KR102191507B1 - 저압주조용 금형 냉각 방법 및 시스템 - Google Patents

저압주조용 금형 냉각 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금형 각부의 냉각 채널을 통해 순차적으로 수냉 및 공랭식으로 냉각함에 따라 용탕의 빠른 지향성 응고를 확보하는 방식이고, 다양한 저압주조 방법에 이용될 수 있는 저압주조용 금형 냉각 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형을 냉각하는 방법은 용탕 충전 완료 시 금형 내부에 구비되는 냉각채널(1)에 냉각수를 공급하여 금형을 냉각하는 제1유체공급단계(S100); 상기 냉각채널에 압축공기를 공급하여 금형 온도를 유지하는 제2유체공급단계(S200); 및 상기 압축공기를 이용하여 금형 누수를 감지하는 누수검사단계(S300);를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형을 냉각하는 시스템은 상기 금형 내부에 구비되는 냉각채널(1); 상기 냉각채널 내부에 유체를 공급하는 유체공급부; 및 상기 냉각채널 일측에 구비되며 상기 유체 압력을 측정하는 압력센서부;를 포함할 수 있다.

Description

저압주조용 금형 냉각 방법 및 시스템{Mold cooling method and system for low pressure casting}
본 발명은 저압주조용 금형 냉각 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금형 냉각시스템을 통해 지향성응고를 유지하고 응고시간을 단축시킴으로써, 생산성과 기계적 성질을 향상시키는 것이다.
일반적으로 저압주조는 밀폐된 용탕 보온로에 위치하는 용탕면을 가압하여 중력과 반대방향으로 급탕관(Stoke)을 통해 금형 캐비티 내로 주탕하고, 일정시간 동안 압탕효과를 주고난 후 용탕이 응고되고 급탕관 내 및 탕구에 접하는 용탕이 미응고할 시기에 압력을 개방하여 미응고된 용탕을 용탕 보온로에 되돌려보내고 제품을 취출하는 것이다. 제품을 취출한 뒤에는 용탕 보온로 내 감소된 용탕만큼 압력이 감소하므로, 다음 주조 시에 가압 조건을 보정한다.
저압주조 시 제품의 중량이 늘어나고 형상이 복잡해 질수록 지향성 응고를 유지하고 용탕 충전을 완전하게 하기 위하여 금형온도가 높아지는 경향이 있어 응고완료까지 시간이 오래 걸리는 문제점이 발생한다.
이와같이, 응고시간이 길어지면 주물의 미세조직 조대화와 기계적 성질 저하를 초래하고, 생산성이 저하된다.
이러한 문제점을 해결하고자 한 대의 주조기에 복수의 급탕구(Stoke)를 이용하여 일회 주탕으로 복수개의 주물을 제조하는 멀티 게이트 공법의 적용이 실용화되었다.
또한, 고품질 주물 제조를 위해 종래 사람에 의해 가압제어가 이루어지는 방식에서 가압 프로그램에 의한 PLC 제어를 통해 급탕구에서 금형 캐비티 내로 용탕 충전 속도를 조절할 수 있는 장비의 자동화가 이루어지고 있다.
그리고 종래 저압주조를 기본으로 하는 르노식 저압주조는 금형 바로 아래에 보온로를 설치하지 않고 이격된 위치에서 각도가 비스듬한 급탕구를 통해 주탕하는 방식이며, 금형이 보온로에서의 열에 영향을 받지 않고 금형 온도를 내릴 수 있는 장점이 있다. 또한, 금형의 냉각에 물을 이용하는 것이 용이해지고 냉각방법의 자유도가 증가하여 공정속도를 향상시킬 수 있으므로 생산성이 향상된다.
도요타식 신차압주조는 금형 전체를 밀폐실에 위치시키고 밀폐실을 감압하고 금형 내부도 똑같은 감압 상태를 만든다. 그리고 보온로에 접속하여 개방함에 따라서 급탕구를 통해 금형 캐비티 내부로 용탕을 충전시킨다. 제품이 응고된 후 밀폐실의 감압을 풀고 급탕구 내의 미응고 용탕을 보온로에 되돌려보내고 제품을 취출하는 방식이다.
저압사형주조(코스위스법)는 저압주조의 주입속도조절의 자유도가 크고 깨끗한 용탕을 급탕하는 장점을 살려서 주형을 사형하고 전자펌프을 이용하여 가압력을 조절하는 방식이다.
차압주조(Counter Pressure Casting)는 저압주조기의 다이베이스에 설치된 밀폐용기 중에 금형을 위치시키고 보온로 내의 용탕면 상의 압력과 밀폐용기 내의 압력(4kg/cm2 내지 10kg/cm2)을 같게 한 후, 밀폐용기 내의 압력만큼 감압하여 일반 저압주조 방식과 같은 정도의 차압을 만든다. 이 차압에 의해 용탕은 급탕구를 통해 주탕되고, 상기 차압은 작으므로 제품은 거의 상기의 압력하에서 응고를 완료하는 방식이다.
이처럼 주조결함을 개선하기 위해 다양한 저압주조 방법을 이용하고 있듯이, 금형 냉각 및 용탕의 응고 과정은 결정 구조의 크기, 형상, 균일성, 화학적 조성, 주조품의 전체적인 성질에 영향을 끼치고 있다.
특히 냉각속도로 인한 조직 구조 및 결정 크기는 주조품 성질에 큰 영향을 끼치고 있다. 즉, 냉각속도가 빨라져 응고시간이 짧을 경우에 결정의 크기가 감소하여 주조 합금의 강도 및 연성은 증가하고 주조품 내의 미세 기공(수지상정 간 수축 공간)이 감소하며 응고 과정 중 주조품에 발생하는 균열(고온 테어링)이 감소함으로써, 주조품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 금형 각부의 냉각 채널을 통해 순차적으로 수냉 및 공랭식으로 냉각함에 따라 용탕의 빠른 지향성 응고를 확보하는 방식이고, 다양한 저압주조 방법에 이용될 수 있는 저압주조용 금형 냉각 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형을 냉각하는 방법에 있어서: 용탕 충전 완료 시 금형 내부에 구비되는 냉각채널(1)에 냉각수를 공급하여 금형을 냉각하는 제1유체공급단계(S100); 상기 냉각채널에 압축공기를 공급하여 금형 온도를 유지하는 제2유체공급단계(S200); 및 상기 압축공기를 이용하여 금형 누수를 감지하는 누수검사단계(S300);를 포함하고, 상기 제2유체공급단계(S200)는, 상기 냉각채널 입구 및 출구에 구비되는 통기밸브를 여는 압축공기준비단계 및 압축공기를 냉각채널에 공급하여 스케일, 수증기 또는 냉각수를 냉각채널 내에서 제거하는 압축공기공급단계를 포함하는 저압주조용 금형 냉각 방법을 제공한다.
이때, 상기 제1유체공급단계(S100)는, 용탕 충전 완료 시 저압주조기로부터 신호를 받고 냉각채널 입구(11) 및 출구(12)에 구비되는 통수밸브가 열리고, 상기 냉각채널에 냉각수를 공급하여 기 설정된 소정의 온도 범위에 도달할 때까지 금형을 냉각시키는 냉각단계(S110) 및 용탕 응고 완료 시 냉각수 공급을 중지하고, 상기 통수밸브를 닫는 냉각종료단계를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 냉각단계(S110)는, 용탕 충전 반대방향인 금형의 상단부에서 하단부로 소정의 시간 간격을 두고 순차적으로 통수밸브가 열려 냉각수가 공급될 수 있다.
또한, 상기 냉각단계(S110)는, 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위 미만으로 내려가지 않도록 냉각수 공급을 중지하거나 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위를 초과하지 않도록 냉각수를 재공급하여 금형 온도를 기 설정된 소정의 온도 범위 내에 유지시킬 수 있다.
그리고 상기 소정의 금형 온도 범위는 250도 내지 350도 미만으로 설정될 수있다.
또한, 상기 냉각단계(S110)는, 상기 냉각채널 내부에 고압 냉각수를 공급하여 냉각채널 내에서 스케일 또는 수증기를 제거할 수 있다.
상기 제2유체공급단계(S200)는, 상기 냉각채널 입구 및 출구에 구비되는 통기밸브를 여는 압축공기준비단계 및 압축공기를 냉각채널에 공급하여 스케일, 수증기 또는 냉각수를 냉각채널 내에서 제거하는 압축공기공급단계를 포함할 수 있다.
상기 누수검사단계(S300)는, 상기 냉각채널 출구에 구비되는 통기밸브를 닫는 검사준비단계 및 압축공기를 냉각채널에 공급하고 가압력과 냉각채널 출구에서의 압력을 비교하여 누수여부를 감지하는 누수판단단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형을 냉각하는 시스템에 있어서:
상기 금형 내부에 구비되는 냉각채널(1); 상기 냉각채널 내부에 유체를 공급하는 유체공급부; 및 상기 냉각채널 일측에 구비되며 상기 유체 압력을 측정하는 압력센서부;를 포함하고, 상기 냉각채널(1)은 금형 합형 시 생성되는 캐비티로부터 소정의 거리만큼 이격되어 캐비티 형상을 따라 금형 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각시스템을 제공한다.
이때, 상기 냉각채널(1)은 채널입구(2) 및 채널출구(3)로 구성되고, 상기 유체공급부는, 상기 냉각채널에 냉각수를 공급하는 펌프, 상기 냉각채널에 압축공기를 공급하는 컴프레셔, 상기 채널입구 및 채널출구에 구비되며 냉각수 유로를 제어하는 통수밸브 및 상기 채널입구 및 채널출구에 구비되며 압축공기 유로를 제어하는 통기밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체공급부는, 상기 냉각수를 냉각채널에 공급하여 금형을 냉각시키고, 상기 압축공기를 냉각채널에 공급하여 금형 온도를 유지시킬 수 있다.
그리고 상기 금형 온도는 250도 내지 350도 미만으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 유체공급부는 냉각수의 경수를 연수로 처리하는 연수처리기를 더 포함하고, 상기 연수처리기를 통해 냉각채널 내부에 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
그리고 상기 압력센서부는, 상기 통기밸브에 구비되고, 상기 채널출구에 구비되는 통기밸브를 닫은 상태에서 압축공기를 냉각채널 내부로 공급하였을 경우, 압축공기 가압력과 채널출구의 압력을 비교하여 누수여부를 판단할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 금형 각부의 냉각 채널을 통해 순차적으로 수냉 및 공랭식으로 냉각함에 따라 용탕의 빠른 지향성 응고를 확보할 수 있다.
아울러, 냉각 사이클 타임을 대폭적으로 단축시켜 주조 작업의 전체 사이클 타임을 단축시키고, 이로 인해 전체적인 생산성을 크게 증대시킬 수 있으며, 생산 원가를 절감할 수 있다.
또한, 압축성 유체를 이용하여 리크테스트를 실시하여 금형 냉각 부위에서 누수가 발생하면 공정 사이클을 정지시켜 안전성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 금형 리크를 통해 누수되는 냉각수로 인해 발생할 수 있는 주조 제품의 산화 및 공동 현상을 방지할 수 있다.
또한, 고압 유체 펌프를 구비하여 냉각채널 내 수증기 압력으로 인한 냉각수 통수지연, 막힘 및 난류를 미연에 방지할 수 있다.
그리고, 냉각수의 경수를 연수로 처리하는 연수처리기를 통해 냉각채널 내 에 스케일 생성을 방지할 수 있다.
도 1 은 저압주조법과 차압주조법의 압력변화를 나타내는 그래프이다.
도 2 는 저압주조기와 차압주조기를 혼용하는 장비 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형을 냉각하는 공정 블록도이다.
도 4 는 종래 냉각채널을 나타내는 금형 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 냉각채널을 나타내는 금형 단면도이다.
도 6 내지 도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 냉각채널을 나타내는 사시도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에서 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 저압주조법과 차압주조법의 한 사이클 내에서의 압력 변화를 나타내는 그래프이며, 용탕을 금형 캐비티에 충전하는 방식만 상이할 뿐 응고 과정은 동일하다.
또한, 도 2는 일반적인 저압주조기와 차압주조기를 혼용하는 장비 모식도이며, 금형을 취부하는 상형과 하형의 플랜턴(platen)에 상기 상형과 하형에 각각 연결할 수 있는 냉각채널 입구(inlet)와 출구(outlet)을 구비하고 있다.
따라서, 이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형 냉각 방법 및 냉각시스템은 일반적인 저압주조와 차압주조 이외에도 통상의 기술자가 아래에서 설명되는 본 발명의 구체적인 설명을 참고하여 다른 주조 방식에도 적용할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형을 냉각하는 방법에 있어서: 용탕 충전 완료 시 금형 내부에 구비되는 냉각채널(1)에 냉각수를 공급하여 금형을 냉각하는 제1유체공급단계(S100); 상기 냉각채널에 압축공기를 공급하여 냉각채널 내 수증기 및 냉각수를 제거하는 제2유체공급단계(S200); 및 상기 압축공기를 지속적으로 공급하는 상태에서 냉각채널 출구를 막고 누수를 감지하는 누수검사단계(S300);를 포함하는 저압주조용 금형 냉각 방법을 제공한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 금형 냉각의 한 사이클은 제1유체공급단계(S100), 제2유체공급단계(S200), 누수검사단계(S300) 순으로 작동될 수 있지만, 작업자 선택에 따라 용이하게 단계 순서가 변경될 수 있을 것이다.
예를 들어, 초기 작동 시 제2유체공급단계(S200)로 냉각채널 내부에 잔류하는 스케일, 수증기 및 냉각수를 제거하고, 누수검사단계(S300)를 실시하여 누수가 발견되지 않을 경우 제1유체공급단계(S100)부터 제2유체공급단계(S200), 누수검사단계(S300) 순으로 진행할 수 있을 것이다.
이때, 상기 제1유체공급단계(S100)는, 금형 캐비티 내에 용탕 충전 완료 시 저압주조기로부터 신호를 받고 냉각채널 입구 및 출구에 구비되는 통수밸브가 열리고, 상기 냉각채널에 냉각수를 공급하여 기 설정된 소정의 금형 온도 범위에 도달할 때까지 금형을 냉각시키는 냉각단계(S110) 및 용탕 응고 완료 시 냉각수 공급을 중지하고, 상기 통수밸브를 닫는 냉각종료단계를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 냉각단계(S110)는, 도 4에서 보는 바와 같이, 용탕 충전 반대방향인 금형의 상단부에서 하단부로 소정의 시간 간격을 두고 순차적으로 통수밸브가 열려 냉각수가 공급될 수 있다. 이때, 상기 소정의 시간 간격은 통상 10초 이내로 제품의 두께와 형상에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예로서 금형이 상형, 하형으로 구성되어 있지만, 측형을 포함할 수 있으며, 측형을 포함한 경우에는 상형 상단부에서 하단부, 제1합형부(상형과 측형이 접하는 부분), 측형 상단부에서 하단부, 제2합형부(측형과 하형이 접하는 부분) 및 하형 상단부에서 하단부 순으로 소정의 시간 간격을 두고 순차적을 통수밸브가 열려 냉각수가 냉각채널 내에 공급되어 금형을 냉각시킬 수 있다.
도 5는 종래 냉각채널이 구비되는 금형 단면도로서, 통상적인 절삭가공에 의해 냉각채널이 직선형으로 가공되었다. 이러한 냉각채널은 냉각 효율이 떨어짐은 물론 냉각의 불균일로 지향성 응고를 유도하는데 한계가 있다.
도 6은 본 발명의 실시예인 냉각채널이 구비되는 금형 단면도로서, 도 6을 참조하여 상기 냉각단계를 더욱 자세하게 설명하면, 저압주조기로부터 용탕 충전 완료 신호를 받을 경우, 냉각채널1(ch1)에 구비되는 통수밸브가 열리면서 냉각수가 공급되고, 순차적으로 냉각채널2(ch2)와 냉각채널3(ch3), 냉각채널4(ch4)와 냉각채널5(ch5), 마지막으로 냉각채널6(ch6)과 냉각채널7(ch7)의 통수밸브가 열리고 냉각수가 공급될 것이다. 이러한 냉각단계를 통해 용탕 충전 방향의 반대 방향인 금형 상단부로부터 금형 하단부(탕도부)로 균일하게 지향성 응고가 이루어질 것이다.
이때, 냉각채널1(ch1)은 상형 상단부, 냉각채널2(ch2)와 냉각채널3(ch3)은 상형 하단부, 냉각채널4(ch4)와 냉각채널5(ch5)는 하형 상단부, 냉각채널6(ch6)과 냉각채널7(ch7)은 하형 하단부일 수 있을 것이다.
상기 냉각채널은 도8에서 보는 바와 같이, 나선형(Spiral)과 보로노이(Voronoi Diagram) 형상으로 구성될 수 있으며, 이와 같이 냉각채널 입구와 출구가 각각 하나씩 구비되는 경우에는 비교적 상단이 냉각채널 입구, 하단이 냉각채널 출구가 되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 냉각단계(S110)는, 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위 미만으로 내려가지 않도록 냉각수 공급을 중지하거나 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위를 초과하지 않도록 냉각수를 재공급하여 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위 내에 유지될 수 있도록 할 수 있다.
이때, 상기 소정의 금형 온도 범위는 250도 내지 350도 이내로 설정되는 것이 바람직할 것이다.
또는, 소정의 금형 온도 범위는 통상적으로 제품 두께가 10mm 미만일 경우 350도 전후, 10mm 이상 20mm 미만일 경우 300도 전후, 20mm 이상일 경우 250도 전후로 설정될 수 있으나, 제품 형상과 두께, 주입되는 용탕 온도에 따라 다소 변화를 줄 수 있을 것이다. 다만 효과적인 응고시간 단축과 조직미세화를 위해서는 금형 내부로 용탕을 주탕할 시 충전에 문제만 없다면 가능한 금형 온도를 낮추는 것이 바람직할 것이다.
이때, 금형 내부에 구비되는 복수개의 통수밸브는 각 금형 구간마다 구비되는 온도센서부에 의해 측정된 금형 온도에 따라 제어부를 통해 개별적으로 제어될 수 있다. 그리고 상기 통수밸브로 냉각수를 공급하는 펌프도 제어부에 의해 제어될 수 있을 것이다.
또한, 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위 내에 도달했을 시 냉각수 공급을 중지하고, 이 금형 구간에 해당하는 통수밸브는 닫히고 통기밸브가 열려 압축공기를 냉각채널 내에 공급받을 수 있을 것이다. 이로 인해 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위 미만으로 내려가지 않도록 온도를 유지할 수 있을 것이다.
또한, 상기 온도센서부에 의해 측정된 금형 온도 기준 이외에 금형 내부 또는 외부에 온도센서를 장착하기 난이한 구조의 경우에는, 냉각 통수제어 타이머를 이용하여 통수시간을 제어함으로써, 기 설정된 소정의 통수시간에 도달하였을 경우 위와 동일하게 통수밸브가 닫히고 냉각수 공급이 중지될 수 있을 것이다. 또는, 기 설정된 소정의 온도 범위 및 기 설정된 소정의 통수시간 조건을 모두 만족하여야 통수밸브가 닫히고 냉각수 공급이 중지될 수도 있을 것이다.
이때, 냉각 통수시간의 경우 제품의 두께와 주입 중량에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 통상적으로 5kg 중량의 제품인 경우에는 120초 내지 150초 범위 이내, 10kg 중량의 제품인 경우에는 240초 내지 270초 범위 이내에서 설정되는 것이 바람직할 것이다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 냉각채널의 직경은 3mm 내지 10mm 미만으로 형성되는 것이 바람직하며, 제품의 두께 또는 형상에 따라 3mm 미만의 미세 냉각채널 직경도 적용될 수 있다.
따라서, 미세 냉각채널 적용의 경우, 스케일 또는 수증기로 인해 통수 부하가 발생할 수 있으므로, 상기 냉각단계(S110)에서는, 상기 냉각채널 내부에 고압 냉각수를 공급하여 냉각채널 내에서 수증기 및 스케일을 제거하고 통수 부하를 해결할 수 있다. 그리고 이때 냉각수 압력은 통상적으로 직경 3mm 내지 10mm 냉각홀의 경우에는 공업용수의 수압인 2kg/cm2 내지 3kg/cm2 압력을 사용할 수 있으며, 미세 냉각채널인 직경 3mm 미만의 냉각홀의 경우에는 10kg/cm2 미만의 수압으로 사용하는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 제2유체공급단계(S200)는, 용탕 응고 완료 시 상기 냉각채널 입구 및 출구에 구비되는 통기밸브를 여는 압축공기준비단계, 압축공기를 냉각채널에 공급하여 수증기, 냉각수 또는 스케일을 냉각채널 내에서 제거하는 압축공기공급단계 및 압축공기 공급을 중지하고, 상기 통기밸브를 닫는 압축공기중지단계를 포함할 수 있다.
상기 압축공기공급단계에서는, 도 8을 참조하면 냉각채널이 금형 캐비티 형상을 따라 소정의 간격을 두고 이격하여 형성되므로, 압축공기가 단열 역할을 하여 외부 온도에 의해 금형 온도가 올라가거나 내려가는 것을 방지할 수 있을 것이다. 이로 인해 다음 공정 시 금형 재가열로 인한 에너지 소모를 방지할 수 있을 것이다.
이때, 금형 내부에 구비되는 복수개의 통기밸브는 제어부를 통해 개별적으로 제어될 수 있고, 압축공기를 공급하는 컴프레셔도 제어될 수 있을 것이다.
또한, 상기 누수검사단계(S300)는, 냉각채널 입구에 구비되는 통기밸브를 열고 냉각채널 출구에 구비되는 통기밸브를 닫는 검사준비단계, 냉각채널 입구에 구비되는 통기밸브를 통해 압축공기를 공급하고 가압력과 냉각채널 출구에서의 압력을 측정하고 비교하여 누수여부를 감지하는 누수판단단계 및 압축공기 공급을 중지하고 냉각채널 출구에 구비되는 통기밸브를 닫는 검사중지단계를 포함할 수 있다.
상기 누수판단단계에서는 냉각채널 출구에서의 압력을 측정하기 위해 압력센서부가 사용되고, 상기 압력센서부로부터 측정된 압력과 가압력을 제어부에서 비교하여 누수여부를 판단할 것이다.
아울러, 상기 누수판단단계에서는 압축공기 가압력이 비이상적으로 높을 시 안전밸브를 통하여 압력을 배출하고 제어부를 통해 누수판단단계를 다시 시작할 수 있다.
상기 누수검사단계(S200)에 있어서, 도 7 내지 도 8을 참조하면, 하나의 냉각채널로 구성되고, 상기 냉각채널에 입구 및 출구가 하나씩 구비되므로, 냉각채널 입구에서의 압력(가압력)과 출구에서의 압력을 비교하여 금형 누수를 판단할 수 있다.
도 6 및 도 9를 참조하면, 복수개의 냉각채널(1)로 구성되고, 각각의 냉각채널(1)은 입구(11) 및 출구(12)를 하나씩 구비하고 있으므로, 냉각채널 별로 누수를 판단하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 저압주조용 금형을 냉각하는 시스템에 있어서: 상기 금형 내부에 구비되는 냉각채널(1); 상기 냉각채널 내부에 유체를 공급하는 유체공급부; 상기 냉각채널 일측에 구비되며 냉각채널 내의 유체 압력을 측정하는 압력센서부; 상기 금형 일측에 구비되며 금형 온도를 측정하는 온도센서부; 및 상기 유체공급부, 압력센서부, 온도센서부를 제어하고 저압주조기와 신호를 송수신하는 제어부;를 포함하는 저압주조용 금형 냉각시스템을 제공한다.
이때, 상기 냉각채널(1)은 도 6 내지 도 9에서 보는 바와 같이, 금형 합형 시 생성되는 캐비티(2)로부터 소정의 거리만큼 이격되어 캐비티 형상을 따라 금형 내에 형성될 수 있다. 냉각채널의 직경은 3mm 내지 10mm 미만으로 형성되는 것이 바람직하고, 제품의 두께 또는 형상에 따라 3mm 미만의 미세 냉각채널 직경도 적용될 수 있을 것이다.
도 7은 캐비티(제품부) 형상을 따라 나선형(Spiral) 방식으로 냉각채널을 제작한 것이며, 좌측은 원형의 냉각홀로 구성되고 우측은 캐비티 형상에 따라 프로파일(ProFiled)방식으로 냉각홀을 구성하였다.
도 8의 좌측은 보로노이(Voronoi Diagram) 형상으로 제작된 냉각채널을 나타낸 것이고, 우측은 나선형(Sprial) 형상으로 제작된 냉각채널을 나타낸 것이다.
도 9는 캐비티 형상을 따라 기본적 방식으로 제작되는 냉각채널을 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 9의 상기 냉각채널 형상은 3D프린터 방식의 적층제조 또는 분할 가공 후 금속을 확산 접합하는 방식 등을 이용하여 제작할 수 있다.
아울러, 상기 냉각채널(1)은 채널입구(11) 및 채널출구(12)로 구성되고, 상기 유체공급부는, 상기 냉각채널에 냉각수를 공급하는 펌프, 상기 냉각채널에 압축공기를 공급하는 컴프레셔, 상기 채널입구 및 채널출구에 구비되며 냉각수 유로를 제어하는 통수밸브 및 상기 채널입구 및 채널출구에 구비되며 압축공기 유로를 제어하는 통기밸브를 포함할 수 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, 금형 각 부분별로 금형 캐비티 형상을 따라 복수개의 냉각채널이 형성될 수 있고, 도 8에서 보는 바와 같이, 금형 캐비티 형상을 따라 금형 내에 하나의 냉각채널이 형성될 수 있다.
상기 유체공급부는 냉각수를 냉각채널에 공급하여 금형을 냉각시키고, 압축공기를 냉각채널에 공급하여 금형 온도를 유지시킬 수 있다.
상기 냉각수에 의해 금형이 냉각되는 온도 및 압축공기에 의해 유지되는 금형 온도는 250도 내지 350도 이내로 설정되는 것이 바람직할 것이다.
또는, 소정의 금형 온도는 통상적으로 제품 두께가 10mm 미만일 경우 350도 전후, 10mm 이상 20mm 미만일 경우 300도 전후, 20mm 이상일 경우 250도 전후로 설정될 수 있으나, 제품 형상과 두께, 주입되는 용탕 온도에 따라 다소 변화를 줄 수 있을 것이다. 다만 효과적인 응고시간 단축과 조직미세화를 위해서는 금형 내부로 용탕을 주탕할 시 충전에 문제만 없다면 가능한 금형 온도를 낮추는 것이 바람직할 것이다.
이때, 상기 냉각수 공급 시 냉각채널 내부에 잔류하는 수증기 또는 스케일을 제거하여 통수 부하를 해결할 수 있을 것이고, 이때 상기 냉각수의 압력은 2kg/cm2 내지 10kg/cm2 로 형성되는 것이 바람직할 것이다.
더 자세하게는, 통상적인 직경 3mm 내지 10mm 냉각홀인 경우에는 공업용수의 수압인 2kg/cm2 내지 3kg/cm2 를 사용할 수 있으며, 미세 냉각채널인 직경 3mm 미만의 냉각홀인 경우에는 10kg/cm2 미만의 수압을 사용하는 것이 바람직할 것이다.
아울러, 상기 압축공기를 공급하여 냉각채널 내부에 잔류하는 수증기, 냉각수 또는 스케일을 제거할 수 있을 것이다.
그리고 도 6과 같이, 복수개의 냉각채널이 금형 각 부분에 형성되고 상기 냉각수 및 압축공기를 공급하는 경우에는 저압주조기로부터 용탕 충전 완료 신호를 받은 후, 냉각채널1(ch1)에 구비되는 통수밸브가 열리면서 냉각수가 공급되고, 순차적으로 냉각채널2(ch2)와 냉각채널3(ch3), 냉각채널4(ch4)와 냉각채널5(ch5), 마지막으로 냉각채널6(ch6)과 냉각채널7(ch7)의 통수밸브가 열리고 냉각수가 공급될 것이다. 이러한 냉각단계를 통해 용탕 충전 방향의 반대 방향인 금형 상단부로부터 금형 하단부(탕도부)로 균일하게 지향성 응고가 이루어질 것이다.
그리고 금형 상단부에서 하단부로 소정의 시간 간격을 두고 순차적으로 냉각수가 공급되는 것이 바람직할 것이며, 상기 소정의 시간 간격은 통상 10초 이내로 제품의 두께와 형상에 따라 다르게 설정될 수 있다.
이때, 냉각채널1(ch1)은 상형 상단부, 냉각채널2(ch2)와 냉각채널3(ch3)은 상형 하단부, 냉각채널4(ch4)와 냉각채널5(ch5)는 하형 상단부, 냉각채널6(ch6)과 냉각채널7(ch7)은 하형 하단부일 수 있을 것이다.
상기 온도센서부는 금형 각 부분에 구비되며, 예를 들어 냉각채널이 금형 내에 하나로 구성될 경우에는 금형 소정의 일측에 온도센서부가 구비되고 상기 온도센서부에 의해 측정된 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위를 만족하는 경우에는 냉각수 공급을 중지할 수 있다. 아울러, 통수밸브가 닫히고 통기밸브가 열려 압축공기를 공급받아 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위를 벗어나지 않도록 단열 효과를 줄 수 있을 것이다.
상기 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위보다 높을 시에는 통기밸브가 닫히고 다시 통수밸브를 통해 냉각수를 공급할 수 있다.
외부에 위치하는 보온로에 의해 금형은 가열될 것이고, 금형을 통해 열전달을 받은 용탕은 온도가 올라가게 될 것이다. 따라서, 냉각채널 내에 압축공기를 공급함으로써, 용탕에 열전달이 가능한 금형의 표면적을 줄여 용탕의 가열속도를 늦출 수 있다.
또한, 상기 온도센서부에 의해 측정된 금형 온도 기준 이외에 금형 내부 또는 외부에 온도센서를 장착하기 난이한 구조의 경우에는, 냉각 통수제어 타이머를 이용하여 통수시간을 제어함으로써, 기 설정된 소정의 통수시간에 도달하였을 경우 위와 동일하게 통수밸브가 닫히고 냉각수 공급이 중지될 수 있을 것이다. 또는, 기 설정된 소정의 온도 범위 및 기 설정된 소정의 통수시간 조건을 모두 만족하여야 통수밸브가 닫히고 냉각수 공급이 중지될 수도 있을 것이다.
이때, 냉각 통수시간의 경우 제품의 두께와 주입 중량에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 통상적으로 5kg 중량의 제품인 경우에는 120초 내지 150초 범위 이내, 10kg 중량의 제품인 경우에는 240초 내지 270초 범위 이내에서 설정되는 것이 바람직할 것이다.
아울러, 상기 유체공급부는 냉각수의 경수를 연수로 처리하는 연수처리기를 더 포함하고, 상기 연수처리기를 통해 냉각채널 내부에 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 압력센서부는 채널출구 측 통기밸브에 구비되고, 상기 통기밸브를 닫은 상태에서 압축공기를 냉각채널 내부로 공급하였을 경우, 압축공기 가압력과 채널출구의 압력을 측정하고 제어부를 통해 가압력과 출구에서의 압력을 비교하여 누수여부를 판단할 수 있다. 복수개의 냉각채널이 형성된 경우에는 각각의 냉각채널마다 누수여부를 판단하는 것이 바람직할 것이다.
구분 주입중량(5kg, Al기준) 주입중량(10kg, Al기준)
기존
냉각방법		 본 발명의 실시예에 따른 냉각방법 기존
냉각방법		 본 발명의 실시예에 따른 냉각방법
용탕 충전시간(s) 40 ~ 50 40 ~ 50 50 ~ 60 50 ~ 60
응고시간(s) 240 ~ 300 120 ~ 150 480 ~ 540 240 ~ 270
사이클타임(s) 280 ~ 350 160 ~ 200 530 ~ 600 290 ~ 330
상기 표 1은 알루미늄 주입중량에 따른 저압주조 사이클 타임을 기존 냉각방법과 본 발명의 실시예에 따른 냉각방법을 비교한 것이며, 기존 냉각방법은 도 5와 같이 냉각채널이 직선형의 절삭가공으로 형성된 냉각시스템을 이용한 방법을 의미하고, 본 발명의 실시예에 따른 냉각방법은 도 6과 같이 금형 캐비티 형상을 따라 소정의 거리만큼 이격되어 형성된 냉각시스템을 이용한 방법을 의미할 수 있다.
표 1을 참조하면, 알루미늄 용탕 5kg를 금형 캐비티 내에 충전하여 응고하였을 때 응고시간이 90초 내지 180초 차이나고, 알루미늄 용탕 10kg를 충전하고 응고하였을 때는 110초 내지 300초 차이나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 기존 냉각방법 대비 본 발명의 실시예에 따른 냉각방법의 응고시간은 대략 50% 단축되었다.
이와 같이, 응고시간이 짧은 것은 냉각속도가 빠르다는 것을 의미하고, 생산성 향상과 더불어 조직 미세화(통상적인 기준의 저압주조 조직 SDAS : 30㎛ 내지 50㎛, 본 냉각기술 적용 SDAS : 20㎛ 내지 30㎛)가 이루어져 기계적 성질이 향상되는 효과를 볼 수 있다.
1 : 냉각채널
11 : 채널입구
12 : 채널출구
2 : 캐비티
S100 : 제1유체공급단계
S110 : 냉각단계
S200 : 제2유체공급단계
S300 : 누수검사단계

Claims (13)

  1. 저압주조용 금형을 냉각하는 방법에 있어서,
    용탕 충전 완료 시, 금형 내부에 구비된 복수개의 냉각채널 각각에 냉각수를 공급하여 금형을 냉각하는 제1유체공급단계 및;
    상기 제1유체공급단계 후, 상기 복수개의 냉각채널 각각에 압축공기를 공급하여 금형 온도가 설정된 소정의 온도 미만으로 내려가지 않도록 유지하는 제2유체공급단계를 포함하고;
    상기 제2유체공급단계는:
    상기 냉각채널 입구 및 출구에 구비되는 통기밸브를 여는 압축공기준비단계;
    상기 압축공기를 냉각채널에 공급하여 스케일, 수증기 또는 냉각수를 냉각채널 내에서 제거하는 압축공기공급단계 및;
    상기 냉각채널의 채널입구 및 채널출구 사이의 압축공기 압력을 비교하여 금형 누수를 감지하는 누수검사단계를 포함하여;
    저압주조 공정 진행중에 냉각채널 누수 감지 및 냉각채널 막힘 방지가 가능한, 저압주조용 금형 냉각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체공급단계는,
    용탕 충전 완료 시 저압주조기로부터 신호를 받고 냉각채널 입구 및 출구에 구비되는 통수밸브가 열리고, 상기 냉각채널에 냉각수를 공급하여 기 설정된 소정의 온도 범위에 도달할 때까지 금형을 냉각시키는 냉각단계 및
    용탕 응고 완료 시 냉각수 공급을 중지하고, 상기 통수밸브를 닫는 냉각종료단계를 포함하는 저압주조용 금형 냉각 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각단계는,
    용탕 충전 반대방향인 금형의 상단부에서 하단부로 소정의 시간 간격을 두고 순차적으로 통수밸브가 열려 냉각수가 공급되는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 냉각단계는,
    금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위 미만으로 내려가지 않도록 냉각수 공급을 중지하거나 금형 온도가 기 설정된 소정의 온도 범위를 초과하지 않도록 냉각수를 재공급하여 금형 온도를 기 설정된 소정의 온도 범위 내에 유지시키는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소정의 금형 온도 범위는 250도 내지 350도 미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 냉각단계는,
    상기 냉각채널 내부에 고압 냉각수를 공급하여 냉각채널 내에서 스케일 또는 수증기를 제거하는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 누수검사단계는,
    상기 냉각채널 출구에 구비되는 통기밸브를 닫는 검사준비단계 및
    압축공기를 냉각채널에 공급하고 가압력과 냉각채널 출구에서의 압력을 비교하여 누수여부를 감지하는 누수판단단계를 포함하는 저압주조용 금형 냉각 방법.
  8. 저압주조용 금형을 냉각하는 시스템에 있어서:
    상기 금형 내부에 구비되는 복수개의 냉각채널;
    상기 냉각채널 내부에 유체를 공급하는 유체공급부;
    상기 냉각채널 일측에 구비되며 상기 유체 압력을 측정하는 압력센서부 및;
    상기 유체공급부와 압력센서부를 제어하는 제어부를 포함하되;
    상기 냉각채널은 금형 합형 시 생성되는 캐비티로부터 소정의 거리만큼 이격되어 캐비티 형상을 따라 금형 내에 형성되고,
    상기 제어부는 제1항의 저압주조용 금형 냉각 방법에 따라 유체공급부를 제어하는, 저압주조용 금형 냉각 시스템
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각채널은 채널입구 및 채널출구로 구성되고,
    상기 유체공급부는,
    상기 냉각채널에 냉각수를 공급하는 펌프,
    상기 냉각채널에 압축공기를 공급하는 컴프레셔,
    상기 채널입구 및 채널출구에 구비되며 냉각수 유로를 제어하는 통수밸브 및
    상기 채널입구 및 채널출구에 구비되며 압축공기 유로를 제어하는 통기밸브를 포함하는 저압주조용 금형 냉각시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유체공급부는,
    상기 냉각수를 냉각채널에 공급하여 금형을 냉각시키고, 상기 압축공기를 냉각채널에 공급하여 금형 온도를 유지시키는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금형 온도는 250도 내지 350도 미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 유체공급부는 냉각수의 경수를 연수로 처리하는 연수처리기를 더 포함하고,
    상기 연수처리기를 통해 냉각채널 내부에 스케일이 생성되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 압력센서부는,
    상기 통기밸브에 구비되고,
    상기 채널출구에 구비되는 통기밸브를 닫은 상태에서 압축공기를 냉각채널 내부로 공급하였을 경우, 압축공기 가압력과 채널출구의 압력을 비교하여 누수여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 저압주조용 금형 냉각시스템.
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