제2 피스톤부(620)로부터 제1 피스톤부(610)를 향하여 수직한 방향으로 돌출 형성된다.
제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620)가 조립된 상태에서, 걸림부(627)는, 제1 피스톤부(610)의 외주면, 즉 제1 접합면(612)에 인접한 테두리를 감싸게 된다. 예시적으로 걸림부(627)는, 제3 접합면(622)이 인접한 상기 테두리, 즉 제2 피스톤부(620)의 외주가 이루는 환형에 대응되는 환형으로 형성될 수 있다.
한편, 걸림부(627) 및 걸림부(627)와 마주보는 다른 피스톤부(610)의 모서리부에는 모서리가 라운드지게 형성되는 라운드부 및/또는 상기 모서리가 컷팅되는 컷팅부가 형성된다.
본 실시예에 따른 피스톤(6)의 걸림부(627) 측 및 이와 마주보는 제1 피스톤(610)의 모서리부에는 각각 상기 라운드부가 형성된다.
이하에서는 상기 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
도 15를 참조하면, 본 실시예에 따라 제조된 피스톤(6)의 제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620) 사이에는 접합 계면(I)이 형성된다. 제2 피스톤부(620)의 제3 접합면(622)과 걸림부(627) 사이에는 기설정된 곡률 반경을 갖는 제1 라운드부(629)가 형성되며, 제1 피스톤부(610)의 제1 접합면(612)과 인접하는 상기 테두리 모서리에는 기설정된 곡률 반경을 갖는 제2 라운드부(619)가 형성된다. 제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620)가 조립 또는 용접된 상태에서, 제2 라운드부(619)는 제2 라운드부(629)와 마주보도록 배치된다.
그리고, 제1 라운드부(629) 및 제2 라운드부(619)의 상기 곡률 반경은 서로 다르게 형성된다.
보다 상세히, 제2 라운드부(619)의 상기 곡률 반경은 제1 라운드부(629)의 상기 곡률 반경보다 크게 형성된다. 즉, 제2 라운드부(619)의 곡률은 제1 라운드부(629)의 곡률보다 작게 형성된다.
제1 피스톤부(610)의 모서리 부분과 제2 피스톤부(620)의 모서리 부분이 상호 접촉되는 경우, 상기 모서리 부분들을 제외한 제1 피스톤부(610) 및 제2 피스톤부(620)의 다른 부분이 상대적으로 더욱 상호 이격되어 조립됨으로써, 피스톤(6)의 용접이 불량하게 이루어질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 피스톤(6)의 걸림부(627)가 형성되는 제1 라운드부(629)의 상기 곡률 반경이, 제2 라운드부(629)의 상기 곡률 반경이 작게 형성됨에 따라서, 제2 라운드부(619) 측이 제1 라운드부(629)이 용접 과정에서 직접 접촉되는 것이 방지될 수 있다.
한편, 제2 피스톤부(610)의 제3 접합면(622)의 다른 쪽 테두리, 즉 제2 라운드부(619)가 형성된 상기 모서리의 반대쪽 모서리 측에는 사선으로 컷팅된 컷팅부(628)가 형성된다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 실시예에 따른 피스톤(7)은 제1 접합면(712) 및 제2 접합면(713)을 갖는 제1 피스톤부(710)와, 제3 접합면(722) 및 제4 접합면(723)을 갖는 제2 피스톤부(720)를 포함하고, 제1 피스톤부(710) 및 제2 피스톤부(720) 사이에는 냉각 갤러리(740)가 형성된다. 한편, 제1 피스톤부(710) 및 제2 피스톤부(720)의 접합면들(712, 713, 722, 723) 사이에는 접합 부재(미도시)가 배치되지만, 설명의 편의를 위하여 도 16에서는 상기 접합 부재를 생략하고 설명한다.
한편, 본 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에서는, 피스톤(7)에 대하여 분리 가능한 별도의 부재(Member)로 형성되는 걸림부(750)가 제1 피스톤부(710) 및 제2 피스톤부(720)의 조립된 정합 상태가 유지되도록 한다.
보다 상세히 걸림부(750)는, 환형으로 형성되며 중앙에는 관통홀(752)이 형성되는 걸림부 몸체(751)를 포함한다.
걸림부 몸체(751)의 외경은 제1 피스톤부(710)의 접합면(712, 713)들 중 중앙 측에 배치되는 제2 접합면(713)에 인접한 제1 피스톤측 접합면 테두리(719)와, 제2 피스톤부(720)의 접합면(722, 723)들 중 중앙 측에 배치되는 제4 접합면(723)에 인접한 제2 피스톤측 접합면 테두리(729)의 내경에 대응되는 크기로 형성된다.
피스톤(7)을 제조하기 위하여 제1 피스톤부(710), 제2 피스톤부(720) 및 상기 접합 부재가 조립된 상기 피스톤 조립체에, 걸림부(750)가 배치된 상태에서, 걸림부(750)의 외주면은 제1 피스톤측 접합면 테두리(719) 및 제2 피스톤측 접합면 테두리(729)에 동시에 접촉된다.
걸림부(750)는, 제1 피스톤부(710) 측에 관통 형성된 연소 공동(715) 측에 배치되며, 제2 피스톤부(720)의 안착면(728)에 안착된다. 안착면(728)은 제2 피스톤측 접합면 테두리(729)에 대하여 절곡된 형상으로 형성되며, 안착면(728)은 제4 접합면(723)가 나란하게 형성된다. 즉, 안착면(728)은 제4 접합면(723)에 대하여 일정 높이 단차를 갖도록 형성되며, 안착면(728)과 제4 접합면(723) 사이에는 제1 피스톤측 접합면 테두리(729)가 배치된다.
본 실시예에 의하면, 피스톤(7)의 제조 과정에서, 분리 가능한 걸림부(750)가 제공됨에 따라서, 걸림부(750)를 제거하기 위한 별도의 절삭 공정이 필요하지 않으며, 제1 피스톤부(710) 및 제2 피스톤부(720)의 구조가 단순해질 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 의하면, 걸림부(750)는 피스톤 가공 단계(S500), 즉 상기 걸림부 제거 단계에서 별도의 지그와 같은 도구 또는 용접된 상기 피스톤 유닛을 뒤집거나 상기 피스톤 유닛에 기설정된 크기의 진동을 가하여, 상기 피스톤 유닛으로부터 제거할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 엔진용 피스톤 제조 방법에 따라 차량 엔진용 피스톤이 제조되는 과정에서 피스톤 조립체가 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 피스톤(8)은 제1 접합면(812) 및 제2 접합면(813)을 갖는 제1 피스톤부(810)와, 제3 접합면(822) 및 제4 접합면(823)을 갖는 제2 피스톤부(820)를 포함하고, 제1 피스톤부(810) 및 제2 피스톤부(820) 사이에는 냉각 갤러리(840)가 형성된다. 본 실시예는 걸림부(850)의 구성에 있어서, 도 16에서 설명되고 있는 피스톤 제조 방법과 차이가 있을 뿐, 다른 구성은 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 본 실시예의 특징적인 부분을 중심으로 설명한다.
본 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 따른 공정 중, 걸림부(850)는 걸림부 몸체(851)의 외주면이 동시에 제1 피스톤측 접합면 테두리 및 제2 피스톤측 접합면 테두리 접합면 테두리와 접척되며, 연소 공동(815)의 높이에 대응되는 높이로 형성된다. 예시적으로, 연소 공동(815)의 깊이가 제1 피스톤부(810)의 상하 방향 두께 , 즉 제1 피스톤부(810)의 높이보다 큰 경우, 걸림부(850)는 제1 피스톤부(810)의 상하 방향 두께보다 더 큰 높이를 가질 수 있다.
걸림부(850)가 상기 피스톤 조립체에 장착된 상태에서, 걸림부(850)는 제1 피스톤부(810)에 관통 형성되는 연소 공동(815) 측에 배치되며, 걸림부 몸체(851)의 일면은 제1 피스톤부(810)의 일면과 나란하게 배치된다. 즉 걸림부 몸체(851)의 일면은 제1 피스톤부(810)의 일면과 실질적으로 동일한 평면을 형성한다. 이때, 걸림부 몸체(851)의 이면은 제2 피스톤부(820)에 의하여 지지된다.
제안되는 실시예에 따르면, 제1 피스톤부(810)의 상기 일면이 안착 부재(400)에 안착된 상태에서, 피스톤 제조 장치(200)에 인입되어 용접되는 경우에, 제1 피스톤부(810)의 상기 일면과 걸림부(850)의 상기 일면이 동시에 안착 부재(400)에 접촉됨으로써, 안착 부재(400)에 대한 상기 피스톤 조립체의 안착이 보다 안정적으로 이루어질 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허 청구 범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 5, 6, 7, 8 : 피스톤
110, 510, 610, 710, 810 : 제1 피스톤부
120, 520, 620, 720, 820 : 제2 피스톤부 130 : 접합부재
140, 540, 640, 740, 840 : 냉각 갤러리 200 : 피스톤 제조 장치
210 : 피스톤 제조 장치 몸체 220 : 이송 수단
Z1 : 예비 가열 공간 Z2 : 메인 가열 공간
Z3 : 제1 냉각 공간 Z4 : 제2 가열 공간
300 : 지그 310 : 제1 지그
320 : 제2 지그 400 : 안착부재

Claims (13)

  1. 차량 엔진용 피스톤의 제조방법에 있어서,
    서로 이격되며 원주방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제1 피스톤부, 접합 부재, 및 서로 이격되며 원주 방향으로 연장된 적어도 두 개의 접합면들을 갖는 제2 피스톤부를 조립하여 피스톤 조립체를 형성하는 피스톤 조립 단계;
    조립된 상기 피스톤 조립체를 가열하여 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부를 개방된 분위기에서 상호 용접시키는 피스톤 용접 단계; 및
    상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부가 용접되어 형성된 피스톤 유닛을 냉각하는 피스톤 냉각 단계;를 포함하고,
    상기 피스톤 조립체는 상기 제1 피스톤부 및 상기 제2 피스톤부가 조립된 위치가 유지되도록 하기 위한 걸림부;를 더 포함하고,
    상기 냉각된 피스톤 유닛에서, 상기 걸림부를 제거하는 걸림부 제거 단계;를 더 포함하고,
    상기 피스톤 용접단계는, 일부가 개방되어 있는 가열 공간, 상기 가열 공간 내부에 열을 제공하는 가열수단, 및 상기 가열 공간 내부에서 일방향으로 움직이는 이동수단을 포함하는 피스톤 제조 장치에서 이루어지며,
    상기 피스톤 용접단계에서, 상기 피스톤 조립체가 상기 이동수단에 의하여, 상기 가열 공간 내부를 일방향으로 기설정된 속도로 이동되면서 가열되고,
    상기 걸림부는, 상기 제2 피스톤에 형성되고, 상기 제2 피스톤부에 형성된 한 쌍의 상기 접합면 중, 상기 제2 피스톤부의 중심 측에 배치되는 어느 하나의 접합면에 인접한 테두리에 배치되며, 상기 접합면이 이루는 평면과 교차되는 방향으로 돌출 형성되며,
    상기 걸림부는, 상기 제1 피스톤부의 중앙에 형성되는 연소 공동에 삽입된 상태에서, 상기 연소 공동을 통하여 외부로 노출되는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 걸림부가 상기 제1 피스톤 부의 내측 테두리를 감싸도록, 상기 걸림부의 외주 직경은 상기 연소 공동의 직경에 대응되는 크기로 형성되는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 걸림부와 상기 어느 하나의 접합면 사이 또는 상기 걸림부와 상기 다른 하나의 접합면 사이에는 기설정된 곡률 반경을 갖는 제1 라운드부가 형성되며,
    상기 라운드부와 마주보는, 상기 걸림부가 형성되지 않은 상기 피스톤부의 모서리부에는 사선으로 형성되는 컷팅부 또는 기설정된 곡률 반경을 갖는 제2 라운드부가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 라운드부의 곡률 반경은 상기 제1 라운드부의 곡률 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 용접단계는,
    상온에서 상호 조립된 상기 피스톤 조립체를 상기 상온으로부터 상기 접합부재의 용융 온도보다 낮은 예비 가열 온도까지 가열하는 예비 가열 단계; 및
    상기 예비 가열 단계에서 상기 예비 가열 온도까지 가열된 상기 피스톤 조립체를 상기 접합부재의 상기 용융 온도보다 높은 메인 가열 온도로 가열하여, 상기 피스톤 조립체의 상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부를 상호 용접시키는 메인 가열 단계;를 포함하는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 피스톤부는, 피스톤 스커트 및 피스톤 핀홀을 포함하고,
    상기 제1 피스톤부, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부가 순서대로 적층되어 상기 피스톤 조립체를 형성한 상태에서, 복수의 상기 피스톤 조립체는, 상기 이동수단에 의하여 연속적으로 이동되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 피스톤 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 조립체가 형성된 상태에서, 상기 제1 피스톤, 상기 접합부재 및 상기 제2 피스톤부가 정렬된 상태가 유지되도록 하기 위한, 지그를 설치하는 지그 설치 단계;를 더 포함하고,
    상기 지그는,
    내부에 관통홀이 형성되는 지그 몸체와, 상기 지그 몸체의 양 단부에서 하방을 향하여 연장 형성되며 상기 제2 피스톤부의 테두리 일면과 접촉되는 가압부를 포함하고,
    상기 지그가 설치된 상태에서, 상기 지그 몸체는 상기 피스톤 조립체와 이격되는 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법.
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