KR102359579B1

KR102359579B1 - 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102359579B1
Application number: KR1020200110720A
Authority: KR
Inventors: 김억수; 박진영; 윤필환; 강호정
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2022-02-08

Abstract

제품의 일반두께 10mm이하의 고강도 박육부품을 성형하는데 있어, 기존의 고체금속을 소성가공에 의해 성형하는 단조나 프레스방법의 형상의 자유도 한계와 일체형의 복잡성형이 불가능한 한계를 극복하고, 또한 액체금속(용탕)을 금형에 주입후 성형하는 주조방법의 한계인 저품위 내부결함 및 회수율저하의 한계를 동시에 해결하기 위한 수단으로, 본 발명에서는 액체금속(용탕)을 이용하는 주조방식에 프레스가압 성형하는 소성가공 성형방식을 동시에 이용하여 결함이 없는 고강도의 박육부품을 성형하는데 있다. 본 발명의 효과로는 액체금속(용탕)을 이용하기에 성형의 자유도가 뛰어나고, 기존의 주조방식과 다르게 금형 형상부에 직접 용탕을 주입함으로써 탕구, 탕도, 게이트 등이 불필요하여 스크랩의 극소화로 회수율을 높일 수 있으며, 프레스가압 방식에 의해 제품부위를 직접가압하여 줌으로써 내부결함을 억제하고 내부조직의 치밀화로 고강도의 박육부품을 단시간에 성형 할 수 있는 효과가 있다. 또한 성형부품의 열처리, 표면처리가 가능하여 고기능을 부여할 수 있고, 유동성의 문제로 주조가 난이 하였던 전신재 재료의 성형도 가능하게 된다.

Description

용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치 및 방법{Direct pressing of molten metal thin-walled parts casting apparatus and method}

본 발명은 박육부품 주조 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 상형 및 하형을 프레스 가압하여 복잡한 형상의 박육 부품을 균일한 품질로 생산할 수 있도록 하는 박육부품 주조 장치 및 방법에 관한 것이다.

프레스 가공은 소성가공 분야의 대표적인 가공법으로써, 크게 소재의 일부 또는 전부를 전단하여 필요한 소재를 얻는 전단가공(Shearing), 소재를 펀치와 다이 사이에 넣고 소성영역 내에서 필요한 치수 및 형상으로 굽히는 굽힘가공(Punch), 펀치로 소재를 형에 밀어넣어서 Seamless한 요철(凹凸)형 물체를 만드는 드로잉 가공(Drawing), 소재를 불규칙적으로 변형시키는 성형가공(Forming), 재료의 두께, 폭, 직경 등을 변화시키는 압축가공(Squeezing)으로 분류된다.

이와 같은 프레스 가공법은 고체 금속의 대표적인 소성가공법으로 박판 성형성이 우수하고 대량생산이 가능하며, 재료의 고정밀도와 고강도/고인성의 성형이 가능하다는 장점이 있지만, 형상의 자유도 한계와 일체형의 복잡형상 성형이 불가능하여, 복잡형상 가공 시 여러 단계에 걸쳐 여러 조각을 가공하여 이를 용접하는 등 복잡하고 다양한 공정이 필요하다는 한계가 있다.

또한, 기존의 주조 방법은 용탕을 이용하여 금형을 주입함으로써 자유도의 제약 없이 거의 모든 형상을 단번에 성형할 수 있다는 장점이 있으나, 탕구, 탕도, 게이트 등을 통하여 용탕을 주입하는 동안 용탕온도 관리에 따른 에너지 비용이 과다하고, 고온의 용탕이 대기 중에 노출되어 수소의 고용도가 증가하여 용탕 내 가스 혼입이 빈번하게 발생하는 등의 문제점이 있다. 아울러, 용탕의 충전 과정에 필수적으로 요구되는 주조방안에 따라 제품부의 회수율이 적게는 20%, 많게는 70% 수준으로 스크랩 발생률이 매우 높고, 액상의 용탕이 금형 내에서 느린 속도의 응고과정을 거치면서 주조품 내부의 수축결함과, 미세조직의 불균일 생성 및 조대한 미세조직 생성 등으로 제품의 내구성을 떨어뜨려, 고강도/고인성 등 고품위의 제품을 얻는 데 상당한 한계를 지니고 있다.

국내공개특허 특2003-0080469에는 직접 가압식 용탕 단조장치가 개시되어 있으며, 상기 장치에서는 기존 주조 방식을 개선하고자 하는 구성들이 포함되어 있으나, 용탕을 균일하게 공급하고 온도를 유지하는 등, 박육부품의 균일성을 유지하고 불량을 줄이는 구성은 포함하고 있지 않아, 고품위 박육부품 제조에는 적합하지 않다는 한계점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 가압주조방식의 문제점을 개선하기 위하여, 제품 회수율 개선, 온도 유지에 소모되는 에너지 절감, 주조제품의 결함 방지, 복잡성형 주조제품의 용이한 취출 등의 기능이 포함되고, 고품위의 박육 주조제품(제품의 일반두께 10mm 이하의 비철금속)을 성형할 수 있는 주조장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 종래 가압주조장치의 문제점을 해결하기 위해, 상형 및 하형 사이에 용탕을 주입한 뒤 상형 및 하형을 프레스로 가압함으로써 용탕을 가압주조하는 주조장치에 있어서, 상기 상형은 다이 홀더(Die Holder) 및 상형 형상부를 포함하고; 상기 하형은 다이 홀더 및 하형 형상부를 포함하여; 상기 상형 형상부 및 하형 형상부 사이에 제품 형상부(Cavity)가 형성되고, 상기 하형 형상부의 일측에는 제1이젝터 및 제2이젝터를 구비하며; 상기 제1이젝터 및 제2이젝터를 하형으로부터 수직 양방향으로 이동시키도록 구비되는 제1이젝터로드 및 제2이젝터로드를 포함하는; 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치를 제공한다.

또한, 상기 제1이젝터로드 및 제2이젝터로드는 각각 복수개씩 구비되어 하형의 표면 중 서로 다른 부위를 지지하도록 구비되되, 제1이젝터로드들을 지지하는 제1이젝터플레이트와 제2이젝터로드들을 지지하는 제2이젝터플레이트가 연결되고; 상기 제1이젝터플레이트를 수직 양방향으로 이동시키는 제1실린더와 제2이젝터플레이트를 수직 양방향으로 이동시키는 제2실린더가 구비되어; 취출작업 시, 상기 제1이젝터플레이트 및 제2이젝터플레이트를 이동시킴으로써 제1이젝터로드들 간의 수직 이동속도와 제2이젝터로드들 간의 수직 이동속도를 균일하게 유지하도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 상형의 온도는 100℃ 내지 150℃ 사이의 온도로 유지되고, 상기 하형의 온도는 200℃ 이상으로 유지되어; 상기 상형의 합형 및 가압이 이루어지기 전 단계에서는 용탕의 온도편차를 감소시키고, 상기 상형의 합형 및 가압이 이루어지는 단계에서는 하형의 온도에 비해 상대적으로 낮은 온도인 상형과 용탕 사이의 접촉을 통해 용탕의 응고 또는 냉각이 이루어지도록 구성될 수 있다.

아울러, 상기 하형에 용탕을 주입하는 피더가 구비되되; 상기 피더는: 상기 용탕을 수용할 수 있는 소정의 공간이 구비되는 레이들(Ladle); 상기 레이들과 일체형으로 형성되어, 레이들을 기울였을 때 레이들로부터 용탕이 흐르는 경로가 구비되는 레이들연결부; 상기 레이들연결부의 폭보다 넓은 폭을 가지도록 형성되어, 용탕이 흐르는 면적을 확산시키는 확산가이드 및; 상기 확산가이드에서 확산된 용탕이 하형에 주입되도록 형성되되, 복수개의 경로를 형성하는 브랜치를 포함하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기와 같은 주조 장치를 이용하여 주조제품을 제조하는 용탕 직접가압식 박육부품 주조 방법에 있어서, 소정의 제품 평균두께를 가지되 최대 10mm의 두께를 가지는 주조제품의 캐비티가 형성되는 상형 형상부 및 하형 형상부를 상형 다이 홀더 및 하형 다이 홀더에 각각 결합하는 금형준비단계; 상기 상형보다 상대적으로 50℃ 이상 높은 온도로 예열된 하형에 액상선 온도에 대해 -20℃ 내지 80℃ 사이의 온도로 처리된 용탕 또는 고상율 35% 이하의 슬러리를 주입하는 용탕주입단계; 상기 상형과 하형을 합형하여 용탕 표면을 직접가압하는 가압단계; 가압중인 상태에서 용탕을 응고하는 응고단계; 가압력을 해제하고 상형을 분리하는 형개단계; 용탕이 응고되어 형성된 주조제품을 하형 형상부로부터 분리하는 분리단계 및; 취출된 주조제품을 주조장치로부터 제거하는 취출단계를 포함하는; 용탕 직접가압식 박육부품 주조 방법을 제공한다.

그리고, 상기 분리단계는: 상기 제1이젝터 및 제2이젝터를 동시에 전진시키는 1단계; 상기 제1이젝터를 후진시키는 2단계; 상기 제1이젝터를 다시 전진시키면서 제2이젝터를 후진시키는 3단계 및; 상기 주조제품을 그립퍼로 고정한 상태에서 제1이젝터를 후진시키는 4단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 성형의 자유도가 뛰어나다는 종래 주조 방법의 장점과 더불어, 탕구와 탕도 없이 필요한 용탕(또는 슬러리; 액상금속)을 정확하게 충전함으로써 스크랩 발생을 최소화하여 회수율을 높일 수 있다.

또한, 프레스 가압 방식에 의해 제품 부위(용탕)를 직접 가압하여, 내부결함을 억제하고 내부조직의 치밀화를 유도하여 고품위(고강도/고인성)의 박육부품을 단시간에 성형함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.

그리고, 유동성의 문제로 주조가 난이하였던 전신재 재료의 성형이 가능하다(수송기계, 전기전자 등의 분야에서 요구되는 고기능, 경량화, 난 주조성 전신재 재료 / 기능성 합금으로 주조 가능).

아울러, 복잡한 형상의 박육부품을 금형으로부터 쉽게 취출할 수 있어서, 주용탕 응고 후 주조품의 파손이나 변형 등을 방지하면서 빠른 시간 동안에 대량의 주조제품을 생산할 수 있다.

또한, 금형을 소정의 온도범위로 가열하고 온도를 유지시킴으로써, 용탕의 온도를 유지하기 위해 사용되는 에너지를 현저하게 절감시킬 수 있다.

그리고, 금형 형상에 최적화된 탕도 형성을 통해 용탕의 주입 시 와류 발생을 억제함으로써 용탕 충전시간을 절감할 수 있으며, 넓은 범위의 하형에 용탕을 균일하고 빠르게 충전할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 의한 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치에 의해 주조제품이 생산되는 과정을 도시한 개요도이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 의한 용탕 직접가압식 박육부품 주조 방법의 순서도이다.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 의한 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치에서 레이들로부터 피더를 통해 용탕을 하형에 공급하는 형태를 나타낸 평면도이다.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 의한 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치의 정면도이다.
도 5 은 본 발명의 실시 예에 의한 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치 금형에 구비되는 에어벤트(Air Vent) 및 오버플로우(Over Flow)를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8 은 본 발명의 실시 예에 의한 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치에서 주조제품(용탕)이 응고되는 양상을 나타낸 도면이다.
도 9 는 종래 주조에 사용되는 피더와 본 발명의 실시 예에 의한 피더를 나타낸 도면이다.
도 10 은 종래 주조에 사용되는 레이들과 본 발명의 실시 예에 의한 레이들(레이들-피더 일체형)을 나타낸 도면이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.

본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.

본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어(operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될수 있다.

본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.

본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상형 및 하형 사이에 용탕을 주입한 뒤 상형 및 하형을 프레스로 가압함으로써 용탕을 가압주조하는 주조장치에 있어서, 상기 상형은 다이 홀더(Die Holder) 및 상형 형상부를 포함하고; 상기 하형은 다이 홀더 및 하형 형상부를 포함하여; 상기 상형 형상부 및 하형 형상부 사이에 제품 형상부(Cavity)가 형성되고, 상기 하형 형상부의 일측에는 제1이젝터 및 제2이젝터를 구비하며; 상기 제1이젝터 및 제2이젝터를 하형으로부터 수직 양방향으로 이동시키도록 구비되는 제1이젝터로드 및 제2이젝터로드를 포함하는; 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치를 제공한다.

종래 이젝트핀(Eject Pin) 방식으로는 복잡형상 박육부품 등을 금형으로부터 분리하는 것이 불가능하여(제품 변형/파손 등 발생), 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 분할 인서트(insert)형 2단 취출 구조를 제공한다. 본 발명의 다른 구성을 적용한 프레스 가압 주조 장치/방법에서, 크기가 작고 박육인 제품은 기존 이젝트핀 방식(1단 취출)으로도 취출할 수 있다.

상기와 같은 이젝터로드간 이동속도의 수직방향 성분을 균일하게 유지함으로써, 이젝터로드의 불균일 이송으로 인한 이젝터로드 또는 제품의 손상/파손을 방지할 수 있다.

이하, SKD61 종의 통상 금형 재질을 기준으로 박판의 두께별 응고 양상을 해석한다. 용탕은 일정한 온도(680℃)에서 주입된 Al-Si 합금(JIS, A356)을 기준으로 하였다.

박판 두께 1mm 성형 시 금형온도의 영향

sec	100℃	200℃	300℃	400℃
충전(100%)시간	1.71815	1.73102	1.83678	1.9705
충전+응고(~50%)	1.87104	1.92121	2.61833	3.58123
전체 응고시간	3.74525	4.30224	5.42432	7.83507

박판 두께 3mm 성형 시 금형온도의 영향

sec	100℃	200℃	300℃	400℃
충전(100%)시간	3.35142	3.73642	3.34682	3.43877
충전+응고(~50%)	3.45354	4.35765	5.79721	8.86171
전체 응고시간	10.1519	12.5437	16.1739	26.4386

박판 두께 5mm 성형 시 금형온도의 영향

sec	100℃	200℃	300℃	400℃
충전(100%)시간	3.751	4.195	3.927	4.773
충전+응고(~50%)	6.84298	9.61287	11.2191	16.9006
전체 응고시간	15.877	21.625	28.395	45.483

표 1 내지 3, 도 6 내지 8에 나타난 바와 같이, 박판(제품) 두께 1mm에서 금형 온도에 따른 응고 양상은, 금형온도 100℃에서는 용탕 충전 후 1.871초만에 50% 응고가 진행됨을 확인할 수 있고, 금형온도 400℃에서는 용탕 충전 후 3.58초만에 50% 전후의 응고율이 나타남을 확인할 수 있다.

1mm의 박판 성형에서 하형의 최소 예열온도 400℃ 이상이 필요함을 의미할 수 있으며, 이 때 용탕이 50% 응고되기 전인 3.5초 이내에 프레스 가압을 완료하는 것이 바람직하다.

3mm의 박판 성형에서 하형의 최소 예열온도 200℃ 이상이 필요함을 의미할 수 있으며, 더 안정적으로는 300℃ 이상으로 하형 예열온도를 관리하는 것이 바람직하다. 이 때(300℃ 이상), 용탕이 50% 응고되기 전인 5초 이내에 프레스 가압을 완료하는 것이 바람직하다.

5mm의 박판 성형에서 하형의 최소 예열온도 100℃ 이상이 필요함을 의미할 수 있으며, 더 안정적으로는 200℃ 이상으로 하형 예열온도를 관리하는 것이 바람직하다. 이 때(200℃ 이상), 용탕이 50% 응고되기 전인 9초 이내에 프레스 가압을 완료하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 통해, 금형 내에 공기 혼입이 없는 최적화 주입이 가능하다. 종래 주조 방식에서 상형 및 하형을 분리하지 않고 캐비티 내에 용탕을 주입하는 경우 공기의 유입으로 인한 결합 발생이 잦았으나, 본 발명의 실시 예에 따르면 하형에 용탕을 붓더라도 공기의 혼입이 발생하지 않으며, 용탕의 유동 시 와류 발생을 방지할 수 있다.

용탕과 공기의 접촉, 금형 내 공기 혼입 등을 방지하기 위하여, 상기 상형, 하형 및 피더를 포함하는 소정의 공간을 둘러싸는 케이싱과; 상기 케이싱 내부를 진공 상태로 만드는 진공장치를 더 포함할 수 있다. 이러한 구조에서, 레이들로부터 용탕이 부어질 때 용탕 내부에 포함되어 있던 일부 기체 성분들이 케이싱 내부로 제거될 수 있다. 케이싱을 개방하여 레이들에 용탕을 주입하고, 케이싱을 밀폐한 뒤 케이싱 내부에 소정의 진공을 형성한 뒤, 레이들을 기울여 용탕을 하형에 주입할 수 있다.

상기 레이들연결부는, 레이들로부터 확산가이드 방향에 가까워질수록 용탕의 유동단면적이 줄어들도록 구성될 수 있다. 용탕의 유량 Q = Av(단면적 * 유속)에서, 일정한 유량에 대해 피더의 출구 부근(확산가이드, 브랜치)에서 유속을 더 빠르게 가속함으로써 하형의 넓은 면적에 균일하고 빠른 용탕의 충전이 가능해진다.

상기 취출단계 후에는, 이형제 분사 및 금형온도 유지 단계가 수행될 수 있다.

종래 주조방법에서는 용탕 온도를 액상선 온도로부터 80℃ 내지 120℃의 온도(액상선 온도로부터의 온도차; 액상선 온도가 300℃일 경우, 380℃ 내지 420℃)로 유지하나, 본 발명의 실시 예에서는 종래 용탕 온도보다 상당히 낮은 온도로 용탕 온도를 유지할 수 있어서(액상선 온도가 300℃일 경우, 280℃ 내지 380℃) 용해 에너지 저감은 물론 용해/응고시간을 단축시켜 공정에 소요되는 시간을 절감시킬 수 있으며, 응고시간 단축에 따라 조직이 미세화된다.

상기 용탕주입단계에서, 용탕의 온도가 액상선 온도보다 낮은 경우에는 고상율 35% 이하로 고액공존의 핵생성이 된 슬러리를 주입하여 가압 시 유동성을 확보하는 것이 필요하다. 상기 "액상선 온도에 대해 -20℃ 내지 80℃ 사이의 온도로 처리된 용탕"에서 '액상선 온도에 대해 -20℃ 내지 0도 사이의 온도로 처리된 용탕'은 '고상율 35% 이하의 슬러리'인 것이 바람직하다.

상기 용탕주입단계는, 래이들(Ladle), 피펫(Pipette), 사이펀 도징(Siphon dosing) 급탕 방식을 사용하여 수행될 수 있다. 고상율 30% 이하의 슬러리인 경우에는 소정의 용기에 담긴 정량을 공기 가압이나 불활성가스 가압에 의한 슈팅(Shooting) 방식으로 주입될 수 있다.

상기 용탕주입단계 내지 취출단계는 동일한 형상의 제품을 복수개(m 사이클) 제조하는 동안 반복 수행될 수 있다. 분리단계의 하위 단계는 제품이 온전하게 분리될때까지 n 사이클 반복될 수 있다. 분리단계의 반복횟수는 제품의 형상마다 상이하게 지정하여 제어할 수 있다. 예를 들어, 단순한 형상은 1~2회, 복잡형상은 3~4회로 지정할 수 있다.

프레스 장치는 4주(4 columns) 기둥형의 타이바(tie bar) 형태에 상형 및 하형을 취부할 수 있는 상, 하 프레임을 포함하여 구성된다. 상기 상형 및 하형의 합형 시 구간(Stroke)별 속도가 최대 0.5m/s 이하에서 제어되고, 최종 가압구간(제품 두께의 3배 이하의 범위로 설정되는 것이 바람직)에서는 1m/s까지 가속하여 박육부품을 성형할 수 있도록 제어되는 것이 바람직하다.

가압력은, 제품의 투영면적을 계산하여 30MPa 내지 100MPa 사이에서 가압 성형될 수 있도록 유압 유닛과 실린더를 설계하는 것이 바람직하다.

상기 상형은 가압 및 급속 냉각 기능(용탕의 온도보다 상대적으로 낮은 상형으로 용탕을 가압함으로써 용탕을 냉각)을 수행할 수 있으며, 하형은 용탕의 온도 유지 및 제품 취출 기능을 수행할 수 있다.

상형의 온도 범위는, 이형제 분사 시 수분제거만 될 수 있는 정도로 낮게(100도 내지 150도) 유지되는 것이 바람직하다. 따라서 상형에는 냉각 효율을 극대화할 수 있는 등각냉각채널을 적용하고 냉각수가 통수제어되도록 설계하는 것이 바람직하다.

냉각핀(방열핀) 등의 복잡형상 제품의 복잡 형상이 하형에 위치되도록 금형(상형 및 하형)을 설계하는 것이 바람직하다.

도 5 는 본 발명의 실시 예에 적용할 수 있는 금형방안 설계의 예시를 나타낸 것으로, 용탕의 정량 급탕 편차를 수용하고, 프레스 가압력이 제품부에 온전히 전달될 수 있도록 제품부보다 +량(제품부의 부피보다 더 많은 양)의 용탕 급탕을 공급하는 것이 바람직하다. 종래 주조 방법에서는 탕구, 탕도, 게이트 등 많은 부분에 용탕이 장입되어야 하나, 본 발명의 실시 예에 따르면 제품부(캐비티) 이외의최소한의 부분(벤트)에만 용탕이 장입되므로 용탕의 소모를 현저하게 줄일 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 의한 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치에 의해 주조제품이 생산되는 과정을 도시한 개요도이다. (a)는 용탕의 정량 주입 단계, (b)는 상형 합형 및 가압/응고 단계, (c)는 가압력 해제 및 상형 형개 단계, (d)는 분리단계(1단계), (e)는 분리단계(2단계), (f)는 분리단계(3단계), (g)는 분리단계(4단계)에 해당되는 상태이다.

도 9 a 에는 종래 주조 방법에 사용되는 피더(측면도, 평면도)의 형태가 도시되어 있다. A, B, C 지점을 포함한 모든 지점의 단면적이 일정하게 구성되어 있어서, 용탕 주입 시 와류가 발생하여 용탕 주입 시간이 길어지는 문제점이 있으며, 용탕 주입 속도 저하에 따라 용탕의 온도도 저하된다는 문제점이 있었다.

도 9 b 에는 본 발명의 실시 예에 의한 피더(사시도, 측면도)의 형태가 도시되어 있다. A 지점에서 B 지점을 거쳐 C 지점으로 갈수록 단면적이 줄어들도록 설계된 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 피더와 레이들을 각각 구비하는 것도 가능하나, 피더와 레이들을 일체형으로 구성하는 것이 바람직하다.

도 10 a 에는 종래 주조 방법에 사용되는 레이들의 형태가 도시되어 있으며, 도 10 b 에는 본 발명의 실시 예에 의한 피더-레이들 일체형 피더가 도시되어 있다.

1 : 상형 2 : 하형
3 : 다이홀더 4 : 상형 형상부
5 : 하형 형상부 6 : 제1이젝터
7 : 제2이젝터 8 : 제1이젝터로드
9 : 제2이젝터로드 10 : 제1이젝터플레이트
11 : 제2이젝터플레이트 12 : 피더
13 : 레이들 14 : 레이들연결부
15 : 확산가이드 16 : 브랜치
17 : 상부 프레임 18 : 하부 프레임
19 : 칠벤트(Chill vent)형 오버플로우(Over Flow)
20 : 오버플로우(Over Flow)
21 : 에어벤트(Air vent) 22 : 캐비티
M : 용탕 / 제품
S100 : 금형준비단계 S200 : 용탕주입단계
S300 : 가압단계 S400 : 응고단계
S500 : 형개단계 S600 : 분리단계
S610 : 분리단계 - 1단계 S620 : 분리단계 - 2단계
S630 : 분리단계 - 3단계 S640 : 분리단계 - 4단계
S700 : 취출단계 m : 제품 생산 사이클 반복 횟수
n : 분리단계 반복 횟수

Claims

상형 및 하형 사이에 용탕을 주입한 뒤 상형 및 하형을 프레스로 가압함으로써 용탕을 가압주조하는, 용탕 직접가압식 박육부품 주조장치에 있어서,
상기 상형은 다이 홀더(Die Holder) 및 상형 형상부를 포함하고;
상기 하형은 다이 홀더 및 하형 형상부를 포함하여; 상기 상형 형상부 및 하형 형상부 사이에 제품 형상부(Cavity)가 형성되고,
상기 하형 형상부의 일측에는 제1이젝터 및 제2이젝터를 구비하며;
상기 제1이젝터 및 제2이젝터를 하형으로부터 수직 양방향으로 이동시키도록 구비되는 제1이젝터로드 및 제2이젝터로드를 포함하고,
상기 제1이젝터로드 및 제2이젝터로드는 각각 복수개씩 구비되어 하형의 표면 중 서로 다른 부위를 지지하도록 구비되되, 제1이젝터로드들을 지지하는 제1이젝터플레이트와 제2이젝터로드들을 지지하는 제2이젝터플레이트가 연결되고;
상기 제1이젝터플레이트를 수직 양방향으로 이동시키는 제1실린더와 제2이젝터플레이트를 수직 양방향으로 이동시키는 제2실린더가 구비되어;
취출작업 시, 상기 제1이젝터플레이트 및 제2이젝터플레이트를 이동시킴으로써 제1이젝터로드들 간의 수직 이동속도와 제2이젝터로드들 간의 수직 이동속도를 균일하게 유지하도록 구성되고,
상기 하형에 용탕을 주입하는 피더가 구비되되;
상기 피더는:
상기 용탕을 수용할 수 있는 소정의 공간이 구비되는 레이들(Ladle);
상기 레이들과 일체형으로 형성되어, 레이들을 기울였을 때 레이들로부터 용탕이 흐르는 경로가 구비되는 레이들연결부;
상기 레이들연결부의 폭보다 넓은 폭을 가지도록 형성되어, 용탕이 흐르는 면적을 확산시키는 확산가이드 및;
상기 확산가이드에서 확산된 용탕이 하형에 주입되도록 형성되되, 복수개의 경로를 형성하는 브랜치를 포함하는; 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치
삭제
청구항 1항에 있어서,
상기 상형의 온도는 100℃ 내지 150℃ 사이의 온도로 유지되고,
상기 하형의 온도는 200℃ 이상으로 유지되어;
상기 상형의 합형 및 가압이 이루어지기 전 단계에서는 용탕의 온도편차를 감소시키고,
상기 상형의 합형 및 가압이 이루어지는 단계에서는 하형의 온도에 비해 상대적으로 낮은 온도인 상형과 용탕 사이의 접촉을 통해 용탕의 응고 또는 냉각이 이루어지도록 구성되는, 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치
삭제
청구항 1항 또는 3항 중 어느 한 항의 용탕 직접가압식 박육부품 주조 장치를 이용하여 주조제품을 제조하는, 용탕 직접가압식 박육부품 주조 방법에 있어서,
소정의 제품 평균두께를 가지되 최대 10mm의 두께를 가지는 주조제품의 캐비티가 형성되는 상형 형상부 및 하형 형상부를 상형 다이 홀더 및 하형 다이 홀더에 각각 결합하는 금형준비단계;
상기 상형보다 상대적으로 50℃ 이상 높은 온도로 예열된 하형에 액상선 온도에 대해 -20℃ 내지 80℃ 사이의 온도로 처리된 용탕 또는 고상율 35% 이하의 슬러리를 주입하는 용탕주입단계;
상기 상형과 하형을 합형하여 용탕 표면을 직접가압하는 가압단계;
가압중인 상태에서 용탕을 응고하는 응고단계;
가압력을 해제하고 상형을 분리하는 형개단계;
용탕이 응고되어 형성된 주조제품을 하형 형상부로부터 분리하는 분리단계 및;
취출된 주조제품을 주조장치로부터 제거하는 취출단계를 포함하는; 용탕 직접가압식 박육부품 주조 방법
청구항 5항에 있어서,
상기 분리단계는:
상기 제1이젝터 및 제2이젝터를 동시에 전진시키는 1단계;
상기 제1이젝터를 후진시키는 2단계;
상기 제1이젝터를 다시 전진시키면서 제2이젝터를 후진시키는 3단계 및;
상기 주조제품을 그립퍼로 고정한 상태에서 제1이젝터를 후진시키는 4단계를 포함하는; 용탕 직접가압식 박육부품 주조 방법