KR102359457B1

KR102359457B1 - 진공 원심주조 장치

Info

Publication number: KR102359457B1
Application number: KR1020170173371A
Authority: KR
Inventors: 조영래; 주효문; 김민수; 강문구
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2022-02-08
Also published as: KR20190072204A; US20190184455A1; DE102018219261A1; CN109926556B; CN109926556A; DE102018219261B4; US10814381B2

Abstract

본 발명은 상측 및 캐비티와 연통된 상부 진공 홀이 형성된 상부 금형, 상기 상부 진공 홀과 대응되며 하측 및 상기 캐비티와 연통된 하부 진공 홀이 형성된 하부 금형, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 회전시키기 위한 모터, 상기 상부 진공 홀에 대응되는 외경을 가지며, 상단에 용탕 주입구가 형성된 진공유지막, 상기 모터에 의해 작동되며, 상기 하부 진공 홀과 연통된 흡입구와, 흡입된 에어를 배기시키기 위한 배기구가 형성된 진공펌프를 포함하는 진공 원심주조 장치로서, 본 발명에 의하면, 금형 전체가 아닌 금형 캐비티 내부의 가스 함유량만을 제어할 수 있다.

Description

진공 원심주조 장치{VACUUM CENTRIFUGAL CASTING APPARATUS}

본 발명은 원심주조장치에 관한 것으로서, 특히 캐비티에 진공을 형성하기 위한 진공 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.

그러나, 일반적인 원심주조 공법은 금형의 캐비티(cavity) 내에 존재하는 공기와 용탕 주입시 발생하는 난류에 의해 주조된 제품 내에 기포 결함이 발생할 수가 있다.

이를 제어할 수 있는 공정 변수로는 회전 RPM, 금형의 온도, 용탕 주입온도, 에어벤트의 형성 등이 있을 수 있으나, 근본적으로 캐비티 내부의 가스량의 제어는 불가능하다.

이와 같은 캐비티 내부의 가스 함유량을 줄이기 위한 방법으로 한국 등록특허공보 제10-1374828호(이하, '종래기술'이라 함)와 같은 진공 원심주조 공법이 있는데, 이러한 종래기술은 진공 펌프(240)를 이용하여 금형(233)을 둘러싼 상부 하우징(226)과 하부 하우징(236)에 의한 공간 전체에 진공을 형성하는 방식에 의한다.

종래기술과 같은 기존의 진공 원심주조 방식은 소형 부품의 정밀주조에 적용되어지고 있으며, 장치의 공간 제약 특성상 중대형 부품에는 적용이 어려운 단점이 있다.

또한, 금형을 포함하는 공간 전체에 진공을 형성하기 때문에 비효율적이며, 진공 형성 이후에는 외부에서 용탕의 주입이 불가능하므로, 금형 내부에 별도의 금속 용해 장치 또는 용탕 보관장치가 필요한 단점이 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.

한국등록특허공보 제10-1374828호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 금형 전체가 아닌 금형 캐비티 내부의 가스 함유량만을 제어할 수 있는 진공 원심주조 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 진공 원심주조 장치는, 상측 및 캐비티와 연통된 상부 진공 홀이 형성된 상부 금형, 상기 상부 진공 홀과 대응되며 하측 및 상기 캐비티와 연통된 하부 진공 홀이 형성된 하부 금형, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 회전시키기 위한 모터, 상기 상부 진공 홀에 대응되는 외경을 가지며, 상단에 용탕 주입구가 형성된 진공유지막, 상기 모터에 의해 작동되며, 상기 하부 진공 홀과 연통된 흡입구와, 흡입된 에어를 배기시키기 위한 배기구가 형성된 진공펌프를 포함한다.

상기 진공유지막은, 외형을 형성하는 바디에 상기 용탕 주입구를 통해 용탕이 주입되는 내부 공간이 형성되고, 상기 바디의 중단부에 측방으로 형성된 용탕 충진구가 형성되며, 상기 바디의 하단부에 측방으로 가스 배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 진공유지막의 가스 배출구가 상기 캐비티와 연통되는 높이로 상기 진공유지막을 고정시키는 유지막 고정수단을 더 포함한다.

그리고, 상기 상부 금형에는 고정부재 홈이 형성되고, 상기 유지막 고정수단은, 상기 고정부재 홈에 삽입되며, 돌출된 일 단은 상기 진공유지막에 형성된 고정 홈에 삽입되는 고정부재 및 상기 고정부재를 상기 고정부재 홈에 탄성 결합시키는 스프링을 포함한다.

또한, 상기 진공유지막은, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 회전하는 원심력에 의해 상기 스프링이 수축됨으로써 하강하는 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 진공 유지막은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 주조 rpm에 달하는 회전속도 이상으로 회전시 하강하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 진공유지막은 상기 유지막 고정수단이 해제됨으로써 하강하고, 상기 하부 금형에는 상기 진공유지막의 하향 위치를 설정하는 스토퍼가 형성된 것을 또한 특징으로 한다.

또한, 상기 진공유지막은 상기 용탕 충진구가 상기 캐비티와 연통되는 높이로 하향 위치되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 하부 금형에는 한 쌍의 로드 삽입 홈이 형성되고, 상기 유지막 고정수단은, 상기 로드 삽입 홈에 각각 삽입되어 슬라이딩 동작하는 한 쌍의 슬라이딩 로드, 상기 한 쌍의 슬라이딩 로드를 상기 로드 삽입 홈에 각각 탄성 결합시키는 한 쌍의 스프링 및 상기 각 슬라이딩 로드의 일 단에 회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 회전 로드를 포함하고, 상기 한 쌍의 회전 로드는 교차하여 상기 진공유지막의 하단에 결합되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 진공유지막은, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 회전하는 원심력에 의해 상기 스프링이 수축됨으로써 하강하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진공 유지막은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 주조 rpm에 달하는 회전속도 이상으로 회전시 하강하는 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 진공유지막은 상기 용탕 충진구가 상기 캐비티와 연통되는 높이로 하향 위치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진공 원심주조 장치에 의하면, 금형 전체가 아닌 주조 금형 캐비티 내부의 가스 함유량만을 제어할 수 있어 기존에 비해 설비가 간소하여 보다 효율적이다.

또한, 진공에 의해 용탕과 가스의 접촉에 의한 산화반응을 억제하여 기포 결함을 줄여 보다 고품질의 주조품을 제조할 수 있다.

그리고, 원심주조 공정의 회전력을 이용하여 금형 내부에 진공을 형성함으로써 추가 설비의 부담이 적고 경제적이다.

한편, 외부 보온로에서 용탕의 주입이 가능하게 하므로 기존의 원심주조 설비의 이용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치를 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 진공 원심주조장치를 구성하는 진공유지막을 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a의 수직 단면 형상을 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치를 부분적으로 도시한 것이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치의 동작 상태를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치를 도시한 것이다.
도 10a는 기존 원심주조에 의한 주조품의 표면 조직이며, 도 10b는 본 발명에 의한 주조품의 표면 조직을 나타낸 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 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치를 도시한 것이며, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 진공유지막 부재를 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a의 수직 단면 형상을 도시한 것이다. 그리고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치를 부분적으로 도시한 것이다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치 및 진공유지막 부재를 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치는 상부 금형(110)과 하부 금형(120)으로 주형이 마련되고, 지지대(140) 상의 모터(130)에 의해 합형된 상부 금형(110)과 하부 금형(120)이 회전축을 기준으로 회전하여 용탕을 가압하면서 주조하는 장치이다.

모터(130)는 샤프트에 의해 하부 금형(120)과 결합되어 하부 금형(120)이 샤프트의 회전에 의해 회전하게 되며, 금형 내 캐비티(C)에 진공을 형성하기 위한 진공펌프(150)가 모터(130)와 하부 금형(120) 간에 결합된다.

상부 금형(110)과 하부 금형(120)에는 각각 상측과 하측으로 연통된 상부 진공 홀과 하부 진공홀이 서로 연통되어 형성되고, 상부 진공 홀과 하부 진공 홀은 샤프트에 의한 축 방향에 나란하게 형성된다.

진공펌프(150)는 흡입구가 하부 진공 홀과 연통되게 결합되고, 하단부에 배기구가 마련되며, 모터(130)에 의해 작동됨으로써 캐비티(C) 내의 에어를 배출시킨다.

상부 금형(110)의 상부 진공 홀 상에는 진공유지막(160)이 구비된다.

진공유지막(160)은 상부 진공 홀에 대응되는 외경을 가지는 원통형 바디(161)로 구성되고, 상단에 형성된 용탕 주입구(162)를 통해 용탕이 주입되는 내부 공간이 형성된다.

내부 공간의 하단은 원통형 바디(161)의 중단부의 측방으로 형성된 용탕 충진구(163)와 연통되게 형성된다.

그래서, 용탕 주입구(162)로부터 주입되는 용탕은 내부 공간에 머무르다, 용탕 충진구(163)가 캐비티(C)와 연통되면 용탕 충진구(163)를 통해 캐비티(C)로 충진되게 된다.

그리고, 바디(161)의 하단부의 측방으로는 가스 배출구(164)가 형성된다.

가스 배출구(164)는 진공유지막(160)이 초기 위치일 때 캐비티(C)와 연통됨으로써, 캐비티(C) 내의 에어가 가스 배출구(164)를 통해서 진공펌프(150)로 유도된다.

진공유지막(160)의 초기 위치를 위해 유지막 고정수단이 구비된다.

일 실시예에서의 유지막 고정수단은 상부 금형(110)의 상부 진공 홀 내측으로 돌출되어 마련되는 고정부재(171)와 스프링(172)이다.

고정부재(171)와 스프링(172)은 상부 금형(110)에 마련되는 고정부재 홈에 삽입되어, 외력이 가해지지 않는 상태에서 고정부재(171)는 돌출되어 진공유지막(160)에 대응되게 형성된 고정 홈(165)에 삽입되어 진공유지막(160)의 높이를 고정시킨다.

그리고, 하부 금형(120)의 하부 진공 홀 상에는 진공유지막(160)의 하향 위치 설정을 위한 스토퍼(180)가 하부 진공 홀 내측으로 돌출되어 형성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 진공 원심주조 장치는 도 5에서와 같이 원심주조를 위해 모터(130)가 가동되어 상부 금형(110) 및 하부 금형(120)을 모터(130)에 연결된 샤프트를 축으로 회전시키고, 이와 함께 진공펌프(150)가 가동되어 하부 진공 홀의 하측과 연통되는 진공펌프(150)의 흡입구를 통해서 캐비티(C)의 에어가 진공펌프(150)의 배기구를 통해 배출되게 된다.

그래서, 도 6과 같이 캐비티(C)에 원하는 진공도가 형성되고, 진공유지막(160)의 용탕 주입구(162)를 통해 용탕이 주입된 후, 도 7과 같이 진공유지막(160)이 하강한다.

캐비티의 진공도는 회전수(회전시간×rpm)에 의해 제어할 수 있으므로, 목표 진공도에 따라 진공 펌프의 용량 및 회전 rpm을 조절하여 진공도의 제어가 가능해진다.

다음, 진공유지막(160)이 하강하게 되면 캐비티(C)는 상부 및 하부 진공 홀과 연통되지 않아 진공 상태를 유지하게 되고, 진공유지막(160)의 용탕 충진구(163)의 위치가 캐비티(C)에 대응되게 되면 용탕 충진구(163)를 통해 캐비티(C)로 진공이 유지된 상태에서 용탕이 충진되게 된다.

진공유지막(160)은 스토퍼(180)에 의해 하강 위치가 정해짐으로써 용탕 충진구(163)가 캐비티(C)의 높이에 대응되게 된다.

진공유지막(160)은 고정부재(171)에 의해 도 3의 위치에 고정되다, 용탕 주입 후 도 4와 같이 하강하게 되는데, 고정부재(171)의 고정 해제는 원심력에 의해 작동된다.

즉, 금형이 회전하는 원심력에 의해서 스프링(172)은 수축되게 되며, 그에 따라 고정부재(171)는 진공유지막(160)의 고정 홈(165)을 이탈하여 상부 금형(110)의 고정부재 홈으로 삽입되어 진공유지막(160)의 고정이 해제된다.

이는 스프링(172)의 강성(k)에 따라 원심력(rpm)을 조절하는 것에 의해 하강 시점의 제어가 가능하게 한다.

반대로, 회전 rpm이 주조 rpm에 도달시 고정부재(171)가 후퇴할 수 있도록 스프링(172)의 강성(k)을 설정할 수가 있다.

또한, 고정부재(171)는 원활한 동작을 위해 테이퍼진 로드 형태일 수 있다.

본 발명의 진공 원심주조 장치에 의한 원심주조 공정은 도 5와 같은 진공 형성단계와, 도 6과 같은 용탕 주입 및 고정부재 해제 단계와, 도 7과 같은 용탕 충진 및 주조 단계로 구분될 수 있는데, 각 단계에서의 회전 rpm은 구분 설정될 수 있다.

즉, 진공 형성단계에서의 rpm은 목표 진공도에 따라 설정되고, 용탕 주입 및 고정부재 해제 단계에서의 rpm은 진공 형성단계보다 높은 것이 바람직하고 이에 맞게 스프링(172)의 강성을 설정하는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 진공 형성 중에 고정부재가 해제될 수 있기 때문이다.

그리고, 용탕 충진 및 주조 단계에서의 rpm은 용탕 주입 및 고정부재 해제 단계의 rpm과 동등 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 진공 원심주조장치를 도시한 것이다. 본 실시예에 의한 진공 원심주조 장치는 앞서 살펴본 실시예의 진공 원심주조 장치와는 유지막 고정수단이 상이한 실시예로서, 앞선 실시예에서 설명한 부분과 동일한 기술적 사항에 대해서는 설명을 생략한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 진공 원심주조 장치는 진공유지막(160)을 초기 위치에서 유지시키며 진공유지막(160)을 설정된 시점에서 하강시키는 수단으로 슬라이딩 로드(191), 회전 로드(192) 및 스프링(193)이 구비되며, 앞선 실시예의 고정부재(171)와 스토퍼(180)는 요하지 않는다.

즉, 하부 금형(120)에는 슬라이딩 로드(191)와 스프링(193)의 삽입을 위해 로드 삽입 홈이 형성되고, 한 쌍의 슬라이딩 로드(191)와 한 쌍의 스프링(193)이 한 쌍의 홈에 삽입되게 된다.

그리고, 각 슬라이딩 로드(191)의 일 단에는 각 회전 로드(192)가 회전 가능하게 결합되고, 각 회전 로드(192)의 타 단은 진공유지막(160)의 하단에 결합된다.

한 쌍의 회전 로드(192)는 서로 교차되게 결합되어 슬라이딩 로드(191)의 돌출 및 후퇴에 따라 도 8 및 도 9와 같이 진공유지막(160)을 승강시키게 된다.

하부 금형(120)에 형성된 홈 및 회전 로드(192)의 길이는 진공유지막(160)이 하강시 용탕 충진구(163)의 위치가 캐비티(C)에 대응되는 위치가 되도록 설정되고, 스프링(193)의 강성은 주조 rpm 도달시의 원심력에 의해 후퇴할 수 있도록 설정되어야 한다.

이와 같이 본 발명에 의한 진공 원심주조 장치에 의하면, 캐비티 내에 진공을 유지하면서 원심주조할 수 있으므로, 용탕을 외부에서 주입하는 것이 가능하며, 기포 결함을 없애 주조품의 품질을 향상시킬 수가 있다.

즉, 도 10a와 같이 기존의 원심주조에 의해서는 주조품 표면에 캐비티 내부의 가스가 용탕 내부에 혼입되어 가스 결함이 발생하지만, 도 10b와 같이 본 발명에 의한 주조품은 가스 결함 발생을 원천적으로 억제할 수가 있어 고품질의 주조품을 제작할 수가 있다.

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.

110 : 상부 금형 120 : 하부 금형
130 : 모터 140 : 지지대 150 : 진공펌프
160 : 진공유지막
161 : 바디
162 : 용탕 주입구
163 : 용탕 충진구
164 : 가스 배출구
165 : 고정 홈
171 : 고정부재 172 : 스프링
180 : 스토퍼
191 : 슬라이딩 로드
192 : 회전 로드 193 : 스프링

Claims

상측 및 캐비티와 연통된 상부 진공 홀이 형성된 상부 금형;
상기 상부 진공 홀과 대응되며 하측 및 상기 캐비티와 연통된 하부 진공 홀이 형성된 하부 금형;
상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 회전시키기 위한 모터;
상기 상부 진공 홀에 대응되는 외경을 가지며, 상단에 용탕 주입구가 형성된 진공유지막;
상기 모터에 의해 작동되며, 상기 하부 진공 홀과 연통된 흡입구와, 흡입된 에어를 배기시키기 위한 배기구가 형성된 진공펌프를 포함하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 진공유지막은,
외형을 형성하는 바디에 상기 용탕 주입구를 통해 용탕이 주입되는 내부 공간이 형성되고,
상기 바디의 중단부에 측방으로 형성된 용탕 충진구가 형성되며,
상기 바디의 하단부에 측방으로 가스 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 진공유지막의 가스 배출구가 상기 캐비티와 연통되는 높이로 상기 진공유지막을 고정시키는 유지막 고정수단을 더 포함하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 상부 금형에는 고정부재 홈이 형성되고,
상기 유지막 고정수단은,
상기 고정부재 홈에 삽입되며, 돌출된 일 단은 상기 진공유지막에 형성된 고정 홈에 삽입되는 고정부재; 및
상기 고정부재를 상기 고정부재 홈에 탄성 결합시키는 스프링을 포함하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 진공유지막은, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 회전하는 원심력에 의해 상기 스프링이 수축됨으로써 하강하는 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 진공 유지막은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 주조 rpm에 달하는 회전속도 이상으로 회전시 하강하는 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 진공유지막은 상기 유지막 고정수단이 해제됨으로써 하강하고, 상기 하부 금형에는 상기 진공유지막의 하향 위치를 설정하는 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 진공유지막은 상기 용탕 충진구가 상기 캐비티와 연통되는 높이로 하향 위치되는 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 하부 금형에는 한 쌍의 로드 삽입 홈이 형성되고,
상기 유지막 고정수단은,
상기 로드 삽입 홈에 각각 삽입되어 슬라이딩 동작하는 한 쌍의 슬라이딩 로드;
상기 한 쌍의 슬라이딩 로드를 상기 로드 삽입 홈에 각각 탄성 결합시키는 한 쌍의 스프링; 및
상기 각 슬라이딩 로드의 일 단에 회전 가능하게 결합되는 한 쌍의 회전 로드를 포함하고,
상기 한 쌍의 회전 로드는 교차하여 상기 진공유지막의 하단에 결합되는 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 진공유지막은, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 회전하는 원심력에 의해 상기 스프링이 수축됨으로써 하강하는 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 진공 유지막은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 주조 rpm에 달하는 회전속도 이상으로 회전시 하강하는 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 진공유지막은 상기 용탕 충진구가 상기 캐비티와 연통되는 높이로 하향 위치되는 것을 특징으로 하는,
진공 원심주조 장치.