KR102410287B1

KR102410287B1 - 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치

Info

Publication number: KR102410287B1
Application number: KR1020210044169A
Authority: KR
Inventors: 강용기; 김동규; 이철환; 서명관; 김윤경
Original assignee: 주식회사 디케이솔루션
Priority date: 2021-04-05
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2022-06-22

Abstract

섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치는 하부 평기어 금형 내에 공급되는 FRP 재질의 평기어 소재를 고주파 가열하면서 상부 평기어 금형으로 음각의 헬리컬 치형을 갖는 헬리컬 금형 내부로 압축 성형하여 미리 투입된 금속재질의 보스와 일체로 헬리컬 치를 갖는 FRP 재질의 헬리컬 기어를 성형한다.

Description

섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치{Helical gear forming device using fiber-reinforced plastic}

본 발명은 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 FRP 재질의 평기어 소재를 헬리컬 금형 내부로 고주파 가열과 동시에 압축 성형하여 FRP 재질의 헬리컬 기어를 제조하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치에 관한 것이다.

최근, 산업 전반에 환경 규제 및 에너지 효율 개선 등의 요구에 따라 자동차 메이커에서는 차체의 경량화 및 CO₂ 배출량 저감의 목적으로 각종 탄소섬유를 비롯한 복합소재를 적용하는 추세이며, 기반 기술이 다져져 시장 안정화 단계에 이르고 있다.

특히, 탄소섬유 강화 플라스틱으로 대표되는 자동차용 섬유 강화 플라스틱(FRP; Fiber Reinforced Plastics, 이하, FRP로 칭함)은 최근 몇 년 동안 광범위하게 응용되어 적용되고 있으며, 특정 산업 분야에서는 필수적인 부품 소재로 주목을 받고 있다.

이러한 추세에 따라, 자동차 부품 산업에서는 대시보드, 센터패시아 등에 엔지니어링 플라스틱 소재가 광범위하게 적용되고 있다.

그러나 FRP는 엔진 및 변속기용 기어류로의 적용은 극히 일부 소재를 제외하고는 거의 사용되지 않고 있다. 이는 고분자 특유의 연성 및 일정 온도에서의 물성 저하 및 열 변형 등의 문제로 기어류에 적용하는 것은 한계가 있다.

즉, 탄소섬유 및 유리섬유를 제외한 프리프레그용 원사로는 슈퍼섬유인 아라미드섬유가 대표적이며, 복합재료로 제조되어 대부분 자동차 외장재, 타이어 코드 및 브레이크 패드 등에 사용되고 있으나, 자동차용 기어류의 경우에는 높은 인성(Toughness)으로 인한 성형성의 한계로, 적용하지 못하거나 관련 연구가 미진한 상태이다.

한편, 아라미드섬유는 탄소섬유 및 유리섬유 대비 현저히 낮은 밀도와 우수한 유연성으로 충격 흡수, 소음 저감, 경량화 등의 이점이 있어, 최근에는 이를 이용하여 성형성에 대한 문제를 해결하기 위해 다양한 복합재료의 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 연구의 일환으로, 최근에는 습식 FRP(WLF, Wet-laid FRP, 이하, WLF라고 칭함)가 부각되고 있는데, WLF 소재는 아라미드섬유를 중심으로 탄소섬유 등의 최첨단 고성능 섬유를 습식공법을 이용하여 제작한 시트를 주요 보강재로 사용하는 섬유 강화 플라스틱이다.

이는 주요 보강층으로 불연속적인 단섬유(Staple, Shor cut, Fibrid 등)가 불규칙적으로 분산되어 배치된 WLS(Wet-laid Sheets)를 사용하는 것으로, 습식공법으로 제조되는 습식 FRP는 건식공법이나 니들펀칭공법으로 제조되는 FRP와 비교하여 높은 섬유 밀도의 구현이 가능하여 고강도의 복합재료로 제조가 가능하고, 성형성, 가공성 등의 특성이 우수하다.

현재, WLF 소재는 에너지 효율 및 진동 감쇄능이 우수하여 국내ㆍ외 차량용 내ㆍ외장재 시장에서 언더커버, 헤드라이너, 트렁크리드 등 다양한 파트에 NVH 소재로 일부 적용되고 있으나, 구동부(파워트레인) 파트의 엔지니어링 부품 적용은 아직 선행연구 단계에 있다.

따라서 연성, 특정조건에서의 물성 저하, 열 변형 등의 문제점이 해결된 WLF 신소재의 개발이 완료되면, 자동차 내ㆍ외장 부품뿐만 아니라, 정밀도를 요구하는 기어류의 제조에도 적용이 가능하며, 특히, 차량에서의 소음 문제에 민감한 헬리컬 기어의 제조기술이 요구될 것이다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 하부 평기어 금형 내에 공급되는 FRP 재질의 평기어 소재를 고주파 가열하면서 상부 평기어 금형으로 음각의 헬리컬 치형을 갖는 헬리컬 금형 내부로 압축 성형하여 미리 투입된 금속재질의 보스와 일체로 헬리컬 치를 갖는 FRP 재질의 헬리컬 기어를 제조하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 베이스 플레이트 상에 슬라이드 이동 가능하게 설치되는 금형 프레임; 상기 금형 프레임의 하판 상에 하부 프레임을 통하여 중앙의 코어 금형과, 상기 코어 금형에 끼워지는 하부 고주파 다이와 하부 쿨링 다이가 설치되고, 상기 하부 쿨링 다이의 상부에 금형 다이를 통하여 음각의 헬리컬 치형이 형성된 헬리컬 금형과, 음각의 평기어 치형이 형성된 하부 평기어 금형이 설치되어 금형 홀더를 통하여 고정되는 하형 유닛; 상기 금형 프레임의 상판 상에 하향하여 설치되며, 구동 로드에 완충 유닛을 통하여 구동 플레이트가 설치되는 구동 실린더; 상기 하형 유닛의 상부에 대응하여 상기 구동 플레이트에 결합되는 상부 프레임의 하부에 상부 고주파 다이와 상부 쿨링 다이가 설치되고, 상기 상부 쿨링 다이의 하부에 양각의 평기어 치형이 형성된 상부 평기어 금형이 설치되는 상형 유닛; 및 상기 하부 프레임의 하부에 취출 브라켓을 통하여 취출 실린더가 상향하여 설치되고, 상기 취출 실린더의 취출 로드에 연결 블록을 통하여 고정된 복수의 연결봉의 선단이 베어링 블록을 통하여 상기 하형 유닛의 코어 금형에 끼워지는 슬라이딩 취출관과 연결되는 취출 유닛을 포함하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치가 제공될 수 있다.

상기 금형 프레임은 하판이 상기 베이스 플레이트의 상면 양측에 구성되는 레일에 복수의 슬라이더를 통하여 슬라이드 이동 가능하게 설치될 수 있다.

상기 하형 유닛은 상기 금형 프레임의 하판의 상면에 고정되는 하부 프레임; 상기 하부 프레임의 중앙에 수직방향으로 설치되며, 상면 중앙에 볼트홀이 형성되는 코어 금형; 상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 하부 프레임의 상면에 설치되며, 내부에 고주파 코일이 내장되는 하부 고주파 다이; 상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 하부 고주파 다이의 상면에 설치되며, 내부에 냉각수 유로가 형성되는 하부 쿨링 다이; 상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 하부 쿨링 다이의 상면에 설치되는 금형 다이; 상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 금형 다이의 상면에 설치되며, 내부에는 음각의 헬리컬 치형이 형성된 헬리컬 금형; 상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 헬리컬 금형의 상면에 설치되며, 내부에는 음각의 평기어 치형이 형성된 하부 평기어 금형; 및 상기 헬리컬 금형과 하부 평기어 금형의 둘레를 감싸도록 끼워져 상기 금형 다이에 설치되는 금형 홀더를 포함할 수 있다.

또한, 상기 하형 유닛은 상기 코어 금형의 상단에 체결되어 상기 코어 금형과 상기 슬라이딩 취출관의 상단부 사이에 형성된 안착홈에 끼워져 안착되는 보스를 상기 코어 금형에 고정하는 보스 고정 캡을 더 포함할 수 있다.

상기 보스 고정 캡은 상기 코어 금형의 상단부에 끼워진 상태로 중앙에 형성된 관통홀을 통하여 상기 코어 금형의 볼트홀에 볼트로 체결될 수 있다.

상기 완충 유닛은 상기 구동 로드와 연결되는 상부 완충판과 상기 구동 플레이트에 설치되는 하부 완충판 사이에 복수의 코일 스프링이 설치되어 이루어질 수 있다.

상기 상형 유닛은 상기 구동 플레이트의 하면에 결합되는 상부 프레임; 상기 상부 프레임의 하면에 설치되며, 내부에 고주파 코일이 내장되는 상부 고주파 다이; 상기 상부 고주파 다이의 하면에 설치되며, 내부에 냉각수 유로가 형성되는 상부 쿨링 다이; 및 상기 상부 쿨링 다이의 하면에 설치되며, 하부에는 상기 하부 평기어 금형의 음각의 평기어 치형에 대응하여 작동하는 양각의 평기어 치형이 형성된 상부 평기어 금형을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 상부 평기어 금형은 하부 중앙에 상기 코어 금형의 상단부가 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.

또한, 상기 상부 평기어 금형과 하부 평기어 금형은 각 양 측면에 상호 합형된 상태로 걸쇠가 끼워져 상호 고정하도록 끼움홈이 형성될 수 있다.

상기 취출 유닛은 상기 하부 프레임의 하부에 취출 브라켓을 통하여 상향하여 설치되는 취출 실린더; 상기 취출 브라켓 내부에서 상기 취출 실린더의 취출 로드에 설치되는 연결 블록; 상기 연결 블록의 상부에 설치되는 복수의 연결봉; 상기 하형 유닛의 코어 금형의 외주면에 끼워져 상기 코어 금형에 대하여 상하방향 및 회전방향으로 자유로운 슬라이딩 취출관; 및 상기 코어 금형의 하부에 끼워진 상태로 상기 복수의 연결봉의 선단에 고정되며, 내부에는 상기 슬라이딩 취출관의 하단을 회전 지지하는 베어링이 내장되는 베어링 블록을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 슬라이딩 취출관은 상단부에 상기 코어 금형의 외주면과의 사이에 보스가 끼워져 안착되는 안착홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 하부 평기어 금형 내에 공급되는 FRP 재질의 평기어 소재를 고주파 가열하면서 상부 평기어 금형으로 가압하면서 음각의 헬리컬 치형을 갖는 헬리컬 금형 내부로 압축 성형하여 미리 투입된 금속재질의 보스와 일체로 헬리컬 치를 갖는 FRP 재질의 헬리컬 기어를 제조할 수 있다.

이에 따라, WLF 신소재의 개발이 완료되면, 정밀도를 요구하는 차량의 구동부(파워트레인) 파트의 엔지니어링 부품인 기어류의 제조를 통하여 공정 축소 및 정밀 성형이 가능하고, 소재의 충격 흡수성에 의해 차량 소음 문제를 개선할 수 있고, 차량의 경량화가 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 부분 분해 단면도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 단계별 작동 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치에 공급되는 평기어 소재, 및 보스와 일체로 성형된 헬리컬 기어의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 부분 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 부분 분해 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치는 베이스 플레이트(1) 상에 설치되는 금형 프레임(3), 상기 금형 프레임(3)의 하부에 설치되는 하형 유닛(10), 상기 금형 프레임(3)의 상부에 설치되는 구동 실린더(9), 상기 구동 실린더(9)에 연결되는 상형 유닛(30), 및 상기 하부 프레임(11)의 하부에 취출 브라켓(51)을 통하여 상기 하형 유닛(10)의 내부에 구성되는 취출 유닛(50)을 포함한다.

먼저, 상기 금형 프레임(3)은 베이스 플레이트(1) 상에 슬라이드 이동 가능하게 설치된다.

즉, 상기 금형 프레임(3)은 상판(7)과 하판(5)이 구비되며, 하판(5)이 베이스 플레이트(1)의 상면 양측에 구성되는 레일(R)에 복수의 슬라이더(S)를 통하여 슬라이드 이동 가능하게 설치된다.

상기 하형 유닛(10)은 금형 프레임(3)의 하판(5) 상에 하부 프레임(11)을 통하여 중앙의 코어 금형(13), 및 상기 코어 금형(13)에 끼워지는 하부 고주파 다이(15)와 하부 쿨링 다이(17)가 설치된다.

또한, 상기 하부 쿨링 다이(17)의 상부에 금형 다이(19)를 통하여 음각의 헬리컬 치형(25)이 형성된 헬리컬 금형(23)과, 음각의 평기어 치형(29)이 형성된 하부 평기어 금형(27)이 설치되어 금형 홀더(21)를 통하여 고정된다.

이하, 이러한 하형 유닛(10)의 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 하부 프레임(11)은 사각의 프레임으로, 금형 프레임(3)의 하판(5)의 상면에 고정된다.

상기 코어 금형(13)은 하부 프레임(11)의 중앙에 수직방향으로 세워져 설치되고, 상면 중앙에 볼트홀(H1)이 형성된다.

상기 하부 고주파 다이(15)는 중앙에 형성된 관통홀을 통하여 코어 금형(13)에 끼워진 상태로 하부 프레임(11)의 상면에 설치되고, 내부에는 고주파 유도 가열용 고주파 코일(15a)이 내장된다.

상기 하부 쿨링 다이(17)는 하부 고주파 다이(15)와 같이, 중앙에 형성된 관통홀을 통하여 코어 금형(13)에 끼워진 상태로 하부 고주파 다이(15)의 상면에 설치되고, 내부에는 냉각수 유로(17a)가 형성된다.

상기 금형 다이(19)는 사각의 판재로 이루어져 중앙에 형성된 관통홀을 통하여 코어 금형(13)에 끼워진 상태로 상기 하부 쿨링 다이(17)의 상면에 설치된다.

상기 헬리컬 금형(23)은 관통된 내부의 내주면을 따라 음각의 헬리컬 치형(25)이 형성되며, 코어 금형(13)에 끼워진 상태로 금형 다이(19)의 상면에 고정된다.

상기 하부 평기어 금형(27)은 관통된 내부의 내주면을 따라 음각의 평기어 치형(29)이 형성되며, 코어 금형(13)에 끼워진 상태로 헬리컬 금형(23)의 상면에 고정되지는 않으며 안착된다.

상기 금형 홀더(21)는 헬리컬 금형(23)과 하부 평기어 금형(27)의 둘레를 감싸도록 끼워져 상기 금형 다이(19)에 고정 설치된다.

여기서, 하부 평기어 금형(27)은 헬리컬 금형(23)의 상면에 안착된 상태로 금형 홀더(21)에 의해 사방으로는 고정되나, 상방향으로만 자유도를 가진다.

또한, 하부 평기어 금형(27)은 헬리컬 금형(23)의 상면에 안착된 상태로, 음각의 평기어 치형(29)이 음각의 헬리컬 치형(25)에 일치되어 안착되도록 설계된다.

한편, 상기 하형 유닛(10)은 보스 고정 캡(BC)을 더 포함하는데, 상기 보스 고정 캡(BC)은 상기 코어 금형(13)의 상단에 체결될 수 있다.

즉, 보스 고정 캡(BC)은 코어 금형(13)의 상단부에 끼워진 상태로 중앙에 형성된 관통홀(H2)을 통하여 상기 코어 금형(13)의 볼트홀(H1)에 볼트(BT)로 체결될 수 있다.

이러한 보스 고정 캡(BC)은 코어 금형(13)에 끼워지는 보스(BS)를 코어 금형(13)에 고정하기 위한 것으로, 하기의 취출 유닛(50)의 설명에서 구체적으로 설명한다.

그리고 상기 구동 실린더(9)는 금형 프레임(3)의 상판(7) 상에 하향하여 설치되고, 구동 로드(미도시)에 완충 유닛(C)을 통하여 구동 플레이트(9a)가 설치된다.

여기서, 완충 유닛(C)은 구동 실린더(9)의 구동 로드(미도시)와 연결되는 상부 완충판(P1)과, 구동 플레이트(9a)에 설치되는 하부 완충판(P2)을 포함하며, 상기 상부 완충판(P1)과 하부 완충판(P2) 사이에 복수의 코일 스프링(SP)이 설치되어 구동 실린더(9)의 작동 충격력을 흡수하도록 구성될 수 있다.

상기 상형 유닛(30)은 하형 유닛(10)의 상부에 대응하여 구동 플레이트(9a)에 결합되는 상부 프레임(31)을 구비하고, 상기 상부 프레임(31)의 하부에 상부 고주파 다이(33)와 상부 쿨링 다이(35)가 설치된다. 또한, 상기 상부 쿨링 다이(35)의 하부에 양각의 평기어 치형(39)이 형성된 상부 평기어 금형(37)이 설치된다.

이하, 이러한 상형 유닛(30)의 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 상부 프레임(31)은 구동 플레이트(9a)의 하면에 결합된다.

상기 상부 고주파 다이(33)는 상부 프레임(31)의 하면에 설치되며, 내부에는 고주파 유도 가열용 고주파 코일(33a)이 내장된다.

상기 상부 쿨링 다이(35)는 상부 고주파 다이(33)의 하면에 설치되며, 내부에는 냉각수 유로(35a)가 형성된다.

상기 상부 평기어 금형(37)은 상부 쿨링 다이(35)의 하면에 설치된다.

이러한 상부 평기어 금형(37)은 하부 평기어 금형(27)의 음각의 평기어 치형(29)에 대응하여 작동하도록, 하부에 양각의 동일한 평기어 치형(39)이 형성된다.

즉, 상부 평기어 금형(37)이 하부 평기어 금형(27)과 합형된다는 의미는 양각의 평기어 치형(39)이 음각의 평기어 치형(29)에 삽입되어 소재를 가압한다는 의미이다.

또한, 상부 평기어 금형(37)은 하부 중앙에 상기 코어 금형(13)의 상단부가 삽입되는 삽입홈(41)이 형성된다.

또한, 상기 상부 평기어 금형(37)과 하부 평기어 금형(27)은 각각의 양 측면에 상호 합형된 상태로 걸쇠(63)가 끼워져 상호 고정하도록 각각 끼움홈(37a)(27a)이 형성된다.

즉, 상부 평기어 금형(37)과 하부 평기어 금형(27)이 합형되어 소재가 가압 성형된 후, 상부 평기어 금형(37)이 상승할 때, 각 끼움홈(37a)(27a)에 걸쇠(63)를 먼저 끼운 상태로 하부 평기어 금형(27)이 함께 상승되도록 한다.

이는 헬리컬 금형(23)에 의해 헬리컬 치(HT, 도 9 참조)가 성형된 헬리컬 기어 제품(80, 도 9 참조)을 취출하는 과정에, 하부 평기어 금형(27)의 음각의 평기어 치형(27)과 간섭되는 것을 방지하지 위함이다.

그리고 상기 취출 유닛(50)은 하부 프레임(11)의 하부에 취출 브라켓(51)을 통하여 취출 실린더(53)가 상향하여 설치된다.

또한, 상기 취출 실린더(53)의 취출 로드(53a)에 연결 블록(55)을 통하여 고정된 4개의 연결봉(57)이 구비되고, 연결봉(57)의 선단은 베어링 블록(59)을 통하여 상기 하형 유닛(10)의 코어 금형(13)에 끼워지는 슬라이딩 취출관(61)과 연결된다.

이하, 이러한 취출 유닛(50)의 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 취출 실린더(53)는 하부 프레임(11)의 하부에 취출 브라켓(51)을 통하여 상향하여 설치된다.

상기 연결 블록(55)는 취출 브라켓(51) 내부에서 취출 실린더(53)의 취출 로드(53a)에 설치된다.

상기 4개의 연결봉(57)은 연결 블록(55)의 상면에 둘레를 따라 일정 간격으로 체결된다.

상기 슬라이딩 취출관(61)은 하형 유닛(10))의 코어 금형(13)의 외주면에 삽입되어 코어 금형(13)에 대하여 상하방향 및 회전방향으로 자유도를 가진다.

이러한 슬라이딩 취출관(61)은 상단부에 코어 금형(13)의 외주면과의 사이에 안착홈(G)이 형성되며, 상기 안착홈(G)에는 소재와 함께 공급되어 소재에 인서트 성형되면서 헬리컬 기어의 보스부를 형성하는 보스(BS)가 성형 전에 안착된다.

이때, 상기에서 언급한 보스 고정 캡(BC)은 코어 금형(13)과 상기 슬라이딩 취출관(61)의 상단부 사이에 형성된 안착홈(G)에 보스(BS)를 끼워져 안착시킨 상태로, 보스(BS)를 코어 금형(13)에 고정하는 기능을 한다.

또한, 상기 베어링 블록(59)은 코어 금형(13)의 하부에 끼워진 상태로 상기 4개의 연결봉(57)의 선단에 고정된다.

이러한 베어링 블록(59)은 내부에 슬라이딩 취출관(61)의 하단을 회전 지지하는 베어링(B)이 내장된다.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치의 단계별 작동 상태를 나타내는 단면도이다.

이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어 성형장치의 단계별 작동을 설명한다.

도 4를 참조하면, 먼저, 구동 실린더(9)가 작동하여 상형 유닛(30)이 상승한 상태로, 하형 유닛(10)의 코어 금형(13)의 외주면과 취출 유닛(50)의 슬라이딩 취출관(61)의 상단부 사이에 형성된 안착홈(G)에 금속재질의 보스(BS)를 먼저 삽입하여 안착시킨 후, 보스 고정 캡(BC)을 코어 금형(13)의 상단부에 끼워 볼트(BT)로 체결하여 보스(BS)를 코어 금형(13)에 고정한다.

도 5를 참조하면, 이후, 외주면에 평기어 치(ST)가 형성된 FRP 재질의 평기어 소재(70)를 하부 평기어 금형(27)에 공급한다.

이때, 상기 평기어 소재(70)는 평기어 치(ST)가 하부 평기어 금형(27)의 음각의 평기어 치형(29)에 끼워지도록 하여 삽입한다.

이어서, 상부 및 하부 고주파 다이(33)(15)의 각 고주파 코일(33a)(15a)을 작동시켜 상부 및 하부 평기어 금형(37)(27)과 헬리컬 금형(23), 및 코어 금형(13)과 평기어 소재(70)를 전체적으로 고주파 유도 가열하면서 금형의 합형 공정이 진행된다.

여기서, 상기 평기어 소재(70)는 습식 FRP(WLF, Wet-laid FRP)가 적용될 수 있다.

도 6을 참조하면, 구동 실린더(9)가 작동하여 상형 유닛(30)이 하형 유닛(10)에 합형되는데, 이때, 상기 평기어 소재(70)는 고주파 유도 가열된 상태로, 하부 평기어 금형(27) 내에서 상부 평기어 금형(37)에 의해 가압되어 헬리컬 금형(23)의 내부로 이동하면서 압착 성형된다.

그러면, 평기어 소재(70)는 초기 체적의 40% ~ 80% 범위 내에서, 축소되면서 보스(BS)가 인서트 성형되고, 외주면의 평기어 치(ST)가 헬리컬 금형(23)의 음각의 헬리컬 치형(25)으로 이동하면서 압착 성형된다.

이때, 평기어 소재(70)의 압착 성형이 완료된 시점에, 상부 및 하부 고주파 다이(33)(15)의 각 고주파 코일(33a)(15a)을 작동을 정지시키고, 상부 및 하부 고주파 다이(35))(17)의 각 냉각수 유로(35a)(17a)에 냉각수를 공급하여 각 금형과 제품을 냉각시킨다.

이와 같이, 합형 공정에 의해 평기어 소재(70)가 헬리컬 기어 제품(80, 도 9 참조)으로 성형이 완료되어 일정온도 이하로 냉각되면, 금형의 이형 공정이 진행된다.

도 7을 참조하면, 구동 실린더(9)의 작동 전에, 상부 평기어 금형(37)과 하부 평기어 금형(27)이 합형된 상태에서 각 끼움홈(37a)(27a)에 걸쇠(63)를 먼저 끼운 상태로 상부 및 하부 평기어 금형(37)(27)을 서로 연결한다.

이후, 구동 실린더(9)가 작동하여 상형 유닛(30)이 하형 유닛(10)으로부터 이형된다.

이어서, 코어 금형(13)에 체결된 보스 고정 캡(BC)을 분리한 후, 성형이 완료된 헬리컬 기어 제품(80)을 취출하는 취출 공정을 진행한다.

도 8을 참조하면, 이와 같이, 코어 금형(13)으로터 보스 고정 캡(BC)이 분리된 후, 취출 실린더(53)를 작동시켜 슬라이딩 취출관(61)을 상승시켜 헬리컬 기어 제품(80)을 헬리컬 금형(23)으로부터 취출시켜 도 9에서와 같이, 금속재질의 보스(BS)가 헬리컬 기어(HG)의 중심에 일체로 인서트 형성되고, 외주면에 헬리컬 치(HT)가 성형된 FRP 소재의 헬리컬 기어 제품(80)을 성형하게 된다.

이때, 헬리컬 금형(23)에 의해 헬리컬 치(HT, 도 9 참조)가 성형된 헬리컬 기어 제품(80, 도 9 참조)은 취출 과정에 헬리컬 치형(25)을 따라 회전하면서 취출된다.

한편, 슬라이딩 취출관(61)은 베어링(B)에 의해 코어 금형(13)에 대하여 상승방향과 회전방향으로 자유도를 갖는 바, 헬리컬 기어 제품(80)에 일체로 인서트 성형된 보스(BS)의 하단을 밀어 올리면서 헬리컬 기어 제품(80)과 함께 회전하게 된다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치에 공급되는 평기어 소재, 및 보스와 일체로 성형된 헬리컬 기어의 사시도이다.

도 9를 참조하면, 상기한 바와 같은 헬리컬 기어 성형장치는 FRP 재질의 평기어 소재(70)를 하부 평기어 금형(27) 내에 공급하여 고주파 유도 가열을 진행하면서 상부 평기어 금형(37)으로 음각의 헬리컬 치형(25)을 갖는 헬리컬 금형(23) 내부로 압축 성형하여 미리 투입된 금속재질의 보스(BS)가 일체로 인서트 성형되도록 한다.

이에 따라, 헬리컬 치(HT)를 갖는 FRP 재질의 헬리컬 기어(HG)로 헬리컬 기어 제품(80)을 제조하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치는 아직 선행연구 단계에 있는 WLF 소재 연구를 통하여 연성, 특정조건에서의 물성 저하, 열 변형 등의 문제점이 해결된 WLF 신소재의 개발이 완료되면, 정밀도를 요구하는 차량의 구동부(파워트레인) 파트의 엔지니어링 부품인 기어류의 제조에 적용이 가능하고, 차량 소음 문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것이다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

1: 베이스 플레이트
3: 금형 프레임
5: 하판
7: 상판
9: 구동 실린더
9a: 구동 플레이트
10: 하형 유닛
11: 하부 프레임
13: 코어 금형
15: 하부 고주파 다이
15a: 고주파 코일
17: 하부 쿨링 다이
17a: 냉각수 유로
19: 금형 다이
21: 금형 홀더
23: 헬리컬 금형
25: 음각의 헬리컬 치형
27: 하부 평기어 금형
27a: 끼움홈
29: 음각의 평기어 치형
30: 상부 금형
31: 상부 프레임
33: 상부 고주파 다이
33a: 고주파 코일
35: 상부 쿨링 다이
35a: 냉각수 유로
37: 상부 평기어 금형
37a: 끼움홈
39: 양각의 평기어 치형
41: 삽입홈
50: 취출 유닛
51: 취출 브라켓
53: 취출 실린더
55: 연결 블록
57: 연결봉
59: 베어링 블록
61: 슬라이딩 취출관
63: 걸쇠
70: 평기어 소재
80: 헬리컬 기어 제품
H1: 볼트홀
H2: 관통홀
BT: 볼트
BC: 보스 고정 캡
BS: 보스
B: 베어링
ST: 평기어 치
HT: 헬리컬 치

Claims

하판이 베이스 플레이트의 상면 양측에 구성되는 레일에 복수의 슬라이더를 통하여 슬라이드 이동 가능하게 설치되는 금형 프레임;
상기 금형 프레임의 하판 상에 하부 프레임을 통하여 중앙의 코어 금형과, 상기 코어 금형에 끼워지는 하부 고주파 다이와 하부 쿨링 다이가 설치되고, 상기 하부 쿨링 다이의 상부에 금형 다이를 통하여 음각의 헬리컬 치형이 형성된 헬리컬 금형과, 음각의 평기어 치형이 형성된 하부 평기어 금형이 설치되어 금형 홀더를 통하여 고정되는 하형 유닛;
상기 금형 프레임의 상판 상에 하향하여 설치되며, 구동 로드에 완충 유닛을 통하여 구동 플레이트가 설치되는 구동 실린더;
상기 하형 유닛의 상부에 대응하여 상기 구동 플레이트에 결합되는 상부 프레임의 하부에 상부 고주파 다이와 상부 쿨링 다이가 설치되고, 상기 상부 쿨링 다이의 하부에 양각의 평기어 치형이 형성된 상부 평기어 금형이 설치되는 상형 유닛; 및
상기 하부 프레임의 하부에 취출 브라켓을 통하여 취출 실린더가 상향하여 설치되고, 상기 취출 실린더의 취출 로드에 연결 블록을 통하여 고정된 복수의 연결봉의 선단이 베어링 블록을 통하여 상기 하형 유닛의 코어 금형에 끼워지는 슬라이딩 취출관과 연결되는 취출 유닛;
을 포함하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 하형 유닛은
상기 금형 프레임의 하판의 상면에 고정되는 하부 프레임;
상기 하부 프레임의 중앙에 수직방향으로 설치되며, 상면 중앙에 볼트홀이 형성되는 코어 금형;
상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 하부 프레임의 상면에 설치되며, 내부에 고주파 코일이 내장되는 하부 고주파 다이;
상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 하부 고주파 다이의 상면에 설치되며, 내부에 냉각수 유로가 형성되는 하부 쿨링 다이;
상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 하부 쿨링 다이의 상면에 설치되는 금형 다이;
상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 금형 다이의 상면에 설치되며, 내부에는 음각의 헬리컬 치형이 형성된 헬리컬 금형;
상기 코어 금형에 끼워진 상태로 상기 헬리컬 금형의 상면에 안착되며, 내부에는 음각의 평기어 치형이 형성된 하부 평기어 금형; 및
상기 헬리컬 금형과 하부 평기어 금형의 둘레를 감싸도록 끼워져 상기 금형 다이에 설치되는 금형 홀더;
를 포함하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제3항에 있어서,
상기 하형 유닛은
상기 코어 금형의 상단에 체결되어 상기 코어 금형과 상기 슬라이딩 취출관의 상단부 사이에 형성된 안착홈에 끼워져 안착되는 보스를 상기 코어 금형에 고정하는 보스 고정 캡을 더 포함하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제4항에 있어서,
상기 보스 고정 캡은
상기 코어 금형의 상단부에 끼워진 상태로 중앙에 형성된 관통홀을 통하여 상기 코어 금형의 볼트홀에 볼트로 체결되는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제1항에 있어서,
상기 완충 유닛은
상기 구동 로드와 연결되는 상부 완충판과 상기 구동 플레이트에 설치되는 하부 완충판 사이에 복수의 코일 스프링이 설치되어 이루어지는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제3항에 있어서,
상기 상형 유닛은
상기 구동 플레이트의 하면에 결합되는 상부 프레임;
상기 상부 프레임의 하면에 설치되며, 내부에 고주파 코일이 내장되는 상부 고주파 다이;
상기 상부 고주파 다이의 하면에 설치되며, 내부에 냉각수 유로가 형성되는 상부 쿨링 다이; 및
상기 상부 쿨링 다이의 하면에 설치되며, 하부에는 상기 하부 평기어 금형의 음각의 평기어 치형에 대응하여 작동하는 양각의 평기어 치형이 형성된 상부 평기어 금형;
을 포함하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제7항에 있어서,
상기 상부 평기어 금형은
하부 중앙에 상기 코어 금형의 상단부가 삽입되는 삽입홈이 형성되는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제7항에 있어서,
상기 상부 평기어 금형과 하부 평기어 금형은
각 양 측면에 상호 합형된 상태로 걸쇠가 끼워져 상호 고정하도록 끼움홈이 형성되는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제3항에 있어서,
상기 취출 유닛은
상기 하부 프레임의 하부에 취출 브라켓을 통하여 상향하여 설치되는 취출 실린더;
상기 취출 브라켓 내부에서 상기 취출 실린더의 취출 로드에 설치되는 연결 블록;
상기 연결 블록의 상부에 설치되는 복수의 연결봉;
상기 하형 유닛의 코어 금형의 외주면에 끼워져 상기 코어 금형에 대하여 상하방향 및 회전방향으로 자유로운 슬라이딩 취출관;
상기 코어 금형의 하부에 끼워진 상태로 상기 복수의 연결봉의 선단에 고정되며, 내부에는 상기 슬라이딩 취출관의 하단을 회전 지지하는 베어링이 내장되는 베어링 블록;
을 포함하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.
제10항에 있어서,
상기 슬라이딩 취출관은
상단부에 상기 코어 금형의 외주면과의 사이에 보스가 끼워져 안착되는 안착홈이 형성되는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 헬리컬 기어 성형장치.