KR20140006400A - 중력 주조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내부에 캐비티가 형성된 하형과 내부에 압탕이 형성된 상형을 포함하는 금형에 용탕을 주입하되, 상기 캐비티와 압탕은 개통되어 압탕에 주입된 용탕이 캐비티 내에 주입된 용탕을 가압하도록 구성된 중력 주조 방법에 있어서, 상기 금형 내에 용탕을 주입하는 단계; 및 상형 위로 밀폐된 공간이 형성되도록 상기 상형의 상측을 챔버캡으로 덮는 단계;를 포함하되, 상기 상형에는 내부에 주입된 용탕이 챔버캡 내부의 공기에 노출되도록 절개홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 종래에 낭비되던 열에너지로 내부압력을 증가시킴으로서 압탕의 용량을 줄일 수 있는 효과가 있다. 즉, 회수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

중력 주조 방법{Gravity casting method}

본 발명은 중력 주조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 생산제품의 품질을 저하시키지 않고 압탕의 용적을 축소하여 회수율((생산제품 중량/용탕의 주입중량) X 100)을 증가시킬 수 있는 중력주조 방법에 관한 것이다.

주조는 용해된 금속을 주형 속에서 응고시켜 제품을 제조하는 방식으로서, 기계부품은 물론 공예품이나 예술품 등과 같이 다양한 분야에서 널리 적용되고 있다.

다른 가공법과 비교하여 주조법은 중공(中空)을 갖거나 복잡한 모양을 갖는 제품도 상대적으로 쉽게 생산할 수 있고, 제품의 크기에 비교적 제한받지 않고 생산할 수 있는 장점이 있다.

주조방식은 주형의 형태에 따라 크게 일회성인 사형(sand mold) 주조와 계속해서 사용할 수 있는 금형(metal mold) 주조로 나눌 수 있다.

이중 금형주조 방식에는 다른 압력의 도움을 받지 않고 중력으로만 용탕(molten metal)을 금형에 주입하는 중력 주조 방식이 있다.

중력 주조 방식에서 주형으로 사용되는 금형은 개폐 가능한 상형과 하형으로 구성된다. 하형에는 용탕이 주입될 때 상기 용탕이 제품모양을 이루며 흘러드러 가도록 캐비티(제품의 모양을 이루는 공간) 및 런너(통로)가 형성되고, 상형에는 캐비티 내에서 냉각에 따른 용탕의 부피수축량을 보상하도록 압탕이 형성된다. 즉, 상기 압탕은 용탕의 응고에 따른 부피수축량을 보상하기 위해서 제공된 빈 공간으로서 금형 내의 용탕에 소정의 압력을 부여하여 가스를 제어하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 캐비티 내의 용탕이 응고될 때까지 압탕 내의 용탕은 용융된 상태가 유지되어야 한다. 따라서, 압탕 설계시 기본적으로 아래의 사항이 고려되어야 한다.

- 캐비티 내의 용탕이 응고 될 때가지 압탕에서 용탕이 공급되도록 넉넉한 크기를 가져야한다.

- 압탕에서는 기본적으로 항상 기준온도 이상의 용탕이 계속적으로 공급되어야 한다.

하지만, 압탕의 크기를 확대하는 경우에는 필연적으로 회수율이 저하되는 문제점이 발생한다.

가령, 디젤엔진의 실린더헤드를 상기의 중력 주조법으로 제조하는 경우, 제품의 균일한 일방향 응고를 위해 잠열을 유지하고, 주조시 생성되는 결함 및 불순물이 모일 수 있는 장소를 제공하기 위하여 제품중량과 동일한 용량의 압탕(즉, 회수율 50%)이 제공된다.

도 1 에는 중력 주조를 통해 디젤엔진용 실린더헤드를 제작하기 위한 금형(10)이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 금형(10)은 내부에 캐비티가 형성된 하형(3)과 상기 캐비티와 개통되되 소정량의 용탕이 주입될 수 있도록 압탕이 형성된 상형(1)으로 구성된다. 상기 상형(1)은 공기와의 접촉면적을 증가시키도록 직사각형 형태로 돌출된 세그멘트들(1a, 1b, 1c, 1d)을 포함하되, 각 세그멘트들(1a, 1b, 1c, 1d) 사이는 빈공간이 형성되고 내부는 연결부(2)를 통해 개통된다.

한편, 압탕에서 최종적으로 응고된 용탕은 제품 취출 후 버려지는 부분(슬러지)으로서, 생산성 측면선 압탕의 용량을 늘리는 것은 바람직하지 않았다(즉, 생산 제품의 품질저하 발생 없이 각 세그멘트들의 높이를 낮출 필요가 있었다).

따라서, 본 발명은 압량의 용량을 감소시키 제품의 회수율을 높이는 중력 주조 방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 캐비티가 형성된 하형과 내부에 압탕이 형성된 상형을 포함하는 금형에 용탕을 주입하되, 상기 캐비티와 압탕은 개통되어 압탕에 주입된 용탕이 캐비티 내에 주입된 용탕을 가압하도록 구성된 중력 주조 방법에 있어서, 상기 금형 내에 용탕을 주입하는 단계; 및 상형 위로 밀폐된 공간이 형성되도록 상기 상형의 상측을 챔버캡으로 덮는 단계;를 포함하되, 상기 상형에는 내부에 주입된 용탕이 챔버캡 내부의 공기에 노출되도록 절개홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 챔버캡은 금형이 장착된 주조장치에서 상하로 상승하강이 가능하고 축 회전이 가능한 로봇팔에 연결되어 상형 위로 안착된다.

그리고, 상기 챔버캡은 상면이 로봇팔에 연결되고 상기 상면의 테두리 부분이 하방으로 절곡된 모양을 갖도록 구성되되, 상기 챔버캡의 끝단에는 용융 또는 변형을 방지하기 위한 열해방지판이 장착된다.

상기 주조장치는 용탕을 보급하는 래들(ladle)을 구비하되, 상기 주조장치는 금형과 래들을 회전시켜 중력에 의해 용탕을 주입하는 경동식 주조장치이다.

상기 상형은, 직사각형 모양의 세그멘트들이 나란하게 이격되어 배치되고 상기 세그멘트들은 길이방향을 따라 형성된 연결부를 통해 개통되도록 구성되되, 상기 절개홀은 연결부의 길이방향을 따라 형성된다.

상기와 같은 구성의 본 발명은, 종래에 낭비되던 열에너지로 내부압력을 증가시킴으로서 압탕의 용량을 줄일 수 있는 효과가 있다. 즉, 회수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

챔버캡은 로봇팔로 개폐되도록 구성되며 끝단에는 열해방지판이 장착되어 열에 의한 변형을 방지할 수 있다.

본 발명의 절개홀은 상형의 상면에서 길이방향을 따라 형성되어 챔버캡 내부에서 공기 대류가 (일측에 치우치지 않고) 더 효율적으로 이뤄질 수 있게 하는 효과가 있다.

도 1 은 상형과 하형이 결합된 종래의 금형을 촬영한 사진과 상기 상형의 평면 모습이 나타난 평면도가 도시된 도면,
도 2 는 본 발명에 따른 상형과 하형이 결합된 금형을 촬영한 사진과 상기 상형의 평면 모습이 나타난 평면도가 도시된 도면,
도 3 은 본 발명에 따른 주조장치에서 챔버캡이 이동하기 전의 모습이 나타난 정면도 및 평면도가 도시된 도면,
도 4 는 본 발명에 따른 주조장치에서 챔버캡이 상형 위로 이동한 모습이 나타난 정면도 및 평면도가 도시된 도면,
도 5 는 상기 챔버캡이 상형 위로 하강하여 밀폐된 공간 내에서 내부공기의 대류가 발생한 모습을 화살표로 표시한 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중력 주조 방법을 더욱 상세히 설명한다.

도 2 를 참조하면, 본 발명의 금형(20)은, 용탕이 체워져 제품형상을 이루며 응고되도록 내부에 캐비티가 형성된 하형(24);과 소정량의 용탕이 체워져 캐비티 내부로 압력을 제공하도록 압탕이 형성된 상형(21);을 포함한다. 즉, 상기 캐비티와 압탕은 개통되어 압탕에 주입된 용탕이 캐비티 내에 주입된 용탕을 가압하도록 구성되되, 본 발명의 상형(21)에는 절개홀(23)이 형성된다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 하형(24)은 종래 구조의 하형과 비슷하거나 동일한 크기로 제작되는 반면, 상기 상형(21)은 직사각형 모양의 세그멘트들(21a, 21b, 21c, 21d)이 상측으로 볼록하게 돌출되되 종래의 구조보다는 낮은 높이로 돌출되며 각각은 나란하게 이격되도록 배치된다. 그리고, 상기 세그멘트들(21a, 21b, 21c, 21d)은 길이방향을 따라 형성된 연결부(22)를 통해 서로 내부가 개통되도록 구성되며, 상기 절개홀(23)은 연결부(22)의 길이방향을 따라 소정의 길이만큼 형성된다.

본 발명에 따른 주조장치(100)는 도 3 과 도 4 에 도시되었다. 본 발명의 실시예에 따른 주조장치(100)는, 금형(20)의 일측에 장착되어 용탕을 보급하는 래들(ladle)(미도시)을 구비하되 금형(20)과 래들을 회전시켜 중력에 의해 용탕을 금형으로 주입하는 경동식(傾動式) 주조장치이다. 상기 주조장치(100)는, 금형(20)의 상측에서 통(桶)모양으로서 비스듬하게 장착된 래들에 용탕이 보급되면, 상기 금형(20)과 래들을 회전시켜 중력에 의해 용탕을 금형(20) 내부로 주입하도록 구성된다. 따라서, 상기 래들은 금형(20)의 회전각이 60°정도 기울어진 상태에서 (지면과) 평행을 유지하도록 금형(20)에 고정되며, 금형(20)의 회전각이 0°가 되도록 회전하면 상기 래들은 60°정도로 세워져 용탕이 중력에 의해 금형(20) 내부로 주입된다.

도 3 은 금형(20)에 용탕이 주입된 직후 주조장치(100)의 모습을 도시한 정면도 및 평면도이다. 상기 금형(20)의 상측에서 상형(21)의 위를 덮어 밀폐공간을 형성하는 챔버캡(30)은, 상기 주조장치(100)에서 상하로 상승하강이 가능하고 축 회전이 가능하며 모터 또는 유압이나 공압에 의해 작동하는 로봇팔(40)에 연결된다. 상기 챔버캡(30)은 용탕이 완전히 주입될 때까지 금형(20)에서 멀리 위치하도록 회전된 상태에서 대기한다.

한편, 상기 챔버캡(30)은 상면이 로봇팔(40)에 연결되고 상기 상면의 테두리 부분이 하방으로 절곡된 모양을 갖도록 구성된다. 이때, 상형(21)에 맞닿게 되는 상기 챔버캡(30)의 끝단에는 열변형을 방지하기 위한 열해방지판(미도시)이 장착된다. 본 발명의 상기 열해방지판은 녹는점이 높은 세라믹재질로 제조된다.

금형(30)으로 용탕의 주입이 완료된 후, 상기 로봇팔(40)은 도 4 에 도시된 바와 같이 챔버캡(30)이 금형(20) 위에 위치하도록 회전하고 상형(21) 위로 밀폐공간이 형성되도록 챔버캡(30)을 하강시킨다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 챔버캡(30)이 상형(21) 위로 닫혀져 챔버캡(30) 내부에 밀폐공간이 형성되면, 상형(21)의 표면 및 절개홀(23)에서 발산되는 열에 의해 내부 공기는 가열되어 내부압력은 증가된다. 즉, 가열된 공기는 상기 밀폐 공간 내에서 대류에 의해 열교환이 더욱 활발해지며 이에 따라 내부 압력은 증가되고 이러한 압력은 압탕에 체류하는 용탕을 가압함으로서 (압탕 내부의) 압력을 증가시킨다.

따라서, 압탕의 설계 시 밀폐된 공간 내의 압력 증가분을 반영하여 본 발명에서는 압탕의 용적을 줄일 수 있으며, 이는 회수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명의 상형(21)은 고온의 압력을 받기 때문에 압탕의 크기를 축소하더라도 하형에 체류하는 캐비티 내의 용탕이 응고될 때까지 압탕 내에서의 용탕은 용융된 상태가 유지될 수 있다. 즉, 상기 밀폐된 공간 내의 고온고압의 내부공기는 절개홀(23)을 통해 압탕에 체류하는 용탕을 가압함으로서 잠열을 유지시켜 줄 수 있다.

이상과 같이 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

20 : 금형
21 : 상형
23 : 절개홀
30 : 챔버캡
40 : 로봇팔

Claims (5)

1. 내부에 캐비티가 형성된 하형과 내부에 압탕이 형성된 상형을 포함하는 금형에 용탕을 주입하되, 상기 캐비티와 압탕은 개통되어 압탕에 주입된 용탕이 캐비티 내에 주입된 용탕을 가압하도록 구성된 중력 주조 방법에 있어서,
   상기 금형 내에 용탕을 주입하는 단계; 및
   상형 위로 밀폐된 공간이 형성되도록 상기 상형의 상측을 챔버캡으로 덮는 단계;를 포함하되,
   상기 상형에는 내부에 주입된 용탕이 챔버캡 내부의 공기에 노출되도록 절개홀이 형성된 것을 특징으로 하는 중력 주조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버캡은 금형이 장착된 주조장치에서 상하로 상승하강이 가능하고 축 회전이 가능한 로봇팔에 연결되어 상형 위로 안착되는 것을 특징으로 하는 중력 주조 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 챔버캡은 상면이 로봇팔에 연결되고 상기 상면의 테두리 부분이 하방으로 절곡된 모양을 갖도록 구성되되, 상기 챔버캡의 끝단에는 열변형을 방지하기 위한 열해방지판이 장착된 것을 특징으로 하는 중력 주조 방법.
   
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 주조장치는 용탕을 보급하는 래들(ladle)을 구비하되, 상기 주조장치는 금형과 래들을 회전시켜 중력에 의해 용탕을 주입하는 경동식 주조장치인 것을 특징으로 하는 중력 주조 방법.
   
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상형은, 직사각형 모양의 세그멘트들이 나란하게 이격되어 배치되고 상기 세그멘트들은 길이방향을 따라 형성된 연결부를 통해 개통되도록 구성되되, 상기 절개홀은 연결부의 길이방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 중력 주조 방법.

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