KR20000032020A

KR20000032020A - 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 이용한 디젤엔진 피스톤 제조방법

Info

Publication number: KR20000032020A
Application number: KR1019980048339A
Authority: KR
Inventors: 김성철
Original assignee: 정몽규; 현대자동차 주식회사
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2000-06-05
Also published as: KR100285268B1

Abstract

본 발명은 톱 링 그루브 부분의 보강재가 들어있는 금형(mold)에 용융된 피스톤 금속을 채운 후 가압하에서 응고시키는 스퀴즈 주조법으로 제조한 복합재료 디젤기관의 피스톤 제조방법에 관한 것으로서, 특히 이동측 금형과 고정측 금형 사이의 캐비티의 피스톤 크라운부에 해당하는 위치에 톱 링 그루브의 보강재 프리폼을 안착시키고 이동측 금형과 고정측 금형을 형합한 후 피스톤 용탕을 가압 플런저를 통해 캐비티로 주입 및 가압하는 하는 특징이 있으며, 이러한 본 발명에 의하면 수평식 스퀴즈 주조장치를 이용하여 톱 링 그루브 보강을 위한 복합재료 디젤엔진 피스톤을 제조함으로써 제조원가를 절감할 수 있도록 함은 물론 피스톤의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한다.

Description

수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 이용한 디젤엔진 피스톤 제조방법(method for manufacturing diesel engine piston using horizontal squeeze casting machine)

본 발명은 톱 링 그루브(top ring groove) 부분의 보강재가 들어있는 금형(mold)에 용융된 피스톤 금속을 채운 후 가압하에서 응고시키는 스퀴즈(squeeze) 주조법으로 제조한 복합재료 디젤기관의 피스톤 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수평식 스퀴즈 주조장치를 이용하여 복합재료 피스톤의 제조원가를 절감할 수 있도록 함은 물론 피스톤의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 피스톤 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관의 피스톤은 대게 알루미늄 합금과 같은 경금속으로 제조되어 피스톤의 질량 및 관성을 경감시키는 장점이 있지만, 특히 고압축비가 요구되는 디젤기관에서는 연소실과 근접하는 크라운 부위의 첫 번째 피스톤링 즉 톱 링이 고온과 고압에 노출되므로, 이에 끼워지는 톱 링 그루브의 마멸이 많아 톱 링이 진동하게 된다.

이와 같이 피스톤의 톱 링 그루브상에서 톱 링이 진동하는 현상을 방지하기 위하여 톱 링 그루브 위치에 그 톱 링 그루브 역할을 하는 니켈 보강(Ni-resist) 주철재를 삽입 보강한 피스톤이 사용되고 있다.

그러나, 피스톤의 재질인 알루미늄 합금에 톱 링 그루브 역할을 하는 니켈 보강 주철재를 끼워 넣는 매우 복잡하며, 고가의 니켈 보강 주철재를 사용함에 따라 제조원가를 상승시키게 되는 문제점이 있다.

이에, 일본 토요타(TOYOTA) 등의 자동차 회사들은 디젤기관 피스톤의 톱 링 그루브를 FRM(Fiber Reinforced Material; 복합재료)으로 보강한 피스톤을 양산하고 있는데, 이 FRM은 세라믹 단섬유 약 10%의 조성에 나머지 약 90%는 알루미늄 합금 재질이다.

이러한 FRM 디젤기관 피스톤은 스퀴즈 캐스팅 장치에 의해 제조된다. 우선 세라믹 단섬유로 톱 링 그루브 주위를 감싸는 형태의 프리폼(prefrom)을 제작하는데, 이때 프리폼은 세라믹 보강재 약 10%, 기공 90%로 이루어진 구조이다. 이 프리폼을 금형에 위치시킨 후 고압의 알루미늄 용탕을 주입시키면 피스톤이 성형되면서 프리폼에 의해 톱 링 그루브는 약 10%의 세라믹 보강재로 이루어진 구조가 된다.

기존 스퀴즈 캐스팅 장치는 주조금형이 수직으로 이동하는 수직형과 주조금형이 수평으로 이동하는 수평형이 있는 바, 수직식 스퀴즈 캐스팅 장치로서는 일본국 UBE사의 스퀴즈 캐스팅 장치가 알려져 있고, 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치로서는 한국과학기술연구원에서 개발된 특허공보 제95-4229호의 스퀴즈 캐스팅 장치가 알려져 있다.

우선, 일본국 UBE사의 수직식 스퀴즈 캐스팅 장치는 고정측 금형의 상부에 이동측 금형이 상하 이동 가능하게 위치되어 있고 그 고정측 금형의 저면부에 형성된 탕구를 통해 가압 플런저로 피스톤 용탕을 주입하는 구조로 이루어져 있어, 반응고상 등의 불순물이 적은 상태에서 이동측 금형과 고정측 금형 간에 형성된 캐비티로 바로 압력전달이 가능하므로 복합재료 피스톤을 제조하기에는 적절한 구조이다. 그러나, 이러한 수직식 스퀴즈 캐스팅 장치는 구조가 복잡하여 장비를 구비하거나 제작하는 데 많은 비용이 요구되므로 피스톤의 제조원가를 상승시키게 되는 문제점이 있다.

한편, 위에서 제시한 한국과학기술연구원에서 개발된 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치는 금형공간내 용탕에 대한 국부가압의 수단으로 별도의 복잡한 구성의 복잡한 구성의 부가를 수반하는 가압 플런저 장치를 사용하지 않고, 기존 다이캐스팅 장치의 압력핀 장치를 이용하여 국부가압과 주조 제품추출이라는 두가지의 기능을 수행하도록 함으로써 장치자체의 간소화에 따른 금형 제조비용 등의 절감효과가 있음은 물론 금형공간내의 다수곳에 대한 국부가압을 필요로 하는 복잡한 형상의 주조제품 제조시에는 국부가압을 요하는 부위의 수에 대응되게 압출핀의 수를 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있으나, 구조상 위에서 전술한 수직식 스퀴즈 캐스팅 장치에 비하여 복합재료의 디젤 피스톤의 제작이 불리한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 제1 목적은 수평식 스퀴즈 주조장치를 이용하여 톱 링 그루브 보강을 위한 복합재료 디젤엔진 피스톤을 제조함으로써 제조원가를 절감할 수 있도록 하는 디젤엔진 피스톤 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은 피스톤의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 디젤엔진 피스톤 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 이용하여 제조하기 위한 디젤엔진 피스톤의 정면도

도 2는 도 1에 도시된 디젤엔진 피스톤의 톱 링 그루브 보강용 프리폼을 보인 사시도

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진 피스톤 제조용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 보인 단면도

도 4는 도 3에 도시된 디젤엔진 피스톤 제조용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치의 금형부분을 발췌 확대한 단면도

도 5는 도 4의 A-A선 단면도

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤엔진 피스톤 제조용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치의 금형부분을 발췌 확대한 단면도

도 7은 도 6의 B-B선 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

7 : 가압 플런저 14 : 고정측 금형

15 : 사출 슬리브 17 : 캐비티

18 : 탕구 20 : 이동측 금형

31 : 상측 코어 33 : 하측 코어

35 : 전방 코어 37 : 후방 코어

50 : 디젤엔진 피스톤 51 : 핀 보스부

52 : 톱 링 그루브 55 : 프리폼

상기와 같은 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가압 플런저의 사출 슬리브내 이동에 의해 탕구를 거쳐 수평 이동측 금형과 고정측 금형 사이로 용탕이 충진되도록 구성된 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 이용하여 톱 링 그루브 보강을 위한 복합재료 디젤엔진 피스톤을 제조하는 방법에 있어서, 상기 이동측 금형과 고정측 금형 사이의 캐비티의 디젤 피스톤 크라운부에 해당하는 위치에 상기 톱 링 그루브의 보강재 프리폼을 안착시키고, 상기 이동측 금형과 고정측 금형을 형합한 후 디젤 피스톤 용탕을 상기 가압 플런저를 통해 상기 캐비티로 주입 및 가압하는 하는 디젤엔진 피스톤 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은 프리폼이 A₂lO₃26 ~ 34 %, SiO₂46 ~ 54 %, ZrO₂16 ~ 24 %로 이루어지는 세라믹 보강재 약 10 %와, 기공 약 90 %로 구성되는 디젤엔진 피스톤 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진 피스톤용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 보인 것이다. 이는 도 1에 도시되는 바와 같은 복합재료 디젤엔진 피스톤(50)을 제조하기 위한 것으로, 기존의 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치와 같은 기본 구조를 갖는다.

즉, 기초볼트를 이용하여 바닥면 등에 고정 설치되는 고정대(1) 상에 사출 실린더 지지대(2)와 고정측 금형 지지체(3) 및 토글 지지체(4)가 고정 설치되고, 토글 지지체(4)와 고정측 금형(14)측 금형 지지체의 사이에 수평의 타이바(5)가 상하로 연결 설치되며, 이동측 금형 지지체(6)가 상하 타이바(5)에 안내되어 수평 이동이 가동하게 설치된다.

또한, 사출 실린더 지지체(2)상에는 선단부에 가압 플런저(7)가 결합된 사출 피스톤(8)의 구동을 위한 사출 실린더(9)가 설치되며, 이 사출 실린더(9)는 구동속도 제어장치로서 저속 사출속도 조절 손잡이(10)와 저속 사출속도 조절밸브(11), 고속 사출속도 조절손잡이(12) 및 고속 사출속도 조절밸브(13)가 구비된다.

고정측 금형 지지체(3)의 일측면상에는 고정측 금형(14)이 고정되고, 고정측 금형 지지체(3)와 고정측 금형(14)을 수평으로 관통하는 사출 슬리브(15)가 수평으로 설치되어 그 일측내부로 가압 플런저(7)가 이동 가능하게 삽입되는 한편, 사출 슬리브(15)의 일단부에는 용탕주입기(도면 미도시)를 사용하여 피스톤(50)의 알루미늄 합금 등의 용탕을 캐비티(17)내로 주입하기 위한 탕구(18)가 연결된다.

그리고, 이동측 금형 지지체(6)에는 상하 두 개의 금형 지지대(19)를 사이에 두고 이동측 금형(20)이 고정되며, 상하 금형지지대(19) 사이의 공간부에는 이동측 금형(20)을 관통하여 그 선단부가 캐비티(17) 측으로 연장된 압출핀(21)의 지지를 위한 압출판(22)이 이동 가능하게 설치된다.

한편, 압출판(22)은 그 배면에 이동측 금형 지지체(6)를 수평으로 관통하는 압출봉(23)의 일측단부와 연결되고, 이 압출봉(23)의 타단부는 압출 피스톤(24)이 구비된 압출 실린더(25)상에 고정된 구성을 갖는다.

이동금형 지지체(6)는 토글 지지체(4) 상에 설치된 토글 실린더(26)의 구동에 의한 토글 피스톤(27)의 좌우 이동에 따라 수평 이동이 가능하도록 토글 피스톤(27)과의 사이에 토글 브래킷(28), 제1 토글링크(29), 제2 토글링크(30) 및 제3 토글링크(31)로 연결되어 유압신호에 의한 토글 실린더(26)의 구동에 의해 이와 연동하는 이동측 금형 지지체(6)의 수평 이동 결과 이동측 금형(20)과 말착 또는 분리되도록 구성된다.

이동측 금형(20)과 고정측 금형(14) 사이에 형성된 캐비티(17)는 도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이 크라운부가 하부로 위치되는 디젤 피스톤(50)의 측면 및 핀 보스부(51)를 형성하도록 원통형으로 형성되고, 하단부에는 톱 링 그루브(52)의 보강을 위한 프리폼(55)이 안착된다.

또한, 탕구(18)는 디젤 피스톤(50)의 핀 보스부(51)를 향하도록 연통되고, 캐비티(17)의 상단부에는 디젤 피스톤(50)의 하단부를 형성하기 위한 상부 슬라이드 코어(31)가 배치되며, 캐비티(17)의 하단부에는 디젤 피스톤(50)의 크라운부를 형성하기 위한 하부 슬라이드 코어(33)가 배치된다. 이때, 상부 슬라이드 코어(31) 및 하부 슬라이드 코어(33)는 각각의 코어 실린더(32)(34)에 의해 이동된다.

그리고, 도 2에 도시된 프리폼(55)은 세라믹 보강재 약 10 %와 기공 약 90 %로 이루어지며, 세라믹 보강재는 HTZ(High Temperature Zirconia) 보강재 중 화학성분 A₂lO₃26 ~ 34 %, SiO₂46 ~ 54 %, ZrO₂16 ~ 24 %로 이루어진다. 즉, HTZ 보강재는 아래의 표 1에서와 같이 니켈 보강 주철재와 동등하거나 양호한 물성을 가지고 있다.

	HTZ 보강재	니켈 보강 주철재
인장강도(MPa)	250 ~ 290	172
경도(HB)	120 ~ 140	131 ~ 183
내마모(mm3)	0.021	0.023

이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진 피스톤용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 이용하여 디젤 피스톤의 제조과정을 살펴보면 다음과 같다.

우선, A₂lO₃26 ~ 34 %, SiO₂46 ~ 54 %, ZrO₂16 ~ 24 %를 이용하여 디젤엔진 피스톤(50)의 톱 링 그루브(52)에 위치되는 프리폼(55)을 제조하고, 그 제조된 프리폼(55)을 형개된 이동측 금형(20)과 고정측 금형의 캐비티(17)에 위치시킨 후, 코어 실린더(32)(34)를 통해 상부 슬라이드 코어(31) 및 하부 슬라이드 코어(33)를 캐비티(17)의 상하단부에 위치시킨다. 다음, 토글 실린더(26)를 구동시켜 토글 피스톤(27)이 우측방향으로 이동하도록 함으로써 이동측 금형(20)이 고정측 금형(14)에 밀착된 상태 즉 형합된 상태가 유지되도록 하는 한편, 가압 플런저(7)의 선단부가 사출 슬리브(15)의 용탕 공급구(16) 우측에 위치하도록 한 다음에 용탕주입기를 이용하여 용탕공급구(16)를 통해 사출 슬리브(15)내로 피스톤 용탕을 주입하게 된다.

이렇게 하여 사출 슬리브(15)내에 용탕주입이 완료되면 사출 실린더(9)를 가동시켜 가압 플런저(7)가 사출 슬리브(15)내에서 전진이동을 수행하도록 하게 되는데, 이때 용탕의 탕구(18)통과 이전까지의 초기에는 저속 사출속도 조절손잡이(10)와 저속 사출속도 조절밸브(11)를 조작하여 가압 플런저(7)가 저속으로 이동하도록 한다.

다음, 가압 플런저(7)의 계속적인 전진에 의해 사출 슬리브(15)내 용탕이 탕구(18)를 통과하여 캐비티(17)내부로 향하게 되는 시점에서는 고속 사출속도 조절손잡이(12)와 고속 사출속도 조절밸브(13)를 조작하여 가압 플런저(7)가 빠른 속도로 이동하도록 하여 캐비티(17)내부로 신속하게 용탕이 채워지도록 한다. 이때의 용탕은 프리폼(55)과 접촉하게 되고, 사출압력은 30 ~ 120초 동안 계속해서 유지하면서 응고를 기다린다.

이렇게 하여 용탕이 프리폼(55)과 일체로 응고되면 다시 이동측 금형(20)을 고정측 금형(14)에서 분리함과 동시에 상부 슬라이드 코어(31) 및 하부 슬라이드 코어(33)를 분리한 다음, 압출 실린더(25)의 압출봉(21) 및 압출판(22)을 이용하여 응고된 디젤 피스톤(50)을 탈거하게 된다.

따라서, 본 발명은 비교적 단순한 구조의 스퀴즈 캐스팅 장치를 이용하여 프리폼(55)이 일체화된 복합재료의 응고된 디젤 피스톤(50)을 얻을 수 있게 된다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤엔진 피스톤용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치의 금형부분을 보인 것으로서, 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14) 사이에 형성된 캐비티(17)는 크라운부가 하부로 위치되는 디젤 피스톤(50)의 측면를 형성하도록 원통형으로 형성되고, 캐비티(17)의 상단부에 피스톤(50)의 하단부를 형성하기 위한 상부 슬라이드 코어(31)가 배치되며, 캐비티(17)의 하단부에 피스톤(50)의 크라운부를 형성하기 위한 하부 슬라이드 코어(33)가 코어 실린더(32)(34)에 의해 이동 가능하게 배치되며, 캐비티(17)의 전후부에 디젤 피스톤(50)의 핀 보스부(51)를 형성하기 위한 전방 슬라이드 코어(35) 및 후방 슬리브 코어(37)가 코어 실린더(36)(38)에 의해 이동 가능하게 배치되며, 탕구(18)가 디젤 피스톤(50)의 스커트 하단방향으로 향하도록 연통되는 구조를 가지며, 그 외의 구성은 일실시예와 동일하다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤엔진 피스톤(50)용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치는 핀 보스부(51)를 형성하기 위한 전방 슬라이드 코어(53) 및 후방 슬라이드 코어(37)를 제외하고는 일실시예와 유사하나, 일실시예에 비하여 주조결함이 적은 제품을 제조하기 위한 주조조건을 비교적 쉽게 찾을 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 복잡한 구조의 수직식 스퀴즈 주조장치를 이용하지 않고 수평식 스퀴즈 주조장치를 이용하여 톱 링 그루브 보강을 위한 복합재료 디젤엔진 피스톤을 제조함으로써, 장비구입 및 장비제작시 요구되는 비용을 절감할 수 있게 되어 결과적으로 디젤 피스톤의 제조원가를 절감할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 니켈 보강 주철재보다 저가의 HTZ 세라믹 보강재를 이용함으로써 피스톤의 제조원가를 추가적으로 절감할 수 있게 됨은 물론 피스톤의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims

가압 플런저(7)의 사출 슬리브(15)내 이동에 의해 탕구(18)를 거쳐 수평 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14) 사이로 용탕이 충진되도록 구성된 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치를 이용하여 톱 링 그루브(52) 보강을 위한 복합재료 디젤엔진 피스톤을 제조하는 방법에 있어서,

상기 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14) 사이의 캐비티(17)의 디젤 피스톤(50) 크라운부에 해당하는 위치에 상기 톱 링 그루브(52)의 보강재 프리폼(55)을 안착시키고, 상기 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14)을 형합한 후 디젤 피스톤(50) 용탕을 상기 가압 플런저(7)를 통해 상기 캐비티(17)로 주입 및 가압하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 피스톤 제조방법.
제1 항에 있어서, 상기 프리폼(55)은 A₂lO₃26 ~ 34 %, SiO₂46 ~ 54 %, ZrO₂16 ~ 24 %로 이루어지는 세라믹 보강재 약 10 %와, 기공 약 90 %로 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 피스톤 제조방법.
수평 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14)의 캐비티(17)에 톱 링 그루브(52) 보강을 위한 프리폼(55)을 안착시킨 상태에서 가압 플런저(7)의 사출 슬리브(15)내 이동으로 디젤 피스톤(50) 용탕이 상기 캐비티(17)내로 주입 및 가압되도록 구성된 디젤엔진 피스톤 제조용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치에 있어서,

상기 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14) 사이에 피스톤(50)의 측면 및 핀 보스부(51)를 형성하면서 톱 링 그루브(52)의 보강 프리폼(55)이 안착되기 위한 원통형의 캐비티(17)가 형성되고, 상기 캐비티(17)의 상단부에 상기 피스톤(50)의 하단부를 형성하기 위한 상부 슬라이드 코어(31)가 배치되며, 상기 캐비티(17)의 하단부에 상기 피스톤(50)의 크라운부를 형성하기 위한 하부 슬라이드 코어(33)가 배치되며, 상기 탕구(18)가 상기 피스톤(50)의 핀 보스부(51)를 향하도록 연통된 것을 특징으로 하는 피스톤 제조용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치.
수평 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14)의 캐비티(17)에 톱 링 그루브(52) 보강을 위한 프리폼(55)을 안착시킨 상태에서 가압 플런저(7)의 사출 슬리브(15)내 이동으로 디젤 피스톤(50) 용탕이 상기 캐비티(17)내로 주입 및 가압되도록 구성된 디젤엔진 피스톤 제조용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치에 있어서,

상기 이동측 금형(20)과 고정측 금형(14) 사이에 피스톤(50)의 측면을 형성하면서 톱 링 그루브(52)의 보강 프리폼(55)이 안착되기 위한 원통형의 캐비티(17)가 형성되고, 상기 캐비티(17)의 상단부에 상기 피스톤(50)의 하단부를 형성하기 위한 상부 슬라이드 코어(31)가 배치되며, 상기 캐비티(17)의 하단부에 상기 피스톤(50)의 크라운부를 형성하기 위한 하부 슬라이드 코어(33)가 배치되며, 상기 캐비티(17)의 전후방에 상기 피스톤(50)의 핀 보스부(51)를 형성하기 위한 전방 슬라이드 코어(35) 및 후방 슬라이드 코어(37)가 배치되며, 상기 탕구(18)가 상기 피스톤(50)의 스커트 하단방향으로 향하도록 연통된 것을 특징으로 하는 피스톤 제조용 수평식 스퀴즈 캐스팅 장치.