KR20030085413A - 차량용 휠 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 휠 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 차량용 휠을 제작하는 주조방법을 개선하여 고속회전을 통한 반원심주조를 이용함으로써 제품의 지향성 응고를 유도하여 높은 강도를 나타내는 일정직경 이상의 제품을 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 차량용 휠 형상으로 성형되어 상하 분리 가능한 금형내에 용탕을 주입하는 주입단계(100)와, 상기 주입단계 후, 상기 금형을 냉각시켜주는 성형단계(200)와, 상기 성형단계(200) 후, 성형물을 금형으로부터 분리시키는 착탈단계(300)로 이루어진 휠 제조방법에 있어서, 상기 성형단계(200)는 모터를 통하여 약 100∼1500rpm의 속도로 상기 금형을 회전시켜주는 것으로 구성되어, 고속회전을 통한 반원심주조방법으로 일정 직경이상의 차량용 휠을 제작 가능할 뿐 아니라, 지향성 응고를 이룰 수 있어 높은 강도이면서도 경량의 제품을 대량 생산할 수 있으며, 합금설계 및 주입온도의 관리가 용이하고, 열처리에 따른 변형을 방지할 수 있어 제품의 생산성 및 상품성을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

Description

차량용 휠 제조방법 {Manufacturing method for wheel of vehicles}

본 발명은 차량용 휠 제조방법에 관한 것으로서 특히, 차량용 휠을 제작하는 주조방법을 개선하여 고속회전을 통한 반원심주조를 이용함으로써 제품의 지향성 응고를 유도하여 높은 강도를 나타내는 일정직경 이상의 제품을 생산하기 위한 방법으로써, 고속회전을 통한 반원심주조방법으로 일정 직경이상의 차량용 휠을 제작 가능할 뿐 아니라, 지향성 응고를 이룰 수 있어 높은 강도이면서도 경량의 제품을 대량 생산할 수 있으며, 합금설계 및 주입온도의 관리가 용이하고, 열처리에 따른 변형을 방지할 수 있어 제품의 생산성 및 상품성을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 최근 산업사회에서의 많은 공산품들은 그 개발속도가 매우 빠르며 라이프사이클은 점차적으로 줄어드는 경향이 있다. 이에 따라 다품종 소량생산이 요구되고 있으며, 이러한 경우 경제성과 생산성이 가장 중요한 과제로 대두되고 있다.

즉, 고품질이면서도 다양한 종류의 제품을 경제적으로 생산할 수 있는 생산기술의 개발이 요구되고 있는 것이다.

지금까지 자동차부품들은 경량이면서도 고강도를 유지할 수 있도록, 알루미늄합금 등과 같은 다양한 재질의 부품들이 적용되었으며, 이러한 자동차용 부품들은 저압주조, 고압주조, 단조, 진공주조 및 다이캐스팅 등과 같은 다양한 제조방법을 기본으로 적용하고 있는 실정이다.

이와 같이 다양한 제조방법이 선택적으로 적용되고 있는 이유로는, 첫째, 품질, 비용, 생산성, 규격 등에 따른 장단점의 차별이 명확하며, 둘째, 수요자의 제품에 대한 디자인의 다양한 연출이 꾸준히 요구되고 있기 때문이다.

상기와 같이 다양한 방법으로 제조되는 자동차용 부품 가운데, 차량용 휠은 저압주조법에 의하여 제작되고 있는 실정이며, 이러한 종래의 차량용 휠 제조방법은, 차량용 휠 형상으로 성형된 금형내에 용탕을 주입하는 주입단계와, 상기 주입단계 후, 상기 금형을 냉각시켜주는 성형단계와, 상기 성형단계 후, 성형물을 금형으로부터 분리시키는 착탈단계로 이루어진다.

그러나, 종래의 차량용 휠 제조방법은 형상이 복잡 다양하고 두께가 부위별로 상이한 알루미늄 주조 성형물인 경우 강제압입식의 기존 기술로는 지향성 응고가 어려울 뿐 아니라, 기공 등의 결함이 많이 잔존하게되어 직행률이 낮으며, 성형물에 대한 크기의 제한, 라이프사이클이 짧은 시장의 수요에 탄력적으로 대응하지 못한다는 제약이 있었다.

즉, 방향성 응고를 유도하기 어렵고, 용금의 유동성 때문에 합금의 사용이제한적이며, 장치비용이 고가일 뿐 아니라, 용탕의 주입온도가 용융점 이상이어야 하기 때문에 금형이 쉽게 침식되며, 성형물의 크기가 클수록 열처리변형이 심하게 발생하게 된다는 기술상의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 고속회전을 통한 반원심주조방법으로 일정 직경이상의 대형 차량용 휠일수록 내구성과 품질의 증대효과가 클 뿐 아니라, 지향성 응고를 이룰 수 있어 높은 강도이면서도 경량의 제품을 대량 생산할 수 있으며, 합금설계 및 주입온도의 관리가 용이하고, 열처리에 따른 변형을 방지할 수 있어 제품의 생산성 및 상품성을 향상시킬 수 있도록 하는 차량용 휠 제조방법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 차량용 휠 형상으로 성형되어 상하 분리 가능한 금형내에 용탕을 주입하는 주입단계와, 상기 주입단계 후, 상기 금형을 냉각시켜주는 성형단계와, 상기 성형단계 후, 성형물을 금형으로부터 분리시키는 착탈단계로 이루어진 휠 제조방법에 있어서, 상기 성형단계는 모터를 통하여 약 100∼1500rpm의 속도로 상기 금형을 회전시켜주는 것으로써 달성된다.

도 1은 본 발명의 차량용 휠 제조방법을 도시하는 흐름도,

도 2는 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물을 도시하는 도,

도 3a는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 조직을

도시하는 도,

도 3b는 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 조직을

도시하는 도,

도 4는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의

차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 응력-변형률 선도,

도 5는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의 차량용

휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 충격시험 결과를

도시하는 도,

도 6a는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의 차량용

휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 마모계수를 도시하는 도,

도 6b는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의 차량용

휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 마모량을 도시하는 도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 주입단계200 : 성형단계

300 : 착탈단계

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 차량용 휠 제조방법을 도시하는 흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 차량용 휠 제조방법은, 차량용 휠 형상으로 성형되어 상하 분리 가능한 금형내에 용탕을 주입하는 주입단계(100)와, 상기 주입단계 후, 상기 금형을 냉각시켜주는 성형단계(200)와, 상기 성형단계(200) 후, 성형물을 금형으로부터 분리시키는 착탈단계(300)로 이루어진 휠 제조방법에 있어서, 상기 성형단계(200)는 모터를 통하여 약 100∼1500rpm의 속도로 상기 금형을 회전시켜주는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

이때, 상기 주입단계(100)는 반용융상태의 용탕을 금형내에 주입 가능하도록 할 수 있으며, 상기 성형단계(200)에서 금형의 냉각은 공랭식 또는 수랭식으로 이루어지도록 할 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 차량용 휠 제조방법은, 크게 주입단계(100), 성형단계(200), 착탈단계(300)로 이루어지며, 우선 상기 주입단계(100)는 차량용 휠 형상으로 제작된 상하 분리 가능한 금형에 알루미늄 합금 등의 성형물 재료를 용융시켜 그 용탕을 주입시키는 단계이며, 상기 성형단계(200)는 상기 주입단계(100) 후, 상기 금형을 100∼1500rpm으로 회전시켜주는 동시에 상기 금형을 냉각시키는 단계이다.

이때, 상기 성형단계(200)에서 상기와 같이 금형을 회전시킬 때에는, 성형물의 크기, 용융된 재료의 점도, 금형의 구조 등에 의하여 회전속도를 적절하게 변화시키게 되며, 일반적으로 성형물의 크기가 크고, 용융된 재료의 점도가 높으며, 금형의 구조가 복잡할수록 금형의 회전속도를 빠르게 하며, 반대로 성형물의 크기가작고, 용융된 재료의 점도가 낮으며, 금형의 구조가 간단할수록 금형의 회전속도를 느리게 하여 성형할 수 있다.

상기 성형단계(200) 이후, 상기 착탈단계(300)에서는 플로팅 사이드몰드(Floating mold) 추출장치 등의 부가장치를 통하여 금형으로부터 원심주조한 성형물을 용이하게 착탈시킬 수도 있다.

또한, 상기 주입단계(100)에서 성형물의 재료를 용융시킨 용탕의 상태는 종래에는 반드시 완전 용융상태를 유지하는 용탕을 주입하였으나, 본 발명에서는 회전력에 의하여 가압효과가 발생하기 때문에, 용탕의 상태가 용융상태는 물론 반용융상태라 하더라도 양호한 품질의 성형물을 제조할 수 있는 것이다.

예를 들어, 알루미늄 합금의 경우 반용융상태인 500℃의 용탕으로부터 완전 용융상태인 700℃까지의 용탕에 이르기까지 넓은 온도범위에 해당하는 용탕을 주입하여도 양호한 품질의 성형물 제조가 가능하다.

이때, 상기 금형은 플로팅 사이드몰드를 적용시켜 상하로 금형을 분리시킨 후, 사이드금형을 착탈할 수도 있으며, 금형의 온도는 150∼450℃ 범위를 유지하게 된다.

또한, 상기 성형단계(200)에서의 금형 냉각방식은 공랭식 또는 수랭식을 작업자의 선택에 따라 선별적으로 적용 가능하여, 성형물의 크기 및 재료에 따라 냉각방식을 선택적으로 적용시킬 수도 있다.

상기와 같은 본 발명의 차량용 휠 제조방법과 종래의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물을 비교하여 설명하면 아래와 같다.

도 2는 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물을 도시하는 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 우선, 종래의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물은 제품의 두께가 얇고 굴곡이 심하기 때문에 높은 금형온도와 용탕온도에도 불구하고 양호한 성형물의 제조가 어려울 뿐 아니라, 금형에 충진되는 동안 성형물의 상부에서는 응고 수축이 발생하게되어 에어갭이 형성되지만, 본 발명의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물은 회전력에 의한 강한 압력에 의하여 금형 내부로의 충진성이 향상되어 에어갭의 형성이 없으며 성형물의 성형성도 매우 우수하다.

또한, 도 3a는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 조직을 도시하는 도이며, 도 3b는 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 조직을 도시하는 도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물의 조직을 살펴보면, 알루미늄합금(Al-Si-Mg)인 경우 전형적인 주조에 의하여 성형된 조직을 나타내며 α상과 함께 불규칙한 공정이 혼재하고 있는 것을 볼 수 있으며, 그 형태가 조대하게 성장해 있으며 그 크기는 약 50㎛의 크기 분포를 나타내게 되며, 이러한 이유를 살펴보면, 금형의 하부에서는 용탕과 금형과의 접촉이 좋지만 상부에서는 응고수축에 의하여 공극이 형성되면서 열전달에 의한 냉각효과가 현저히 감소하기 때문이다.

이와 반대로 본 발명의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물의 조직을 살펴보면, 평균입자가 30㎛의 크기 분포로 상대적으로 조밀하면서도 균일한 분포를 나타내고 있으며, 이러한 이유는 원심력에 의하여 용탕이 금형의 내벽에 밀착하게 되면서 열전달에 의한 냉각효과가 원활하게 이루어진 결과이다.

이와 더불어, 도 4는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 응력-변형률 선도로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조한 성형물과 본 발명의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조한 성형물의 인장강도는 각각 19kg/mm²와 21kg/mm²로 나타났으며, 연신률도 각각 17%와 21%로 측정되어 본 발명의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물이 높은 인장강도 및 연신률을 나타내는 것으로 측정되었으며, 이와 같은 특성을 나타내는 것은 반원심주조법에 의하여 빠르게 냉각되면서 미세한 결정립을 형성하게 되었기 때문이다.

또한, 도 5는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 충격시험 결과를 도시하는 도이며, 도 6a는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 마모계수를 도시하는 도이고, 도 6b는 종래의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물과 본 발명의 차량용 휠 제조방법으로 제작된 성형물에 대한 마모량을 도시하는 도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 내마모성 및 충격시험 또한 본 발명의 차량용 휠 제조방법에 의한 성형물이 종래의 차량용 휠 제조방법에 의한 성형물보다약 20% 우수한 것으로 측정되었다.

상기와 같이 종래의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물과 본 발명의 차량용 휠 제조방법에 의하여 제조된 성형물에 대한 조직 및 기계적 특성을 비교해본 결과 본 발명의 차량용 휠 제조방법에 의한 성형물의 조직이 종래의 차량용 휠 제조방법에 의한 성형물의 조직보다 약 20%정도 미세한 것으로 나타났으며, 인장강도, 내충격성, 내마모성 등의 기계적 특성 또한 15∼20% 향상된 수치를 나타내고 있다.

또한, 상기와 같은 기계적 특성의 우수성 외에도 강제압입에 의한 재료의 주조성(유동성)에 영향을 받지 않기 때문에, 합금설계 및 주입온도의 관리가 용이하며, 이러한 특성을 이용하여 직경이 큰 대형 알루미늄휠과 같이 주조하기 어려운 성형물의 생산이 가능하고, 특히 비열처리형 고강도 전신재 합금을 채택한다면 부품의 경량화와 내구성을 높일 수 있어, 이는 곧 차량의 연비를 줄이는 동시에 부품의 수명을 연장시킬 수 있기 때문에 자동차산업에 미치는 영향이 지대적이다.

이상과 같은 본 발명은 고속회전을 통한 반원심주조방법으로 일정 직경이상의 차량용 휠을 제작 가능할 뿐 아니라, 지향성 응고를 이룰 수 있어 높은 강도이면서도 경량의 제품을 대량 생산할 수 있으며, 합금설계 및 주입온도의 관리가 용이하고, 열처리에 따른 변형을 방지할 수 있어 제품의 생산성 및 상품성을 향상시킬 수 있는 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 차량용 휠 형상으로 성형되어 상하 분리 가능한 금형내에 용탕을 주입하는 주입단계와, 상기 주입단계 후, 상기 금형을 냉각시켜주는 성형단계와, 상기 성형단계 후, 성형물을 금형으로부터 분리시키는 착탈단계로 이루어진 휠 제조방법에 있어서,

   상기 성형단계는 모터를 통하여 약 100∼1500rpm의 속도로 상기 금형을 회전시켜주는 것을 특징으로 하는 차량용 휠 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 주입단계는 반용융상태의 용탕을 금형내에 주입 가능한 것을 특징으로 하는 차량용 휠 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 성형단계에서 금형의 냉각은 공랭식 또는 수랭식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 휠 제조방법.