KR101905924B1 - 실린더헤드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

실린더헤드 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실린더헤드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밸브시트 일체형 중자를 이용하여 제조되는 밸브시트 일체형 실린더 헤드 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 실린더헤드 제조를 위한 중력 주조 공정시, 밸브시트 일체형 중자를 제작하여 흡기포트 및 배기포트 등을 위한 중자와 함께 금형내에 조립한 다음, 실린더헤드의 중력 주조 공정을 진행함으로써, 밸브시트 일체형의 실린더헤드를 제조할 수 있고, 뿐만 아니라 밸브시트 압입홀 가공 및 밸브시트 냉간압입 등의 공정을 배제할 수 있도록 한 실린더헤드 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

실린더헤드 및 이의 제조 방법{Cylinder head and method for manufacturing the same}
본 발명은 실린더헤드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밸브시트 일체형 중자를 이용하여 제조되는 밸브시트 일체형 실린더 헤드 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
자동차용 엔진의 실린더헤드는 흡기 및 배기포트, 워터자켓 등과 같은 중공부를 갖는 복잡한 형상으로 제조되고 있으며, 각종 물성 및 내구 강화를 위하여 합금 소재 및 제조 공법 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
대개, 상기 실린더헤드는 흡기 및 배기포트를 비롯하여 워터자켓 등의 공간을 형성하기 위하여 중자를 내부에 장착하여 주조하는 방식을 채택하고, 주조 후 탈사 공정에서 중자를 분쇄하여 원하는 형상을 만들어 내고 있다.
여기서, 종래의 실린더헤드 및 그 제조 방법을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면 다음과 같다.
1) 중력 주조 공정
중력 주조 공정을 위하여, 먼저 흡기포트 및 배기포트, 상부 및 하부 워터자켓 등과 같은 중공부를 위한 중자를 금형내에 조립한 다음, 금형의 캐비티내에 실린더헤드 주조를 위한 용탕을 주입한다.
이어서, 통상의 냉각, 중자를 제거하는 탈사, 열처리 등의 공정을 진행함으로써, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같은 실린더헤드가 1차 완성된다.
도 1의 (a)에서 보듯이, 실린더헤드(10)의 중자가 제거된 자리에는 흡기포트(12), 배기포트(14), 워터자켓(16) 등이 형성된다.
2) 실린더헤드 단품 가공 공정
흡기밸브 및 배기밸브의 이동 경로가 되는 밸브가이드 압입홀과, 흡기밸브 및 배기밸브의 밸브시트가 압입되는 밸브시트 압입홀을 가공한다.
이에 도 1의 (b)에서 보듯이, 실린더헤드(10)의 상부에서 흡기포트(12) 및 배기포트(14)로 관통되는 밸브가이드 압입홀(18)이 형성되고, 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 연소실을 향하는 부분에는 밸브시트 압입홀(20)이 형성된다.
이때, 밸브시트를 냉간 압입하기 위하여 밸브시트 압입홀(20)은 정삭 가공된다.
3) 가공 및 조립 공정
도 1의 (c)에서 보듯이, 흡기 및 배기밸브의 밸브시트(22)가 밸브시트 압입홀(20)에 냉각 압입되는 조립 공정이 진행되고, 또한 밸브시트(22)의 표면을 비롯하여 밸브가이드 압입홀(18)에 대한 피니시(finish) 가공이 진행된다.
그러나, 종래의 실린더헤드 및 제조 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 실린더헤드에 밸브가이드 압입홀을 비롯하여 밸브시트 압입홀 등을 가공해야 하고, 밸브시트 압입홀에 밸브시트를 냉간 압입하는 공정 등 많은 제조 공수가 소요되고, 그에 따라 작업 사이클 타임이 증가하여, 작업성이 떨어지고 제조 비용이 증가하는 등의 문제점이 있다.
둘째, 실린더헤드의 밸브시트 압입홀에 압입되는 밸브시트의 내구력이 떨어지면 이탈될 우려가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 실린더헤드 제조를 위한 중력 주조 공정시, 밸브시트 일체형 중자를 제작하여 흡기포트 및 배기포트 등을 위한 중자와 함께 금형내에 조립한 다음, 실린더헤드의 중력 주조 공정을 진행함으로써, 밸브시트 일체형의 실린더헤드를 제조할 수 있고, 뿐만 아니라 밸브시트 압입홀 가공 및 밸브시트 냉간압입 등의 공정을 배제할 수 있도록 한 실린더헤드 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 흡기포트 및 배기포트, 워터자켓을 포함하는 실린더헤드에 있어서, 주조 공정시 금형내에 배치된 밸브시트 일체형 중자에 의하여 상기 흡기포트 및 배기포트의 말단부에 밸브시트가 일체로 주조된 것을 특징으로 하는 실린더헤드를 제공한다.
바람직하게는, 상기 밸브시트의 외경면에는 주조시 실린더헤드의 바디를 이루는 용탕과 접촉 결합되는 복수의 그루브가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡기포트의 밸브시트와 배기포트의 밸브시트 사이의 바디 내부에는 살두께 확보의 불필요성에 따라, 워터자켓이 확장 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 밸브시트 일체형 중자를 구비하는 단계와; 상기 밸브시트 일체형 중자를 실린더헤드 주조용 금형에 배치하는 단계와; 상기 금형에 배치된 밸브시트 일체형 중자 위에 흡기포트 및 배기포트용 중자를 적층 배치하는 동시에 워터자켓용 중자를 배치하는 단계와; 상기 금형의 캐비티내에 용탕을 주입한 후, 냉각, 탈사, 열처리 공정이 차례로 진행되는 단계; 를 통하여 흡기포트 및 배기포트의 말단부에 밸브시트가 일체화되도록 한 것을 특징으로 하는 실린더헤드 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 밸브시트 일체형 중자를 구비하는 단계는: 밸브시트의 외경면에 그루브를 형성하는 과정과; 밸브시트의 내경부에 중자인 코어를 채워넣는 과정과; 코어의 상면에 흡기포트 및 배기포트용 중자와의 결합을 위한 요부를 형성하는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 워터자켓용 중자를 배치할 때, 흡기포트의 밸브시트와 배기포트의 밸브시트 사이 위치에 주조시의 살두께 만큼 확장된 워터자켓 중자가 배치되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 실린더헤드 제조를 위한 중력 주조 공정시, 밸브시트 일체형 중자를 제작하여 흡기포트 및 배기포트 등을 위한 중자와 함께 금형내에 조립한 다음, 실린더헤드의 중력 주조 공정을 진행함으로써, 밸브시트 일체형의 실린더헤드를 용이하게 제조할 수 있다.
둘째, 실린더헤드를 밸브시트 일체형 구조로 제조함에 따라, 기존에 밸브시트 압입홀 가공 및 밸브시트 냉간압입 공정, 밸브시트 끼워맞춤 공차를 맞추기 위한 정삭 가공 등의 공정을 배제할 수 있으므로, 제조 공정수 절감을 비롯하여 제조 비용 절감을 도모할 수 있다.
셋째, 워터자켓 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
즉, 밸브시트 압입홀 가공 삭제로 워터자켓 중자 살두께 3mm 증대가 가능하여, 워터자켓의 강성 확보 및 유동 저항 감소를 도모할 수 있고, 또한 살두께(워터자켓-실린더 헤드-밸브 시트-연소실) 축소에 따른 실린더헤드 및 밸브시트의 금속면 온도 저감으로 열충격에 따른 내구력을 향상시킬 수 있다
도 1은 종래의 실린더헤드 및 제조 방법을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 실린더헤드 및 그 제조 방법을 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 실린더헤드에 밸브시트를 일체화시키기 위한 밸브시트 일체형 중자를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 실린더헤드 제조 금형 및 중자들을 분리하여 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 실린더헤드 제조 금형 및 중자들이 조립된 상태를 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 실린더헤드와 기존의 실린더헤드에 포함된 워터자켓 구조를 대비하여 나타낸 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 실린더헤드 및 그 제조 방법을 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 실린더헤드에 밸브시트를 일체화시키기 위한 밸브시트 일체형 중자를 나타낸 사시도이다.
도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 실린더헤드(10)는 흡기포트(12) 및 배기포트(14)를 비롯하여 여러개의 워터자켓(16)이 중공 구조를 이루며 성형된 것으로서, 특히 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에는 중력 주조 공정시 밸브시트(30)가 일체로 성형된 점에 주된 특징이 있다.
상기 밸브시트(30)를 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에 일체로 성형하기 위하여, 주조 공정시 금형(50)내에 배치된 밸브시트 일체형 중자(40)를 이용하게 된다.
참고로, 주조 공정에서 주물에 중공부를 만들때에는 주형(主型)과는 별도로 또 다른 주형(鑄型)을 만들어 중공부에 끼워 넣는데, 이 주형(鑄型)을 중자형이라 하고, 중자형에서 성형된 모래 구조물을 중자 또는 코어(Core)라고 한다.
도 3에서 보듯이, 상기 밸브시트 일체형 중자(40)는 밸브시트(30)과, 밸브시트(30)의 내경부에 채워지는 중자 즉, 코어(48)로 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 밸브시트 일체형 중자(40)의 밸브시트(30)는 외경면에 주조시 실린더헤드(10)의 바디를 이루는 용탕과 접촉 결합되는 복수의 그루브(32)가 형성되고, 상기 코어(48)의 상면에는 흡기포트용 중자(42) 및 배기포트용 중자(44)와의 결합을 위한 요부(49)가 형성된다.
이러한 밸브시트 일체형 중자(40)를 구비하는 방법은 밸브시트(30)의 외경면에 그루브(32)를 형성하는 과정과, 밸브시트(30)의 내경부에 중자인 코어(48)를 채워넣는 과정과, 코어(48)의 상면에 흡기포트용 중자(42) 및 배기포트용 중자(44)와의 결합을 위한 요부(49)를 형성하는 과정을 통하여 구비될 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 실린더헤드 제조 방법을 공정순으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같은 밸브시트 일체형 중자(40)를 구비한다.
상기 밸브시트 일체형 중자(40)는 상기와 같이 외경면에 그루브(32)가 형성된 밸브시트(30)과, 밸브시트(30)의 내경부에 채워지는 코어(48)로 구성된다.
다음으로, 도 4 및 도 5에서 보듯이 밸브시트 일체형 중자(40)를 실린더헤드 주조용 금형(50)에 배치한다.
이어서, 상기 금형(50)에 배치된 밸브시트 일체형 중자(40) 위에 흡기포트 및 배기포트용 중자(42,44)를 적층 배치하는 동시에 워터자켓용 중자(46)를 배치한다.
이때, 상기 흡기포트용 중자(42) 및 배기포트용 중자(44)의 하단부는 밸브시트 일체형 중자(40)의 코어(48)에 형성된 요부(49)에 삽입되며 안정적으로 결합되는 상태가 된다.
다음으로, 상기 흡기포트용 중자(42) 및 배기포트용 중자(44)를 비롯한 워터자켓용 중자(46) 등을 금형내에 배치한 상태에서 금형(50)을 조립한 후, 금형(50)내의 캐비티에 용탕을 주입하는 공정과, 냉각, 각 중자를 제거하는 탈사, 열처리 공정 등이 차례로 진행됨으로써, 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에 밸브시트(30)가 일체화된다.
즉, 금형에 용탕 주입 공정시 밸브시트 일체형 중자(40)의 밸브시트(30)의 외경면이 용탕과 닿는 동시에 외경면에 형성된 그루브(32)와 요철결합을 하게 되고, 탈사공정시 코어(48)가 제거되어, 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에 밸브시트(30)가 일체로 성형되는 상태가 된다.
이때, 상기 밸브시트(30)의 살두께는 시트폭을 기준으로 2.5t, 실린더헤드의 바디는 1.5t 수준으로 성형한다.
이와 같이, 실린더헤드(10)의 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에 밸브시트(30)를 일체로 성형함으로써, 기존에 밸브시트를 압입하기 위하여 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에 밸브시트 압입홀을 가공하는 공정과, 밸브시트를 압입하기 위한 밸브시트 냉간압입 공정과, 밸브시트 끼워맞춤 공차를 맞추기 위한 정삭 가공 등 여러 공정을 생략할 수 있으므로, 제조 공정수 절감을 비롯하여 제조 비용 절감을 도모할 수 있다.
한편, 상기 금형(50)에 워터자켓용 중자(46)를 배치할 때, 상기 흡기포트(12)의 밸브시트(30)와 배기포트(14)의 밸브시트(30) 사이의 바디 내부에는 살두께 확보의 불필요성에 따라, 확장된 크기의 워터자켓 중자를 배치하여, 워터자켓의 크기를 증대시킬 수 있다.
도 6의 (a)에서 보듯이 종래에는 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에 밸브시트(22)를 별도로 압입하기 때문에 흡기포트(12)의 밸브시트(22)와 배기포트(14)의 밸브시트(22) 사이의 바디 내부에는 밸브시트 압입을 위한 살두께(약 4t)가 필요하여, 종래의 흡기포트(12)의 밸브시트(22)와 배기포트(14)의 밸브시트(22) 사이에 존재하는 워터자켓(16)의 크기를 증가시킬 수 없는 단점이 있다.
반면, 상기 워터자켓용 중자(46)를 배치할 때, 본 발명의 흡기포트(12)의 밸브시트(30)와 배기포트(14)의 밸브시트(30) 사이 위치에 기존에 주조시 살두께(약 4t) 만큼 확장된 워터자켓 중자(46)를 배치함으로써, 도 6 (b)에서 보듯이 보다 큰 공간을 갖는 워터자켓(16)을 형성할 수 있으며, 이는 밸브시트 일체형 주조로 인하여 주조시 살두께가 불필요하기 때문이다.
10 : 실린더헤드
12 : 흡기포트
14 : 배기포트
16 : 워터자켓
18 : 밸브가이드 압입홀
20 : 밸브시트 압입홀
22 : 밸브시트
30 : 밸브시트
32 : 그루브
40 : 밸브시트 일체형 중자
42 : 흡기포트용 중자
44 : 배기포트용 중자
46 : 워터자켓용 중자
48 : 코어
49 : 요부
50 : 금형

Claims (6)

  1. 흡기포트(12) 및 배기포트(14), 워터자켓(16)을 포함하는 실린더헤드에 있어서,
    주조 공정시 금형(50)내에 배치된 밸브시트 일체형 중자(40)에 의하여 상기 흡기포트(12) 및 배기포트(14)의 말단부에 밸브시트(30)가 일체로 주조되고,
    상기 흡기포트의 밸브시트(30)와 배기포트의 밸브시트(30) 사이 위치에 주조시의 살두께 만큼 확장된 워터자켓 중자(46)를 배치하여, 상기 흡기포트(12)의 밸브시트(30)와 배기포트(14)의 밸브시트(30) 사이의 바디 내부에 워터자켓(16)이 확장 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브시트(30)의 외경면에는 주조시 실린더헤드(10)의 바디를 이루는 용탕과 접촉 결합되는 복수의 그루브(32)가 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  3. 삭제
  4. 밸브시트 일체형 중자(40)를 구비하는 단계와;
    상기 밸브시트 일체형 중자(40)를 실린더헤드 주조용 금형(50)에 배치하는 단계와;
    상기 금형(50)에 배치된 밸브시트 일체형 중자(40) 위에 흡기포트 및 배기포트용 중자(42,44)를 적층 배치하는 동시에 워터자켓용 중자(46)를 배치하는 단계와;
    상기 금형(50)의 캐비티내에 용탕을 주입한 후, 냉각, 탈사, 열처리 공정이 차례로 진행되는 단계;
    를 통하여,
    흡기포트 및 배기포트의 말단부에 밸브시트(30)가 일체화되도록 하되,
    상기 워터자켓용 중자(46)를 배치할 때, 흡기포트의 밸브시트(30)와 배기포트의 밸브시트(30) 사이 위치에 주조시의 살두께 만큼 확장된 워터자켓 중자(46)가 배치되도록 한 것을 특징으로 하는 실린더헤드 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 밸브시트 일체형 중자(40)를 구비하는 단계는:
    밸브시트(30)의 외경면에 그루브(32)를 형성하는 과정과;
    밸브시트(30)의 내경부에 중자인 코어(48)를 채워넣는 과정과;
    코어(48)의 상면에 흡기포트용 중자(42) 및 배기포트용 중자(44)와의 결합을 위한 요부(49)를 형성하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더헤드 제조 방법.
  6. 삭제
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