KR20110059931A - 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임펠러의 제조방법과 관련되는 기술로서 보다 구체적으로는 일반적인 오픈 타입 임펠러와 다른 클로즈드(closed) 타입 임펠러의 제조에 대한 것이며, 블레이드부와 하우징부를 개별적으로 제작하도록 하는 마스터 제작단계와; 제작된 각 마스터를 이용하여 실리콘 간이금형을 제작토록 하는 실리콘 간이금형 제작단계와; 준비된 실리콘 간이금형에 액상 왁스를 주입하여 경화시킨 후 상기 실리콘 간이금형을 제거하여 블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴을 만들게 되는 왁스패턴 제작단계와; 블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴를 서로 접합시키도록 하는 클로즈드 왁스패턴 제작단계와; 클로즈드 왁스패턴 다수개를 트리(tree) 형상으로 붙이도록 하는 왁스트리 제작단계와; 상기 왁스트리를 형틀안에 위치시키고 진공상태에서 상기 형틀 내부로 액상의 석고를 주입하도록 하는 석고 주입단계와; 경화된 석고몰드에 열을 가하여 왁스트리를 녹여냄으로써 주조공간을 형성시키게 되는 주조공간 형성단계와; 석고몰드에 형성된 주조공간으로 액상의 주조재료를 주입하도록 하는 용탕주입단계와; 상기 용탕의 경화 후 고압의 물을 분사하여 석고몰드를 제거하도록 하는 고압수 분사단계와; 주조된 크로즈드 타입의 임펠러를 후처리하여 최종적인 완성품을 만들도록 하는 후처리 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법에 대한 것이다.

임펠러, 클로즈드 타입, 주조, 주물, 로스트왁스법, 왁스패턴

Description

클로즈드 타입 임펠러의 제조방법{Manufacturing method of closed type impeller}

본 발명은 임펠러의 제조방법과 관련되는 기술로서 보다 구체적으로는 일반적인 오픈 타입 임펠러와 다른 클로즈드(closed) 타입 임펠러의 제조에 대한 것이다.

송풍기나 펌프 등의 장치에는 필수적으로 임펠러가 사용되며, 상기 임펠러는 다수의 블레이드를 갖추고 있는 관계로 그 제작에 어려움이 따르게 된다. 일반적인 오픈 타입의 임펠러는 다양한 제조법들이 알려져 있다.

오픈 타입 임펠러와 클로즈드 타입 임펠러는 아래와 같이 정의될 수 있다.

먼저 오픈(open) 타입 임펠러는 도1과 같이 다수의 블레이드를 갖추되 상기 블레이드들의 외곽 끝단부는 자유단 형태로 개방된 상태인 것을 의미하며, 반면에 클로즈드 타입 임펠러는 블레이드의 외곽부를 감싸면서 블레이드들과 연결되는 하우징을 갖는 형태의 것이다.

오픈 타입 임펠러의 제작방법과 관련되는 종래기술로는 대한민국 특허등록번호 제438277호의 기술이 있으며, 도2는 이에 따른 제작방법을 보여주는 사시도이 다. 도시된 바와 같이 도2에 따른 오픈 타입 임펠러는 결합홈(111)이 형성되는 허브부(110)를 별도 제작하고 블레이드(120)를 상기 결합홈(111)에 용접으로 부착시키도록 한다. 상기와 같은 방법에 의하면 제작비용이나 시간이 많이 소요되고 용접 결합이 있는 경우에는 임펠러의 파손이 쉽게 유발될 수 있는 등의 문제점이 있었다.

또 다른 오픈 타입 임펠러 제작에 관한 기술로는 대한민국 특허출원번호 제10-2000-0054264호의 "임펠러 제작을 위한 왁스제작용 몰드"가 있었다. 상기 기술은 주조방식으로 오픈 타입 임펠러를 제작하기 위한 왁스몰드에 관한 것이며, 이러한 왁스몰드를 이용하여 인베스트먼트 주조(흔히 로스트왁스법이라 한다)를 통해 임펠러를 제작하는 기술을 소개하고 있다.

인베스트먼트 주조는 공지된 기술에 해당되며, 이와 관련되는 기술자료로는 공업재료가공학(Serope Kalpakjian, 제3판) 246~248 페이지에 상세히 언급되어 있다.

첨부되는 도3은 상기 인베스트먼트 주조의 공정을 보여주는 개략도이며, 모형 제작용 금형을 이용하여 왁스모형을 만들게 되며, 이후 모형들을 조립하여 하나의 트리(tree)를 형성시키고 슬러리코팅을 실시하여 주형을 완성하게 된다. 상기 슬러리코팅은 모형을 내화성 재료에 담궈 그 표면에 피복층이 형성되게 하는 것으로 반복적인 작업을 통해서 슬러리코팅 두께가 점차 두꺼워지도록 해야 한다. 이어서 적당한 온도의 열을 가하여 슬러리코팅층 내부에 존재하였던 왁스모형을 녹여 배출시키게 된다. 왁스제거가 이루어지면 용탕을 주입하여 경화시키고 마지막으 로 상기 슬러리코팅층을 제거하면 모형과 같은 주물 제품이 만들어진다.

설명한 바와 같은 일반적인 로스트왁스법에 의하면 모형을 내화성 재료에 담궈 슬러리코팅층을 두껍게 형성시키는데, 보통 수일이 걸릴 정도로 시간이 많이 소요되어 생산성이 떨어지는 문제점이 있었고 내부에 복잡한 유로가 있는 제품과 같은 것의 제작에는 부적합하다는 문제점도 있었다.

특히 본 발명과 관련하여 클로즈드 타입의 임펠러와 같이 다수의 블레이드가 형성되고 외부에서 내부 유로로 접근하기 어려운 제품인 경우에는 종래의 로스트왁스법으로는 모형 자체의 제작이 어려워 주조방식을 통한 클로즈드 타입의 임펠러 제조는 불가능한 것으로 인식되고 있었다.

본 발명의 클로즈드 타입의 임펠러와 형상에 있어 유사성이 있는 종래의 기술에 따른 제조방법은 대한민국 특허출원번호 제10-1994-0009413호의 "임펠러 및 그 제조방법과 임펠러를 갖는 와류블로워"에 언급되어 있다.

보다 구체적으로 특허공보 9페이지로부터 와류블러워의 임펠러 제조방법에 관한 다양한 실시예가 기재되어 있는데, 대표적으로 첫째, 날개와 보호판을 별개로 형성하여 서로 체결하는 기술, 둘째 보호판에 날개를 압입한 후 초음파 땜납을 하는 기술, 셋째 다수의 코어를 원주상으로 바깥틀 속에 배치하고 하부틀을 두며 주입구를 통해 유체를 주입하여 날개와 보호판을 일체로 구성하도록 하는 기술이다.

하지만, 날개와 보호판을 별개로 제작하여 붙이거나 금형을 이용하는 방법으로는 여전히 생산성이 떨어지고 제조비용이 지나치게 비싸게 되는 등의 결점이 있었고 본 발명에서 구현하고자 하는 보다 복잡한 형상의 클로즈드 타입의 임펠러를 제조하는 방식으로는 적합치 않다.

따라서 본 발명에서는 오픈 타입의 임펠러와 달리 복잡한 내부 유로를 갖는 클로즈드 타입의 임펠러를 제공함에 있어서, 보다 생산성이 높고 저렴하게 제공할 수 있도록 하기 위해 로스트왁스법을 응용한 새로운 주조법을 제시하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명은, 블레이드 외측으로 하우징이 결합되는 클로즈드(Closed) 타입의 임펠러 제작방법으로서, 블레이드부와 하우징부를 개별적으로 제작하도록 하는 마스터 제작단계와; 제작된 각 마스터를 이용하여 실리콘 간이금형을 제작토록 하는 실리콘 간이금형 제작단계와; 준비된 실리콘 간이금형에 액상 왁스를 주입하여 경화시킨 후 상기 실리콘 간이금형을 제거하여 블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴을 만들게 되는 왁스패턴 제작단계와; 블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴를 서로 접합시키도록 하는 클로즈드 왁스패턴 제작단계와; 클로즈드 왁스패턴 다수개를 트리(tree) 형상으로 붙이도록 하는 왁스트리 제작단계와; 상기 왁스트리를 형틀안에 위치시키고 진공상태에서 상기 형틀 내부로 액상의 석고를 주입하도록 하는 석고 주입단계와; 경화된 석고몰드에 열을 가하여 왁스트리를 녹여냄으로써 주조공간을 형성시키게 되는 주조공간 형성단계와; 석고몰드에 형성된 주조공간으로 액상의 주조재료를 주입하도록 하는 용탕주입단계와; 상기 용탕의 경화 후 고압의 물을 분사하여 석고몰드를 제거하도록 하는 고압수 분사단계와; 주조된 클로즈드 타입의 임펠러를 후처리하여 최종적인 완성품 을 만들도록 하는 후처리 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법을 제안한다.

바람직하게 상기 실리콘 간이금형은, 다수개로 분할되며, 고정을 위한 핀홀들이 다수 형성되는 것을 특징으로 하는 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법을 제안한다.

본 발명에 따른 제조방법에 의하면 복잡한 내부 유로로 인해 주조로는 제작이 불가능하다고 인식되었던 클로즈드 타입 임펠러를 저비용 고능율로 대량 생산할 수 있게 된다는 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법에 관하여 보다 상세한 설명을 전개하기로 하며, 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 보여주는 관련도면을 참조하는 것으로 한다.

본 발명은 기본적으로 여러 주조법 중에서도 로스트왁스법을 응용한 것이나, 기존 알려진 일반적인 프로세스에 따른 로스트 왁스법으로는 제조가 불가능하였던 클로즈드 타입의 임펠러를 제작하기 위한 새로운 형태의 제조방법이다. 즉, 본 발명은 복잡한 내부유로를 갖는 클로즈드 타입 임펠러의 제작에 적합한 기술로서 종래기술에서도 살펴본 바와 같이 오픈 타입 임펠러와 달리 클로즈드 타입 임펠러는 상대적으로 보다 복잡한 구조로 이루어져 일반적인 로스트왁스법으로의 제조가 시 도되지 못하였고 금형을 이용하거나 용접과 같은 방법에 의한 제작이 이루어지고 있었다.

도4는 클로즈드 타입 임펠러의 개략적인 사시도를 보여주며, 상기 클로즈드 타입 임펠러는 다수의 블레이드(130)로 이루어지는 블레이드부(100)와 상기 블레이드(130) 주변을 감싸 연결되는 하우징부(200)로 이루어지며, 상기 블레이드부(100)는 바닥판(110)과 그 중심부에 형성되는 센터축(120) 및 상기 바닥판(110)과 센터축(120)과 연결되는 다수의 블레이드(130)로 이루어진다. 상기 바닥판(110) 상면으로부터 각 블레이드(130)는 일정한 간격을 이루면서 상방으로 형성된다. 하우징부(200)는 링 형상으로서 블레이드(130)를 감싸는 형태를 이루게 되는데, 특히 상기 하우징부(200) 하단부는 바닥판(110)으로부터 시작되는 각 블레이드(130)와 연결되며 이로 인해 상기 하우징부(200) 하단부와 바닥판(110) 사이에는 유체가 흐를 수 있는 공간이 구비된다. 그리고 블레이드(130)들은 하우징부(200) 내경면과 연결되어 각각 분리된 내부유로를 형성하게 된다.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 클로즈드 타입 임펠러의 제작방법으로 본 발명은 크게 마스터 제작단계(S1), 실리콘 간이금형 제작단계(S2), 왁스패턴 제작단계(S3), 클로즈드 왁스패턴 제작단계(S4), 왁스트리 제작단계(S5), 석고 주입단계(S6), 주조공간 형성단계(S7), 용탕주입단계(S8), 고압수 분사단계(S9) 및 후처리 단계(S10)를 포함하여 구성된다. 도5와 도6은 본 발명에 의한 클로즈드 타입 임펠러의 제조과정을 보여주는 공정도이다.

먼저, 마스터 제작단계(S1)는 에폭시 등의 호적한 합성수지를 재료로 하여 후술할 실리콘 간이금형을 만들기 위해 블레이드부(100)와 하우징부(200)를 개별적으로 제작하는 것으로 CNC 장비나 알피(rapid prototype)장비를 이용할 수 있다. 마스터 제작단계에서 의미하는 블레이드부(100)와 하우징부(200)는 최종 제품인 클로즈드 타입 임펠러를 만들기 위한 것으로 모형에 해당되는 것이다.

제작된 각 마스터를 이용하여 실리콘 간이금형을 만드는 실리콘 간이금형 제작단계(S2)가 뒤따르며, 바람직하게는 사각형틀에 준비된 마스터를 설치하고 액상 실리콘을 채워 경화시킨 후 해체가 용이하도록 여러 부분으로 분할시키도록 한다. 여러 파트로 분할시킨 실리콘 간이금형으로부터 마스터를 제거하도록 하며 분할된 실리콘 간이금형들을 다시 결합시켜서 다음 단계에서 왁스패턴을 제작하게 된다.

실리콘 간이금형은 마스터의 형상을 고려하여 적당한 갯수로 분할시키도록 하면 되고, 특히 수개로 분할되는 실리콘 간이금형들을 보다 정확하게 재결합될 수 있도록 하고자 핀으로 고정시킬 수 있는 핀홀(PH)을 적당한 위치에 형성시키도록 함이 좋다.

다음으로 왁스패턴 제작단계(S3)가 이어지는데, 준비된 실리콘 간이금형에 액상 왁스를 주입하여 경화시킨 후 상기 실리콘 간이금형을 해체하여 제거하면 블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴을 만들 수 있다.

이어서 클로즈드 왁스패턴 제작단계(S4)가 뒤따르며, 개별적으로 제작된 블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴을 서로 접합 일체화시키는 것을 의미한다. 상기 블레이드부 왁스패턴 위로 하우징부 왁스패턴을 끼워 위치시킨 후 적합한 접착물질로 하우징부와 블레이드부 왁스패턴을 서로 연결시키도록 한다. 상기 하우 징부 왁스패턴과 블레이드부 왁스패턴이 서로 접합되는 영역은 블레이드와 하우징 내경면 및 하우징부 하단부와 블레이드가 바닥판으로부터 형성되는 기점 부근이 된다. 상기 접착물질로는 액상의 왁스가 사용될 수도 있고 그 외 소정의 온도에서 녹을 수 있는 물질이라면 무방하다.

클로즈드 왁스패턴을 다수개 만든 후에는 왁스트리 제작단계(S5)가 이어지며 이것은 일반적인 로스트 왁스법에서와 마찬가지로 탕구가 될 길다란 기둥을 따라 준비된 클로즈드 왁스패턴들을 적절한 위치에 연결하는 것을 의미한다.

왁스트리를 제작한 후에는 상기 왁스트리를 소정의 형틀안에 위치시키고 진공상태에서 상기 형틀 내부로 액상 석고를 주입하는 석고 주입단계(S6)가 이어진다. 석고 주입단계(S6)를 통해서 왁스트리에 결합된 클로즈드 왁스패턴은 그 주변 및 내부 공간에 석고로 채워져 상기 석고는 경화된다.

보다 바람직하게는 석고에 세라믹을 일부 혼합한 석고세라믹을 이용하여 형틀 내부로 액상의 석고세라믹을 주입하도록 함이 좋다. 이것은 석고의 해체 용이성과 세라믹의 강도를 적절히 이용하기 위한 것이다.

다음으로 주조공간 형성단계(S7)가 이어지며, 경화된 석고몰드(혹은 석고세라믹 몰드)를 뒤집은 후 열을 가해 왁스트리를 녹여내는 것으로 석고몰드로부터 제거된 왁스트리로 인해 석고몰드 내부에는 주조공간이 만들어지게 된다.

이어서 용탕주입단계(S8)가 뒤따르며 상기 석고몰드에 형성된 주조공간으로 액상의 주조재료, 예를 들어 알루미늄 용탕을 주입하도록 한다. 용탕이 경화되고 나면 고압수 분사단계(S9)가 수행되는데, 이것은 고압의 물을 석고몰드를 향해 분 사하는 것으로 석고몰드만이 제거되고 경화된 주물을 얻게 된다.

마지막으로 주조된 클로즈드 타입의 임펠러에 대한 후처리단계(S10)가 수행되며, 후가공으로 표면 선삭이나 열처리 등을 실시하여 최종적인 완성품을 만들게 된다. 후처리단계에서 이루어질 수 있는 것들은 공지된 기술 자체이므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명의 제조방법을 통해 완성되는 클로즈드 타입의 임펠러는 블레이드부와 하우징부가 주조방식에 의해 일체화되게 제작되며, 블레이드 사이의 내부유로도 정확하게 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법은 주조방식으로 제작이 불가능하다고 인식되었던 클로즈드 타입의 임펠러를 로스트왁스법의 응용으로 신속하면서도 고효율적으로 제작할 수 있음으로 종래 기술을 대체하여 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

도1은 오픈 타입 임펠러의 사시도.

도2는 오픈 타입 임펠러의 제작방법을 보여주는 사시도.

도3은 인베스트먼트 주조의 공정을 보여주는 개략도.

도4는 클로즈드 타입 임펠러의 개략적인 사시도.

도5와 도6은 본 발명에 의한 클로즈드 타입 임펠러의 제조과정을 보여주는 공정도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

S1:마스터 제작단계 S2:실리콘 간이금형 제작단계

S3:왁스패턴 제작단계 S4:클로즈드왁스패턴 제작단계

S5:왁스트리 제작단계 S6:석고주입단계

S7:주조공간 형성단계 S8:용탕주입단계

S9:고압수 분사단계 S10:후처리단계

100 : 블레이드부 110 : 바닥판

120 : 센터축 130 : 블레이드

200 : 하우징부 PH : 핀홀

Claims (2)

1. 블레이드 외측으로 하우징이 결합되는 클로즈드(Closed) 타입의 임펠러 제작방법으로서,

   블레이드부와 하우징부를 개별적으로 제작하도록 하는 마스터 제작단계와;

   제작된 각 마스터를 이용하여 실리콘 간이금형을 제작토록 하는 실리콘 간이금형 제작단계와;

   준비된 실리콘 간이금형에 액상 왁스를 주입하여 경화시킨 후 상기 실리콘 간이금형을 제거하여 블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴을 만들게 되는 왁스패턴 제작단계와;

   블레이드부 왁스패턴과 하우징부 왁스패턴를 서로 접합시키도록 하는 클로즈드 왁스패턴 제작단계와;

   클로즈드 왁스패턴 다수개를 트리(tree) 형상으로 붙이도록 하는 왁스트리 제작단계와;

   상기 왁스트리를 형틀안에 위치시키고 진공상태에서 상기 형틀 내부로 액상의 석고를 주입하도록 하는 석고 주입단계와;

   경화된 석고몰드에 열을 가하여 왁스트리를 녹여냄으로써 주조공간을 형성시키게 되는 주조공간 형성단계와;

   석고몰드에 형성된 주조공간으로 액상의 주조재료를 주입하도록 하는 용탕주입단계와;

   상기 용탕의 경화 후 고압의 물을 분사하여 석고몰드를 제거하도록 하는 고압수 분사단계와;

   주조된 클로즈드 타입의 임펠러를 후처리하여 최종적인 완성품을 만들도록 하는 후처리 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 실리콘 간이금형은,

   다수개로 분할되며, 고정을 위한 핀홀들이 다수 형성되는 것을 특징으로 하는 클로즈드 타입 임펠러의 제조방법.

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