KR20130068275A

KR20130068275A - 금속체의 내부관로 형성 방법 및 이를 이용한 모터케이스의 제조방법

Info

Publication number: KR20130068275A
Application number: KR1020110135271A
Authority: KR
Inventors: 김흥주
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-26

Abstract

모터케이스 제조방법이 개시된다, 본 방법은, 일체형으로 다이캐스팅된 모터케이스를 준비하는 단계; 상기 모터케이스의 외면에 마찰표면개질용 프로브가 삽입될 요홈을 형성하는 단계; 상기 요홈에 상기 마찰표면개질용 프로브를 삽입한 후 상기 프로브를 회전시키면서 소정의 길이만큼 마찰교반을 진행하여 상기 모터케이스의 내부에 연속적인 관로를 형성하는 단계; 및 상기 마찰표면개질용 프로브를 제거한 후 상기 모터케이스의 내부에 형성된 상기 관로에 각각 연결되는 냉각수 주입구 및 냉각수 배출구를 형성하는 단계;로 구성된다.

Description

금속체의 내부관로 형성 방법 및 이를 이용한 모터케이스의 제조방법{A MOTHOD FOR FORMING AN INTERNAL CONDUIT IN A BODY OF METAL, AND A MANUFACTURING METHOD OF A MOTOR CASE}

본 발명은 금속체 내부에 관로를 형성하는 기술에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 마찰표면개질 공법을 이용하여 금속체 내부에 연속적인 관로를 형성하는 방법 및 이를 이용하여 모터케이스 내부에 냉각을 위한 관로를 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 내부에 연속적인 관로가 형성된 금속체를 제조하기 위해서는, 각각에 관로를 구성하는 홈이 형성된 내피 금속체 및 외피 금속체를 별도로 준비한 후에, 이들 내피 및 외피 금속체를 조립해야 한다. 이렇게 함으로써, 내피 및 외피 금속체에 형성된 홈들이 하나의 연속적인 관로를 구성하도록 한다.

이러한 방식은 전기자동차 등에 사용되는 모터케이스를 제조할 때 적용될 수 있다. 즉, 모터 동작시 발생하는 열을 냉각시키기 위해서 케이스 내부를 수냉 방식으로 냉각하기 위한 수냉용 관로가 형성된 모터케이스를 제조하기 위하여 상술한 방식이 주로 사용된다. 다시 말해서, 수냉 방식의 모터케이스를 제작하기 위한 방법으로, 상호 조립에 의해 내부에 수냉용 관로가 형성되는 내부 케이스 및 외부 케이스를 별도로 다이캐스팅하여 제작한 후, 이를 서로 조립한 다음 그 양 단부를 아크 용접에 의해 용접하는 방법이 사용되고 있다.

예컨대, 도 1 및 도 2에서 보듯이, 모터케이스(100)는 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)를 서로 조립하여 형성된다. 여기서, 내부 케이스(110)의 외면 및 외부 케이스(120)의 내면에는 각각 관로홈(131, 132)이 형성되어 있으며, 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)를 조립하게 되면, 이 관로홈들(131, 132)이 관로(130)를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 관로(130)는 외부 케이스(120)에 형성된 인렛(121; Inlet) 및 아웃렛(122; Outlet)에 연결되며, 모터 동작시 인렛(121)을 통해 주입된 냉각수가 관로(130)를 거쳐 아웃렛(122)으로 배출됨으로써, 냉각수의 순환에 의해 모터 동작시 발생하는 열을 냉각시키게 된다.

한편, 냉각을 위해 순환되는 냉각수가 유출되지 않도록 모터케이스(100)의 단부(A)를 밀봉해야 하는데, 종래에는 이를 위해 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)의 양 단부를 아크 용접을 통해 밀봉하였다. 그러나, 종래의 아크 용접 방식은 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)의 재질 내부에 다량의 기공을 형성하기 때문에, 냉각수의 효과적인 밀봉이 어렵다. 즉, 아크 용접된 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)의 용접부에 기공이 형성되면, 냉각수의 수압을 견디기 어려워 모터 동작시 냉각수의 누수가 발생하는 문제를 야기한다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도로 분리된 내피 및 외피의 조립을 통해 내부 관로를 형성하지 않고도, 하나의 금속체에 대한 표면개질을 통해 인위적으로 내부관로를 형성할 수 있는 금속체의 내부관로 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 일체로 형성된 모터케이스의 표면개질을 통해 모터 동작시 발생하는 열을 냉각시키기 위한 내부관로를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 금속체의 내부관로 형성방법은, 내부에 관로를 형성하고자 하는 금속체를 준비하는 단계; 상기 금속체의 표면에 마찰표면개질용 프로브가 삽입될 요홈을 형성하는 단계; 및 상기 요홈에 상기 마찰표면개질용 프로브를 삽입한 후 상기 프로브를 회전시키면서 소정의 길이만큼 마찰교반을 진행하여 상기 금속체 내부에 연속적인 관로를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 모터케이스 제조방법은, 일체형으로 다이캐스팅된 모터케이스를 준비하는 단계; 상기 모터케이스의 외면에 마찰표면개질용 프로브가 삽입될 요홈을 형성하는 단계; 상기 요홈에 상기 마찰표면개질용 프로브를 삽입한 후 상기 프로브를 회전시키면서 소정의 길이만큼 마찰교반을 진행하여 상기 모터케이스의 내부에 연속적인 관로를 형성하는 단계; 및 상기 마찰표면개질용 프로브를 제거한 후 상기 모터케이스의 내부에 형성된 상기 관로에 각각 연결되는 냉각수 주입구 및 냉각수 배출구를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 모터케이스는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 그리고, 관로 형성시, 상기 프로브의 회전속도는 500rpm 이상 및 3,000rpm 이하이고, 상기 마찰교반의 진행속도는 분당 1mm 이상 및 30mm 이하인 것이 바람직하다.

종래에는 모터케이스의 냉각 경로를 형성하기 위하여 내부 케이스 및 외부 케이스를 별도 제작한 후 그에 형성된 홈을 통해 관로를 형성하였으나, 본 발명에 따른 금속체 내부관로 형성방법을 이용하여 모터케이스를 제작하면 모터케이스를 일체로 성형한 후 그 표면을 가공함으로써 내부관로를 형성할 수 있다. 따라서, 종래의 모터케이스 제조 방법에 의하면 내부 케이스와 외부 케이스의 단부를 용접에 의해 밀봉할 필요가 있었으나, 본 발명에 따른 모터케이스 제조 방법에 의하면 추가적인 용접 공정이 필요하지 않다. 더구나, 종래와 같이 내부 및 외부 케이스의 단부를 용접하는 경우 용접 부위의 기공 발생 등에 의해 냉각수의 유출 문제가 빈번하게 발생되었으나, 본 발명에 따라 제조된 모터케이스의 경우에는 냉각수의 유출 문제가 근본적으로 발생하지 않는다.

도 1은 일반적인 다이캐스팅 공법에 의해 제조된 모터케이스의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 모터케이스의 내부 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 금속체의 내부관로 형성방법에 의해 모터케이스의 외면을 마찰표면개질하는 공정을 설명하는 개요도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마찰표면개질 공정 초기에 프로브를 모터케이스에 형성된 요홈에 삽입한 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 마찰표면개질 공정 후에 모터케이스에 비드 및 홀이 형성된 상태를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 모터케이스의 단면을 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 금속체의 내부관로 형성방법의 바람직한 실시예에 대해 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 마찰표면개질을 이용한 금속체의 내부관로 형성방법은, 내부에 관로를 형성하고자 하는 금속체를 준비하는 단계와, 상기 금속체의 표면에 마찰표면개질용 프로브가 삽입될 요홈을 형성하는 단계; 및 상기 요홈에 상기 마찰표면개질용 프로브를 삽입한 후 상기 프로브를 회전시키면서 소정의 길이만큼 마찰교반을 진행하여 상기 금속체 내부에 연속적인 관로를 형성하는 단계;를 포함하여 달성된다.

먼저, 마찰표면공정(FSP: Friction Surface Process)에 대해서 설명하면, 프로브(Probe)를 가진 비소모성 공구(Tool)를 고속으로 회전시키면서 피접합재에 삽입하면 공구와 피접합재와의 상호 마찰에 의해 열이 발생하며, 이러한 마찰열에 의해 공구 주변의 재료가 연화되어 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강제적으로 혼합되는 원리로 피접합재의 용접이 이루어지는 용접 방법을 말한다. 이러한 접합법은 기존 용융 접합에 비해 기계적 특성 향상 및 우수한 접합부를 형성하며, 접합용 공구와 시편의 마찰열을 이용하여 기존의 용융 용접에 비해 낮은 입열로 용접이 이루어지기 때문에 작은 잔류응력, 적은 변형 등의 장점을 가진다. 본 발명의 발명자는, 일반적인 마찰표면공정이 용접에 사용되지만, 단일 재료의 표면에 적용되는 경우 프로브가 접촉하는 영역에는 재료의 소성 유동이 이루어지는 반면에 그 하부에 결함으로서 중공의 홀이 형성되는 점을 이용하여, 일반적인 금속체 내부에 연속적인 관로를 형성하기 위해 적용 가능함을 알아내었다. 이를 이용한 금속체 내부에 연속적인 관로를 형성하는 기술을 특히 모터케이스를 냉각하기 위해 케이스 내부에 냉각용 관로를 형성하는 경우에 유리하게 적용될 수 있으므로, 이하에서는 본 발명에 따른 방법이 모터케이스 제조에 적용된 예를 중심으로 설명한다.

도 3에서 보듯이, 먼저 일체형으로 다이캐스팅된 모터케이스(100)를 준비한다. 여기서, 모터케이스(100)는 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 그리고, 모터케이스(100)의 외면의 소정의 위치에 마찰표면개질용 공구(200)의 일단에 형성된 프로브(210)가 삽입될 수 있는 요홈(140)을 형성한다.

그 후, 공구(200)를 회전시키면서 모터케이스(100)의 표면을 따라 마찰개질 프로세스를 진행하게 되는데, 여기서 공구(200)는 도 3에 도시한 바와 같이 일반적으로 그립(230), 숄더(220) 및 프로브(210)를 포함한다. 프로브(210)는, 초기에 도 4에서와 같이, 요홈(140)에 삽입된 후 고속 회전에 의해 마찰열을 발생시켜, 케이스(100)의 표면 영역을 소성 가공하게 된다. 프로브는 500rpm 이상 및 3,000rpm 이하의 회전속도로 회전되면서 케이스(100)의 표면 영역을 소성 가공한다. 그 후, 케이스(100)를 회전시키면서 공구(200)에 대해 상대적으로 변위시키게 되면, 케이스(100)의 외주면을 따라 표면이 개질된 비드(150; Bead)가 형성된다. 이때, 비드의 형성 속도 즉, 마찰교반의 진행속도는 분당 1mm 이상 및 30mm 이하의 범위로 조절되는 것이 바람직하다.

이와 같은 마찰교반에 의한 표면개질은, 예컨대 도 5에서 보듯이, 비드(150)를 형성하면서, 동시에 소성가공된 비드(150)의 하부에 홀(133)을 형성하게 된다. 이러한 홀(133)은 프로브(210)가 케이스(100)의 외주면을 따라 진행되면서 연속적으로 형성되며, 따라서 도 3에서 보듯이, 비드(150)가 형성된 영역 하부에 연속적인 홀(133)이 형성된다.

이러한 방법으로 형성된 연속적인 홀(133)은, 예컨대 도 6에서 보듯이, 대략 원통형인 모터케이스(100)의 내부에 형성된 관로(130)로 이용될 수 있다. 즉, 모터케이스(100)에 형성된 관로(130)의 양단에 냉각수 주입구(134) 및 냉각수 배출구(135)를 추가로 형성한다. 그리하여, 냉각수 주입구(134)를 통해 주입된 냉각수가 관로(130)를 따라 흐른 뒤 냉각수 배출구(135)를 통해 배출될 수 있으므로, 이러한 순환 경로를 통해 냉각수를 순환시켜, 모터 동작시 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

종래에는 모터케이스의 냉각 경로를 형성하기 위하여 내부 케이스 및 외부 케이스를 별도 제작한 후 그에 형성된 홈을 통해 관로를 형성하였으나, 본 발명에 따른 금속체 내부관로 형성 방법을 이용하여 모터케이스를 제작하면 모터케이스를 일체로 성형한 후 그 표면을 가공함으로써 내부관로를 형성할 수 있다. 따라서, 종래의 모터케이스 제조 방법에 의하면 내부 케이스와 외부 케이스의 단부를 용접에 의해 밀봉할 필요가 있었으나, 본 발명에 따른 모터케이스 제조 방법에 의하면 추가적인 용접 공정이 필요하지 않다. 더구나, 종래와 같이 내부 및 외부 케이스의 단부를 용접하는 경우 용접 부위의 기공 발생 등에 의해 냉각수의 유출 문제가 빈번하게 발생되었으나, 본 발명에 따라 제조된 모터케이스의 경우에는 냉각수의 유출 문제가 근본적으로 발생하지 않는다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

내부에 관로를 형성하고자 하는 금속체를 준비하는 단계;
상기 금속체의 표면에 마찰표면개질용 프로브가 삽입될 요홈을 형성하는 단계; 및
상기 요홈에 상기 마찰표면개질용 프로브를 삽입한 후 상기 프로브를 회전시키면서 소정의 길이만큼 마찰교반을 진행하여 상기 금속체 내부에 연속적인 관로를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰표면개질을 이용한 금속체의 내부관로 형성방법.
일체형으로 다이캐스팅된 모터케이스를 준비하는 단계;
상기 모터케이스의 외면에 마찰표면개질용 프로브가 삽입될 요홈을 형성하는 단계;
상기 요홈에 상기 마찰표면개질용 프로브를 삽입한 후 상기 프로브를 회전시키면서 소정의 길이만큼 마찰교반을 진행하여 상기 모터케이스의 내부에 연속적인 관로를 형성하는 단계; 및
상기 마찰표면개질용 프로브를 제거한 후 상기 모터케이스의 내부에 형성된 상기 관로에 각각 연결되는 냉각수 주입구 및 냉각수 배출구를 형성하는 단계;를 포함하는 모터케이스의 제조 방법
제2항에 있어서,
상기 모터케이스는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 모터케이스의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 관로를 형성하는 단계에서, 상기 프로브의 회전속도는 500rpm 이상 및 3,000rpm 이하이고, 상기 마찰교반의 진행속도는 분당 1mm 이상 및 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 모터케이스의 제조 방법.