KR102440258B1 - 등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

고정금형 또는 가동금형에 결합되는 베이스부재와, 상기 베이스부재의 일측에 연장되어 형성되는 등냉각 부재를 포함하는 인서트 몸체; 및 상기 인서트 몸체의 중심축과 평행한 방향으로 베이스부재를 관통하는 유입로와, 상기 유입로와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로와, 상기 등냉각 부재 내부에 지그재그형으로 형성되되 상기 유입로와 유출로의 일단부 사이를 연결하는 등냉각로를 포함하는 냉각유로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형을 제공한다.

Description

등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법{Equal cooling insert mold and manufacturing method of the same}
본 발명은 등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법에 대한 것으로, 인서트 금형에 스파이럴 형태의 등냉각 구조를 적용하여 냉각성능을 향상시킬 수 있으며 냉각온도 균질화로 주조품의 결함 발생을 방지할 수 있는 등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법에 관한 것이다.
정밀 금속부품을 제조하기 위해 알루미늄, 마그네슘, 아연, 구리, 주석 등의 성분을 함유하는 합금을 용탕으로 하는 다이캐스팅 주조 방식이 일반적으로 상용되고 있다. 다이캐스팅 주조 방식은 고정밀도 생산과 대량생산이 가능하며 공정의 자동화율이 높으므로, 자동차의 정밀부품에 사용되고 있으며, 점차 전자부품, 광학부품, 계측기 부품 등의 제조에도 점차 사용이 확대되고 있다.
다이캐스팅 주조 방식으로 주조품을 제조하는 경우, 금형에 별도의 인서트를 장착한 후 용탕을 금형의 캐비티에 주입하여 주조를 수행할 수 있는데, 일반적으로 주조품의 냉각을 위해 인서트 내부에는 직선 형태의 냉각라인이 위치한다. 그러나 인서트가 위치하는 주조품의 내측은 도 1과 같이 국부적인 냉각으로 인해 핫스팟과 같은 내부결함(A, B)이 발생할 수 있다. 따라서 주조품의 품질 개선 및 수율 향상을 위하여 인서트의 냉각방식에 대한 기술 개발이 필요하다.
한국등록특허 제 10-2200641호(등록일: 2021. 01. 05) 일본등록특허 제 3448475호(등록일: 2003. 07. 04)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 인서트 금형에 스파이럴 형태의 등냉각 구조를 적용하여 냉각성능을 향상시킴으로써, 냉각온도 균질화로 주조품의 결함 발생을 방지할 수 있는 등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 3D 프린팅을 이용하여 복잡한 형태의 냉각유로를 용이하게 형성할 수 있는 등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 고정금형 또는 가동금형에 결합되는 베이스부재와, 상기 베이스부재의 일측에 연장되어 형성되는 등냉각 부재를 포함하는 인서트 몸체; 및 상기 인서트 몸체의 중심축과 평행한 방향으로 베이스부재를 관통하는 유입로와, 상기 유입로와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로와, 상기 등냉각 부재 내부에 지그재그형으로 형성되되 상기 유입로와 유출로의 일단부 사이를 연결하는 등냉각로를 포함하는 냉각유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형을 제공할 수 있다.
상기 인서트 몸체는, 상기 유입로 또는 유출로와 평행하여 형성되되, 고정금형 또는 가동금형과 결합되는 금형체결 홀과, 밀핀이 관통하며 이동하는 밀핀이동 홀과, 온도센서가 장착되는 온도측정용 홀을 포함하는 것일 수 있다.
상기 등냉각로는 상기 인서트 몸체의 외주면 또는 내주면의 곡면에 대응하여 곡률을 가지는 수평냉각부와, 수평냉각부 사이를 수직으로 연결하는 수직냉각부를 포함하는 ㄹ형으로 형성된 것일 수 있다.
상기 등냉각로의 수평냉각부는 가로 직경보다 세로 직경이 더 큰 수직단면을 구비하되, 상기 수직단면은 중심으로부터 하향으로 폭이 좁아지는 형태인 것일 수 있다.
상기 냉각유로는 상기 인서트 몸체의 중심축을 기준으로 하여 등각으로 분할되는 영역에 복수 개가 배치되는 것일 수 있다.
또한, 상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 베이스 부재를 형성하되, 베이스 부재의 중심축과 평행한 방향으로 냉각유로의 유입로와 상기 유입로와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로를 형성하는 1차 가공으로 베이스 부재를 형성하는 단계; 상기 베이스 부재의 일측으로부터 연장되도록 3D 프린팅을 이용하여 등냉각 부재를 형성하되, 지그재그형으로 형성되는 등냉각로가 상기 유입로와 유출로의 일단부 사이를 연결하며 형성하는 단계; 상기 베이스 부재와 등냉각 부재를 포함하는 인서트 몸체를 열처리하는 단계; 및 상기 유입로와 유출로의 직경이 상기 등냉각로의 직경과 대응하도록 2차 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 1차 가공을 하는 것은, 밀핀이 관통하며 이동하는 밀핀이동 홀과, 온도센서가 장착되는 온도측정용 홀을 상기 유입로 또는 유출로와 평행하도록 형성하는 것을 포함하는 것일 수 있다.
상기 2차 가공을 하는 것은, 상기 인서트 몸체에 고정금형 또는 가동금형과 결합되는 금형체결 홀을 형성하거나, 상기 밀핀이동 홀 또는 온도측정용 홀을 상기 등냉각 부재의 내부까지 연장 형성하는 것을 더욱 포함하는 것일 수 있다.
상기 등냉각 부재를 형성하는 것은, 상기 인서트 몸체의 외주면 또는 내주면의 곡면에 대응하여 곡률을 가지는 수평냉각부와, 수평냉각부 사이를 수직으로 연결하는 수직냉각부를 포함하는 ㄹ형으로 등냉각로를 형성하는 것일 수 있다.
상기 등냉각 부재를 형성하는 것은, 가로 직경보다 세로 직경이 더 큰 수직단면을 구비하도록 상기 수평냉각부를 형성하되, 상기 수직단면은 중심으로부터 하향으로 폭이 좁아지는 형태로 형성하는 것일 수 있다.
상기 2차 가공을 하는 것은, 상기 냉각유로의 유입로와 유출로의 직경을 상기 등냉각로의 직경보다 크게 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법은 인서트 금형에 스파이럴 형태의 등냉각 구조를 적용하여 냉각성능을 향상시킴으로써, 냉각온도 균질화로 주조품의 결함 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 3D 프린팅을 이용하여 복잡한 형태의 냉각유로를 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 냉각으로 인한 주조품의 결함 발생을 나타낸 사진,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형을 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형을 나타낸 분해사시도,
도 4a는 도 2의 I-I'에 따른 단면도,
도 4b는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도,
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형의 제조과정을 나타낸 도면,
도 6은 종래의 인서트 금형과 주조품의 온도분포를 나타낸 온도분포도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형과 주조품의 온도분포를 나타낸 온도분포도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 종래의 냉각으로 인한 주조품의 결함 발생을 나타낸 사진, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형을 나타낸 사시도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형을 나타낸 분해사시도, 도 4a는 도 2의 I-I'에 따른 단면도, 도 4b는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도, 도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형의 제조과정을 나타낸 도면, 도 6은 종래의 인서트 금형과 주조품의 온도분포를 나타낸 온도분포도, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형과 주조품의 온도분포를 나타낸 온도분포도이다.
도 1 내지 도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형(10)은 고정금형 또는 가동금형에 결합되는 베이스부재(110)와, 상기 베이스부재(110)의 일측에 연장되어 형성되는 등냉각 부재(120)를 포함하는 인서트 몸체(100); 및 상기 인서트 몸체(100)의 중심축과 평행한 방향으로 베이스부재(110)를 관통하는 유입로(210)와, 상기 유입로(210)와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로(220)와, 상기 등냉각 부재(120) 내부에 지그재그형으로 형성되되 상기 유입로(210)와 유출로(220)의 일단부 사이를 연결하는 등냉각로(230)를 포함하는 냉각유로(200);를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 인서트 몸체(100)는 중심 영역에 중공부를 가지는 회전체형으로 구비될 수 있으며 도 2에 도시된 바와 같이 원통형으로 마련될 수 있다. 예로써 고정금형 또는 가동금형에 결합되는 베이스부재(110)는 건드릴의 성형이 가능한 SKD61과 같은 소재로 구비될 수 있으며, 상기 베이스부재(110)의 일측에 연장되어 형성되는 등냉각 부재(120)는 3D 프린팅에 적용할 수 있는 소재로 구비될 수 있다. 예로써, 등냉각 부재(120)는 PBF(Powder Bed Fusion) 공법이 가능한 소재로써 시효 경화처리 마르텐자이트강인 머레이징강(Maraging Steel)으로 구비될 수 있다. 머레이징강은 Ni 17 내지 19wt%, Co 8.5 내지 9.5w%, Mo 4.5 내지 5.2wt%, Ti 0.6 내지 0.8wt%, Al 0.05 내지 0.15wt%, Cr 0.5wt% 이하, Cu 0.5wt% 이하, C 0.03wt% 이하, Mn 0.1wt% 이하, Si 0.1wt% 이하, P 0.01 wt% 이하, S 0.01 wt% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
PBF(Powder Bed Fusion) 공법은 금속분말을 소재로 하는 3D 프린팅법 중 하나로, 금속분말을 평평히 깔고 고밀도 에너지를 가진 레이저 또는 전자빔을 지정된 영역에 조사하여 파우더를 소결시키거나 용융시켜 한 층씩 적층하는 방법이다. 따라서 등냉각 부재(120)를 3D 프린팅으로 제조함으로써 등냉각 부재(120) 내부의 냉각유로(200)는 도 3과 같은 형상을 구비할 수 있다. 예로써 상기 금속분말은 머레이징강을 포함할 수 있으며, 입자크기는 10 내지 50㎛, 입도 분포는 10 내지 200㎛를 가진 것일 수 있다.
상기 인서트 몸체(100)는 상기 유입로(210) 또는 유출로(220)와 평행하여 형성되되, 고정금형 또는 가동금형과 체결구로 결합되는 금형체결 홀(112)과, 밀핀이 관통하며 이동하는 밀핀이동 홀(114)과, 인서트 몸체(100) 내부 또는 냉각유로(200) 주변의 온도를 감지하는 온도센서가 장착되는 온도측정용 홀(116)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 냉각유로(200)는 상기 인서트 몸체(100)의 중심축과 평행한 방향으로 베이스부재(110)를 관통하는 유입로(210)와, 상기 유입로(210)와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로(220)와, 상기 등냉각 부재(120) 내부에 지그재그형으로 형성되되 상기 유입로(210)와 유출로(220)의 일단부 사이를 연결하는 등냉각로(230)를 포함할 수 있다. 예로써 유입로(210) 및 유출로(220)는 건드릴과 같은 방식으로 형성할 수 있으며, 등냉각로(230)는 상기에 설명한 바와 같이 PBF(Powder Bed Fusion) 공법과 같은 3D 프린팅을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 등냉각로(230)는 상기 인서트 몸체(100)의 외주면 또는 내주면의 곡면에 대응하여 곡률을 가지는 수평냉각부(232)와, 수평냉각부(232) 사이를 수직으로 연결하는 수직냉각부(234)를 포함하는 ㄹ형으로 형성된 것일 수 있다. 따라서 유입로(210)를 통하여 유입된 냉각유체는 수평냉각부(232)와 수직냉각부(234)를 지나가며 인서트 몸체(110)를 냉각하고, 냉각으로 인해 가열된 냉각유체는 유출로(220)를 통하여 외부로 이동할 수 있다.
상기 냉각유로(200)는 상기 인서트 몸체(110)의 중심축을 기준으로 하여 등각으로 분할되는 영역에 복수 개가 배치되는 것일 수 있다. 예로써 도 2 및 도 3과 같이 유입로(210)와 유출로(220)가 각 3개소가 위치함으로써, 등냉각로(230)가 집합된 형태는 인서트 몸체(110)의 형상을 따라 스파이럴한 구조를 이룰 수 있다. 따라서, 수직 직선의 냉각유로를 구비한 종래와 달리, 인서트 몸체(110)를 따라 스파이럴한 형태로 등냉각이 이루어짐으로써 종래의 국부적 냉각으로 인한 내부결함 형성을 방지할 수 있다.
상기 등냉각로(230)의 수평냉각부(232)는, 가로 직경보다 세로 직경이 더 큰 수직단면을 구비하되, 상기 수직단면은 중심으로부터 하향으로 폭이 좁아지는 형태인 것일 수 있다. 이 경우 수평냉각부(232)는 도4a와 같이 하향의 폭이 좁은 물방울의 형태를 취할 수 있으며, 수직냉각부(234)는 도4b와 같이 원형의 단면을 취할 수 있다.
이는 3D 프린트를 이용한 적층으로 등냉각 부재(120)와 등냉각로(230)를 형성하는 경우, 도 5c와 같이 베이스부재(110)의 일측에 등냉각 부재(230)를 연장 형성하는데, 수평냉각부(232)를 형성할 때 일반적인 원형 단면의 냉각라인은 응결이 덜 된 금속분말에 의해 무너짐이 발생할 수 있으며, 이는 누수가 발생할 위험이 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 하중 설계가 필요하며 수평냉각부(232)의 하측에 상측보다 폭이 좁은 금형 살을 주는 설계를 할 수 있다. 즉, 수평냉각부(232) 상측의 아치형태의 라인을 버틸 수 있도록 상기와 같은 단면구조를 가지는 수평냉각부(232)를 구비하여 자중에 의한 무너짐을 방지하고 냉각유로의 단면적 증가에 의한 냉각효율 증가의 효과도 가질 수 있다.
예로써 상기 수평냉각부(232)는, 도4a와 같이 중심이 동일 선상에 위치하되 큰 원의 지름(R1)은 작은 원의 지름(R2)보다 2배의 크기를 가지는 두 개의 원과, 상기 두 개의 원의 원호를 접하며 연결하는 직선으로 형성되는 물방울 형태의 수직단면을 구비할 수 있으며, 원의 중심 사이의 거리(H)는 큰 원의 지름(R1)에 대하여 H/R1은 0.6 내지 0.75의 비율을 가지는 것일 수 있다. H/R1이 0.6 미만인 경우 원형의 단면에 가까워지므로 하중 설계의 의미가 없으며, H/R1이 0.75를 초과하는 경우 3D 프린팅 소재와 작업 과정의 허용 분포하중을 초과하여 하측의 금형살 부분 형성에 불량이 발생할 수 있으므로 상기의 비율을 가지는 것이 바람직하다.
도 5a 내지 도 5f를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형의 제조방법은 베이스 부재(110)를 형성하되, 베이스 부재(110)의 중심축과 평행한 방향으로 냉각유로(200)의 유입로(210)와 상기 유입로(210)와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로(220)를 형성하는 1차 가공으로 베이스 부재(110)를 형성하는 단계; 상기 베이스 부재(110)의 일측으로부터 연장되도록 3D 프린팅을 이용하여 등냉각 부재(120)를 형성하되, 지그재그형으로 형성되는 등냉각로(230)가 상기 유입로(210)와 유출로(220)의 일단부 사이를 연결하며 형성하는 단계; 상기 베이스 부재(110)와 등냉각 부재(120)를 포함하는 인서트 몸체(100)를 열처리하는 단계; 및 상기 유입로(210)와 유출로(220)의 직경이 상기 등냉각로(230)의 직경과 대응하도록 2차 가공하는 단계;를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 도 5a와 같이 먼저 베이스 부재(110)를 형성할 수 있다. 예로써 베이스 부재(110)는 SKD61의 소재를 이용할 수 있으며, 내측에 중공을 가지는 도넛 형태로 형성될 수 있다. 또한, 베이스 부재(110)의 중심축과 평행한 방향으로 냉각유로(200)의 유입로(210)와 상기 유입로(210)와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로(220)를 형성하는 1차 가공을 수행하여 베이스 부재(110)를 형성할 수 있다. 예를 들어 유입로(210)와 유출로(220)의 형성은 1차 건드릴 가공(1)을 통하여 형성될 수 있다.
나아가서, 상기 1차 가공을 하는 것은, 밀핀이 관통하며 이동하는 밀핀이동 홀(114)과, 온도센서가 장착되는 온도측정용 홀(116)을 상기 유입로(210) 또는 유출로(220)와 평행하도록 형성하는 것을 포함할 수 있다.
다음으로 상기 등냉각 인서트 금형(10)의 제조방법은, 도 5b와 같이 상기 베이스 부재(110)의 형성 후 황삭가공(3)을 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 도 5c와 같이 등냉각 부재(120)를 형성할 수 있다. 이는 상기 베이스 부재(110)의 일측으로부터 연장되도록 3D 프린팅(5)을 이용하여 등냉각 부재(120)를 형성할 수 있으며, 지그재그형으로 형성되는 등냉각로(230)가 상기 유입로(210)와 유출로(220)의 일단부 사이를 연결하며 형성할 수 있다.
예로써 상기 3D 프린팅은 PBF 공법이 적용된 것일 수 있다. 먼저, 베이스 부재(110)의 상측면을 3D 프린터의 베드에 맞닿도록 위치시킬 수 있다. 다음으로, 분말 공급기(S)의 이동으로 금속분말(P)을 베이스 부재(110)의 일측면 상부로 제공하며 금속분말(P)을 평탄화시킬 수 있다. 예로써 상기 금속분말(P)은 시효 경화처리 마르텐자이트 강과 같은 머레이징강을 포함한 것일 수 있다.
예로써, 상기 머레이징강은 Ni 17 내지 19wt%, Co 8.5 내지 9.5w%, Mo 4.5 내지 5.2wt%, Ti 0.6 내지 0.8wt%, Al 0.05 내지 0.15wt%, Cr 0.5wt% 이하, Cu 0.5wt% 이하, C 0.03wt% 이하, Mn 0.1wt% 이하, Si 0.1wt% 이하, P 0.01 wt% 이하, S 0.01 wt% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 금속분말의 입자크기는 10 내지 50㎛, 입도 분포는 10 내지 200㎛를 가진 것일 수 있다.
다음으로 레이저(L)를 조사함으로써 용융/소결되어 적층시킴으로써 등냉각로(230)를 내부에 구비하는 등냉각 부재(120)를 형성할 수 있다. 예로써 적층두께 35 내지 45㎛, 레이저 빔의 에너지 밀도 65 내지 80J/mm3, 레이저 파워 260 내지 315W, 스캔속도 800 내지 1000m/s의 조건으로 PBF 공법을 이용하여 등냉각로(230)를 형성할 수 있다.
상기 등냉각 부재(120)를 형성하는 것은, 상기 인서트 몸체(100)의 외주면 또는 내주면의 곡면에 대응하여 곡률을 가지는 수평냉각부(232)와, 수평냉각부(232) 사이를 수직으로 연결하는 수직냉각부(234)를 포함하는 ㄹ형으로 등냉각로(230)를 형성하는 것일 수 있다.
나아가서 상기 등냉각로(230)를 포함한 냉각유로(200)가 형성되는 것은 상기 인서트 몸체(110)의 중심축을 기준으로 하여 등각으로 분할되는 영역에 복수 개가 배치되도록 형성하는 것일 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3과 같이 유입로(210)와 유출로(220)가 복수개의 개소에 위치함으로써, 등냉각로(230)가 집합된 형태는 인서트 몸체(110)의 형상을 따라 스파이럴한 구조를 이룰 수 있도록 형성할 수 있다. 따라서, 수직 직선의 냉각유로를 구비한 종래와 달리, 인서트 몸체(110)를 따라 스파이럴한 형태로 등냉각로(230)가 형성됨으로써 인서트 몸체(110)를 고르게 냉각하여 종래의 국부적 냉각으로 인한 내부결함 형성을 방지할 수 있다.
상기 등냉각로(230)를 형성하는 것은, 가로 직경보다 세로 직경이 더 큰 수직단면을 구비하도록 수평냉각부(232)를 형성하되, 상기 수직단면은 중심으로부터 하향으로 폭이 좁아지는 물방울의 형태인 것일 수 있다. 나아가서, 상기 수직단면은 중심이 동일 선상에 위치하되 큰 원의 지름(R1)은 작은 원의 지름(R2)보다 2배의 크기를 가지는 두 개의 원과, 상기 두 개의 원의 원호를 접하며 연결하는 직선으로 형성되는 물방울 형태를 취할 수 있다. 즉, 베이스 부재(110)의 상측면을 3D 프린터(5)의 베드에 맞닿도록 위치시킨 후 적층의 과정으로 베이스부재(110)의 일측에 등냉각 부재(230)를 적층하며 연장 형성하는 동안, 일반적인 원형 단면의 냉각라인은 응결이 덜 된 금속분말에 의해 무너짐이 발생할 수 있으며, 이는 향후 누수가 발생할 위험이 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 등냉각로(230)의 하중 설계가 필요할 수 있는데, 수평냉각부(232)의 하측, 즉 적층의 방향이 상측으로 갈수록 폭이 좁아지는 금형 살을 주는 설계를 할 수 있다. 즉, 직선의 구간과 작은 원호(R2의 원호부분) 형성 시 적용되는 금속분말의 무게 및 모멘트는 큰 원 형성 시 발생하는 것보다 낮으므로, 수평냉각부(232) 상측의 아치형태(R1의 원호부분)의 라인은 버틸 수 있다. 이와 같은 과정으로 상기와 같은 단면구조를 가지는 등냉각로(230)를 구비할 수 있다.
예로써, 입자크기는 10 내지 50㎛, 입도 분포는 10 내지 200㎛를 가진 머레이징강으로 구성된 금속분말을 이용하고, 적층두께 40㎛, 레이저 빔의 에너지 밀도 약 72J/mm3, 레이저 파워 285W, 스캔속도 900m/s의 조건으로 PBF 공법을 이용하여 등냉각로(230)를 형성하였다. 하기의 표 1은 상기의 조건으로 등냉각로 형성 후 수평냉각부(232) 수직단면의 원의 중심사이의 거리(H)와 큰 원의 지름(R1)에 있어서 H/R1의 크기에 따른 가공불량 정도를 나타낸 것이다.
수평냉각부의 H/R1 수평냉각부 가공 불량 정도
0.50 불량(금속분말 응고불량)
0.55 일부 영역 불량
0.60 양호
0.75 양호
0.80 금형살 형성 불량 나타남
상기와 같이 수평냉각부(232)는, 수직단면의 원의 중심사이의 거리(H)와 큰 원의 지름(R1)에 대한 비율(H/R1)에 있어서, H/R1이 0.6 미만인 경우 원형의 단면에 가까워지므로 하중 설계의 의미가 없으며 금속분말의 응고 불량이 나타났고, H/R1이 0.75를 초과하는 경우 3D 프린팅 소재와 작업 과정의 허용 분포하중을 초과하여 하측의 금형살 부분 형성에 불량이 발생하였으므로 상기의 비율을 가지는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 5d와 같이 일정한 열을 가할 수 있는 챔버(7)에 상기 베이스 부재(110)와 등냉각 부재(120)를 포함하는 인서트 몸체(100)를 위치시킨 후 소정의 시간동안 열처리할 수 있다. 예를 들어, 490℃ 6시간 열처리 후 등냉각부재(120)의 Rockwell 경도는 50 내지 57HRC일 수 있다.
이후, 상기 등냉각 인서트 금형의 제조방법은, 상기 열처리 후 도 5e와 같이 정삭가공(9)을 하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 유입로(210)와 유출로(220)의 직경이 상기 등냉각로(230)의 직경과 대응하도록 도 5f와 같이 2차 가공할 수 있다. 상기 2차 가공을 하는 것은 상기 냉각유로(200)의 유입로(210)와 유출로(220)의 직경을 상기 등냉각로(230)의 직경보다 크게 형성하는 것일 수 있다. 예로써 상기 2차 가공은 건드릴 가공(1)을 이용하여 수행될 수 있다.
베이스 부재(110)와 등냉각 부재(120)는 서로 다른 소재로 형성됨으로써 서로 다른 열변형율을 가진다. 따라서 열처리 후 베이스 부재(110)의 유입로(210)와 유출로(220) 및 등냉각 부재(120)의 등냉각로(230)는 서로 다른 열변형율로 인해 단면의 공차가 발생할 수 있으므로, 2차 가공을 통하여 유입로(210)와 등냉각로(230), 유출로(220)와 등냉각로(230)가 연결된 영역을 재가공하는 것이 바람직하다. 나아가서, 냉각유체의 유량을 고려하여 상기 냉각유로(200)의 유입로(210)와 유출로(220)의 직경을 상기 등냉각로(230)의 직경보다 크게 형성할 수 있다.
나아가서, 상기 2차 가공을 하는 것은, 상기 인서트 몸체(100)에 고정금형 또는 가동금형과 결합구로 결합되는 금형체결 홀(112)을 형성하거나, 상기 밀핀이동 홀(114) 또는 온도측정용 홀(116)을 상기 등냉각 부재(120)의 내부까지 연장 형성하는 것을 더욱 포함하는 것일 수 있다.
도 6은 종래의 인서트 금형과 주조품의 온도분포를 나타낸 온도분포도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형과 주조품의 온도분포를 나타낸 온도분포도이며, 하기의 표 2는 도 6의 각 지점의 온도를 측정한 결과이고, 표 3은 도 7의 도 6과 동일한 지점의 온도를 측정한 결과이다.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
322 291 323 474 466 472 525 507 524
1 2 3 4 5 6 7 8 9
270 182 273 315 206 317 365 356 367
상기의 표 2 및 표 3과 도 6 및 도 7을 비교하여 알 수 있듯이, 상부금형(20)과 인서트금형(10) 및 하부금형(30) 사이에 주조된 주조품(40)은 종래의 인서트 금형(10')보다 본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형(10)에서의 온도분포가 더 균일한 것으로 나타났으며, 국부적인 냉각이 방지되고 균질한 냉각성능이 더 향상된 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 등냉각 인서트 금형 및 그 제조방법은 인서트 금형에 스파이럴 형태의 등냉각 구조를 적용하여 냉각성능을 향상시킴으로써, 냉각온도 균질화로 주조품의 결함 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 3D 프린팅을 이용하여 복잡한 형태의 냉각유로를 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10; 등냉각 인서트 금형
20; 상부금형
30; 하부금형
40; 주조품
100; 인서트 몸체
110; 베이스 부재
120; 등냉각 부재
200; 냉각유로
210; 유입로
220; 유출로
230; 등냉각로

Claims (11)

  1. 고정금형 또는 가동금형에 결합되는 베이스부재와, 상기 베이스부재의 일측에 연장되어 형성되는 등냉각 부재를 포함하는 인서트 몸체; 및
    상기 인서트 몸체의 중심축과 평행한 방향으로 베이스부재를 관통하는 유입로와, 상기 유입로와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로와, 상기 등냉각 부재 내부에 지그재그형으로 형성되되 상기 유입로와 유출로의 일단부 사이를 연결하는 등냉각로를 포함하는 냉각유로;를 포함하고,
    상기 등냉각로는 상기 인서트 몸체의 외주면 또는 내주면의 곡면에 대응하여 곡률을 가지는 수평냉각부와, 수평냉각부 사이를 수직으로 연결하는 수직냉각부를 포함하는 ㄹ형으로 형성하고,
    상기 등냉각로의 수평냉각부는 가로 직경보다 세로 직경이 더 큰 수직단면을 구비하되, 상기 수직단면은 중심으로부터 하향으로 폭이 좁아지는 형태인 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인서트 몸체는, 상기 유입로 또는 유출로와 평행하여 형성되되,
    고정금형 또는 가동금형과 결합되는 금형체결 홀과, 밀핀이 관통하며 이동하는 밀핀이동 홀과, 온도센서가 장착되는 온도측정용 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각유로는 상기 인서트 몸체의 중심축을 기준으로 하여 등각으로 분할되는 형태로 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형.
  6. 베이스 부재를 형성하되, 베이스 부재의 중심축과 평행한 방향으로 냉각유로의 유입로와 상기 유입로와 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 유출로를 형성하는 1차 가공으로 베이스 부재를 형성하는 단계;
    상기 베이스 부재의 일측으로부터 연장되도록 3D 프린팅을 이용하여 등냉각 부재를 형성하되, 지그재그형으로 형성되는 등냉각로가 상기 유입로와 유출로의 일단부 사이를 연결하며 형성하는 단계;
    상기 베이스 부재와 등냉각 부재를 포함하는 인서트 몸체를 열처리하는 단계; 및
    상기 유입로와 유출로의 직경이 상기 등냉각로의 직경과 대응하도록 2차 가공하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1차 가공을 하는 것은, 밀핀이 관통하며 이동하는 밀핀이동 홀과, 온도센서가 장착되는 온도측정용 홀을 상기 유입로 또는 유출로와 평행하도록 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차 가공을 하는 것은, 상기 인서트 몸체에 고정금형 또는 가동금형과 결합되는 금형체결 홀을 형성하거나, 상기 밀핀이동 홀 또는 온도측정용 홀을 상기 등냉각 부재의 내부까지 연장 형성하는 것을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 등냉각 부재를 형성하는 것은, 상기 인서트 몸체의 외주면 또는 내주면의 곡면에 대응하여 곡률을 가지는 수평냉각부와, 수평냉각부 사이를 수직으로 연결하는 수직냉각부를 포함하는 ㄹ형으로 등냉각로를 형성하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 등냉각 부재를 형성하는 것은, 가로 직경보다 세로 직경이 더 큰 수직단면을 구비하도록 상기 수평냉각부를 형성하되, 상기 수직단면은 중심으로부터 하향으로 폭이 좁아지는 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형의 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 2차 가공을 하는 것은, 상기 냉각유로의 유입로와 유출로의 직경을 상기 등냉각로의 직경보다 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 등냉각 인서트 금형의 제조방법.

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