KR20140116999A - 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배압 금형 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단조 공정시 스파이럴랩 부분의 높이 편차를 줄이고, 금형의 파손 및 배압핀의 좌굴 위험을 줄일 수 있는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형 장치는, 상부는 개방되고 하부는 밀폐된 원통형으로 구성되되, 내측 바닥면에는 상방으로 나선형으로 돌출된 코어와, 상기 나선형 코어 사이에 형성되어 피성형물이 스크롤의 스파이럴랩으로 성형되는 공간인 캐비티를 포함하고, 하부 외측 바닥면으로부터 내부 캐비티와 연통되는 복수의 배압핀홀이 천공된 금형몸체와; 상기 금형몸체의 상방으로부터 투입된 피성형물을 가압하는 가압펀치와; 상기 금형몸체의 바닥면에 천공된 배압핀홀에 삽입되어 금형몸체의 캐비티 내부에서 피성형물의 스파이럴랩 부분으로 성형되는 부분에 수직 방향 배압을 가해주기 위한 배압핀을 포함한다.

Description

압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치{CLOSED TYPE BACK PRESSURE FORGING DIE DEVICE FOR MANUFACTURING A SCROLL FOR COMPRESSOR}

본 발명은 배압 금형 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단조 공정시 스파이럴랩 부분의 높이 편차를 줄이고, 금형의 파손 및 배압핀의 좌굴 위험을 줄일 수 있는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치에 관한 것이다.

현재, 자동차 에어컨용 냉매압축기로 스크롤 압축기(scroll compressor)가 널리 사용되고 있다. 스크롤 압축기는 마주보는 두개의 스크롤(스윙 스크롤, 고정스크롤) 중 스윙 스크롤이 회전하면서 냉매를 압축하고 컨덴서로 밀어내는 작용을 통해 압축기의 역할을 수행한다.

도 1 에는 미국 등록특허 제6,702,907호에 게재된 종래 압축기용 스크롤의 구조가 도시된다. 도시된 바와 같이, 일반적인 압축기용 스크롤은 플렌지(12)와, 상기 플렌지(12) 상에 일정 높이 나선형으로 돌출 형성된 스파이럴랩(11)을 포함한다. 이러한 스크롤은 주로 단조 방법에 의해 성형되는데, 이러한 단조 방법에 의하면 소재 절감 및 기계적 성질 향상 효과를 가져올 수 있기 때문이다.

도 2 의 (a)에는 통상적인 단조 방법에 의한 스크롤 성형 방법이 단면도로 도시된다. 도시된 바와 같이, 스크롤 성형을 위한 단조 공정에는 피성형물(5)이 수용되도록 상부가 개방되며, 하부는 밀폐되고, 내측 바닥면에는 스파이럴랩 부분을 성형하기 위한 나선형의 코어(2a)가 상방으로 돌출 형성된 금형몸체(2)와, 상기 금형몸체(2)의 개방된 상부를 통하여 투입된 피성형물(5)을 상방으로부터 타격 가압하는 가압펀치(1)를 포함하는 금형 장치가 사용된다. 성형 방법을 보다 구체적으로 설명하면, 도 2 의 (a)에 도시된 바와 같이, 금형몸체(2)의 상부 개구를 통하여 판형 또는 블록형상의 피성형물(5)이 투입된 상태에서, 상방으로부터 가압펀치(1)를 이용하여 수회 타격 가압하면, 금형몸체(2) 내측에 돌출 형성된 코어(2a) 사이의 캐비티(2b) 공간에서 피성형물(5)이 늘어나면서 나선형의 스파이럴랩(11)이 형성되는 것이다.

그런데, 이와 같은 통상의 단조 방법에 의하면, 도 2 의 (a)에 도시된 바와 같이, 금형몸체(2)의 캐비티(2b) 내에서 피성형물(5)이 늘어나는 정도가 서로 달라, 도 1 에 도시된 바와 같은 스파이럴랩(11)의 서로 다른 위치(11a,11b,11c)에서 높이 편차가 발생하는 문제가 초래된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 위 미국 등록특허 제6,702,907호에서는 금형몸체(2)의 캐비티(2b) 부분을 바닥면까지 연장 천공하여 하부 바닥면을 개방시키고, 개방된 캐비티(2b)에 하방으로부터 펀치 가압력과 반대방향으로 작용하는 배압을 작용시키기 위해 배압핀(7)을 삽입함으로써 스파이럴랩(11)의 높이 편차를 줄이는 방법을 제시하였다. 여기서, 배압핀(7)은 하단부가 승하강 가능한 배압플레이트(3)에 고정 결합되고, 배압핀(7)의 상단부에는 배압패드(6)가 구비되되, 상기 배압패드(6)는 캐비티(2a) 내에서 성형되는 스파이럴랩(11)의 하단부면에 접촉되어 배압핀(7)에 의해 가해지는 배압을 스파이럴랩(11) 부분에 균일하게 배분되도록 한다. 이러한 방법에 따르면, 금형몸체(2)의 캐비티 내(2a)에 배압핀(7)에 의해 수직방향으로 배압이 작용하여 캐비티(2b)의 모든 부분에서 균일한 길이의 스파이럴랩(11)이 형성될 수 있다.

그러나, 위와 같이, 캐비티(2b)의 하부가 개방된 배압 금형의 경우, 내측 나선형 코어(2a) 부분이 캔틸레버 빔과 같이 상단에서만 금형몸체(2)에 고정되어 나선형상으로 꼬인 구조를 가지고 있기 때문에, 가압펀치(1)로 가압하는 경우 캔틸레버 빔의 고정단 부분, 즉, 나선형 코어(2a)의 상단부에 변형이 집중되어 쉽게 파손되는 문제가 있는 것으로 판명되었다. 또한, 종래 개방형 배압 금형의 경우, 먼저 압출되는 스파이럴랩 부분에 의해 나선형 코어가 수직 방향 변형은 물론 횡압을 받아 측면으로 변형되면서 크랙이 발생할 수 있다. 도 3 에 이러한 기존 개방형 배압 금형의 파손 상태 사진이 제시된다.

이러한 문제를 해결하고자 스파이럴랩이 균일하게 압출되도록 배압을 형성시키는 것이 중요하나, 배압이 부족하더라도 금형이 구조적으로 횡압에 버텨주어야만 안정성이 보장될 수 있다. 이에, 안정적인 배압 형성이 가능하고, 수직 방향 변형 및 횡압에 의한 측면 변형을 동시에 방지할 수 있는 구조를 갖는 금형 개발이 요구된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 압축기용 스크롤 성형시 사용되는 배압 금형 장치의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 스파이럴랩의 높이 편차가 발생하지 않으면서도, 나선형 코어 부분의 파손이 방지되고, 배압핀의 좌굴 현상이 발생하지 않는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형 장치는, 상부는 개방되고 하부는 밀폐된 원통형으로 구성되되, 내측 바닥면에는 상방으로 나선형으로 돌출된 코어와, 상기 나선형 코어 사이에 형성되어 피성형물이 스크롤의 스파이럴랩으로 성형되는 공간인 캐비티를 포함하고, 하부 외측 바닥면으로부터 내부 캐비티와 연통되는 복수의 배압핀홀이 천공된 금형몸체와; 상기 금형몸체의 상방으로부터 투입된 피성형물을 가압하는 가압펀치와; 상기 금형몸체의 바닥면에 천공된 배압핀홀에 삽입되어 금형몸체의 캐비티 내부에서 피성형물의 스파이럴랩 부분으로 성형되는 부분에 수직 방향 배압을 가해주기 위한 배압핀을 포함한다.

여기서, 상기 금형몸체의 캐비티 내 배압핀과 피성형물 사이에는 배압패드가 개재되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 배압핀홀은 나선형으로 형성된 캐비티를 따라 복수개가 일정 간격으로 이격되어 연속 배열됨에 따라 나선형의 괘적을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금형몸체의 바닥면 두께는 10mm 내지 35mm 인 것이 바람직하고, 상기 배압핀의 직경은 스파이럴랩의 두께보다 더 큰 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 금형몸체의 하부가 밀폐됨으로써 나선형 코어 부분이 캔틸레버 빔 구조를 갖지 않게 되고, 바닥면 두께의 증가로 하중 집중으로 인한 금형의 파손이 방지될 수 있으며, 배압핀 직경의 조절을 통하여 배압핀의 좌굴을 방지할 수 있는 장점을 갖는다.

도 1 은 종래 압축기용 스크롤의 사시도,
도 2 는 단조 방법에 의한 종래 압축기용 스크롤 제조 방법을 모식적으로 나타낸 도면,
도 3 은 종래 개방형 배압 금형의 파손 상태 사진,
도 4 는 본 발명에 따른 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치의 분해도,
도 5 는 본 발명에 따른 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치의 단면도,
도 6 은 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형 장치의 금형몸체 변형 여부를 나타내는 유한요소 해석 결과 도표,
도 7 은 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형 장치의 금형몸체 바닥면 두께에 따른 수직 변위 해석 결과 도표,
도 8 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 배압 금형 장치의 금형몸체 구조 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치의 구성 및 작용을 첨부된 도면과 바람직한 실시예를 참조로 상세히 설명하기로 한다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형 장치는 금형몸체(20), 가압펀치(1), 배압핀(7), 배압패드(6) 및 배압플레이트(30)를 포함한다. 여기서, 금형몸체(20)의 구조를 제외한 가압펀치(1)와 배압핀(7), 배압패드(6) 및 배압플레이트(30)의 구성은 종래 개방형 배압 금형과 동일하므로 상세한 설명은 생략하고, 이하에서는, 본 발명의 특징적인 구성인 금형몸체(20)의 구조를 중심으로 설명하기로 한다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 금형몸체(20)는 상부는 개방되고 하부는 밀폐된 원통형으로 구성되되, 내측 바닥면에는 상방으로 압축기 스크롤의 스파이럴랩 부분을 성형하기 위한 나선형 코어(20a)가 돌출 형성된다. 상기 나선형 코어(20a)의 돌출부 사이에는 실제 피성형물(5)이 투입되어 연신됨에 따라 스크롤의 스파이럴랩으로 성형되는 공간인 캐비티(20b)가 형성된다.

상기 금형몸체(20)의 바닥면에는 복수의 배압핀홀(20c)이 관통 형성된다. 상기 배압핀홀(20c)은 금형몸체(20)의 캐비티(20b) 내부에서 피성형물(5)의 스파이럴랩 부분으로 성형되는 부분에 수직 방향 배압을 가해주기 위한 배압핀(7)이 삽입되는 구멍으로써, 배압핀(7)이 하방으로부터 상방으로 삽입될 수 있도록 금형몸체(20)의 바닥면으로부터 천공되어 금형몸체(20) 내부 캐비티(20b)와 연통되도록 구성된다. 그리고, 상기 배압핀홀(20c)은 나선형으로 형성된 캐비티(20b)를 따라 복수개가 일정 간격으로 이격되어 연속적으로 천공됨에 따라, 도 4 에 도시된 바와 같이, 전체적으로 나선형의 괘적을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 배압핀홀(20c)에 삽입되는 배압핀(7)은 하부에서 배압플레이트(30)에 의해 고정 설치된다. 상기 배압플레이트(30)는 배압핀(7)을 견고하게 고정 지지하기 위한 척 장치를 구비하는 것이 바람직하며, 도 4 에 도시된 바와 같이, 나선형의 끼움홈(32)이 형성되고, 상기 끼움홈(32)에 배압핀(7)이 억지끼움 되도록 구성될 수도 있다. 그리고, 상기 배압플레이트(30)는 하부에서 베이스(40)에 의해 지지되며, 배압 형성을 위하여 유압 실린더 등에 의해 일정한 압력으로 지지되며 수직 방향으로 승하강 가능하게 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 이미 언급한 바와 같이, 상기 금형내부의 캐비티(20b) 내에는 배압패드(6)가 삽입된다. 배압패드(6)는 배압핀(7)이 피성형물(5)과 직접 접촉됨에 따라 피성형물(5)에 손상을 주는 것을 방지하기 위해 배압핀(7)과 피성형물(5) 사이에 개재되는 패드로서, 배압핀(7)으로부터 가해지는 배압이 피성형물(5)에 전달되도록 캐비티(20b) 내에서 스파이럴랩으로 성형되는 피성형물(5)의 하부면을 지지하도록 배치된다. 상기 배압패드(6)는 배압이 균일하게 전달되도록 일체형으로 구성되며 캐비티(20b) 내에 장착될 수 있도록 나선형으로 형성되는 것이 바람직하다.

도 5 에는 이러한 구조를 갖는 밀폐형 배압 금형 장치에 의한 단조 방법으로 압축기용 스크롤이 제조되는 모습이 단면도로 도시된다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형 장치의 금형몸체(20)는 상부가 개방되어 피성형물(5)이 삽입되고, 하부 바닥면은 폐쇄되되 금형몸체(20) 내 캐비티(20b)와 연통되는 배압핀홀(20c)을 통하여 하방으로부터 배압핀(7)이 관통 삽입된다. 그리고, 상기 캐비티(20b) 내 피성형물(5)과 배압핀(7) 사이에는 배압패드(6)가 개재된다. 상기 배압핀(7)은 하부의 배압플레이트(30)에 고정된 상태로 유압 실린더 등에 의해 일정한 압력으로 지지된다. 상방으로부터 가압펀치(1)가 피성형물(5)을 수회 타격 가압함에 따라 캐비티(20b) 내에서 피성형물(5)이 연신되면서 스파이럴랩 부분이 성형되며, 이 때, 스파이럴랩 부분의 하부는 배압패드(6)와 접촉된 상태에서 배압핀(7)으로부터 배압을 전달받음으로써 스파이럴랩 전체 위치에서 균일하게 늘어나게 되므로 최종 제조물에서의 높이 편차가 줄어들게 된다.

한편, 이러한 밀폐형 배압 금형의 변형 정도를 종래 개방형 배압 금형의 금형변형 정도와 비교해 보기 위하여, 양 배압 금형에 대하여 유한요소 해석을 실시하였다. 도 6 에 이러한 유한요소 해석 결과가 도표로 제시된다. 도 6 의 (a)는 종래 개방형 배압 금형의 변형 정도를 나타내는 도표이며, 도 6 의 (b)는 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형의 변형 정도를 나타내는 도표이다.

종래 개방형 배압 금형의 경우, 도 6 의 (a)에 나타난 유한요소 해석 결과에서 유효 스트레인(effective strain) 결과를 보면, 스파이럴랩 부분의 구조가 캔틸레버 빔이 나선형상으로 꼬인 구조를 가지고 있기 때문에 캔틸레버 빔의 고정단 부분에 변형이 집중되며 가장 높은 스트레스(stress)와 데미지(damage) 값을 보인다. 실제 제품 성형시 프레스를 이용하여 수백 톤의 힘으로 가압하기 때문에 변위(displacement) 해석 결과와 같이 나선 부분이 가압력에 의해 수직방향으로 꺾이며 변형이 집중되고 최종적으로 파손된다는 것을 확인하였다.

이에 반하여, 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형의 경우, 도 6 의 (b)에 나타난 바와 같이, 밀폐형 금형을 채용함으로써, 즉, 바닥면을 부여하여 캔틸레버 빔 구조를 회피함으로서 금형의 국부적 변형 집중을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 밀폐형 배압 금형의 설계시 바닥면의 두께 역시 중요한 고려사항이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 금형몸체(20)의 바닥면 두께가 증가함에 따라 성형 중 금형의 수직방향 변형이 감소하며, 피성형물(5)과 직접 접촉하는 부위에만 변형이 국한됨을 알 수 있다. 따라서, 금형몸체(20)의 바닥면 두께는 두꺼울수록 금형의 변형 방지 효과가 크다고는 할 수 있으나, 특정 피성형물(5)의 소재 특성상 최대성형하중 및 바닥면 두께 증가로 인한 금형 가공 비용의 증가 등을 고려하여 설계자가 합리적으로 선택하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 금형몸체(20)의 바닥면 두께는 10mm 내지 35mm 인 것이 바람직하다. 바닥면 두께가 10mm 미만이면 금형몸체(20)의 수직 방향 변형이 크고, 35mm를 초과하면 금형 가공비가 증가되어 바람직하지 못하다.

도 8 에는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 밀폐형 배압 금형의 구조가 단면도로 도시된다. 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형의 검증을 위하여 실험한 결과, 배압핀(7)의 직경이 지나치게 작을 경우(실험에서는 캐비티 폭 5.8 ~ 5.9 mm, 배압핀 직경 4 mm 사용), 좌굴에 의해 배압핀(7)의 파손이 발생하는 것으로 나타났다. 이에, 배압핀(7)의 직경을 스파이럴랩의 두께보다 크게하고(실험에서는 직경 8 mm), 배압핀(7)이 배압핀홀(20c) 내에서 안정적으로 가이드 되도록 금형몸체(20)의 두께를 35 mm 까지 증가시켰다. 30회 Mg 스크롤 단조 실험 후 기존 개방형 금형의 파손 부위 및 금형의 바닥면 및 배압핀(7) 등에서의 파손 및 좌굴은 발견되지 않았으며, 단조품의 치수 정밀도 또한 만족스러운 결과가 얻어졌다.

한편, 본 발명에 따른 밀폐형 배압 금형이 제공하는 또 다른 효과로는 스파이럴랩의 성형 중 배압패드(6)가 수직방향으로 하강하여 바닥면과 맞닿는 순간 밀폐 단조와 같이 정형단조(net-shape forging)가 가능해진다는 것이다. 일반적인 밀폐 단조시, 도 2 의 (a)에 도시된 바와 같이, 성형 초기에 스파이럴랩의 높이 편차가 발생하고 가장 큰 높이를 가진 스파이럴랩 부분이 먼저 금형몸체(20)의 바닥면에 닿은 후 나머지 스파이럴랩 부분이 바닥면에 접촉할 때까지 가압하여야 하므로, 먼저 바닥면에 닿은 스파이럴랩 부분에 급격한 성형 하중의 증가를 수반하게 되며, 이는 불가피하게 금형몸체(20) 내부의 지름방향 압력의 증가를 유발하여 금형의 피로/마모 수명 단축은 물론 최악의 경우 금형몸체(20) 내부의 급격한 압력증가에 의한 폭발로 작업자의 부상으로까지 이어질 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안된 바와 같이, 성형 초기에 배압을 가하여 스파이럴랩의 높이 편차를 최소화 시킨 후 다수의 스파이럴랩이 거의 동시에 바닥면에 닿게 하면 급격한 성형하중의 증가를 방지하여 금형 수명이 연장되며 금형 파손의 위험도 현저히 감소시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 첨부한 도면에 도시된 실시예에 의하여 설명하였으나, 본 발명의 보호범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항 및 이에 균등한 모든 실시예에 미친다고 해석되어야 한다.

5 : 피성형물 6 : 배압패드
7 : 배압핀 20 : 금형몸체
20a : 코어 20b : 캐비티
20c : 배압핀홀 30 : 배압플레이트
32 : 끼움홈 40 : 베이스

Claims (5)

1. 상부는 개방되고 하부는 밀폐된 원통형으로 구성되되, 내측 바닥면에는 상방으로 돌출된 나선형 코어(20a)와, 상기 나선형 코어(20a) 사이에 형성되어 피성형물(5)이 압축기용 스크롤의 스파이럴랩으로 성형되는 공간인 캐비티(20b)를 포함하고, 하부 외측 바닥면으로부터 내부 캐비티(20b)와 연통되는 복수의 배압핀홀(20c)이 천공된 금형몸체(20)와;
   상기 금형몸체(20)의 상방으로부터 투입된 피성형물(5)을 가압하는 가압펀치와;
   상기 금형몸체(20)의 바닥면에 천공된 배압핀홀(20c)에 삽입되어 금형몸체(20)의 캐비티(20b) 내부에서 피성형물(5)의 스파이럴랩 부분으로 성형되는 부분에 수직 방향 배압을 가해주기 위한 배압핀(7)을 포함하는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 금형몸체(20)의 캐비티(20b) 내 배압핀(7)과 피성형물(5) 사이에 배압패드(6)가 개재되는 것을 특징으로 하는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 배압핀홀(20c)은 나선형으로 형성된 캐비티(20b)를 따라 복수개가 일정 간격으로 이격되어 연속 배열됨에 따라 나선형의 괘적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금형몸체(20)의 바닥면 두께는 10mm 내지 35mm 인 것을 특징으로 하는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 배압핀(7)의 직경은 스파이럴랩의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 압축기용 스크롤 성형을 위한 밀폐형 배압 금형 장치.

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