KR20040033477A - 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정밀 주조(investment casting/lost wax)법에 사용되는 왁스 모형을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정밀 주조용 금형을 제작하기 위한 왁스 모형 제조 방법에 있어서, 왁스 코어 및 왁스 모형을 각각 형성하기 위한 제 1금형 및 제 2금형을 형성하는 단계; 상기 제 1금형을 왁스 사출기에 장착하고, 왁스를 사출하여 왁스 코어를 형성하는 단계; 상기 왁스 코어가 장착된 상기 제 2금형을 상기 왁스 사출기에 장착하고, 왁스를 사출하여 왁스 모형을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법을 제공한다.

Description

수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법{Fabrication Method of Wax Mold for Prevention of Contraction And Deformation}

본 발명은 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법에 관한 것으로,보다 상세하게는 정밀 주조(investment casting/lost wax)법에 사용되는 왁스 모형을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 소재에 해당하는 제품의 생산 방식에는 기계 가공, 단조 및 주조 등의 방법이 있다. 생산방법의 선택은 제품의 재질, 형상, 필요한 생산량 및 요구되는 특성 등의 요소를 고려하여 생산효율에 따라 결정되는데, 제품의 형상이 매우 복잡하거나 난삭성 재료를 사용함으로서 가공 공정으로는 생산이 어려운 제품들은 여전히 최종 근사 제품(Near Net Shape)으로 생산이 가능한 주조 기법에 의해 생산이 이루어진다.

이와 같은 주조 기법 중에서 인베스트먼트 주조법은 정밀한 형태의 제품을 주조할 때에 사용하는 방법으로 도 1에 나타낸 바와 같은 과정을 통하여 이루어진다.

(A) 인베스트먼트 주조법은 정밀주조(精密鑄造) 기술의 한 방법으로 도 1의 (A)에서 보이는 바와 같이 우선 생산하고자 하는 최종 금속 제품과 같은 모양의 왁스 모형을 제작한다. 왁스 모형의 제작은 일반적으로 사출 금형에 반응고(반유동)상태의 왁스를 사출하는 방법으로 이루어진다.

정밀 주조에서 사용되는 금형은 일반적으로 알루미늄 계열의 합금으로 만들어지며, 최종 제품과 같은 모양의 동공을 갖고 있다. 금형 제작에 있어 가장 중요한 부분은 왁스 사출 후 왁스 응고 시에 수축되는 수축률과 왁스를 기본으로 제작된 주형(주형재/세라믹)의 열팽창률 및 주형 내부에 용해 금속(용탕)을 주입 후 용탕 응고 시에 발생하는 부피 수축률을 고려하여 최종 목적 제품과의 외관치수를 일치시키는 설계 기술이다.

이는 주조 공정으로 생산된 제품에 대한 최초 설계된 설계치의 형상 오차와 관계되며, 금형 설계에 따라 이러한 오차가 결정되기 때문에 매우 중요한 부분을 차지한다.

왁스에는 왁스의 강도를 높이기 위해 강화제가 첨가된 강화 왁스(filler wax)와 강화제가 첨가되지 않은 보통 왁스(non-filler wax)가 있다. 강화 왁스는 응고 시의 수축률도 보통 왁스에 비하여 적으며, 강도도 높거니와 가격도 보통 왁스에 비하여 높다. 이러한 왁스의 성질은 금형 설계 시 중요한 인자로 작용한다.

사출은 원하는 왁스 모형을 얻고자 사출 금형 내에 일정한 압력과 속도로 반응고(반유동) 상태의 왁스를 주입하는 과정이다. 사출 시의 사출 압력과 속도에 따라 왁스의 응고 수축률이 변하며, 왁스 모형의 불량은 곧 제품의 불량으로 이어지므로 엄정한 공정관리에 따라 왁스의 사출이 이루어진다.

코어(core) : 왁스 사출 후 금형 내에서 형성된 왁스의 변형(주로 반응고상태의 왁스가 응고시 발생하는 수축 현상이나 이러한 수축 현상에 원인을 둔 왁스량이나 두께에 따른 뒤틀림)을 최소화하기 위하여 사용되는 동공(洞空)을 말한다. 이러한 코어(core)를 사용하는 이유는 사출되는 왁스의 양, 즉 응고되는 왁스의 양이 적으면 적을수록 수축의 영향을 덜 받기 때문에 보다 정밀한 왁스 모양을 제작할 수 있기 때문이다.

(B) 사출로 제작된 각각의 왁스 모형은 생산 효율을 극대화하기 위하여 큰 나뭇가지에 작은 나무곁 가지가 달린 모양으로 조립된다(Wax Tree, 도 2의 (B) 참조). 조립 형태는 제품의 크기에 따라 조립되는 수가 정해지며, 왁스 모형의 형태에 따라서도 조립되는 형태가 바뀌는데, 이러한 주조 방안에 따라 최종 제품의 불량률과 생산효율이 크게 좌우되므로 매우 중요한 공정이다.

(C) 제작된 왁스 트리(Wax Tree)는 물, 알코올 및 콜로이달 상태의 실리카와 함께 세라믹 분말(지르코니아, 샤모트, 알루미나 등)을 적정한 점도를 유지하도록 적절히 혼합하여 일정한 시간 동안 교반된 슬러리(Slurry, 진흙탕)에 침적시키고, 정해진 입도의 세라믹 알갱이를 표면에 뿌려 도포(coating)한 후 충분히 건조시킨다. 이러한 세라믹 도포작업을 8∼16여 차례 반복하여 원하는 세라믹 쉘(shell)의 두께(약 10∼20mm)를 얻는다.

(D) 도포작업이 완료된 후, 세라믹 도포된 주형을 약 150℃의 수증기로 6kg중/cm²이상의 압력이 유지되는 압력 용기 내에서 가압 가열하여 왁스를 녹여 제거하면, 세라믹 쉘(shell) 내부에는 제작하고자 하는 목적품의 모양과 같은 동공이 형성된다. 이 과정을 탈왁스라 한다.

(E) 주형 내에 남아있는 왁스 및 불순물을 완전히 제거하고 동시에 고온 강도를 얻기 위하여 1,000∼1200℃에서 장시간 소성시킨다(sintering).

(F) 이렇게 소성 처리된 주형 속에 목적하는 재질의 용융 금속(용탕)을 주입한 후 상온으로 냉각시킨다.

(G) 주물이 냉각되면 세라믹으로 형성된 주형을 제거한다(탈사 공정).

(H) 상기 주물은 트리 구조로 다수의 제품이 연결된 상태이므로, 각각의 제품을 서로 분리한다.

(I) 분리된 각 제품의 표면 특히, 트리와 결합된 부분을 연마 처리한다.

(J) 연마 처리된 각 제품의 외형과 치수를 확인하여 제품의 완성도를 평가한다.

이러한 정밀 주조 공정은 사형 주조법(Sand Casting) 등에 비하여 주형 제작이 까다롭고 제작 단가도 높으며, 최종 주조품의 제작 완료 때까지의 재료비가 모두 고가이므로 본 공정을 비싼 공정이라 하여 인베스트먼트(Investment) 주조법이라 불리며, 혹은 주형을 제작하기 위하여 코팅 공정 후 왁스를 제거하는 탈왁스 과정을 거친다하여 로스트 왁스(Lost Wax) 주조법이라고도 한다.

상기와 같은 왁스 사출 공정의 이해를 돕기 위하여 일반적인 왁스 사출기의 구조를 도 1에 나타내었다.

반자동 왁스 사출기는 크게 금형(10)을 고정시켜 주는 금형 고정부(11), 그리고, 금형(10)을 상형과 하형으로 분리시켜 사출된 왁스를 꺼내기 위한 유압식 클램프(12), 상기 금형(10)에 왁스를 사출구(14)를 통하여 공급해 주는 왁스 실린더(13), 상기 왁스 실린더(13)가 장착되어 상기 사출구(14)의 사출 위치를 조절할 수 있는 테이블(16)과 액튜에이터(17) 등으로 구성되어 있다.

그리고, 상기 왁스 실린더(13)의 사출구(14)에는 왁스의 반응고 상태를 유지시켜주기 위하여 60∼80℃의 일정한 온도로 센서에 의해 자동으로 조절할 수 있는 히터(15)가 장착되어 있으며, 사출구(14)를 통하여 사출되는 왁스는 약4∼7atm의 압력으로 사출된다.

이러한 반자동 왁스 사출기를 이용하여 사출되어 형성된 왁스 모형은 금형 내 최종 제품 모양의 동공(洞空)의 외관 치수와는 약간의 차이가 생긴다. 이러한 차이는 반응고(반유동) 상태의 왁스가 금형 내에 사출된 후 완전히 상온 냉각 응고되면서 생기는 수축에 의한 변형 때문에 생긴다.

상온 부근의 왁스의 선열팽창계수 α는 대략 0.00035/℃로 알려져 있으며, 부피 팽창 계수 β는 β=3α과 같은 관계식을 갖는다.

이러한 변형은 단순히 치수의 차이 뿐만 아니라 사출 시 받은 응력의 상태 즉, 왁스의 양에 따른 응고 속도의 차이에 따라 왁스의 응력 풀림과 냉각 수축에 의해 발생하는 형상의 변형까지 포함한다. 이러한 형상 변화 때문에 왁스 모형에 불량이 발생하면 제품 제작의 대부분을 차지하는 나머지 정밀 주조 공정이 모두 불량품으로 되어 막대한 손실을 초래한다.

그러므로 왁스 사출 공정에서 왁스 사출 후, 발생하는 왁스 모형의 변형을 방지하기 위하여 왁스 모형의 일부에 금속 코어(Metal Core)를 삽입하여 사출함으로써 왁스 모양 중, 일부분의 왁스 변형을 제거할 수는 있지만, 금형의 모양이 복잡해져서 금형의 설계 및 제작이 어렵고 금형 제작 단가가 높아지는 단점이 있다.

또 다른 방법으로는 왁스 수축률이 거의 없는 왁스를 사용하는 방법인데. 이 방법은 왁스 가격이 비싸고, 왁스 사출 공정을 제어하는데 실질적으로 재연성이 뒤떨어지는 문제점을 안고 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로,그 목적은 상대적으로 저렴한 왁스를 이용하면서 왁스 수축과 변형을 극소화하여 왁스 모형의 불량을 최소화시켜 주는 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 로스트 왁스 주조 방법을 설명하기 위한 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법을 이용하여 왁스 코어를 제조할 수 있는 왁스 사출기의 구조를 설명하기 위한 예시도.

도 3은 본 발명에서 왁스 코어의 수축에 따른 부피 변형을 설명하기 위한 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 금형11 : 금형 고정부

12 : 유압식 클램프13 : 왁스 실린더

14 : 사출구15 : 히터

16 : 테이블17 : 액튜에이터

20 : 왁스 모형22 : 왁스 코어

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 왁스 코어 및 왁스 모형을 각각 형성하기 위한 제 1금형 및 제 2금형을 형성하는 단계; 상기 제 1금형을 왁스 사출기에 장착하고, 왁스를 사출하여 왁스 코어를 형성하는 단계; 상기 왁스 코어가 장착된 상기 제 2금형을 상기 왁스 사출기에 장착하고, 왁스를 사출하여 왁스 모형을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법을 제공한다.

상기 왁스는 모형 제작용 보통 왁스를 이용하고, 상기 제 1금형의 내부 크기는 상기 왁스 모형의 크기 이하로 이루어져, 냉각에 따라 수축되면 왁스 모형의 크기보다 작아진다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해서 먼저, 도 3과 같이 목적하는 왁스 모형(20)의 형태가 한변의 길이가 l인 정육면체라 가정하자.

이 때, 왁스 코어(22)는 상기 왁스 모형(20)의 내부에 들어 있는 작은 크기의 정육면체이며, 그 한변의 길이 l_c는 l > l_c> 0 범위의 임의의 값이다.

왁스 코어(22)를 삽입하지 않을 경우, 임의의 온도 t에서의 반응고 상태의 왁스가 상온까지 냉각됨에 따라 수축되는 총 부피 수축량 ΔV는 다음과 같다.

ΔV = β·ΔT·V_o

이 때 상기 β는 부피 팽창 계수이며, ΔT는 임의의 온도 t에서 상온까지의 온도 변화량이고, V_o= l³이다.

상기 부피 팽창 계수 β는 왁스의 고유 상수이며, 사출 공정에서 임의의 온도 t는 항상 일정한 값으로 유지되므로 ΔV ∝ V_o, 이는 왁스 사출량 V_o가 많으면 많을수록 왁스 수축량 ΔV 또한 커짐을 보여준다.

왁스 코어(22)를 사용한 경우에서는, 완전히 상온까지 냉각이 완료된 왁스 코어(22)의 부피 수축량은 0이므로 왁스 코어(22)의 부피 V_c를 제외한 왁스의 양이 사출된 왁스의 양이다. 이 때의 총 왁스 수축량 ΔV_c은 다음과 같다.

ΔV_c= β·ΔT(V_o-V_c)

따라서, 왁스 코어(22)를 사용할 경우의 왁스 수축량 ΔV_c는 ΔV보다 β·ΔT·V_c만큼 작은 값을 가지며, 이에 따라 V_c값이 클수록 즉, 왁스 코어(22)를 최종왁스 모형(20) 크기에 가깝게 할수록 총 수축량은 적어져 왁스 코어(22)의 보다 큰 효과를 얻을 수 있으므로 보다 간단히 정밀한 왁스 모형(22)을 제작할 수있다.

본 발명은 상기 설명과 같이 왁스 코어(22)를 이용하여 왁스 모형(20)의 수축에 따른 형태 변형을 최소화하는 것을 특징으로 하는데, 이러한 방법을 이용한 실시예를 아래에 설명한다.

우선 최종 모양의 왁스 즉, 왁스 모형(20)보다 약간 작은 크기를 가지는 왁스 코어(22)를 왁스 코어용 금형으로 사출한다.

이 때, 상기 왁스 코어용 금형의 내부 표면은 왁스 코어(22) 표면의 몇몇 부위에 돌출부를 만든다.

여기서, 상기 돌출부는 왁스 모형용 금형 내부의 정확한 위치에 왁스 코어(22)를 지지시키기 위한 것이다.

왁스 코어(22)를 사출한 후에는 상온까지 충분히 식혀서 최종 왁스 사출 시 수축에 의한 변형을 억제한다.

왁스 코어(22)가 만들어진 후에는 최종적으로 왁스 모형용 금형에 왁스 코어(22)를 삽입한 후, 왁스를 사출한다.

상기와 같이 제조된 왁스 모형의 치수를 측정한 결과 평균적으로 0.2% 이하의 오차 범위를 나타내었다.

이러한 결과는 기존 방법보다 3∼5배이상 개선된 0.2% 이하의 수축과 뒤틀림 오차 범위 이내 들어오는 매우 양호한 결과를 도출하였다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 정밀 주조에 이용되는 금형을 제작하기 위하여, 사용되는 왁스 모형의 수치 정밀도를 높이기 위하여, 왁스의 사출 공정을 2회로 분할하여 왁스 코어를 형성한 후에, 상기 왁스 코어를 사용하여 최종 왁스 모형을 사출 형성함으로써, 왁스의 냉각에 따른 수축율을 최소화하여 수치 정밀도가 높은 금형을 제작할 수 있는 효과를 제공한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (4)

1. 정밀 주조용 금형을 제작하기 위한 왁스 모형 제조 방법에 있어서,

   왁스 코어 및 왁스 모형을 각각 형성하기 위한 제 1금형 및 제 2금형을 형성하는 단계;

   상기 제 1금형을 왁스 사출기에 장착하고, 왁스를 사출하여 왁스 코어를 형성하는 단계;

   상기 왁스 코어가 장착된 상기 제 2금형을 상기 왁스 사출기에 장착하고, 왁스를 사출하여 왁스 모형을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 왁스는 모형 제작용 보통 왁스(non-filler wax)인 것을 특징으로 하는 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1금형의 내부 크기는 상기 왁스 모형의 크기 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수축 및 변형 방지를 위한 왁스 모형 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 왁스 코어는 상기 제 2금형 내부의 일정 위치에 설치되기 위한 다수의 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수축 및 변형 방지를위한 왁스 모형 제조 방법.