KR20040096461A - 단조 성형용 피스톤 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크랙(crack) 발생이 방지되고 재료의 이용률이 증대되는 차량용 엔진의 피스톤 단조성형에 사용되는 피스톤 소재에 관한 것이다.

본 발명은, 차량의 엔진을 구성하는 피스톤의 단조 성형을 위해 사용되는 원기둥 형상의 소재에 있어서, 상기 원기둥 형상의 소재 양측면은 측방으로 더 돌출되어, 단면 형상이 타원형상을 가진다. 그리고 상기 소재 단면의 타원형상은 장축(b)과 단축(a)의 비가 1.1:1이다. 또한 본 발명은, 차량의 엔진을 구성하는 피스톤의 단조 성형을 위해 사용되는 봉 형상의 소재에 있어서, 상기 봉 형상의 소재 외주면은 서로 대칭되는 한 쌍의 평면(52)과 원주면(54)으로 이루어진다. 그리고 서로 대칭되는 한 쌍의 원주면(54) 사이의 거리(b)와 한 쌍의 평면(52) 사이의 거리(a)의 비는 1.1:1이 되며, 상기 평면(52)과 원주면(54)의 연결부는 반지름(R)이 20mm인 곡률을 가진다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 단조 성형용 피스톤 소재에 의하면, 크랙(crack)의 발생이 방지되고 재료의 이용률이 향상되는 이점이 있다.

Description

단조 성형용 피스톤 소재 {Piston material for forging}

본 발명은 피스톤 소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 크랙(crack) 발생이 방지되고 재료의 이용률이 증대되는 차량용 엔진의 피스톤 단조성형에 사용되는 피스톤 소재에 관한 것이다.

일반적으로 차량 엔진은 공기와 혼합된 연료가 연소실로 유입되어 연소됨으로써 동력을 얻는 대표적인 내연기관이다.

이러한 차량 엔진의 실린더에는 왕복 운동을 하는 피스톤이 설치된다. 피스톤(piston)은 유체(流體)의 압력을 받아 실린더 속을 왕복운동하는 원판형 또는 원통형의 부품을 일컫는 것으로, 증기기관 ·내연기관 등 원동기의 주요 부분이 된다.

그리고 이러한 피스톤은 가스나 그 밖의 유체에서 압력을 받아 왕복운동을 할 뿐만 아니라 피스톤의 왕복운동으로 가스·유체에 압력을 주어 압축력을 미치는 작용도 한다. 차량의 엔진에 사용되는 피스톤은 연소실에서 발생한 고온, 고압의 가스압을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크 축의 회전력을 발생시키는 일을 한다.

상기 피스톤은 고온의 연소가스에 피스톤 헤드가 노출되고 고압을 충격적으로 받으며 실린더 내부에서의 고속운동으로 큰 마찰이 생기는 등 여러가지 악조건하에서 왕복 운동을 하게 된다.

따라서, 피스톤은 상기한 악조건 하에서도 그 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 열전도도 및 내열성이 좋은 알루미늄 합금(Al-Si계) 등으로 제작되고 있다. 또한, 피스톤의 상부 둘레에는 다수의 피스톤 링이 끼워지는데, 이 피스톤 링은 상측으로 통상 2개가 설치되는 압축링과, 그 하측으로 설치되는 1개의 오일링으로 구분된다.

여기서, 상측의 압축링은 연소실의 기밀을 유지하기 위하여, 하측의 오일링은 실린더 벽에 뿌려진 오일을 긁어내려 최소한의 유막을 만들고 이를 통해 실린더 내벽과 피스톤 사이의 마모 방지 및 피스톤의 부드러운 왕복 운동을 유도하기 위하여 설치된다.

도 1과 도 2에는 이러한 피스톤의 완성된 상태가 도시되어 있다. 즉 도 1에는 일반적인 차량 엔진용 피스톤이 커넥팅 로드와 연결된 상태를 보여주는 측면도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 A-A'부 단면이 도시되어 있다.

이에 도시된 바와 같이, 피스톤(10)은 피스톤 헤드(12), 피스톤 랜드(14), 피스톤 링 그루브(16), 피스톤 핀보스(18), 피스톤 스커트(20) 등으로 구성된다.

상기 피스톤(10)의 상부면을 형성하는 피스톤 헤드(12)는 피스톤(10)이 상사점에 도달되었을 때 실린더 헤드(미도시됨)의 내면과 연소실을 형성하게 되므로 연소실의 형상에 따라 그 형상이 정해진다.

한편, 피스톤 링(미도시됨)들이 끼워지는 홈이 피스톤 링 그루브(16)이고, 홈과 홈 사이는 피스톤 랜드(14)이다. 상기 피스톤(10)의 안쪽에는 피스톤 핀(22)을 회전 가능하게 지지하는 피스톤 핀보스(18)가 돌출 형성되어 있고, 이 피스톤 핀보스(18)에는 피스톤 핀(22)이 끼워질 수 있는 피스톤 핀홀(24)이 형성되어 있다.

도면부호 26은 상기 피스톤 핀(22)이 압입되는 커넥팅 로드를 나타낸다.

그리고 상기와 같은 피스톤(10)은 상기와 같은 알루미늄 합금을 소재로 한 주조에 의한 성형방법 외에 단조에 의해 성형되기도 하는데, 도 3에는 단조성형에 사용되는 피스톤 소재(30)가 도시되어 있다.

이에 도시된 바와 같이, 종래의 단조용 피스톤 소재(30)는 원기둥 형상을 가지며, 이러한 소재는 긴 환봉을 일정한 길이로 잘라 만든다.

한편 도 4에는 도 3에 도시된 종래의 피스톤 소재(30)를 사용하여 단조성형이 완료된 상태가 사시도로 도시되어 있으며, 도 5에는 도 4에 도시된 단조 성형물의 평면도가 도시되어 있다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤 소재(30)에 프레스(Press)로 압력을 가하면, 피스톤의 1차적인 형상이 성형된다. 즉 도 4에 도시된 바와 같이 중앙부는 하방으로 함몰되고, 외측 테두리는 상방으로 일정부분 돌출하게 된다. 그리고 좌우측에는 상기에서 설명한 피스톤 핀(22)을 지지하는 피스톤 핀보스부(32)가 형성된다.

그러나 상기와 같은 종래의 피스톤 제조에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저 알루미늄(Al-Si계) 합금을 소재로 하여 주조에 의해 피스톤을 만드는 경우에는 규소(Si) 결정물이 지나치게 커지게 되어 깨지기 쉽고, 동시에 가공성도 저하되는 문제점이 있다.

또한 단조에 의해 피스톤을 만드는 경우에는 종래의 단조용 소재(30)가 단면이 원형을 가지므로, 단조가 시행되면 크랙이 발생하는 문제점이 있다. 즉 단조 프레스(Press)에 의해 단조가 시행될 때, 피스톤 핀(22)을 지지하는 피스톤 핀보스부(32)와 스러스트·반스러스트부(34)의 재료량의 차에 따른 유동저항의 크기가 다르기 때문에 스러스트·반스러스트부(34)에서는 인장응력이 발생하고, 그 결과 피스톤 핀보스부(32)와 스러스트·반스러스트부(34)의 사이, 즉 도 5에서 'A'부에 크랙(Crack)이 발생하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 크랙의 발생이 방지되는 최적의 단조 성형용 피스톤 소재를 제공하는것이다.

본 발명의 다른 목적은, 재료의 이용률이 증가되는 최적의 단조 성형용 피스톤 소재를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 차량 엔진용 피스톤이 커넥팅 로드와 연결된 상태를 보여주는 측면도.

도 2는 도 1의 A-A'부 단면도.

도 3은 종래기술에 의한 단조 성형용 소재의 사시도.

도 4는 종래기술에 의한 단조 성형이 완료된 상태를 도시한 사시도.

도 5는 도 4의 평면도.

도 6은 본 발명에 의한 단조 성형용 피스톤 소재의 바람직한 실시예의 사시도.

도 7은 본 발명 실시예에 의한 피스톤 소재의 단조 성형 상태를 순차적으로 보인 단면도.

도 8은 도 7의 과정에 의해 본 발명 실시예에 의한 피스톤 소재가 단조성형되는 상태를 순차적으로 보인 사시도.

도 9는 단조 성형 실험에 사용된 피스톤 소재의 단면도.

도 10은 단조 성형 실험에 사용된 피스톤 소재의 각부 치수를 보인 도표.

도 11a는 비구속 타입에 의한 단조 성형 결과를 보인 측면도.

도 11b는 구속 타입에 의한 단조 성형 결과를 보인 측면도.

도 12는 본 발명에 의한 단조 성형용 피스톤 소재의 다른 실시예의 구성을 보인 사시도.

도 13은 도 12에 도시된 단조 성형용 피스톤 소재의 내부를 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

50,50'. 피스톤 소재 52. 평면

54. 원주면 60. 하부금형

62. 상부금형 70. 핀보스부

72. 스러스트·반스러스트부 80. 스커트 형성부

90. 원형부 92. 보강부

O. 중심점 a,a'. 단축

b,b'. 장축

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량의 엔진을 구성하는 피스톤의 단조 성형을 위해 사용되는 원기둥 형상의 소재에 있어서, 상기 원기둥 형상의 소재 양측면은 측방으로 더 돌출되어, 단면 형상이 타원형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 소재 단면의 타원형상은 장축과 단축의 비가 1.1:1인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 차량의 엔진을 구성하는 피스톤의 단조 성형을 위해 사용되는 봉 형상의 소재에 있어서, 상기 봉 형상의 소재 외주면은 서로 대칭되는 한 쌍의 평면과 원주면을 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 서로 대칭되는 한 쌍의 원주면 사이의 거리와 한 쌍의 평면 사이의 거리의 비는 1.1:1임을 특징으로 한다.

한편 상기 평면과 원주면의 연결부는 반지름(R)이 20mm인 곡률을 가지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 단조 성형용 피스톤 소재에 의하면, 크랙(crack)의 발생이 방지되고 재료의 이용률이 향상되는 이점이 있다.

이하 상기한 바와 같은 단조 성형용 피스톤 소재의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 6에는 본 발명에 의한 단조 성형용 피스톤 소재의 바람직한 실시예가 사시도로 도시되어 있다.

도시된 바와 같은 피스톤 소재(50)는 봉 형상의 긴 원소재(도시되지 않음)를 일정한 크기로 절단한 것이다. 그리고 이러한 피스톤 소재(50)는 원기둥 형상이 아니고 양측면이 측방으로 돌출된 형상을 가진다.

따라서 봉 형상을 가지는 상기 피스톤 소재(50)의 외주면은 서로 대칭되는 한 쌍의 평면(52)과 원주면(54)으로 이루어진다. 즉 도 6에서 피스톤 소재(50)의 전후면에는 평탄한 평면(52)이 형성되고, 좌우 측면에는 소정의 곡률을 가지는 원주면(54)이 형성되는 것이다.

상기와 같은 피스톤 소재(50)는 중심점(O)으로부터 외주면의 거리가 각각 다른 크기를 가진다. 즉 상기 중심점(O)으로부터 상기 원주면(54)까지의 거리(b)는 상기 중심점(O)으로부터 상기 평면(52)의 중앙부까지의 거리(a,단축)보다 더 큰 거리를 가지며, 보다 바람직하게는 상기 중심점(O)으로부터 상기 원주면(54)까지의 거리(b,장축)와 상기 중심점(O)으로부터 상기 평면(52)의 중앙부까지의 거리(a)의 비(比)가 약 1.1:1이 되는 것이 바람직하다.

또한 상기 평면(52)과 원주면(54)의 연결부는 곡률(R)을 가지도록 형성되며, 보다 바람직하게는 곡률(R)의 반경이 20mm가 되도록 형성된다. 이처럼 상기 평면(52)과 원주면(54)의 연결부를 곡률로 형성하는 이유는 단조 성형시 이러한 연결부에서 크랙(crack)이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.

도 7과 도 8에는 상기와 같은 피스톤 소재(50)를 사용하여 단조 성형하는 상태가 순차적으로 도시되어 있다.

도시된 도면을 참조하여 단조 성형 상태를 상세히 살펴보면, 먼저 도 7의 (a)와 같이 하부금형(60)의 내부에 상기 피스톤 소재(50)를 삽입한 상태에서 상부금형(62)을 하방으로 내린다. 이렇게 되면, 상기 상부금형(62)의 하단이 상기 피스톤 소재(50)의 상면에 닿게 되며, 이때의 상태가 도 8의 (a')에 도시되어 있다.

다음으로 프레스(press)의 압력에 의해 도 7의 (b)와 같이 상기 상부금형(62)이 점차 하부로 내려오면서 상기 피스톤 소재(50)에 압력을 가하게 되고, 따라서 이때에는 도 8의 (b')와 같이 상기 피스톤 소재(50)의 중앙부는 하부로 함몰되고 테두리는 점차 상부로 돌출된다.

이와 같이, 상기와 같은 단조 성형이 수행됨에 따라 상기 피스톤 소재(50)는 점차 상부금형(62)의 형상과 대응되는 형상으로 변형되어, 좌우 양측에는 도 8의 (b')와 같이 핀보스부(70)가 형성되기 시작하며 상기 한 쌍의 핀보스부(70)와 직교되는 부분인 스러스트·반스러스트부(72)는 점차 상부로 돌출되기 시작한다.

이러한 과정을 거쳐 상기 상부금형(62)이 하부로 완전히 내려오면 도 7의 (c)와 같은 상태가 되며, 이때 상기 피스톤 소재(50)는 도 8의 (c')와 같이 완전한 형상을 갖추게 된다. 즉 피스톤 소재(50)의 내부 좌우는 중앙부보다 상부로 돌출되어 핀보스부(70)를 형성하고 있으며, 이러한 핀보스부(70)의 직교되는 전후(도 8에서)단 테두리부에는 주변의 테두리보다 상대적으로 높은 스러스트·반스러스트부(72)가 형성된다.

상기와 같은 단조 성형에 의해 도 8의 (c')와 같은 개략적인 피스톤 형상이 완성되면, 다음 공정으로 이동하여 완전한 피스톤 제조를 위한 작업이 수행되는데, 이러한 후 공정은 본 발명의 범주를 벗어나는 것이므로 여기서는 상세한 설명은 생략한다.

도 9와 도 10에는 본 발명에 의한 단조 성형용 피스톤 소재의 최적 조건을 찾기 위한 실험 결과가 도시되어 있다.

즉 도 9에는 실험에 사용되는 단조 성형용 피스톤 소재의 단면이 도시되어 있으며, 여기서 'a'는 대체적으로 타원형상을 가지는 단면 중 단축의 거리를 나타내며, 'b'는 장축의 거리를 나타낸다. 그리고 'R'은 평면(52)과 원주면(54) 사이의 연결부에 형성되는 곡률 반경을 나타내며, 'C'는 전후면을 형성하는 평면(52)의 경사각을 나타낸다.

도 10에는 5가지 경우의 실험 조건이 도시되어 있다. 즉 '경우(CASE)1'은 'b/a'가 1.4(a는 50mm이고 b는 70mm)이며 'R'은 15mm 그리고 'C'의 각도는 20°인 경우를 의미하며 테스트조건은 비구속 타입에서 이루어진 경우이다.

여기서 '비구속 타입'이란, 도 11a에 도시된 바와 같이 단조 성형 후에 상단부가 모두 동일한 높이로 돌출되도록 하는 경우이며, '구속 타입'이란 도 11b에 도시된 바와 같이 일정 부분, 즉 피스톤 스커트 형성부(80)는 다른 부분보다 더 돌출되도록 단조하는 것을 말한다.

상기와 같은 '비구속 타입'과 '구속 타입'의 차이는 '비구속 타입'의 경우는 피스톤 스커트 형성부(80) 외의 다른 부분은 절단하여 버려지게 되는 것이고, '구속 타입'의 경우는 최종적인 피스톤의 형상과 거의 일치하므로 절개되어 버려지는 부분이 그 만큼 작아지게 된다.

한편 '경우(CASE)2'은 'b/a'가 1.2(a는 50mm이고 b는 60mm)이며 'R'은 15mm 그리고 'C'의 각도는 10°인 경우를 의미하며 테스트조건은 비구속 타입에서 이루어진 경우이다.

그리고 '경우(CASE)3'은 'b/a'가 1.1(a는 50mm이고 b는 55mm)이며 'R'은 20mm 그리고 'C'의 각도는 0°(평면)인 경우를 의미하며 테스트조건은 비구속 타입에서 이루어진 경우이다.

또한 '경우(CASE)4'와 '경우(CASE)5'는 '구속 타입'에서의 실험 조건을 나타낸다. 여기서 '경우(CASE)4'는 'b/a'가 1.1(a는 50mm이고 b는 55mm)이며 'R'은 20mm 그리고 'C'의 각도는 0°(평면)인 경우이며, '경우(CASE)5'는 'b/a'가 1.05(a는 50mm이고 b는 52.5mm)이며 'R'은 10mm 그리고 'C'의 각도는 0°(평면)인 경우이다.

상기와 같은 각각의 케이스(경우(CASE))에서 실험한 결과 경우(CASE)1 내지 경우(CASE)4에서는 단조 성형 후 양호한 상태의 피스톤 가공소재가 만들어지나, 경우(CASE)5의 경우에는 종래의 단조 성형에서와 같이 크랙(crack)이 발생하였다.

그리고 도시된 바와 같이 경우(CASE)1 내지 경우(CASE)3은 단조 성형된 제품이 양호하기는 하나, '비구속 타입'에 의해 제조된 경우이므로 절단 가공에 의해 버려지는 부분이 많아져 재료의 낭비가 크게 된다. 이는 원 재료의 체적 비교에서도 명확해진다. 즉 소재의 높이가 동일한 경우, 경우(CASE)1 내지 경우(CASE)3의소재 체적이 경우(CASE)4의 소재 체적보다 상대적으로 크다는 것을 알 수 있다.

따라서 최소한의 소재를 가지며, 크랙(crack)의 발생도 방지되는 단조 성형을 위해서는 경우(CASE)4의 조건이 가장 최적임을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 상기의 실시예에서는 피스톤 소재(50)의 외주면이 평면(52)과 원주면(54)에 의해 이루어지는 경우를 예시하고 있으나, 이러한 형태외에 타원형 단면을 가지는 피스톤 소재(50')도 가능함은 물론이다.

즉 도 12에 사시도로 도시된 바와 같이, 외주면이 전체적으로 원주면을 형성하도록 타원형상을 가지도록 하는 것도 가능하다. 이때에도 상기에서와 같이 장축(b')과 단축(a')의 비(比)는 1.1:1이 되도록 형성된다.

도 13에는 도 12에 도시된 피스톤 소재(50')의 단면이 도시되어 있다. 이에 도시된 바와 같이, 피스톤 소재(50')는 종래의 환봉과 같은 원형부(90) 좌우 측면에 빗금으로 표시된 보강부(92)가 더 형성되어 있다.

이와 같이 본 발명에서는 피스톤 소재(50,50')에 핀보스부(70,70')가 형성되는 부분과 직교하는 부분인 스러스트·반스러스트부(72,72') 부분에 가공여유(빗금 부분)를 더 부가하여 단조 성형을 시행함으로써, 핀보스부(70,70')와 스러스트·반스러스트부(72,72')와의 체적 차이가 작아지도록 하고 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 단조 성형용 피스톤 소재에 의하면, 원기둥 형상의 환봉 양측면을 보강하여 전체적으로 타원 형상의 단면을 가지도록 하였다.

따라서 본 발명에서는 핀보스부가 형성되는 부분과 직교하는 부분인 스러스트·반스러스트부에 가공여유가 더 부가되어 단조 성형시 핀보스와 스러스트·반스러스트부와의 체적 차이로 인한 크랙(crack)의 발생이 방지되는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 피스톤의 스커트 형성부분은 타 부분보다 더 돌출되도록 형성되므로 결과적으로 절개되어 버려지는 소재가 줄어드는 이점이 있다. 즉 가공여유가 최소화되어 재료이용률이 극대화되는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 차량의 엔진을 구성하는 피스톤의 단조 성형을 위해 사용되는 원기둥 형상의 소재에 있어서,

   상기 원기둥 형상의 소재 양측면은 측방으로 더 돌출되어, 단면 형상이 타원형상을 가지는 것을 특징으로 하는 단조 성형용 피스톤 소재.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소재 단면의 타원형상은 장축과 단축의 비가 1.1:1인 것을 특징으로 하는 단조 성형용 피스톤 소재.
3. 차량의 엔진을 구성하는 피스톤의 단조 성형을 위해 사용되는 봉 형상의 소재에 있어서,

   상기 봉 형상의 소재 외주면은 서로 대칭되는 한 쌍의 평면과 원주면을 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 단조 성형용 피스톤 소재.
4. 제 3 항에 있어서, 서로 대칭되는 한 쌍의 원주면 사이의 거리와 한 쌍의 평면 사이의 거리의 비는 1.1:1임을 특징으로 하는 단조 성형용 피스톤 소재.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 평면과 원주면의 연결부는 반지름(R)이 20mm인 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 단조 성형용 피스톤 소재.