KR20110026175A - 중공 코어를 이용한 수직형 원심주조법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공 코어를 이용한 수직형 원심주조법에 관한 것으로, 통상 대형 플라이 휠이나 플랜지 등의 주물 제품을 진원심 주조법에 의해 주조할 때 코어(중자)를 넣어 하는 경우가 없는데, 금형을 이루는 하부 금형(2)과 상부 금형(3)의 중앙부에 각각 주물사로 이루어진 하부 코어(4)와 상부 코어(5)로 분할된 코어를 고정시키되, 상부 코어(5)는 그 내부를 공동(空洞)으로 하여 이 중공부(5c)를 통해 용탕을 주입할 수 있도록 하며, 상기 상부 코어(5)와 하부 코어(4) 사이에는 수평방향으로 이격된 상태로 설치하여 이 이격공간을 통해 상부 코어의 중공부에 주입된 용탕이 금형 내부로 채워질 수 있도록 한 것으로, 양질의 대형 플라이 휠이나 플랜지 등을 손쉽게 성형할 수 있다.

원심주조, 수직, 코어, 주물사, 중공, 공동, 원심력, 포물선

Description

중공 코어를 이용한 수직형 원심주조법 {A Vertical type centrifugal casting method using hollow core}

본 발명은 원심주조법에 관한 것으로, 상세히는 수직형 원심 주조 금형을 이루는 하부 금형과 상부 금형의 중앙부에 각각 주물사로 이루어진 하부 코어와 상부 코어로 분할된 코어를 고정시키되, 상부 코어는 그 내부를 중공(中空)으로 하여 이 중공부를 통해 용탕을 주입할 수 있도록 하고, 상기 상부 코어와 하부 코어 사이에는 수평방향으로 이격된 상태로 설치하여 이 이격공간을 통해 상부 코어의 중공부에 주입된 용탕이 금형 내부로 채워질 수 있도록 한 것으로, 양질의 대형 플라이 휠이나 플랜지를 손쉽게 성형할 수 있도록 한 것이다.

원심주조법은 고속으로 회전하는 원통형의 주형에 용융 금속을 주입하고, 주형의 안쪽 면에 밀착한 상태에서 응고시켜 치밀하고 건전한 원통형 주물을 생산하는 방법인데, 이를 주조형태로 구분하면 진원심주조, 반원심주조, 원심력을 이용한 주조 세가지로 대별하고, 진원심 주조는 기어류나 플랜지 등 주물의 중심에 비교적 큰 동공이 있고 지름에 비하여 적은 두께의 살을 갖는 물건을 주조하고 큰 회전력을 수반하여 회전수가 높은 편이고, 반원심주조는 중심에 작은 동공 혹은 동공이 없는 주물을 낮은 회전수를 이용하여 주조하며, 원심력을 이용한 주조는 제조하고자 하는 주물의 형틀을 원심주조기의 회전체 외곽 부분에 배치하고 중심에서 용탕을 공급하여 용탕이 회전체에서 원심력을 얻어 형틀에 주입되므로 원심력에 의하여 용탕이 매우 높은 압탕 효과를 얻으므로 양질의 주물을 얻도록 한 것이다.

원심주조기는 원심력을 얻는 장치의 회전축을 수평으로 하는 수평형과, 수직으로 하는 수직형의 원심주조장치가 있으며, 수평형은 주물의 형상이 긴 파이프 형태의 주물을 주조하는데 적합하고, 수직형은 길이가 짧은 기어나 플랜지 형태의 주물을 주조하는데 적합하다.

한편, 수평형 원심주조기는 길이가 길며 두꺼운 살을 갖는 주물을 주조하는 것은 어려운 점이 매우 많고, 수직형은 길이가 길며 얇은 주물을 주조하는 것이 어렵다. 즉 큰 외경을 갖는 물체에 적은 지름의 동공이 있고 또 그 두께가 클 경우에는 수직형이나 수평형 모두 어려운 점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 양질의 주조품을 수직형 원심주조법에 의해 성형할 수 있는 개선된 방식의 원심주조법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수직형 원심 주조 금형을 이루는 하부 금형과 상부 금형의 중앙부에 각각 주물사로 이루어진 하부 코어와 상부 코어로 분할된 코어를 고정시키되, 상부 코어는 그 내부를 공동으로 하여 이 공동부를 통해 용탕을 주입할 수 있도록 하며, 상기 상부 코어와 하부 코어 사이에는 수평방향으로 이격된 상태로 설치하여 이 이격공간을 통해 상부 코어의 중공부에 주입된 용탕이 금형 내부로 채워질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 중공 코어를 이용한 수직형 원심주조법을 제공한다.

본 발명의 구체적인 실시 예에서 상,하부 금형의 중앙부에는 각각 코어 안치홈이 형성되고, 이 코어 안치홈에 각각 코어가 안치되되, 상부 코어는 그 내부에 철제의 뼈대를 얽어 그 뼈대 주위를 안팎으로 주물사로 채워서 다져 성형하고, 내부 뼈대에서 상부로 볼트를 외부로 노출되게 연장설치하여 상부 금형의 중앙부에 형성된 코어 설치홈에 천공된 볼트구멍에 결합시켜 매다는 식으로 고정한다,

본 발명에서 상기 코어를 형성하는 재료는 특수 주물사의 일종인 지르콘샌 드, 혹은 크로마이트샌드(일명, "크롬사")를 사용하였다. 일반 주물사를 사용하여도 무방하나 용탕의 양이 많으면 열처리를 위하여 지르콘샌드 혹은 크로마이트샌드를 사용하는 것이 좋다.

본 발명은 그간 수직형 원심주조기에서 생산하기 어렵거나 수율이 좋지 않았던 대형 기어류나 플랜지 등의 성형을 중공형의 상부 코어와 이 상부 코어와 이격설치되는 원주형의 하부 코어를 금형 내부에 삽입한 상태에서 설치함으로써 완성 제품의 규격에 근접한 칫수로 한꺼번에 성형할 수 있으며, 기존의 단조나 용접에 의한 제작방식에 비하여 생산성 향상 및 제조 코스트의 절감을 도모할 수 있는 등의 유용한 효과를 갖는다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 원심주조법을 설명하기 위한 원심주조용 금형의 분리상태 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 금형의 결합상태도이며, 도 3은 금형 내에 용탕이 주입된 상태를 도시한 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 원심주조법에 사용되는 금형은 회전하는 디스크(1) 상에 설치되는 하부 금형(2)과 이 하부 금형(2)의 상부에 클램프 등에 의해 분리가능하게 결합되는 상부 금형(3) 및 상기 하부 금형(2)과 상부 금형(3)의 중앙부에 각각 설치되는 하부 코어(4)와 상부 코어(5)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 하부 금형(2)과 상부 금형(3)의 중앙부 즉, 하부 금형(2)의 상부 내측 중심부에는 하부 코어(4)가 안치되는 코어 안치홈(2a)이 형성되어 있고, 상부 금형(3)의 하부 내측 중심부에는 상부 코어(5)가 안치되는 코어 안치홈(3a)이 형성되어 있으며, 상기 코어 안치홈(2a)에는 원주형의 하부 코어(4) 하단부가 끼워져 고정설치되고, 상기 코어 안치홈(3a)에는 원통형 즉, 상하로 관통된 중공부(5c)가 형성된 상부 코어(5)의 상단부가 끼워져 고정설치되어 있다.

상기 하부 코어(4) 및 상부 코어(5)는 일반 주물사로 제조하여도 사용이 가능하나 용탕의 양이 많을 경우에는 소착될 경우가 있을 수 있으므로, 크롬사(지르콘샌드와 크로마이트샌드를 통칭하는 의미로 사용함)를 사용하는 것이 바람직한데, 지르콘샌드는 주성분인 ZrO₂와 SiO₂의 주성분 외에 일메나이트 금홍석이 일부 함유되고, 크로마이트샌드는 주성분이 F₂O와 Cr₂O₂로 이론상으로는 68%의 Cr₂O₂가 존재하나 천연산으로는 40～45%의 산화크롬을 함유하고 있다.

상기 코어(4,5)는 위에서 설명한 바와 같은 크롬사로 만들어 용탕의 열에 의한 열 충격을 견딜 수 있도록 하고, 일반 주물사 보다 더 쉽게 용탕의 냉각을 야기 하고자 하였으며, 용탕의 양이 클 경우 용탕이 직접 떨어져 닿는 부분은 금속 등으로 적절히 보강한다.

상기 하부 코어(4)는 하부 금형(2)의 중심부를 대략 5cm 정도의 깊이로 파서 코어 안치홈(2a)을 형성한 후, 이 코어 안치홈(2a)에 끼워 넣어 안정을 도모하였고, 상부 코어(5)는 상부 코어(5) 내부에 철제의 뼈대(도시 안 됨)를 얽어 그 뼈대 주위를 안팎으로 주물사(크롬사)로 채워서 다져 성형하고, 내부 뼈대의 몇 군데에서 상부로 볼트(5a)를 외부로 노출되게 연장설치하여 상부 금형(3)의 중앙부에 대략 5cm정도의 깊이로 마련된 코어 설치홈(3a)에 천공된 볼트구멍(3b)에 결합시켜 외부에서 고정너트(5b)를 체결하여 매다는 식으로 고정한다.

도면 중 부호 6은 중간 금형으로, 이 중간 금형은 제품의 두께가 두꺼울 경우 또는 상,하부 금형의 두께를 얇게 제작할 경우 사용하는 것이 바람직하며, 이 중간 금형은 생략되어도 무방하다.

이와 같이 구성된 원심주조용 금형과 코어를 사용하여 대형 플랜지를 성형하는 과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 성형하고자 하는 제품의 형상에 맞는 캐비티를 갖는 금형을 상,하로 분리할 수 있도록 설계하여 제작한 후, 하부 금형(2)을 회전하는 디스크(1) 상에 고정한 후, 이 하부 금형(2) 내부의 중심에 형성된 코어 안치홈(2a)에 원주형의 하부 코어(4)를 끼워 넣는다.

다음으로는 상부 금형(3)을 뒤집은 상태에서 상부 금형(3) 내부의 중심에 형 성된 코어 안치홈(3a)에 중공형의 상부 코어(5)를 끼워서 빠지지 않도록 고정한 후, 상부 금형(3)을 똑바로 뒤집어 하부 금형(2) 위에 올린 후 도시 안 된 클램프를 사용하여 상,하부 금형(2,3)이 일체가 되도록 결합한다.

그 후, 도 3에 도시된 바와 같이 상부 금형(3)의 중앙부에 끼워진 상부 코어(5) 내측의 중공부(5c)를 통해서 용탕을 주입함과 동시에 디스크(1)를 회전시켜 원심력이 발생하도록 함으로써 용탕이 캐비티의 외곽쪽부터 안쪽으로 포물선을 그리며 채워지도록 한다.

한편, 용탕의 주입 전에는 금형을 충분히 예열함으로써 용탕이 급격하게 냉각되어 성형불량이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하여야 하는 데, 이때 금형의 하부는 토치 혹은 버너를 이용하고 상부는 용해로의 폐열을 이용하여 예열해준다.

또한, 본 발명에서는 상부 금형의 중앙부에 원통형의 상부 코어가 설치되어 있으므로, 용탕을 금형 내부로 직접 주입하기가 매우 위험하므로 별도의 주입 컵을 만들어 상부 코어의 중공부를 통해 용탕의 주입이 원활히 이루어지도록 함으로써 작업시의 안전을 확보 하였다.

금형 내부로 주입되는 용탕에는 중력과 원심력이 동시에 작용하므로 디스크의 회전속도가 빠르면 가파른 포물선 상태로 채워지고, 디스크의 회전속도가 느리면 완만한 포물선 상태로 캐비티 내위 안쪽 보다는 바깥쪽, 위쪽 보다는 아래쪽부 터 채워지게 되며, 하부 코어(4)의 윗 부분 가장자리에 이르럿는 캐비티의 아래부분이 모두 채워지고 윗 부분의 채워지지 않은 부분만 남게 되는데, 이 부분도 동일한 과정을 거쳐 채워지면서 상부 코어(5)의 안쪽 가장자리에 이르러서는 상부 코어(5)의 중공부(5c) 부분의 아랫부분만 채워지지 않고 모든 캐비티가 용탕으로 채워지게 된다.

용탕의 주입량은 캐비티 내에서의 용탕이 응고되면서 수축되는 정도를 미리 예측하여 주입함으로써 적정량의 용탕 주입이 가능하다.

한편, 용탕의 주입 초기와 중간 및 종료 시점의 회전속도는 용탕의 이물질과 주입시 발생하는 이물질을 어느부분에 있도록 할 것인가에 관한 문제가 되므로 주물의 형태에 따라 처음부터 용탕을 어느 부분부터 채워 올 것인가를 고려하여 정하면 된다.

상기한 용탕의 주입완료 후 소정의 냉각시간이 경과된 후에는 상부 금형을 분리한 성형품(P)을 금형으로부터 탈형하고, 탈형된 성형품(P)에서 상,하부 코어를 분리한 후 숏 블라스트 처리와 절삭가공을 거쳐 최종제품을 완성한다.

도 1은 본 발명에 의한 원심주조법을 설명하기 위한 원심주조용 금형의 분리상태 단면도,

도 2는 도 1에 도시된 원심주조용 금형의 결합상태 단면도,

도 3은 금형 내에 용탕이 주입된 상태를 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 디스크 2 : 하부 금형

2a : 코어 안치홈 3 : 상부 금형

3a : 코어 안치홈 3b : 볼트구멍

4 : 하부 코어 5 : 상부 코어

5a : 볼트 5b : 고정너트

5c : 중공부 6 : 중간 금형

P : 성형품

Claims (3)

1. 수직형 원심 주조 금형을 이루는 하부 금형(2)과 상부 금형(3)의 중앙부에 각각 주물사로 이루어진 하부 코어(4)와 상부 코어(5)로 분할된 코어를 고정시키되, 상부 코어(5)는 그 내부를 공동(空洞)으로 하여 이 중공부(5c)를 통해 용탕을 주입할 수 있도록 하며, 상기 상부 코어(5)와 하부 코어(4) 사이에는 수평방향으로 이격된 상태로 설치하여 이 이격공간을 통해 상부 코어의 중공부에 주입된 용탕이 금형 내부로 채워질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 중공 코어를 이용한 수직형 원심주조법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 상,하부 코어(4,5)는 크롬사로 이루어진 것을 특징으로 하는 중공 코어를 이용한 수직형 원심주조법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 상,하부 금형(2,3)의 중앙부에는 각각 코어 안치홈(2a,3a)이 형성되고, 이 코어 안치홈(2a,3a)에 각각 코어(4,5)가 안치되되, 상부 코어(5)는 그 내부에 철제의 뼈대를 얽어 그 뼈대 주위를 안팎으로 주물사(크롬사)로 채워서 다져 성형하고, 내부 뼈대에서 상부로 볼트(5a)를 외부로 노출되게 연장설치하여 상부 금형(3)의 중앙부에 형성된 코어 설치홈(3a)에 천공된 볼트구멍(3b)에 결합시켜 외부 에서 고정너트(5b)를 체결하여 매다는 식으로 고정하는 것을 특징으로 하는 중공 코어를 이용한 수직형 원심주조법.

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