KR102412340B1 - 브레이크 캘리퍼 제작을 위한 차압주조용 금형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 차압주조용 금형은 상부 금형과 하부 금형으로 나뉘고 이를 고정하고 냉각을 효율적으로 공급할 수 있는 플레이트 및 매니폴드로 구성되어 있으며 한 쌍의 캘리퍼를 한 번에 제작할 수 있도록 배치하였다. 본 발명에 따르면 브레이크 캘리퍼 제작 시 후육부와 박육부가 혼재되어 있어 발생하는 주조공정 제어에 어려움을 초기 금형장치에서 해결함과 동시에 종래의 주조공법에서 발생하는 단점 및 문제점을 개선하고 생산성 향상, 우수한 품질 확보가 가능하다.

Description

브레이크 캘리퍼 제작을 위한 차압주조용 금형 장치{Counter Pressure Casting mold equipment for manufacturing automotive parts}

본 발명은 차압주조공법을 통해 브레이크 캘리퍼를 효율적으로 제작할 수 있는 차압주조용 금형장치 제작에 관한 것이다.

최근 자동차용 부품은 경량화를 위해 알루미늄 주조공정을 이용하여 제조한다. 주조 공정은 액체 상태로 용해된 알루미늄을 금형에 주입하여 원하는 형상의 제품을 생산하는 방식으로 용탕 충진 방식, 가압 방식 등을 통해 공정을 구분한다. 일반적으로 자동차 부품 제조에는 다이캐스팅공정과 저압주조 공정이 사용되고 있다. 다이캐스팅공정은 용탕을 10~200MPa의 고압으로 금형에 주입하여 빠르게 응고시키는 방식으로 높은 치수정밀도와 대량생산에 유리한 장점이 있지만 제조 가능한 두께에 한계가 존재한다. 또한 저압주조공정의 경우 용탕을 약 800mbar의 압력으로 아래에서 위로 주입하는 방식으로 한 사이클에 복수개의 주물 제조가 가능하고 주조회수율이 높은 장점이 있지만 제품의 중량이 증가하거나 형상이 복잡한 경우 지향성 응고로 인해 금형 온도가 높아지는 경향이 있어 응고 완료까지의 사이클이 길어지거나 제품 조직이 조대하게 형성되어 기계적 특성을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 주조공법의 단점 및 문제점을 보완한 방법인 차압주조공법은 챔버의 압력차를 이용하여 최대 2500mbar의 압력에 의해 용탕이 충진 되고 용탕 충진이 완료 된 후 완전히 응고될 때까지 압력이 유지되어 우수한 품질확보가 가능한 공법으로 주로 자동차 샷시 부품을 제조하는데 사용된다. 하지만 브레이크 캘리퍼의 경우 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분이 혼재되어있어 주조 시 후육부에 수축 결함이 주로 발생하며, 이를 해결하기 위한 주조공정 제어가 까다로운 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 이러한 주조 공정 제어의 어려움을 초기 금형장치에서 해결하기 위한 차압주조용 금형 장치이다.

등록특허 10-1959505호는 차압주조공법에서 가스 벤트에 대한 기술을 기재하나 상기 문제점 해결 수단과는 관계가 없다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 차압주조공법을 통해 브레이크 캘리퍼처럼 두께가 혼재되어 있는 자동차 부품을 제조할 때 발생하는 주조공정 제어의 어려움과 종래의 주조공법에서 발생하는 단점 및 문제점을 해결하기 위하여 브레이크 캘리퍼용 차압주조용 금형장치를 제작하고자 한다. 이로 인해 우수한 품질 확보, 높은 주조회수율, 생산성 향상등 긍적적인 효과를 얻을 수 있다.

상기 목적에 따라 본 발명은 상부 금형과 하부 금형을 각각 상부 플레이트와 하부 플레이트에 결합시키고, 상부 플레이트와 하부 플레이트에 방사대칭으로 배열되는 다수의 매니폴드를 구성하고, 여기에 다수의 고정부와 다수의 스팟 냉각 장치를 설치하여 고정부에 의해 상부 플레이트와 하부 플레이트 및 상부 금형과 하부 금형이 차압주조 공정 중 서로 요동 없이 고정되게 하고, 캐비티 금형 내부 용탕의 흐름성 안정화를 위한 완만한 압탕을 제공하고, 중자가스 취약부마다 벤트를 설치한 차압주조금형 시스템을 제공한다.

상기에서, 냉각라인이 금형 내에 배치되는 지점은 냉각 스팟은 제품의 두께가 두꺼운 곳과 얇은 곳의 냉각 속도 차이를 해소할 수 있도록 안배된다.

상기에서, 중자가스 취약부는 시뮬레이션 해석을 통해 찾아낸다.

상기에서, 제품의 상취출이 가능하도록 상부 금형의 형상 구배를 하부 금형에 비해 작게 제작하였으며 상부 금형 및 상부 플레이트에 취출핀을 설치한다.

상기에서, 제품은 브레이트 캘리퍼이며, 하나의 금형에 의해 2개의 제품이 동시 주조될 수 있도록 금형을 제작하고, 이를 위해 용탕이 좌우로 흐를 수 있도록 좌우 대칭의 용탕 게이트를 설치한다.

본 발명에 따르면, 두께의 편차가 큰 부분을 갖는 브레이크 캘리퍼와 같은 제품에 대해서도 차압주조공법으로 제품을 제작할 수 있다.

즉, 본 발명은 상하 금형의 위치가 차압주조 공정 중 미세한 흔들림도 발생되지 않도록 상하 플레이트에 의해 위치를 잡아주고, 두께 편차에 의해 냉각 속도 차이가 발생되어 수축 변형이 일어나는 것을 다수의 냉각 스팟 설치로 해결하였다.

또한, 중자가스 취약부를 시뮬레이션으로 찾아내어 해당 위치마다 벤트를 구비하여 중자가스를 효율적으로 제거한다.

또한, 본 발명은 압탕에서 급격한 용탕의 흐름이 생기지 않고 완만한 흐름이 일어나도록 압탕을 구성하였다.

또한, 본 발명은 상부 금형의 형상 구배를 하부 금형에 비해 작게 하여 상 취출이 용이하게 하였다.

또한, 본 발명은 하나의 금형에 2 개의 제품이 포함되도록 하여 생산성을 향상시킨다.

도 1은 차압주조 상/하 캐비티 금형 평면도.
도 2는 차압주조 상/하 금형 플레이트 및 매니폴드 구성을 보여주는 평면도.
도 3은 차압주조 금형 냉각 라인 배치 도면.
도 4는 압탕 구조를 보여주는 도면.
도 5는 차압주조 금형 장치의 단면 구성도.
도 6은 차압주조 공정 모식도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 차압주조 상/하 캐비티가 구성된 금형 도면이고, 도 2는 차압주조 상/하 금형 플레이트 및 매니폴드 구성 도면이다.

본 발명의 브레이크 캘리퍼 제작을 위한 차압주조용 금형 장치는 몰드 챔버의 압력과 퍼니스 챔버에 동일한 압력을 가한 후 몰드 챔버의 압력을 낮춰 압력차를 이용하여 용탕을 주입하는 장치이다. 차압으로 층류 충진된 용탕은 응고가 완료될때까지 가압 하에 응고된다. 차압주조 공정에 대한 것은 도 6에 나와있다.

본 발명의 금형 장치는 상부 금형(도 1의 좌측)과 하부 금형(도 1의 우측)으로 나뉘고 고온의 높은 압력에서 미세하게 흔들림 또는 뒤틀리는 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해 상/하 플레이트와 그에 매니폴드를 설치하였으며, 매니폴드 핀을 통해 금형장치를 정확한 위치에 고정시킬 수 있도록 제작되었다. 즉, 상부 플레이트에 상부 금형이, 하부 플레이트에 하부 금형이 결합되며, 상부 플레이트(도 2의 좌)와 하부 플레이트(도 2의 우)는 매니폴드를 각각 구비하여 서로 위치 고정될 수 있다. 매니폴드는 방사대칭으로 배열되며, 본 실시예는 4곳에 매니폴드를 방사대칭형으로 구성하였다.

즉, 도 2의 매니폴드는 4곳에 일정하게 배치되어 있으며 상기 매니폴드 각각은 상하부 플레이트가 서로 고정될 수 있는 고정부를 구성하였으며, 상하부 플레이트가 서로 마주보아 투영되는 지점에 구성한다. 고정부재는 고정 핀으로 구성할 수 있다.

또한, 상기 매니폴드에는 다수의 냉각라인이 연결된다. 이로 인해 금형장치 내부에 일정하게 냉각수를 효율적으로 공급할 수 있다. 즉, 도 3과 같이 상하부 플레이트의 매니폴드 각각에 다수의 스팟 냉각을 위한 스팟 냉각 장치가 연결되어 하나의 제품에서 두께가 달라 냉각 속도 차이로 인한 수축 변형이 일어나지 않도록 냉각 속도를 고르게 하도록 냉각 스팟을 정하고 냉각 장치를 설치한다.

본 실시예에서는 상부 금형에 스팟 냉각을 20개를 설치하여 응고지연, 수축 결함 발생을 예방하였다. 하부 플레이트의 냉각라인과 스팟 냉각은 하부 금형 주변부에 배치된다.

또한, 브레이크 캘리퍼 제작에는 중자가 사용되며 이로 인해 발생하는 중자 가스를 효율적으로 제거하여야 한다. 이를 위해 본 발명은 시뮬레이션 해석을 통해 상부 금형의 중자가스 취약부 16 곳에 Vent를 설치하여 중자 가스로 인해 발생하는 결함을 방지하였다(도 1 참조).

한편, 주조시 연속작업이 가능하도록 브레이크 캘리퍼의 원활한 취출을 위해 상부 금형의 형상 구배를 작게 적용하여 마찰력에 의해 상부 금형으로 브레이크 캘리퍼가 붙어 상취출이 가능하게 제작하였으며 상부 원활한 취출을 위해 26개의 취출 핀을 설치하였다. 반대로 하부 금형은 형상 구배를 상대적으로 크게 적용하여 금형에 브레이크 캘리퍼가 달라 붙지 않게 제작하였으며 하부 금형 전체를 냉각하는 냉각 라인과 스팟 냉각 10개를 설치하였다.

또한, 캐비티 금형의 압탕을 완만하게 제작하여 용탕의 흐름성이 향상되었으며 한 쌍의 캘리퍼를 한 사이클 제작할 수 있도록 제작하였다(도 4 참조). 즉, 금형의 압탕은 용탕의 유동 해석결과를 바탕으로 완만하게 설계하여 용탕이 안정적으로 흘러들어가고 응고될 수 있게 하였다. 도 4의 우측 압탕은 저면부가 거의 평탄면으로 되어 좌측과 같은 압탕에서 용탕이 폭포수처럼 급류를 이루지 않고 완만히 흐를 수 있게 하였다.

한편, 본 실시예는 생산성 향상을 위해 하나의 금형에서 2개의 제품이 생산될 수 있게 하였다. 이를 위해, 금형 중심을 기준으로 좌우 대칭으로 3개의 게이트를 위치시켜 용탕이 안정적으로 양쪽 캐비티로 주입될 수 있게여 2개의 캐비티로 한 사이클에 한 세트의 캘리퍼를 제조할 수 있다.

또한, 중자가스 거동 해석을 통한 취약부마다 벤트를 설치하였으며, 도 1과 같이 하나의 상부 금형 캐비티마다 좌우상하 대칭 내지 방사대칭으로 벤트를 다수 배열하였다.

본 발명이 제공하는 차압주조공정을 정리하면 다음과 같다.

브레이크 캘리퍼 제작을 위한 차압주조용 금형 장치 제작에 있어서, 브레이크 캘리퍼 형상을 고려한 상/하 캐비티 금형과 플레이트 및 매니폴드를 제작하는 제 1단계,
캐비티 금형 내부 용탕의 흐름성 안정화를 위한 완만한 압탕을 제작하는 제 2단계,
상/하 캐비티 금형과 매니폴드 배치 및 냉각 시스템을 구성하는 제 3단계,
중자가스 거동 해석을 통한 취약부 벤트 설치하는 제 4단계,

삭제

삭제

삭제

주조 시 제품의 상취출이 가능하도록 상/하 캐비티 금형간 형상 구배 및 취출핀을 적용하는 제 5단계를 포함하는 제조방법을 제공한다.

상기에 있어서, 브레이크 캘리퍼 형상을 고려한 상/하 캐비티 금형과 플레이트 및 매니폴드를 제작하는 제 1단계에서 금형 중심을 기준으로 좌우 대칭으로 3개의 게이트를 위치하여 용탕이 안정적으로 캐비티로 주입될 수 있으며 2개의 캐비티로 한 사이클에 한 세트의 캘리퍼를 제조할 수 있는 특징을 가진 상/하 캐비티 금형을 제공한다.

상기에 있어서, 브레이크 캘리퍼 형상을 고려한 상/하 캐비티 금형과 플레이트 및 매니폴드를 제작하는 제 1단계에서 고온의 높은 압력하에서 미세한 흔들림 또는 뒤틀림이 발생하는 것을 방지하기 위해 상/하 플레이트 및 매니폴드를 제작하였으며 매니폴드에 고정핀을 설치하여 금형장치를 정확한 위치에 고정 시킬 수 있게 제작된 금형 장치를 제공한다.

상기에 있어서, 캐비티 금형 내부 용탕의 흐름성 안정화를 위한 압탕을 제작하는 제 2단계에서 캐비티 금형의 압탕은 용탕의 유동 해석결과를 바탕으로 완만하게 설계하여 용탕이 안정적으로 흘러들어가고 응고될 수 있게 만들어진 특징을 가진 상/하 캐비티 금형으로 구성한다.

상기에 있어서, 상/하 캐비티 금형과 매니폴드 배치 및 냉각 시스템을 구성하는 제 3단계에서 냉각수를 일정하게 공급할 수 있도록 매니폴드를 배치하였으며 상/하 캐비티 금형에 각각 냉각 라인 및 스팟 냉각 시스템을 설치하여 브레이크 캘리퍼의 얇은곳과 두꺼운곳의 응고 속도 차이를 최소화할 수 있는 특징을 가진 금형 장치를 제공한다.

상기에 있어서 중자가스 거동 해석을 통한 취약부 벤트를 설치하는 제 4단계에서 캐비티 금형의 벤트 설치는 주조 온도에서 중자가스 거동 해석 결과를 바탕으로 중자 가스가 고립되는 상부 금형의 중자가스 취약부에 설치하여 중자가스로 인해 발생하는 결함을 방지할 수 있게 제작된 상부 금형을 제공한다.

상기에 있어서 주조시 제품의 상취출이 가능하도록 상/하 캐비티 금형간 형상 구배 및 취출핀을 적용하는 제 5단계에서 브레이크 캘리퍼가 상취출이 가능하도록 상부 금형의 형상 구배를 작게 제작하였으며 상부 금형 및 플레이트에 취출핀을 설치하여 상취출이 용이하게 만들어진 특징을 가진 금형을 제공한다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명에 대한 연구는 2020년도 부산테크노파크의 “미래성장동력산업 육성사업”으로 지원을 받아 수행된 연구 결과입니다.

Claims (7)

1. 차압주조용 금형 장치로서,
   상부 금형;
   상기 상부 금형과 마주하는 하부 금형;
   상기 상부 금형이 결합되는 상부 플레이트; 및
   상기 하부 금형이 결합되는 하부 플레이트;를 포함하고,
   상부 플레이트와 하부 플레이트는 그 각각에 방사대칭으로 배열되는 다수의 매니폴드;를 구비하고,
   상기 매니폴드는 다수의 고정부와 다수의 스팟 냉각장치를 구비하며, 상부 플레이트와 하부 플레이트가 서로 마주보아 투영되는 지점에 상기 고정부가 구성되어 상부 플레이트와 하부 플레이트 및 상부 금형과 하부 금형이 상기 고정부에 의해 차압주조 공정 중 서로 요동이 없도록 고정핀으로 고정되게 하고, 상기 다수의 스팟 냉각장치는 제품의 두께가 두꺼운 곳과 얇은 곳의 냉각속도 차이를 해소하도록 배치되며, 상부 금형의 캐비티에 다수의 스팟 냉각장치가 설치되고, 하부 금형에는 하부 금형 캐비티 주변에 다수의 스팟 냉각장치가 배치된 것을 특징으로 하는 차압주조금형장치.
2. 제1항에 있어서, 압탕은 용탕의 유동해석결과를 바탕으로 설계되어 저면이 평탄하게 형성된 것을 특징으로 하는 차압주조금형장치.
3. 제1항에 있어서, 시뮬레이션 해석을 통해 찾아낸 중자가스 고립부로 나타나는 중자가스 취약부마다 벤트를 설치한 것을 특징으로 하는 차압주조금형장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 제품의 상취출이 가능하도록 상부 금형의 형상 구배를 하부 금형에 비해 작게 하고, 상부 금형 및 상부 플레이트에 취출핀을 설치한 것을 특징으로 하는 차압주조금형장치.
6. 제1항에 있어서, 하나의 금형에 의해 2개의 제품이 동시 주조될 수 있도록 하나의 금형에 2개의 캐비티가 형성되고, 용탕이 좌우로 흐를 수 있도록 좌우 대칭의 용탕 게이트를 설치한 것을 특징으로 하는 차압주조금형장치.
7. 제1항에 있어서, 차압주조되는 제품은 브레이크 캘리퍼인 것을 특징으로 하는 차압주조금형장치.

Images