KR102060929B1 - 편심 주조 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 링형 가공완성품을 제조함에 있어서, 먼저 주형틀에 용탕을 주입하여 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되도록 제작한 후, 상기 링형 주물소재의 내경이 링형 가공완성품의 내경과 대응하도록 링형 주물소재의 내경 최하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거하는 편심 주조 공법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 링형 주조품을 제조하는 편심 주조 공법은, 링형 주조품을 위한 주형틀을 제작하는 단계; 상기 주형틀에 용탕을 주입하여 링형 주물소재를 제조하는 단계로서, 상기 링형 주물소재는 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되도록 제작되는 단계; 및 상기 링형 주물소재를 황삭가공하여 링형 가공완성품을 제조하는 단계로서, 상기 링형 주물소재의 내경이 상기 링형 가공완성품의 내경과 대응하도록 상기 링형 주물소재의 내경 하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거하는 단계를 포함하도록 구성된다.

Description

편심 주조 공법{ECCENTRIC CASTING PROCESS}

본 발명은 정밀 주조 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특히 링형 가공완성품을 제조함에 있어서, 먼저 주형틀에 용탕을 주입하여 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되도록 제작한 후, 상기 링형 주물소재의 내경이 링형 가공완성품의 내경과 대응하도록 링형 주물소재의 내경 최하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거하는 편심 주조 공법에 관한 것이다.

일반적으로, 정밀주조법 중 하나의 방법인 로스트왁스(lost-wax) 공법은 도 1에 도시된 바와 같이, 왁스(밀랍) 사출에 의해 금형에 구현하고자 하는 형상의 모형을 제작하고, 그 제작된 모형의 왁스 표면 위에 내화물을 수차례 코팅하여 주형틀을 제작하고, 그 다음에 주형틀내의 왁스를 디왁싱 장비에 의해 제거하고, 그 다음에 주형틀 내부에 형성된 빈 공간에 요구되는 금속용탕(용해철)을 주입하고, 그 다음 탈사 및 쇼트, 요구되는 열처리를 실시하여 주물품을 만드는 주조 공법이다.

종래에는, 하우징 리프터(housing lifter)[여기서, 하우징 리프터는 CVVD(Continuously Variable Valve Duration) 엔진 밸브의 작용각(작동높이)을 조절시키는 기능을 갖는 리프터(lifter)의 하우징 역할을 하는 부품이다]와 같이 링형 제품을 정밀주조함에 있어서, 주형틀로부터 하우징 리프터의 가공완성품의 형상과 치수[다만, 일정량의 가공 여유량은 부여됨]에 대응하는 주물소재를 제조한 후, 최종 기계가공를 거쳐 최종 완성품을 제작하는 방식이었다. 이 경우, 주형틀로부터 제작된 주물소재의 내경과 외경의 중심점은 동일하였고, 나아가 이러한 주물소재의 내경과 외경의 중심점은 최종 완성품의 내외경의 중심점과 동일하게 하였다. 즉, 도 2를 참조하면, 주물소재의 내외경 중심점이 가공완성품의 내외경 중심점에 대응되도록 주물소재를 제조한 후, 기계 가공을 통해 최종 가공완성품을 제작하였다.

이 경우, 링형 제품의 구조적 특성상, 주형틀내의 용탕의 응고는 링 모양의 상단과 하단에서 시작하여 원호를 따라 각각 하측 및 상측으로 진행된 후, 링 모양의 양쪽 중간 상부에서 만나 응고 완료된다. 이와 같은 응고 과정을 거쳐 제조된 주물소재는 특히 도 3에 도시된 부위, 즉 링 모양의 양쪽 중간 상부에서 수축결함이 발생하는 문제점이 있고, 이러한 수축결함은 기계 가공 후에도 가공 표면에 그대로 드러나 가공완성품에서 요구되는 제기능을 달성할 수 없고, 결과적으로 현재 이와 같은 제품 결함 및 불량을 이유로 20~40%의 가공완성품이 폐기되고 있는 실정이다.

종래에, 이와 같은 문제점을 해소 또는 개선하기 위하여 여러 차례에 걸쳐 다양한 시도가 있어 왔다. 이러한 개선 시도 이력을 정리하면 다음과 같다.

이러한 다양한 시도에도 불구하고, 상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 가공완성품 내에서는 특히 응고시 내부수축에 기인한 상당한 수축결함 및 크랙이 발견되었다.

이에, 본 발명자는 종래에 주물소재 형태를 가공완성품과 대응되게 동심이 되도록 제작한 후, 기계 가공에 의해 최종 제품을 완성한다는 고착화된 관행 또는 고정관념을 완전히 깸과 동시에, 주물소재의 형태를 가공완성품과 상이하게 편심이 되도록 설계하여 응고 시 결함 위치를 특정 부위로 이동시킨 후 황삭 가공에 의해 결함을 제거한다는 발상의 전환을 발판으로 하여, 종래 기술과 완전히 상이한 개념 및 착안에 기초한 새로운 편심 주조 공법을 개발하기에 이르른 것이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0587775호 '범종의 로스트왁스 주조방법' 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0079937호 '로스트왁스 주조방법' 대한민국 등록특허공보 제10-1358278호 '노즐링의 로스트 왁스 주조방법'

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여, 특히 링형 주조품의 정밀주조 시에 발생하는 내부 수축 결함을 특정 부위로 이동시켜 황삭가공에 의해 제거함으로써, 고객 요구의 가공완성품 형태 및 품질을 충족시킴과 동시에, 주물소재 내부의 무결성 확보 및 최종 완성품의 폐기/불량률 감소를 통해 제조 효율을 대폭 향상시키는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 링형 주조품을 제조하는 편심 주조 공법에 있어서, 링형 주조품을 위한 주형틀을 제작하는 단계; 상기 주형틀에 용탕을 주입하여 링형 주물소재를 제조하는 단계로서, 상기 링형 주물소재는 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되도록 제작되는 단계; 및 상기 링형 주물소재를 황삭가공하여 링형 가공완성품을 제조하는 단계로서, 상기 링형 주물소재의 내경이 상기 링형 가공완성품의 내경과 대응하도록 상기 링형 주물소재의 내경 하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거하는 단계를 포함하는 편심 주조 공법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되어, 상기 링형 주물소재의 내경과 외경 사이의 두께가 링형 주물소재의 최상단으로부터 최하단으로 갈수록 점진적으로 더 두꺼워지는 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게는, 상기 주형틀내에서의 용탕 응고 시, 내부 수축 결함 위치가 상기 링형 주물소재의 내경 하측부로 이동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시 예는 링형 주조품을 제조하는 편심 주조 공법에 있어서, 링형 주조품을 위한 주형틀을 제작하는 단계; 상기 주형틀에 용탕을 주입하고 응고시켜 링형 주물소재를 제조하는 단계로서, 상기 주형틀은 상기 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되어, 상기 링형 주물소재의 내경과 외경 사이의 두께가 링형 주물소재의 최상단으로부터 최하단으로 갈수록 점진적으로 더 두꺼워지도록, 대응되게 제작되고, 상기 주형틀내에서의 용탕 응고 시, 내부 수축 결함 위치가 상기 링형 주물소재의 내경 하측부로 이동되게 하는 단계; 및 상기 링형 주물소재를 황삭가공하여 링형 가공완성품을 제조하는 단계, 상기 링형 주물소재의 내경이 상기 링형 가공완성품의 내경과 대응하도록 상기 링형 주물소재의 내경 하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거하는 단계를 포함하는 편심 주조 공법을 제공한다.

가장 바람직하게는 상술된 편심 주조 공법에 따라 하우징 리프터를 제조하는 것을 개시한다.

본 발명의 편심 주조 공법에 따르면, 링형 주조품의 정밀주조 시에 발생하는 내부 수축 결함을 특정 부위로 이동시켜 황삭가공에 의해 완전히 제거함으로써, 가공완성품이 고객 요구의 형태 및 품질을 충족시키게 하고, 주물소재 내부의 결함을 제거하여 가공완성품 자체의 무결성을 확보하고, 그 결과 최종 가공완성품의 폐기/불량률을 대폭 감소시켜 제조 효율을 향상시키는 효과를 가진다.

도 1은 정밀주조법 중 하나인 로스트왁스 공법의 일반적인 공정도이다.
도 2는 링형 주물소재의 내외경 중심점이 가공완성품의 내외경 중심점과 동일하게 제작한 일 예를 도시한다.
도 3은 도 2의 제작 예에 따라 제조된 가공완성품에서 수축결함이 발생하는 위치를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되게 제작한 일 예를 도시한다.
도 5는 편심되게 제작된 링형 주물소재의 황삭가공을 위해 사용되는 가공기계의 일 예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 편심 주조 공법에 따라 제작된 하우징 리프터 제품을 도시하는데, 이는 종래의 도 3의 제품과 비교해 볼 때, 황삭가공 후 표면/내부 결함이 없는 무결성을 가진다.
도 7은 링형 주물소재를 가공완성품과 동심으로 제작한 타입의 테스트 공정이다.
도 8은 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 하향으로 편심되게 제작한 타입의 테스트 공정이다.
도 9는 본 발명에 따라 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되게 제작한 타입의 테스트 공정이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 편심 주조 공법은 링형 주조품을 위한 주형틀을 제작하는 단계, 상기 주형틀에 용탕을 주입하여 링형 주물소재를 제조하는 단계, 및 상기 링형 주물소재를 황삭가공하여 링형 가공완성품을 제조하는 단계를 포함하도록 구성된다.

도 4를 참조하면, 상기 링형 주물소재는 동심으로 제작된 종래기술과 달리, 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되게 제작된다. 즉, 종래의 주물소재는 가공완성품과 대응되게 동심으로 제작된 반면, 본 발명의 주물소재는 그 내경 중심이 외경 중심에 대해 상향으로 편심되게 제작되어, 주물소재의 내경 중심은 그 외경 중심의 상측에 위치하게 된다.

이와 같이 상향 편심되게 제작된 링형 주물소재는 도 5에 도시된 가공기계에 결합된 후, 황삭가공된다. 이러한 황삭가공 후에는 상기 상향 편심된 링형 주물소재의 내경이 상기 링형 가공완성품의 내경과 대응되게 된다. 즉, 상기 링형 주물소재의 내경 하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거함으로써, 상기 링형 주물소재는 최종적으로 요구되는 가공완성품과 동일한 외경, 내경 및 내외경 중심점을 갖는 완성품이 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주물소재는 상기 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심된 구조를 가지기에, 상기 링형 주물소재의 내경과 외경 사이의 두께가 링형 주물소재의 최상단으로부터 최하단으로 갈수록 점진적으로 더 두꺼워지는 형태를 가진다. 본 발명의 주물소재가 상기와 같이 편심된 구조를 가지기에, 주형틀내에서의 용탕 응고 시, 내부 수축 결함 위치가 상기 링형 주물소재의 내경 하측부로 이동되고, 상술한 바와 같이 링형 주물소재의 내경 하측부의 결함 위치를 황삭가공하여 결함을 제거한다. 이와 같은 편심 주조 공법에 따라 하우징 리프터를 제조한 제품을 도 6에 도시하는데, 도 6을 참조하면 종래의 도 3의 제품과 비교해 볼 때, 황삭가공 후 표면/내부 결함이 없는 무결성을 가짐을 알 수 있다.

실시 예

이하에서는 본 발명자가 샘플을 제작한 후, 그 샘플들에 대한 응고 해석 및 검증을 실시한 결과를 도면을 참조하여 설명한다.

실시 예 1: 동심(同心) 타입

이는 링형 주물소재를 가공완성품과 동심으로 제작한 타입이다. 본 발명자는 도 7에 도시된 바와 같이, 내경과 외경이 동심을 이루도록 주조 방안을 수립한 후, 시뮬레이션에 의한 응고 해석을 통하여 원형 부위 측면 구간의 수축공 발생을 예측하였고, 나아가 주조 방안에 기초하여 실제 샘플을 제작한 후, C.T 검증에 의해 내부 수축공의 잔류 여부를 검증하였다.

상기 응고 해석 및 검증 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 링형 가공완성품의 링 모양의 양쪽 상부 측에 대략 38%의 내부 수축 결함 또는 공동이 잔류함을 알 수 있었다.

실시 예 2: 하향(下向）편심(偏心) 타입

이는 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 하향으로 편심되게 제작한 타입이다. 본 발명자는 도 8에 도시된 바와 같이, 내경이 외경에 대해 하향 편심되도록 주조 방안을 수립한 후, 시뮬레이션에 의한 응고 해석을 통하여 원형 부위 하단 구간의 수축공 발생을 예측하였고, 나아가 주조 방안에 따라 실제 샘플제작 및 황삭 기계가공 후, C.T 검증에 의해 내부 수죽공의 잔류 여부를 검증하였다.

상기 응고 해석 및 검증 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 링형 가공완성품의 링 모양의 양쪽 중간부에 대략 26%의 내부 수축 결합 또는 공동이 잔류함을 알 수 있었다.

실시 예 3: 상향(上向）편심(偏心) 타입

이는 본 발명에 따라 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되게 제작한 타입이다. 본 발명자는 도 9에 도시된 바와 같이, 내경이 외경에 대해 상향 편심되도록 주조 방안을 수립한 후, 시뮬레이션에 의한 응고 해석을 통하여 원형 부위 최하단 구간의 수축공 발생을 예측하였고, 나아가 주조 방안에 따라 실제 샘플제작 및 황삭 기계가공 후, C.T 검증에 의해 내부 수죽공의 잔류 여부를 검증하였다.

상기 응고 해석 및 검증 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 링형 가공완성품의 어디에서도 내부 수축 결함 또는 공동을 발견할 수 없었다. 이는 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대하여 상향 편심된 경우, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 링형 주물소재의 상부로부터 응고가 시작되어 링형 주물소재의 하단에 이르기까지 점진적으로 응고 진행되고, 응고 진행과 함께 내부 수축 결함이 점진적으로 링형 주물소재의 내경 최하측부로 이동하게 되기 때문이다.

링형 주물소재의 내경 하측부로 이동된 내부 수축 결함은 상기 점선으로 표시된 선을 따라 황삭가공에 의해 제거됨으로써, 링형 주물소재의 응고 시 발생된 내부 수축 결함은 가공완성품에 전혀 잔류하지 않아 내부 수축이 없음을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 단순한 설계적인 재료 수정 또는 변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.

Claims (5)

1. 링형 주조품을 제조하는 편심 주조 공법에 있어서,
   링형 주조품을 위한 주형틀을 제작하는 단계;
   상기 주형틀에 용탕을 주입하여 링형 주물소재를 제조하는 단계, 여기서 상기 링형 주물소재는 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되게 제작되고; 및
   상기 링형 주물소재를 황삭가공하여 링형 가공완성품을 제조하는 단계, 여기서 상기 링형 주물소재의 내경이 상기 링형 가공완성품의 내경과 대응하도록 상기 링형 주물소재의 내경 하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거하고;
   를 포함하는 편심 주조 공법.
2. 제1항에 있어서, 상기 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되어, 상기 링형 주물소재의 내경과 외경 사이의 두께가 링형 주물소재의 최상단으로부터 최하단으로 갈수록 점진적으로 더 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 편심 주조 공법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주형틀내에서의 용탕 응고 시, 내부 수축 결함 위치가 상기 링형 주물소재의 내경 하측부로 이동되는 것을 특징으로 하는 편심 주조 공법.
4. 링형 주조품을 제조하는 편심 주조 공법에 있어서,
   링형 주조품을 위한 주형틀을 제작하는 단계;
   상기 주형틀에 용탕을 주입하고 응고시켜 링형 주물소재를 제조하는 단계로서, 여기서 상기 주형틀은 상기 링형 주물소재의 내경 중심이 그 외경 중심에 대해 상향으로 편심되어, 상기 링형 주물소재의 내경과 외경 사이의 두께가 링형 주물소재의 최상단으로부터 최하단으로 갈수록 점진적으로 더 두꺼워지도록, 대응되게 제작되고, 상기 주형틀내에서의 용탕 응고 시, 내부 수축 결함 위치가 상기 링형 주물소재의 내경 하측부로 이동되고; 및
   상기 링형 주물소재를 황삭가공하여 링형 가공완성품을 제조하는 단계, 여기서 상기 링형 주물소재의 내경이 상기 링형 가공완성품의 내경과 대응하도록 상기 링형 주물소재의 내경 하측부의 결함 부위를 황삭가공하여 제거하고;
   를 포함하는 편심 주조 공법.
5. 제1항 또는 제4항에 따른 편심 주조 공법에 따라 제작된 하우징 리프터.
   
   

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