KR102359456B1 - 이종 재질 원심주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제조하고자 하는 주물의 외면 형상에 대응되는 형상을 가지며, 내부에 용탕이 주입될 수 있는 캐비티가 형성된 금형, 상기 금형 내에 삽입되어 용탕을 분리 주입될 수 있게 가이드하는 용탕 가이드, 상기 용탕 가이드를 위치 고정시키는 가이드 고정수단 및 상기 금형을 회전축을 기준으로 회전시키는 모터를 포함하는 이종 재질 원심주조장치로서, 본 발명에 의하면, 이종 재질을 원심주조에 의해 동시에 주조하되, 성형성 및 접합성을 향상시킬 수 있다.

Description

이종 재질 원심주조장치{CENTRIFUGAL CASTING APPARATUS FOR DEFERENT MATERIALS}

본 발명은 원심주조공법을 위한 원심주조장치에 관한 것으로서, 특히 이종 재질을 주조하기 위한 원심주조장치에 관한 것이다.

원심주조 공법은 주형을 회전시키면서 용융 금속에 원심력을 가하여 주물을 만드는 주조법이다. 즉, 회전에 의해 원심력이 금형 전반에 고루 작용할 수 있고 가압하면서 주조를 진행할 수 있는 공법이다.

금형이 300~3000RPM의 고속으로 회전하여 원심력에 의해서 치밀한 조직을 얻는 동시에 비중차에 의한 불순물 분리를 통해서 우수한 품질의 주물을 제조할 수 있어, 파이프, 워터펌프 풀리, 댐퍼풀리 허브 등의 원형의 부품 뿐만 아니라 이너코어 등의 다양한 형상의 부품에도 확대 적용되고 있다.

그런데, 원심주조 공법의 경우에는 설비의 문제, 용탕의 산개 등의 현실적인 문제로 인해 RPM을 일정 이상으로 증가시킬 수가 없다.

그래서, RPM이 충분히 높지 않은 상태에서 주조를 진행하게 되는 경우가 빈번하다.

RPM이 낮을 경우에는, 도 1과 같이 중력과 원심력의 영향을 받게 되는데, 중력과 원심의 합력 방향으로 집중적인 힘이 가해지고 힘을 덜 받는 부분이 생기게 되므로, 주조압력의 차이로 인해 주조성 미확보, 물성의 차이를 유발할 수 있는 단점이 있다.

도 2는 단일 재질로 원심주조에 의해 제조된 워터펌프 풀리로서, 가압의 방향성 때문에 도시의 A 부분과 같이 미성형이 발생할 수 있게 된다.

한편, 경량화 등을 위한 알루미늄 주조공법에서 하나의 제품을 서로 다른 두 재질을 주조하여 제조하는 것은 많은 효과가 있어 금속의 하이브리드화 주조를 시행하는 것이 주조 분야의 트렌드이다.

즉, 필요한 부분에만 필요한 소재를 사용함으로써 기능재의 역할을 수행할 수 있어 원가절감 및 경량화를 실현할 수가 있다.

예를 들어, 변속기 리테이너 부품은 표면에 내마모성을 필요로 하는데, 표면에는 K14, 내부에는 ADC12를 주조하면 원가절감 및 경량화를 실현할 수 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2009-0032465호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 이종 재질을 원심주조에 의해 동시에 주조하되, 성형성 및 접합성을 향상시킬 수 있는 이종 재질 원심주조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 이종 재질 원심주조장치는, 제조하고자 하는 주물의 외면 형상에 대응되는 형상을 가지며, 내부에 용탕이 주입될 수 있는 캐비티가 형성된 금형, 상기 금형 내에 삽입되어 용탕을 분리 주입될 수 있게 가이드하는 용탕 가이드, 상기 용탕 가이드를 위치 고정시키는 가이드 고정수단 및 상기 금형을 회전축을 기준으로 회전시키는 모터를 포함한다.

그리고, 상기 금형의 상부에는 외부용탕이 주입될 수 있는 외부용탕 주입구가 형성되고, 상기 용탕 가이드의 상부에는 상기 외부용탕과 다른 재질의 내부용탕이 주입될 수 있는 내부용탕 주입구가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용탕 가이드는 상기 내부용탕 주입구 하단으로부터 방사상으로 경사지게 연장된 상부면과, 상기 상부면으로부터 하방으로 연장된 측면 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 용탕 가이드의 내부용탕 주입구는 상기 금형의 외부용탕 주입구보다 폭이 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용탕 가이드의 내부용탕 주입구의 상단의 높이는 상기 금형의 외부용탕 주입구의 상단의 높이보다 큰 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 용탕 가이드는 메쉬(mesh) 타입의 부재인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 용탕 가이드는 상기 금형의 하면에 형성된 가이드 홀을 일부 관통하고, 상기 가이드 고정수단은 상기 가이드 홀을 관통한 상기 용탕 가이드의 내외면을 감싸는 가이드 고정부재인 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 가이드 고정수단은 상기 용탕 가이드의 내부용탕 주입구를 고정시키는 유압 고정장치인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 용탕 가이드의 하단은 상기 금형의 하면에 고정되지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이종 재질 원심주조장치에 의하면, 이종재질을 동시에 원심주조에 의해 주물을 제조함으로써 cycle time을 낮춰 공정을 단순화시키고 원가를 낮출 수 있으며, 단순한 접합에 비해 보다 뛰어난 물성의 제품의 제조가 가능하게 한다.

또한, 일반적인 원심주조에 의해서는 힘을 덜 받게 되는 부분에 가압력이 가해짐으로써 성형성이 보다 우수하게 한다.

그리고, 용탕 가이드 하부 영역을 통해서 이종 재질 간 혼합이 됨에 따라 이종 재질 간의 접합력을 향상시켜 완제품의 안정성을 높일 수 있다.

결국, 기존에 비해 제품의 강성이 향상될 수 있어 두께를 축소시키는 것에 의해 제품의 경량화를 실현할 수 있다.

또한, 단일 재질의 원심주조에 비해 특수한 재질을 적용할 수 있으므로, 원가 확보에 유리하다.

도 1은 원심주조에 있어서 가압력의 관계를 도시한 것이다.
도 2는 단일 재질로 원심주조에 의해 제조된 일 예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 상부에서 본 일 부분을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치를 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 상부에서 본 일 부분을 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치를 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 상부에서 본 일 부분을 도시한 것이다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치를 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치는 모터 등을 이용하여 금형을 회전축을 기준으로 회전시킴으로써 금형 내부로 주입된 용탕을 원심력에 의해 가압하여 주조하기 위한 원심주조장치로서, 도시상 모터 등의 수단은 생략되었다.

제조하고자 하는 주물의 외면 형상에 대응되는 형상을 가지며, 내부에 용탕이 주입될 수 있는 캐비티가 형성된 금형(10)과, 금형(10) 내에 삽입되어 내부 용탕(I)과 외부 용탕(E)이 분리 주입될 수 있게 가이드하는 용탕 가이드(20) 및 용탕 가이드(20)를 위치 고정시키기 위한 가이드 고정수단을 포함한다.

금형(10)의 상부에는 외부용탕(E)이 주입될 수 있는 외부용탕 주입구(11)가 형성되고, 용탕 가이드(20)의 상부에는 내부용탕(I)이 주입될 수 있는 내부용탕 주입구(21)가 형성된다.

용탕 가이드(20)는 금형(10)의 캐비티를 구획할 수 있도록 내부용탕 주입구(21)의 하단으로부터 방사상으로 경사지게 연장되어 상부면을 형성하고, 다시 하방으로 연장된 측면 형상에 의해 하면을 포함하여 내부에 일정한 체적의 공간을 형성시킨다.

금형(10) 및 용탕 가이드(20)의 평단면 형상은 원형일 수 있다.

그리고, 도시와 같이, 용탕 가이드(20)의 내부용탕 주입구(21)는 금형(10)의 외부용탕 주입구(11)보다 작은 폭으로 형성되고, 용탕 가이드(20)가 금형(10) 내부에 안착시 내부용탕 주입구(21)의 상단은 외부용탕 주입구(11)의 상단보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 내부용탕(I)과 외부용탕(E)을 분리하여 주입시키기 위해서 내부용탕 주입구(21)의 상단의 높이는 외부용탕 주입구(11)의 상단의 높이보다 높아야 혼입되는 경우 없이 각각 주입하는 데 도움이 된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치는, 이와 같이 용탕 가이드(20)에 의해서 주입구가 분리됨으로써 외부용탕 주입구(11)를 통해서 용탕 가이드(20)의 외측으로 외부용탕(E)을 주입시키고, 내부용탕 주입구(21)를 통해서 용탕 가이드(20) 내측으로 외부용탕(I)을 주입시켜 주조함으로써 이종 재질을 동시에 원심주조 가능하게 한다.

그리고, 용탕 가이드(20)를 고정시키는 가이드 고정수단은 도시와 같이 금형(10) 하방향에 마련되는 가이드 고정부재(30)일 수 있다.

용탕 가이드(20)의 고정을 위해서 금형(10)의 하면에는 용탕 가이드(20)의 하부 일부가 관통할 수 있는 가이드 홀이 형성되어, 용탕 가이드(20)가 금형(10)의 하방향으로 일부 노출되게 하고, 도시와 같이 용탕 가이드(20)의 관통된 하부 일부의 내외면을 감싸는 형태의 가이드 고정부재(30)를 볼팅 등의 수단에 의해 용탕 가이드(20)와 함께 고정시킴으로써 용탕의 주입시 용탕 가이드(20)가 위치 고정될 수 있게 한다.

또한, 가이드 고정부재에 의해 용탕 가이드가 위치 고정됨으로써, 원심력에 의해 반경 방향으로의 이탈을 방지할 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치는 먼저, 금형을 개방하여 용탕 가이드(20)를 삽입시키고, 가이드 홀을 관통함으로써 위치 고정되고, 가이드 고정부재(30)에 의해 용탕 가이드(20)를 고정시킨 후 금형을 폐쇄한다.

그리고, 금형(10)에 회전력(RPM)을 부과하며, 내부 용탕 주입구(21)를 통해서 내부용탕(I)을 주입한다. 내부용탕(I)은 원심력에 의해 용탕 가이드(20)를 가압함으로써, 용탕 가이드(20)와 접촉이 수월해진다.

내부용탕(I)의 주입 후 응고 진행이 완료되면, 가이드 고정부재(30)를 커팅하여 분리시킨다. 용탕 가이드(20)의 돌출된 하부를 커팅함으로써 언더컷 또한 방지할 수가 있고, 커팅된 부분은 다시 스크랩으로 활용할 수 있다.

그런 다음, 외부 용탕 주입구(21)를 통해서 외부용탕(E)을 주입한다.

즉, 내부 용탕(I)이 응고되면 용탕 가이드(20)의 위치 고정이 더 이상 필요하지 않게 되고, 가이드 고정부재(30)를 커팅하면 용탕 가이드(20)는 회전력에 의해서 상방향으로 힘을 받게 된다.

이 힘은 종래 가압력이 취약하였던 힘을 받지 못하는 부분의 외부용탕에 가압력을 가하여 주조시킬 수가 있으며, 또한, 내부 용탕(I)과 일체화된 용탕 가이드(20)의 하단이 금형(10)의 내면으로부터 뜨게 되면 사이 공간을 통해서 내부 용탕(I)과 외부 용탕(E)이 접촉하게 되어 완성되는 제품의 결합을 보다 견고히 할 수 있게 된다.

한편, 외부용탕(E)의 용탕 가이드(20)와 접합면에서의 주조성을 확보하기 위해 캐비티의 130% 내지 150% 정도의 용탕을 공급하거나 캐비티에 압탕부를 설계할 수 있다.

그리고, 내부용탕(I)과 외부용탕(E)의 주입시간과 주입량 및 각각의 회전속도를 상이하게 제어함으로써 각각의 용탕에 작용되는 원심력 및 주조성의 양상을 차별적으로 제어할 수 있다.

그런 다음, 외부 용탕(E)의 응고가 완료가 되면 금형(10)을 개방시켜 주조품을 취출하게 된다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에서 용탕 가이드(20)는 알루미늄 소재(ADC12)일 수 있으며, 메쉬(mesh) 타입의 부재로 마련될 수 있다.

이종 재질을 주조할 경우에 화학적인 결합이 아닌 단순한 물리적인 결합만에 의하면 계면에서 여러 문제가 발생될 수가 있다.

첫째로, 계면에서의 기공형성 및 결함 방생으로 인해 계면에서 파손이 시작될 수가 있다. 따라서, 계면의 설계형상, 재질 간의 상호 작용이 중요하다.

둘째로, 두 재질 사이의 갈바닉 부식이 발생할 수 있다. 갈바닉 부식은 이종 금속이 접촉되어 그들의 전위차가 있을 때 발생하는 부식으로, 한 재질의 부식을 가속화시켜 부품 수명에 영향을 미칠 수가 있다.

그래서, 이를 해소하기 위한 방안으로 본 발명의 용탕 가이드(20)는 알루미늄 메쉬 타입으로 형성될 수 있다.

이를 통해서 갈바닉 부식을 방지할 수 있으며, 메쉬 타입에 의한 다공으로 용탕이 차고 들어가 최대한 기공 및 결함을 방지하여 계면에서의 접합이 이루어지게 하는 것이다.

다음으로, 도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치를 도시한 것이고, 도 6은 도 5의 상부에서 본 일 부분을 도시한 것이다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치를 설명하기로 하되, 앞선 실시예와 동일한 기술적 사항에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 이종 재질 원심주조장치는 용탕 가이드(20)의 가이드 고정수단에 있어서 앞선 실시예와 차이가 있다.

즉, 본 실시예에서의 용탕 가이드(20)는 금형(10)에 직접적으로 고정되지 않는 방식으로, 하단이 금형(10)의 바닥면으로부터 자유롭다.

대신, 상측의 내부용탕 주입구(21)를 유압 고정장치(40)가 유압에 의해 고정시키는 방식이다.

유압 실린더를 이용한 유압 고정장치(40)에 의해서 용탕 가이드(20)를 상측에서 지지하여 용탕 주입시 용탕 가이드(20)를 위치 고정시키고, 앞선 실시예의 가이드 고정부재(30) 커팅과 같이 유압을 해제시키면 용탕 가이드(20)가 상방향으로 가압력을 받는 효과가 있다.

그리고, 용탕 가이드(20)의 하단과 금형(10)의 바닥면 사이의 공간을 통해서 내부 용탕(I)과 외부 용탕(E)이 접촉하게 되어 내부 용탕, 용탕 가이드, 외부 용탕 간의 결합이 더욱 견고해지고, 완성되는 제품의 결합을 보다 견고히 할 수 있게 된다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 금형
11 : 외부용탕 주입구
20 : 용탕 가이드
21 : 내부용탕 주입구
30 : 가이드 고정부재
40 : 유압 고정장치

Claims (9)

1. 제조하고자 하는 주물의 외면 형상에 대응되는 형상을 가지며, 내부에 용탕이 주입될 수 있는 캐비티가 형성된 금형;
   상기 금형 내에 삽입되어 용탕을 분리 주입될 수 있게 가이드하는 용탕 가이드;
   상기 용탕 가이드를 위치 고정시키는 가이드 고정수단; 및
   상기 금형을 회전축을 기준으로 회전시키는 모터를 포함하는,
   이종 재질 원심주조장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 금형의 상부에는 외부용탕이 주입될 수 있는 외부용탕 주입구가 형성되고,
   상기 용탕 가이드의 상부에는 상기 외부용탕과 다른 재질의 내부용탕이 주입될 수 있는 내부용탕 주입구가 형성된 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 용탕 가이드는 상기 내부용탕 주입구 하단으로부터 방사상으로 경사지게 연장된 상부면과, 상기 상부면으로부터 하방으로 연장된 측면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 용탕 가이드의 내부용탕 주입구는 상기 금형의 외부용탕 주입구보다 폭이 작은 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 용탕 가이드의 내부용탕 주입구의 상단의 높이는 상기 금형의 외부용탕 주입구의 상단의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 용탕 가이드는 메쉬(mesh) 타입의 부재인 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 용탕 가이드는 상기 금형의 하면에 형성된 가이드 홀을 일부 관통하고,
   상기 가이드 고정수단은 상기 가이드 홀을 관통한 상기 용탕 가이드의 내외면을 감싸는 가이드 고정부재인 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 가이드 고정수단은 상기 용탕 가이드의 내부용탕 주입구를 고정시키는 유압 고정장치인 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 용탕 가이드의 하단은 상기 금형의 하면에 고정되지 않는 것을 특징으로 하는,
   이종 재질 원심주조장치.

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