KR101920636B1 - 차량엔진용 이종접합 피스톤 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤이 요구하는 기계적 특성에 최대한 부합되어 있는 차량엔진용 이종접합 피스톤의 제조장치에 관한 것이다. 그의 구성은; 연소실과 접하는 피스톤본체의 상부는 제1재질로 되어 있는 강성부가 배치되고; 크랭크축과 연결되는 피스톤본체의 하부는 상기 제1재질에 비하여 강도가 낮고 경량인 제2재질로 되어 있는 경량부가 배치되며; 상기 강성부와 경량부는 용접에 의해 접합되어 있는 차량엔진용 이종접합 피스톤을 제조하기 위한 것으로서; 상기 제1 또는 제2재질로 되어 있는 제1환봉을 파지하고 이를 축회전시키기 위한 회전지지부; 제1환봉과 동일한 축선상에 위치하도록 상기 제2 또는 제1재질로 되어 있는 제2환봉을 파지하고 이를 고정시키기 위한 고정지지부; 상기 제1환봉의 고속회전을 급속히 정지하기 위한 브레이크수단; 및 상기 제1,2환봉을 서로 압착시키는 방향으로 상기 회전지지부와 고정지지부를 기동시키기 위한 환봉압착부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량엔진용 이종접합 피스톤 제조장치{Apparatus for Manufacturing Piston Made by Bonded Dissimilar Materials}

본 발명은 차량엔진용 피스톤에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 피스톤이 요구하는 기계적 특성에 최대한 부합되어 있는 차량엔진용 이종접합 피스톤의 소재가 되는 피스톤 모재를 마찰용접 방식으로 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.

차량의 엔진으로 사용되는 내연기관에는 각 연소실 마다 피스톤이 설치된다.

피스톤은 극한적 환경에 노출되어 있는 기계적 요소로서 연소실과 접하는 부분은 고열에 견뎌야 하는 반면, 엔진효율을 위해서는 경량일 것이 요구된다. 근래 피스톤은 경량화를 위하여 알루미늄 합금으로 제작되는 경우가 많다.

한편 하나의 단일제품에 다양한 물리적 또는 경제적 요구조건이 요구될 경우에 있어서, 이종소재가 접합되어 단일제품을 구성하도록 하는 경우가 있다. 강도, 내열성, 내마모성, 전기전도도 등 기계적(또는 전기적) 성질이 뛰어난 제품은 통상 고가인데, 제품 전체를 이러한 고가의 소재를 사용하기 힘든 경우 특히 필요한 부분에만 고가의 소재를 사용하고 나머지는 중저가의 일반소재를 사용하는 경우가 그러하다.

이종소재가 서로 융합되어 사용되는 경우는 접합부위의 안정성 때문에 사용처가 한정되어 있는 경우가 많다. 피스톤과 같은 기계요소에 이종재질의 접합을 채용하기란 필요성에 비하여 실제로 적용하기가 쉽지 않다.

이와 관련된 종래기술로서 대한민국 특허출원 제10-2007-0138331호는 탑랜드부에 이종 재질을 갖는 피스톤을 개시하는데, 이는 피스톤의 탑랜드부에 피스톤 본체의 재질보다 열팽창계수가 큰 이종 재질로 된 밴드부를 구비하여, 엔진 운전시 상기 이종 재질로 된 밴드부의 열팽창에 의해 엔진의 Dead Volume을 감소시켜 줄 수 있는 엔진용 피스톤에 대한 것이다.

한편 대한민국 특허출원 제10-2015-0127771호는 피스톤은 철계 합금으로 이루어지고, 피스톤의 오일 갤러리 내면에는 철과 상이한 이종 금속의 함유량이 상대적으로 더 높은 영역이 형성되어 있는 차량엔진용 피스톤 및 그 제조방법을 제안한다. 이 기술은 헤드부와 스커트부를 별도로 준비한 다음 브레이징으로 접합하는 것으로서, 이하에서 설명되는 바와 같이 본 발명자가 의도한 바와는 방법적인 면에서 방향을 달리한다.

대한민국 특허출원 제10-2007-0138331호 대한민국 특허출원 제10-2015-0127771호

본 발명의 목적은 이종재질의 접합에 의한 차량엔진용 피스톤 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 좀 더 구체적으로는 피스톤의 내구성과 경량화를 동시에 달성할 수 있도록 헤드부와 스커트부가 다른 재질로 구성되어 있는, 이종재질의 접합에 의한 차량엔진용 피스톤 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적은, 연소실과 접하는 피스톤본체의 상부는 제1재질로 되어 있는 강성부가 배치되고; 크랭크축과 연결되는 피스톤본체의 하부는 상기 제1재질에 비하여 강도가 낮고 경량인 제2재질로 되어 있는 경량부가 배치되며; 상기 강성부와 경량부는 용접에 의해 접합되어 있는 차량엔진용 이종접합 피스톤을 제조하기 위한 것으로서;

상기 제1 또는 제2재질로 되어 있는 제1환봉을 파지하고 이를 축회전시키기 위한 회전지지부;

제1환봉과 동일한 축선상에 위치하도록 상기 제2 또는 제1재질로 되어 있는 제2환봉을 파지하고 이를 고정시키기 위한 고정지지부;

상기 제1환봉의 고속회전을 급속히 정지하기 위한 브레이크수단; 및

상기 제1,2환봉을 서로 압착시키는 방향으로 상기 회전지지부와 고정지지부를 기동시키기 위한 환봉압착부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량엔진용 이종접합 피스톤의 제조장치에 의해 달성된다.

본 발명의 특징에 의하면, 상기 제1,2소재는 알루미늄 합금일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 회전지지부는 상기 제1환봉을 지지하기 위한 가이드롤러를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 고정지지부는 상기 제2환봉을 지지하기 위한 슬리브 형태의 가이더를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제1,2환봉의 접합부의 근방에는 상기 제1,2환봉을 각각 절단하기 위한 제1,2절단부가 마련될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제1,2환봉은 길이가 1 ~ 2m 일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

마찰용접에 의해 소재의 접합부위에 불가피하게 발생되는 플래시 부분을 절삭하여 제거하기 위한 것으로서;

상기 제1,2환봉의 접합부 인접한 곳에 위치되는 바이트; 상기 바이트를 전후좌우로 기동시키기 위한 바이트구동부를 포함하는 플래시절삭부가 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따르면, 이종재질의 접합에 의한 차량엔진용 피스톤 및 그 제조방법이 제공된다. 본 발명에 의하면, 엔진의 연소실과 접하고 있는 피스톤 헤드부는 (고온피로)강도가 높은 소재로 되어 있어 피스톤의 내구성이 향상되며, 연소실과 등지고 있는 피스톤 보스부(또는 스커트부)는 경량 소재로 되어 있어 피스톤의 경량화에 기여할 수 있는 이종접합 재질의 피스톤이 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 차량엔진용 이종접합 피스톤의 사시도이며, 도 2는 그의 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 차량엔진용 이종접합 피스톤의 제조공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 차량엔진용 이종접합 피스톤의 제조장치의 평면구성도이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 차량엔진용 이종접합 피스톤의 제조장치의 사용상태의 평면구성도이다

이하, 첨부된 도면을 동시에 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다.

연소실에 대한 위치적 관계의 관점에서, 피스톤(101)은 연소실과 접하는 헤드부와, 연소실과 등지고 있는 스커트부(또는 '보스부', 이하 '스커트부'라 함)로 구성된다. 피스톤링이 끼워지는 복수 개의 링홈, 피스톤핀이 끼워지는 핀홀 등이 피스톤의 구성요소이지만 본 발명의 설명에서는 논외로 한다.

본 발명의 특징에 의하면, 피스톤(101)의 상부는 제1재질로 되어 있는 강성부(103)가 배치되고, 크랭크축과 연결되는 피스톤(101)의 하부는 상기 제1재질에 비하여 강도가 낮고 경량인 제2재질로 되어 있는 경량부(105)가 배치된다. 강성부(103)와 경량부(105)는 색이 다르지 않으며, 접합면의 경계부는 식별이 어렵게 되어 있다. 다만 이해의 편의를 위해 각 도면에는 이들을 다른 색상으로 표현한 것일 뿐이다.

강성부(103)는 피스톤헤드가 포함되는 부위이며, 경량부(105)는 스커트부가 포함되는 부위이다. 강성부(103)의 두께(T)는 일반 소형차량의 엔진을 기준으로 할 때 피스톤헤드 상면에서부터 7 ~ 8mm가 된다.

강성부(103)와 경량부(105)는 용접에 의해 접합되어 있다. 후술하는 바와 같이 용접은 마찰용접기 형태의 피스톤 제조장치에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명의 특징에 의하면, 상기 제1,2재질은 공히 알루미늄 합금이며 성질이 상이한 알루미늄 합금일 수 있다. 제1소재는 고온피로강도가 높은 소재로서 제2소재보다는 비중이 높은 것이 일반적이며, 가격면에서도 고가인 것이 보통이다. 제2소재는 제1소재에 비하여 상대적으로 경량이며 저렴한 소재가 선택된다. 제2소재는 현재 업계에서 범용으로 사용되는 피스톤과 같은 소재이면 족하다.

그리고 강성부(103)와 경량부(105)의 접합면은 평면일 수 있다. 그러나 상황에 따서는 이들의 접합면이 콘형태(

) 또는 모자형태(

)가 되도록 할 수도 있다. 이것은 접합강도를 고려한 것이지만 평면인 경우에도 접합강도에 문제가 없다면 제작의 편의상 이렇게 까지 할 필요는 없다.

강성부(103)는 두께(T)는 필요에 따라 조정될 수 있는데, 특히 제1재질의 특성에 따라 결정하면 될 것이다. 접합면의 경계부위의 안정성을 위해서는 두꺼운 것이 유리할 것이지만 그 경계면이 안정적이고 강도가 뛰어난 소재라면 충분히 얇아도 좋을 것이다.

본 발명의 피스톤은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1재질로 된 환봉 형태의 제1소재와 제2재질로 된 환봉 형태의 제2소재를 준비하는 단계; 상기 제1소재와 제2소재를 용접으로 접합하는 단계; 상기 제1,2소재가 용접에 의해 접합됨으로써 이루어진 접합소재를 단조로써 피스톤을 제작하기에 알맞은 크기가 되도록 절삭하여 피스톤모재를 준비하는 단계; 준비된 상기 피스톤모재를 단조가공을 하여 피스톤 형상을 구축하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 제작된다.

이하, 본 발명에 의한 차량엔진용 이종접합 피스톤의 제조장치를 도 4 내지도 6을 참조하여 설명한다. 기본적 사항은 도 4을 참조하여 설명하고, 작용에 대하여는 도 5 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

본 발명의 피스톤 제조장치는 제1환봉(M1)을 파지하고 이를 축회전시키기 위한 회전지지부(3); 제1환봉(M1)과 동일한 축선상에 위치하도록 제2환봉(M2)을 파지하고 이를 고정시키기 위한 고정지지부(5); 상기 제1,2환봉(M1,M2)을 서로 압착시키기 위한 환봉압착부(6,6')를 포함한다.

베이스프레임(1) 상면에는 회전지지부(3)와 고정지지부(5)가 서로 대향하여 설치되어 있다. 환봉압착부(6,6')는 회전지지부(3)를 고정시키고 고정지지부(5)를 도면상 좌우방향으로 기동하게 하거나, 고정지지부(5)를 고정시키고 회전지지부(3)를 도면상 좌우방향으로 기동하게 한다. 경우에 따라서는 회전지지부(3)와 고정지지부(5)에 각각 상대를 향한 방향으로 힘을 가해 압착되도록 할 수도 있다. 도시된 바에 의하면 환봉압착부(6,6')는 회전지지부(3)와 고정지지부(5)를 동시에 서로를 향해 밀어붙이거나 멀리할 수 있도록, 즉 화살표(L,L') 방향으로 기동할 수 있게끔 베이스프레임(1) 양측에 각각 설치된다. 환봉압착부(6,6')는 한번의 마찰용접 및 절단 후 단계적으로 회전지지부(3)와 고정지지부(5)를 기동시키게끔 되어 있다.

회전지지부(3)는 제1환봉을 처킹(chucking)하기 위한 제1클램프(23)와 제1환봉을 고정한 상태로 이를 축방향으로 회전시키기 위한 제1구동모터(4)를 포함한다. 나아가 제1환봉을 가이드하기 위한 가이드롤러(7)가 더 포함될 수 있다. 나아가 제1환봉의 고속회전을 급속히 정지하기 위한 브레이크수단이 더 마련될 수 있다. 브레이크수단은 방식은 다양하게 채택될 수 있으나 통상의 마찰용접기에서 사용하는 방식을 이용하면 될 것이다.

가이드롤러(7)는 제1환봉에 지지된 상태에서 제1환봉(M1)의 회전에 따라 함께 회전하면서 제1환봉(M1)이 요동하는 것을 방지하는 구성요소이다.

고정지지부(5)는 제2환봉을 처킹(chucking)하기 위한 제2클램프(25)와 제1환봉을 고정한 상태로 이를 축방향으로 기동시키기 위한 환봉압착부(6')를 포함한다. 그리고 여기서 더 나아가 제2환봉(M2)을 가이드하기 위한 슬리브 형태의 가이더(9)가 더 포함될 수 있다. 제1,2클램프(23,25)는 선반 등에 있어서 조와 같은 방식으로 소재를 처킹할 수 있다.

제1,2환봉(M1,M2)은 서로 상이한 재질로 되어 있다. 제1환봉(M1)은 제1재질 또는 제2재질이 될 수 있고, 제2환봉(M2)은 제2재질 또는 제1재질이 될 수 있다. 즉 제1,2재질 중 어떤 것을 고정시키고 어떤 것을 회전시키는가는 선택적인 사항이다.

상기 제1,2환봉(M1,M2)은 길이가 1 ~ 2m 일 수 있다. 하나의 피스톤을 제작하기 위하여 필요한 소재의 길이는 30 ~ 100mm이므로 제1,2환봉(M1,M2)을 한번 장착하면 수십 회의 작업을 통해 수십 개의 피스톤 모재(101')를 만들어낼 수 있다.

본 발명의 특징에 의하면 환봉압착부(6,6')는 제1,2환봉을 기동시키는 작용을 하는데, 제1,2환봉(M1,M2)의 1회 소모량이 다를 수 있다. 즉 환봉압착부(6,6')는 제1,2환봉(M1,M2)을 조금 다른 거리만큼 전진 이동시키도록 설계될 수 있다.

상기 제1,2환봉(M1,M2)의 접합부의 근방에는 상기 제1,2환봉(M1,M2)을 각각 절단하기 위한 제1,2절단부(11,13)가 마련될 수 있다. 제1,2절단부(11,13)는 각각 톱날모터(19,25)와, 톱날(15,17), 및 톱날모터(19,25)를 제1,2환봉(M1,M2)에 대하여 직각을 이루는 방향으로 구동하기 위한 톱날모터 기동부를 포함한다. 톱날모터 기동부는 레일(23,25)을 각각 포함할 수 있다. 톱날모터(19,21)는 소정의 기동수단에 의해 레일(23,25)의 연장방향을 따라 기동하면서 제1,2환봉(M1,M2)을 직각으로 절단하게끔 되어 있다.

도 5는 톱날(15,17)이 제1,2환봉(M1,M2)을 자르는 상태를 도시하며, 도 6은 톱날(15,17)이 제1,2환봉(M1,M2)을 자르고 난 다음을 도시한다. 톱날(15,17)이 제1,2환봉(M1,M2)을 자르는 동안에 제1,2환봉(M1,M2)의 접합부위를 고정시키기 위한 절단부 파지수단(미도시됨)이 마련될 수 있다. 절단에 의해 배출되는 피스톤모재(101', 도 6 참조)는 절삭가공 및 단조가공을 통해 도 1의 피스톤(101)이 된다.

본 발명에 의한 피스톤 제조장치는 마찰용접방식을 이용한다. 마찰용접(摩擦鎔接, friction welding)이란 하나의 시편을 지그로 고정시킨 다음 모터로 고속 회전시키고, 용접하고자 하는 상대방 시편을 고정시킨 상태에서 2개의 시편을 강하게 접촉시킴으로써, 접촉부위에 큰 마찰열이 발생하도록 하여 2개의 시편이 융착되도록 하는 용접방식이다. 마찰열에 의해 시편이 적당한 온도가 되었을 때 회전하는 시편을 하나의 회전을 급속히 정지시킨 다음 서로 압착시킴으로써 접촉부위에 용융이 생기며 이에 의해 용접이 이루어진다. 마찰용접은 접착하고자 하는 곳만 고온으로 하면 되므로 에너지가 적게 소모되며 시간도 크게 소요되지 않는 효율적인 용접방식이다.

본 발명의 마찰용접을 시행함에 있어서, 제1환봉(M1)의 회전수는 1,300 ~1500 rpm으로 하고, 환봉압착부(6,6')를 이용하여 제1,2환봉(M1,M2)을 압착시킬 때의 압력은 100 ~ 200kgf/㎠ 로 할 수 있다. 본 발명의 제조장치는 이종접합 피스톤을 연속적으로 생산하기 위한 시스템으로서 마찰용접기를 응용하여 안출된 것이다. 본 발명의 피스톤 제조장치는 기다란 제1,2환봉을 조금씩 이동시켜가면서 마찰용접시키고 절단함으로써 작업속도를 증진시키는 것을 핵심적 내용으로 한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 차량엔진용 이종접합 피스톤 제조장치의 평면구성도이다. 본 실시예는 마찰용접에 의해 소재의 접합부위에 불가피하게 발생되는 플래시 부분(107)을 제거하기 위한 것이다. 플새시 부분은 마찰용접시 원심력과 압착력에 의해 융해된 부분이 소재의 반경방향으로 띠처럼 돌출된 부분이다.

피스톤 모재(101')를 장치에서 분리하여 후속공정(예를 들어, 단조공정)으로 이송하기 전에 플래시 부분(107)을 제거하기 위하여 플래시절삭부(27)가 소재의 접합부위 인접한 곳에 설치된다. 플래시절삭부(27)는 바이트(29) 및 바이트를 수평면상에서 전후좌우로 기동시키기 위한 바이트구동부(미도시됨)를 포함한다. 플래시 부분(107)을 절삭할 때에는 도시된 바와 같이 제2환봉(M2)을 처킹하는 제2클램프(25)를 해제한 다음, 회전지지부(3)를 기동하여 제1,2환봉(M1,M2)를 회전하고 바이트(29)를 직선운동시키면서 플래시 부분(107)을 절삭하도록 되어 있다.

도시되지는 않았지만, 접합에 의해 고온 상태에 있는 소재를 냉각하기 위한 냉각수단이 베이스프레임(1)에 구비될 수도 있다. 냉각수단은 절삭유(또는 냉각유)를 공급하는 방식을 채택할 수 있다.

위에 도시 및 설명된 구성은 본 발명의 기술적 사상에 근거한 바람직한 실시예에 지나지 아니한다. 당업자는 통상의 기술적 상식을 바탕으로 다양한 변경실시를 할 수 있을 것이지만 이는 본 발명의 보호범위에 포함될 수 있음을 주지해야 할 것이다.

1 : 베이스프레임 3 : 회전지지부
4 : 구동모터 5 : 고정지지부
6,6' : 환봉압착부 7 : 가이드롤러
9 : 가이더 11,13 : 제1,2절단부
15,17 : 톱날 19,21 : 톱날모터
23,25 : 클램프 27 : 플래시절삭부
29 : 바이트 101 : 피스톤
103 : 강성부 105 : 경량부
107 : 플래시 부분
M1,M2 : 제1,2환봉

Claims (6)

1. 차량엔진의 연소실과 접하는 피스톤본체의 상부는 제1재질로 되어 있는 강성부가 배치되고; 크랭크축과 연결되는 피스톤본체의 하부는 상기 제1재질에 비하여 강도가 낮고 경량인 제2재질로 되어 있는 경량부가 배치되며; 상기 강성부와 경량부는 용접에 의해 접합되어 있는 차량엔진용 이종접합 피스톤을 제조하기 위한 것으로서;
   상기 제1 또는 제2재질로 되어 있는 제1환봉을 파지하고 이를 축회전시키기 위한 회전지지부;
   제1환봉과 동일한 축선상에 위치하도록 상기 제2 또는 제1재질로 되어 있는 제2환봉을 파지하고 이를 고정시키기 위한 고정지지부;
   상기 제1환봉의 고속회전을 급속히 정지하기 위한 브레이크수단;
   상기 제1,2환봉을 서로 압착시키는 방향으로 상기 회전지지부와 고정지지부를 기동시키기 위한 환봉압착부; 및
   마찰용접에 의해 소재의 접합부위에 불가피하게 발생되는 플래시 부분을 절삭하여 제거하기 위한 플래시절삭부;를 포함하되,
   상기 제1,2환봉은 길이가 1 ~ 2m이며,
   상기 회전지지부는 상기 제1환봉을 처킹(chucking)하기 위한 제1클램프와, 상기 제1환봉을 축방향으로 회전시키기 위한 제1구동모터와, 상기 제1환봉을 지지하기 위한 것으로서 상기 제1환봉의 회전에 따라 함께 회전하면서 제1환봉이 요동하는 것을 방지하는 가이드롤러를 포함하고,
   상기 고정지지부는 상기 제2환봉을 처킹(chucking)하기 위한 제2클램프와, 상기 제2환봉을 지지하기 위한 슬리브 형태의 가이더를 포함하며,
   상기 플래시절삭부는 상기 제1,2환봉의 접합부 인접한 곳에 위치되는 바이트와, 상기 바이트를 전후좌우로 기동시키기 위한 바이트구동부를 포함하고,
   상기 제1,2환봉의 접합부의 근방에는 상기 제1,2환봉을 각각 절단하기 위한 제1,2절단부가 마련되되, 상기 제1,2절단부는 각각 톱날모터와, 상기 톱날모터에 설치된 톱날과, 상기 톱날모터를 제1,2환봉에 대하여 직각을 이루는 방향으로 구동하기 위한 것으로서 레일을 포함하는 톱날모터 기동부를 포함하며,
   상기 톱날이 상기 제1,2환봉을 자르는 동안에 상기 제1,2환봉의 접합부위를 고정시키기 위한 절단부 파지수단이 마련된 것을 특징으로 하는 차량엔진용 이종접합 피스톤의 제조장치.
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