KR20150094523A

KR20150094523A - 다중 가압 주조 금형 및 이를 이용한 성형물 제조방법

Info

Publication number: KR20150094523A
Application number: KR1020150018319A
Authority: KR
Inventors: 이영철; 김정태
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2015-08-19
Also published as: US10005124B2; US20170173677A1; KR101713400B1; WO2015119449A1

Abstract

본 발명은 주조 시 원심력 및 가압력을 이용해 용탕을 성형물수용부 측으로 흘러들어가게 하여 성형물을 주조할 수 있게 함으로써, 용탕을 신속하고 균일하게 성형물수용부 측으로 주입시킬 수 있고, 그로 인해 조직이 치밀한 성형물을 주조할 수 있게 하는 다중 가압 주조 금형 및 이를 이용한 성형물 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형은, 용탕주입구와 성형물을 위한 용탕이 수용되는 성형물수용부가 구비되는, 상부 및 하부금형을 가지는 금형부; 금형부를 회전시켜 용탕주입구로 주입된 용탕을 성형물수용부로 유입되게 하는 회전유닛; 및 용탕주입구로 주입된 용탕을 가압하여 회전유닛과 함께 용탕을 성형물수용부로 유입되게 하는 상부 및 하부가압부를 가지는 용탕주입조절유닛;을 제공한다.

Description

다중 가압 주조 금형 및 이를 이용한 성형물 제조방법{MULTI-FORCE CASTING AND CONSTRUCTION METHOD FOR MOULDING USING THE SAME}

본 발명은 금형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 가압 주조 금형 및 이를 이용한 성형물 제조방법에 관한 것이다.

주조란 재료를 녹인 용탕을 금형에 주입하여 식힌 후 금형을 제거하여 원하는 형태의 제품을 만드는 작업을 말한다. 이러한 주조 작업을 효율적으로 진행하기 위해 다양한 주조 장치가 개발되었다.

그리고 전술한 주조 장치를 이용하여 모터 로터(motor rotor)나 마스터 실린더(master cylinder) 등이 제작되었다.

그런데, 전술한 모터 로터 등 종래 주조금형을 이용하여 제작된 주조물의 경우 다양한 문제점이 있었으며, 이에 따라 보다 개선된 방식으로 주조물을 제조할 수 있는 장치 및 방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

관련선행기술로는 대한민국 등록특허 제 10-0449426 호(등록일자 : 2004년 09월 09일)가 있다.

본 발명은 주조 시 원심력 및 가압력을 이용해 용탕을 성형물수용부 측으로 흘러들어가게 하여 성형물을 주조할 수 있게 함으로써, 용탕을 신속하고 균일하게 성형물수용부 측으로 주입시킬 수 있고, 그로 인해 조직이 치밀한 성형물을 주조할 수 있게 하는 다중 가압 주조 금형 및 이를 이용한 성형물 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 용탕이 전자기장에 충분한 시간 동안 노출되게 함과 동시에 주조작업이 편리하게 이루어지게 하는 다중 가압 주조 금형 및 이를 이용한 성형물 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형은, 용탕주입구와 성형물을 위한 용탕이 수용되는 성형물수용부가 구비되는, 상부 및 하부금형을 가지는 금형부; 금형부를 회전시켜 용탕주입구로 주입된 용탕을 성형물수용부로 유입되게 하는 회전유닛; 및 용탕주입구로 주입된 용탕을 가압하여 회전유닛과 함께 용탕을 성형물수용부로 유입되게 하는 상부 및 하부가압부를 가지는 용탕주입조절유닛;을 포함한다.

용탕주입조절유닛은 용탕주입구 내부를 승강하면서 용탕주입구와 성형물수용부를 연결 또는 차단한다.

또한 용탕주입조절유닛은 용탕주입구 내부를 승강하면서 용탕주입구와 성형물수용부 사이의 탕도를 개방 또는 차단한다.

금형부는 용탕이 주입 가능하게 용탕주입구에 장착되는 슬리브;를 더 포함하며, 슬리브에는 전자기장이 통과하는 전자기장유로부가 형성된다.

슬리브는 상부 및 하부가 열리고 내부가 빈 원통형상을 가지되, 전자기장이 통과되지 못하는 재질로 이루어지며, 전자기장유로부는 슬리브의 둘레를 따라 등간격으로 천공된 다수의 개구부, 및 전자기장이 통과하는 재질로 이루어지면서 각각의 개구부을 마감하는 충진부를 포함한다.

바람직하게는 슬리브는 SKD61 또는 STD61 중 어느 하나로 제작되며, 충진부는 실리콘으로 이루어진다.

그리고 슬리브의 둘레에는 전자기장을 발생하는 전자석모듈이 배치된다.

구체적으로, 상부금형 및 하부금형에는 회전중심축선을 따라 각각 제 1 용탕주입구 및 제 2 용탕주입구가 관통되게 형성되며, 상부금형의 하부면 상에는 하나 이상의 제 1 주조홈부, 및 각각의 제 1 주조홈부와 제 1 용탕주입구를 연결하는 제 1 용탕분산홈부들이 상부 측으로 침강되게 형성되고, 하부금형의 상부면 상에는 제 1 주조홈부와 마주하는 제 2 주조홈부, 및 각각의 제 2 주조홈부와 제 2 용탕주입구를 연결하면서 제 1 용탕분산홈부와 마주하는 제 2 용탕분산홈부들이 하부 측으로 침강되게 형성되며, 서로 마주하게 형성된 제 1 주조홈부와 제 2 주조홈부는 상부금형과 하부금형 합형 시 성형물수용부를 형성하며, 서로 마주하게 형성된 제 1 용탕분산홈부와 제 2 용탕분산홈부는 상부금형과 하부금형 합형 시 하나의 탕도를 형성한다.

그리고 제 1 주조홈부 및 제 2 주조홈부에는 각각 제 1 내부코어 및 제 2 내부코어가 장착된다.

상부가압부는 및 하부가압부는 회전유닛의 회전에 간섭되지 않게 상부금형 및 하부금형의 회전중심축선을 따라 용탕주입구에 출입가능하게 배치된다.

상부가압부는 상부금형의 상부 측에 이격 배치된 제 1 가압실린더의 제 1 실린더로드에 장착되고, 하부가압부는 하부금형의 하부 측으로 이격 배치되는 제 2 가압실린더의 제 2 실린더로드에 장착되며, 제 1 가압실린더는 용탕주입구에 간섭되지 않으면서 상부금형의 상부에서 상부 외측으로 연장되는 서브프레임에 고정 장착되고, 제 2 가압실린더는 회전유닛의 회전몸체 내부에 고정 장착된다.

한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법은, 하부가압부를 금형부 내부로 상승시켜 용탕주입구와 성형물수용부를 연결하는 탕도 측으로 용탕이 유입되지 않게 하는 하부가압부 상승 단계; 하부가압부의 상부 측에 용탕을 주입하는 용탕 주입 단계; 금형부를 회전시키면서 탕도 측으로 용탕이 유입되게 상부가압부를 하강시켜 용탕을 성형물수용부 내부로 유입시키면서 유입된 용탕을 응고시키는 용탕 유입/응고 단계; 및 용탕 유입/응고 단계 완료 후, 상기 상부금형을 상기 하부금형에서 탈형시켜 성형물의 제조를 완료하는 주조 완료 단계;를 포함한다.

구체적으로 하부가압부 상승 단계 이전에 상부금형과 하부금형을 합형하는 금형 합형 단계;를 더 실시한다.

구체적으로 용탕 주입 단계와 용탕 유입/응고 단계 사이에는 상부가압부를 용탕주입구 내부로 하강시켜 용탕주입구를 폐쇄하는 용탕주입구 폐쇄 단계;를 더 실시한다.

그리고 용탕주입구 폐쇄 단계에서는 상부가압부의 하부면이 용탕의 탕면에 일치된다.

그리고 용탕 유입/응고 단계에서 하부가압부의 상부면은 용탕을 가압하면서 하강하는 상부가압부에 의해 탕도의 바닥면과 일치되는 지점까지 하강하여 고정되고, 계속해서 하강하는 상부가압부에 의해 용탕은 탕도를 따라 성형물수용부 내부로 주입되어 응고된다.

또한 용탕 유입/응고 단계에서 하부가압부의 상부면이 탕도의 바닥면과 일치되거나, 상부가압부의 하부면이 탕도의 천정면과 일치하게 되면, 하부가압부 및 상부가압부는 동일한 가압력으로 용탕을 가압한다.

한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법은, 용탕주입구와 성형물수용부를 연결하는 탕도의 하부로 하부가압부를 하강시키는 하부가압부 하강 단계; 하부가압부의 상부면과 탕도의 바닥부 하부 사이에 용탕을 주입하는 용탕 주입 단계; 상부가압부를 금형부의 내부로 하강시켜 탕도 측으로 용탕이 유입되지 않게 하는 상부가압부 하강 단계; 금형부를 회전시키면서 탕도 측으로 용탕이 유입되게 하부가압부를 상승시켜 용탕을 성형물수용부 내부로 유입시키면서 유입된 용탕을 응고시키는 용탕 유입/응고 단계; 및 용탕 유입/응고 단계 완료 후, 상부금형을 하부금형에서 탈형시켜 성형물의 제조를 완료하는 주조 완료 단계;를 포함한다.

구체적으로 하부가압부 하강 단계 이전에 상부금형과 하부금형을 합형하는 금형 합형 단계;를 더 실시한다.

그리고 상부가압부 하강 단계에서는 상부가압부의 하부면이 용탕의 탕면에 일치된다.

그리고 용탕 유입/응고 단계에서 상부가압부의 하부면은 용탕을 가압하면서 상승하는 하부가압부에 의해 탕도의 천정면과 일치되는 지점까지 상승하여 고정되고, 계속해서 상승하는 하부가압부에 의해 용탕은 탕도를 따라 성형물수용부 내부로 주입되어 응고된다.

또한 용탕 유입/응고 단계에서 상부가압부의 하부면이 탕도의 천정면과 일치되거나, 하부가압부의 상부면이 탕도의 바닥면과 일치하게 되면, 상부가압부 및 하부가압부는 동일한 가압력으로 용탕을 가압한다.

한편, 용탕 주입 단계와 상부가압부 하강 단계 사이에는 상부금형과 하부금형을 합형하는 금형 합형 단계;를 더 실시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 주조 시 용탕이 원심력 및 가압력에 의해 성형물수용부 측으로 주입되기 때문에 용탕을 신속하고 균일하게 주입시킬 수 있을 뿐만 아니라 중력주조와 비교하여 제조되는 성형물의 조직 및 강도가 우수하고, 기포, 용재 등의 개입을 줄일 수 있으며, 더 나아가 탕구, 오버플로우, 압탕 등의 사용을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 용탕주입구의 둘레 측에 전자석모듈을 내장하고 전자석모듈의 강한 전자기장을 용탕주입구 내부에 모일 수 있게 하는 슬리브를 용탕주입구에 장착함으로써, 용탕의 반응고 구간에서 조직제어를 효과적으로 수행할 수 있게 하는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 성형물공간부과 연결된 탕도를 단속하는 상부피스톤부와 하부피스톤부를 구비함으로써, 용탕주입구에 주입된 용탕이 전자기장에 충분히 노출되게 하는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형을 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 다중 가압 주조 금형을 확대하여 나타낸 단면도이며,
도 3은 도 1에 도시된 슬리브를 나타낸 사시도이고,
도 4는 도 1에 도시된 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법의 제 1 실시예를 설명하기 위한 공정도이며,
도 5는 도 1에 도시된 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법의 제 2 실시예를 설명하기 위한 공정도이고,
도 6은 도 1에 도시된 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법의 제 3 실시예를 설명하기 위한 공정도이며, 그리고
도 7은 본 발명에 따른 다중 가압 주조와 종래 원심주조에서의 용탕 흐름을 나타낸 시뮬레이션 결과와 함께 실제로 제조한 모터 로터를 비교한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형을 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형(100)은 내부에 성형물수용부(120; cavity)를 하나 이상 형성하는 금형부(110)와, 주조 시 금형부(110)에 내부로 주입된 용탕에 원심력 및 가압력을 제공하여 용탕을 성형물수용부(120) 측으로 흘러들어가게 하는 용탕주입조절유닛(130)을 포함한다.

먼저, 금형부(110)는 상하로 배치되는 상부금형(112a)과 하부금형(112b)을 포함한다.

상부금형(112a)과 하부금형(112b)은 합형(조립)되어 성형물이 주조되는 하나 이상의 성형물수용부(120)를 형성한다. 이를 위해 상부금형(112a) 및 하부금형(112b)에는 가상의 회전중심축선(CL)을 따라 각각 제 1 용탕주입구(114a) 및 제 2 용탕주입구(114b)가 관통되게 형성된다. 그리고 상부금형(112a)의 하부면 상에는 하나 이상의 제 1 주조홈부(116a), 및 각각의 제 1 주조홈부(116a)와 제 1 용탕주입구(112a)를 연결하는 제 1 용탕분산홈부(118a)들이 상부 측으로 침강되게 형성된다. 마찬가지로 하부금형(112b)의 상부면 상에는 제 1 주조홈부(116a)와 마주하는 제 2 주조홈부(116b), 및 각각의 제 2 주조홈부(116b)와 제 2 용탕주입구(114b)를 연결하면서 제 1 용탕분산홈부(118a)와 마주하는 제 2 용탕분산홈부(118b)들이 하부 측으로 침강되게 형성된다.

이렇게 서로 마주하게 형성된 제 1 주조홈부(116a)와 제 2 주조홈부(116b)는 상부금형(112a)과 하부금형(112b) 합형 시 성형물수용부(120)를 형성하며, 서로 마주하게 형성된 제 1 용탕분산홈부(118a)와 제 2 용탕분산홈부(118b)는 상부금형(112a)과 하부금형(112b) 합형 시 하나의 탕도(122)를 형성한다.

다시 말해, 용탕은 상부금형(112a) 및 하부금형(112b) 합형 시 제 1 용탕주입구(114a)의 상부 통해 제 1 용탕주입구(114a) 및 제 2 용탕주입구(114b) 내로 주입되어 제 1 용탕주입구(114a) 및 제 2 용탕주입구(114b)에 충진되거나, 또는 상부금형(112a) 및 하부금형(112b) 합형 이전에 제 2 용탕주입구(114b)의 상부를 통해 제 2 용탕주입구(114b) 내로 주입된 후 상부금형(112a)이 합형되어 제 2 용탕주입구(114b)에 충진되는데, 이렇게 충진된 용탕은 주조 시 용탕주입수단(130)의 작동에 의해 각각의 탕도(122) 측으로 분산된 후, 탕도(122)를 따라 탕도(122)와 연결된 성형물수용부(120) 측으로 주입된다.

이때, 탕도(122)는 용탕이 용이하게 주입될 수 있도록 제 1 용탕주입구(114a) 및 제 2 용탕주입구(114b)와 연결된 탕도(122)의 시작단에서부터 성형물수용부(120)와 연결되는 탕도(122)의 연장단 측으로 점층적으로 낮아지게 연장된다.

또한, 상부금형(112a) 및 하부금형(112b) 합형 시 고온의 용탕으로부터 성형물수용부(120)를 보호할 수 있도록 제 1 주조홈부(116a) 및 제 2 주조홈부(116b)에 각각 면접촉하는 세라믹 등으로 이루어진 제 1 내부코어(124a) 및 제 2 내부코어(124b)가 장착된다.

그리고 상부금형(112a)에 형성된 제 1 용탕주입구(114a)의 둘레 측에는 외부에서 인가되는 전원에 의해 전자기장을 발생시키는 전자석모듈(150)이 내장되며, 제 1 용탕주입구(114a)에는 용탕 주입에 간섭되지 않게 제 1 용탕주입구(114a)를 장착되면서 전자석모듈(150)의 전자기장을 제 1 용탕주입구(114a)의 내부에 모이게 하는 슬리브(152; 도 3 참조)가 장착된다.

슬리브(152)는 도 3에 도시된 바와 같이 상부 및 하부가 열리고 내부가 빈 수직한 원통형상을 가진다. 슬리브(152)는 전자기장이 통과하지 못하는 열간금형용강, 바람직하게는 SKD61 또는 STD61 등으로 제작되는데, 이때 슬리브(152)에는 전자기모듈(150)에서 발생되는 전자기장을 제 1 용탕주입구(114a) 측으로 유도하는 전자기장유로부(154)가 형성된다.

전자기장유로부(154)는 슬리브(152)의 둘레를 따라 등간격으로 천공된 다수의 개구부(156), 및 개구부(156)을 마감하는 충진부(158)로 이루어지며, 충진부(158)는 전자기장을 통과시키면서 내열성이 우수한 실리콘으로 이루어진다.

이와 같이 제 1 용탕주입구(114a)의 둘레에 배치되는 슬리브(152) 및 전자석모듈(150)은 용탕에 전자기장을 인가하여 용탕의 상태를 제어(수지상의 미세조직 파괴, 또는 핵생성밀도, 성장속도의 조절로 입자를 미세화)하면서 용탕을 반응고 상태의 금속으로 변화시키는데, 반응고 상태의 금속으로 변화된 용탕은 성형물수용부(120) 내로 유입된 후 바로 고상화되기 때문에 성형물 주조시간을 단축시킬 수 있게 한다.

그리고 주입된 용탕에 전자기장을 인가함으로서 최종 주조된 소재의 불량률을 감소시킬 수 있고, 조직미세화로 각종 기계적 성질을 개선할 수 있게 함과 동시에 성형물(주조물)의 설계 자유도를 높일 수 있게 한다.

한편, 금형부(110)는 상부금형(112a)을 하부금형(112b)에 합형시키거나, 또는 상부금형(112a)을 하부금형(112b)에서 분리시키는 금형분리기구(126)을 더 포함한다.

금형분리기구(126)는 다양하게 구성으로 제공될 수 있는데, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 후술하는 용탕주입조절유닛(130)의 회전유닛(131)의 회전몸체(132)에 장착되어 상부금형(112a)을 승강 작동시키면서 상부금형(112a)을 하부금형(112b)에 합형시키거나, 또는 상부금형(112a)을 하부금형(112b)에서 분리시키는 유압 실린더로 이루어진 금형분리기구(126)가 도시되어 있다. 그러나 금형분리기구(126)를 유압 실린더로 한정하는 것이 아님을 누구나 알 수 있을 것이다.

즉, 용탕주입조절유닛(130)의 작동에 간섭되지 않게 상부금형(112a)을 하부금형(112b) 측으로 합형시키거나 또는 하부금형(112b)에서 상부금형(112a)을 분리시킬 수 있다면 어떠한 구성을 가지더라도 무방할 것이다.

용탕주입조절유닛(130)은 주조 시 금형부(110)을 회전시켜 금형부(110) 내부로 주입된 용탕을 성형물수용부(120) 측으로 유입되게 하는 회전몸체(132)를 가지는 회전유닛(131)과, 주조 시 금형부(110) 내부로 주입된 용탕을 가압하여 용탕을 성형물수용부(120) 측으로 유입되게 하는 상부가압부(136a) 및 하부가압부(136b)를 포함한다. 여기서 상부가압부(136a) 및 하부가압부(136b)는 통상의 플런저(plunger) 일 수 있다.

회전몸체(132)는 도시된 바와 같이 원심주조금형(110)의 하부 측에 배치된다. 이렇게 배치된 회전몸체(132)는 지면 등에 고정 장착된 프레임(F1)에 회전가능하게 지지되고, 회전몸체(132)에는 금형부(110)의 하부금형(112b)이 통상의 클램핑수단(도시되지 않음)에 의해 분리가능하게 장착된다. 도 1 및 도 2에서는 클램핑수단이 도시되지 않았지만 하부금형(112b)을 회전몸체(132)에 분리가능하게 장착시킬 수 있다면 어떠한 구성을 가지더라도 무방할 것이다. 따라서 본 발명에서는 클램핑수단의 구성을 한정하지는 않는다.

그리고 회전몸체(132)는 프레임(F1)에 지지되는 구동모터(134)와 연결되어 회전되는데, 회전몸체(132)와 구동모터(134)는 통상의 동력전달수단, 예를 들면 벨트와 풀리, 또는 스프로킷과 체인, 또는 기어 등에 의해 연결될 수 있음을 누구나 알 수 있을 것이다.

한편, 상부가압부(136a) 및 하부가압부(136b)는 회전몸체(132)의 회전에 간섭되지 않게 상부금형(112a) 및 하부금형(112b)의 회전중심축선(CL)을 따라 제 1 용탕주입구(114a) 및 제 2 용탕주입구(114b)에 출입가능하게 배치된다. 이를 위해 상부가압부(136a)는 상부금형(112a)의 상부 측에 이격 배치된 제 1 가압실린더(138a)의 제 1 실린더로드(140a)에 장착되며, 하부가압부(136b)는 하부금형(112b)의 하부 측으로 이격 배치되는 제 2 가압실린더(138b)의 제 2 실린더로드(140b)에 장착된다.

이때 제 1 가압실린더(138a)는 용탕을 가압하면서 금형부(110)와 함께 회전할 수 있도록 제 1 용탕주입구(114a)에 간섭되지 않으면서 상부금형(112a)의 상부에서 상부 외측으로 연장되는 서브프레임(F2)에 고정 장착되며, 제 2 가압실린더(138b)는 금형부(110)와 함께 회전할 수 있도록 회전몸체(132) 내부에 고정 장착된다.

이렇게 제 1 가압실린더(138a) 및 제 2 가압실린더(138b)에 장착된 상부가압부(136a) 및 하부가압부(136b)는 제 1 가압실린더(138a) 및 제 2 가압실린더(138b)의 작동에 의해 주조 시 제 1 용탕주입구(114a) 및 제 2 용탕주입구(114b) 내부에 주입된 용탕을 가압하여 용탕이 성형물수용부(120) 내부로 유입되게 한다.

즉, 주조 시 금형부(110) 내부로 주입된 용탕은 회전몸체(132)와 상부가압부(136a) 및 하부가압부(136b)의 복합적인 작동에 의해 성형물수용부(120) 측으로 유입된다.

하기에는 전술한 바와 같이 형성된 다중 가압 주조 금형(100)을 이용한 성형물 제조방법을 설명한다.

도 4는 도 1에 도시된 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법의 제 1 실시예를 설명하기 위한 공정도로서, 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형(100)을 이용해 성형물을 제조하기 위해서는, 먼저 금형부(110)의 상부금형(112a)과 하부금형(112b)을 합형(조립)시킨다(단계 S11).

상부금형(112a)과 하부금형(112b)의 합형은 하부금형(112b)을 회전몸체(132)에 장착시킨 후, 상부금형(112a)을 하부금형(112b) 측으로 하강시킴으로써 합형이 이루어진다. 즉, 상부금형(112a)이 장착된 금형분리기구(126)를 하강 작동시킴으로써 상부금형(112a)은 하부금형(112b)에 합형된다.

이때, 상부금형(112a)과 하부금형(112b)의 합형은 제 1 주조홈부(116a) 및 제 2 주조홈부(116b)에 제 1 내부코어(124a) 및 제 2 내부코어(124b)가 장착된 상태 하에서 이루어진다.

상부금형(112a) 및 하부금형(112b)이 합형되면(단계 S11), 하부가압부(136b)를 상승시켜 제 1, 및 제 2 용탕주입구(114a, 114b)와 연결되는 탕도(122) 측으로 용탕이 유입되지 않게 한다(단계 S12). 그런 다음 하부가압부(136b)의 상부 측에 액체 상태의 용탕을 주입한 후(단계 S13), 상부가압부(136a)를 제 1 용탕주입구(114a) 내부로 하강시켜 상부가압부(136a)의 하부면을 탕면에 일치시킨다(단계 S14).

여기서 단계 S13에서의 용탕은 제 1 용탕주입구(114a)에 통해 주입되어 제 1 용탕주입구(114a) 내부에 충진되는데, 이때 제 1 용탕주입구(114a) 내에 충진된 용탕은 냉각되면서 전자기모듈(150)에 의해 전자기 교반이 이루어지게 되어 반응고 상태의 용탕으로 변화하게 된다.

전술한 바와 같이, 상부가압부(136a)의 하부가 탕면에 일치되면(단계 S14), 다음으로 합형된 상부금형(112a)과 하부금형(112b)을 고속으로 회전시키면서 하부가압부(136b)에 의해 폐쇄된 탕도(122) 측으로 용탕이 유입되게 상부가압부(136a)를 하강시켜 제 1 용탕주입구(114a) 내부에 충진된 용탕을 성형물수용부(120) 내부로 유입시키면서 응고시킨다(단계 S15).

단계 S15에서 하부가압부(136b)의 상부면은 용탕을 가압하면서 하강하는 상부가압부(136a)에 의해 탕도(122)의 바닥면과 일치되는 지점까지 하강하여 고정되고, 계속해서 하강하는 상부가압부(136a)에 의해 용탕은 탕도(122)를 따라 성형물수용부(120) 내부로 유입되면서 응고된다.

한편, 단계 S15에서는, 하부가압부(136b)의 상부면이 용탕을 가압하면서 하강하는 상부가압부(136a)에 의해 탕도(122)의 바닥면과 일치되거나, 또는 하강하는 상부가압부(136a)의 하부면이 탕도(122)의 천정면과 일치하게 되면 하부가압부(136b) 및 상부가압부(136a)는 동일한 가압력으로 용탕을 가압한다.

즉, 금형부(110) 내에 충진된 용탕은 회전몸체(132)의 회전에 의해 제공되는 원심력, 및 상부가압부(136a)와 하부가압부(136b) 사이에 작용하는 가압력에 의해 성형물수용부(120) 측으로 주입되면서 응고된다.

전술한 바와 같이, 용탕이 성형물수용부(120) 측으로 유입된 후 응고가 완료되면(단계 S5), 상부금형(112a)을 하부금형(112b)에서 탈형시키고 응고된 성형물을 하부금형(112b)에서 탈거시켜 성형물의 제조를 완료한다(단계 S16).

이와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법에 의하면, 성형물 주조 시 회전유닛(131)의 작동에 의해 제공되는 원심력과 용탕을 가압하는 용탕주입조절유닛(130)의 상부가압부(136a)의 가압력을 이용한 복합적인 작용으로 용탕이 성형물수용부(120) 측으로 유입되기 때문에 용탕을 연속적으로 일정하게 성형물수용부(120)에 유입시킬 수 있을 뿐만 아니라 용탕충진률을 증가시킬 수 있어 건전한 성형물이 제조되게 한다.

도 5는 도 1에 도시된 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법의 제 2 실시예를 설명하기 위한 공정도로서, 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형(100)을 이용해 성형물을 제조하기 위해서는, 먼저 금형부(110)의 상부금형(112a)과 하부금형(112b)을 합형(조립)시킨다(단계 S21).

상형금형(112a)과 하부금형(112b)의 합형은 성형물을 제조하기 위한 제 1 실시예의 단계 S11과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

상부금형(112a) 및 하부금형(112b)이 합형되면(단계 S21), 하부가압부(136b)의 상부면이 탕도(122)의 하부 측에 배치되도록 하강시킨 후(단계 S22), 하부가압부(136b)의 상부면과 탕도(122)의 바닥부 하부 사이에 액체 상태의 용탕을 주입한다(단계 S23). 그리고 용탕 주입이 완료되면(단계 S23), 상부가압부(136a)를 제 1 용탕주입구(114a) 내부로 하강시켜 탕도(122) 측으로 용탕이 유입되지 않게 하면서 하부면을 탕면에 일치시킨다(단계 S24).

전술한 바와 같이, 상부가압부(136a)의 하부가 탕면에 일치되면(단계 S24), 다음으로 합형된 상부금형(112a)과 하부금형(112b)을 고속으로 회전시키면서 상부가압부(136a)에 의해 폐쇄된 탕도(122) 측으로 용탕이 유입되게 하부가압부(136b)를 상승시켜 제 2 용탕주입구(114a) 내부에 충진된 용탕을 성형물수용부(120) 내부로 유입시켜 응고시킨다(단계 S25).

단계 S25에서 상부가압부(136a)의 하부면은 용탕을 가압하면서 상승하는 하부가압부(136b)에 의해 탕도(122)의 천정면과 일치되는 지점까지 상승하여 고정되고, 계속해서 상승하는 하부가압부(136b)에 의해 용탕은 탕도(122)를 따라 성형물수용부(120) 내부로 유입되면서 응고된다.

한편, 단계 S25에서는, 상부가압부(136a)의 하부면이 용탕을 가압하면서 상승하는 하부가압부(136b)에 의해 탕도(122)의 천정면과 일치되거나, 또는 상승하는 하부가압부(136b)의 상부면이 탕도(122)의 바닥면과 일치하게 되면 상부가압부(136a) 및 하부가압부(136b)는 동일한 가압력으로 용탕을 가압한다.

전술한 바와 같이, 용탕이 성형물수용부(120) 측으로 유입된 후 응고가 완료되면(단계 S25), 상부금형(112a)을 하부금형(112b)에서 탈형시키고 응고된 성형물을 하부금형(112b)에서 탈거시켜 성형물의 제조를 완료한다(단계 S26).

이와 같은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법에 의하면, 성형물 주조 시 회전유닛(131)의 작동에 의해 제공되는 원심력과 용탕을 가압하는 용탕주입조절유닛(130)의 하부가압부(136a)의 가압력을 이용한 복합적인 작용으로 용탕이 성형물수용부(120) 측으로 유입되기 때문에 용탕을 연속적으로 일정하게 성형물수용부(120)에 유입시킬 수 있을 뿐만 아니라 용탕충진률을 증가시킬 수 있어 건전한 성형물이 제조되게 한다.

도 6은 도 1에 도시된 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법의 제 3 실시예를 설명하기 위한 공정도로서, 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형(100)을 이용해 성형물을 제조하기 위해서는, 먼저, 하부가압부(136b)의 상부면이 탕도(122)의 하부 측에 배치되도록 하강시킨 후(단계 S31), 하부가압부(136b)의 상부면과 탕도(122)의 바닥부 하부 사이에 액체 상태의 용탕을 주입한다(단계 S32).

전술한 바와 같이 용탕 주입이 완료되면(단계 S32), 하부금형(112b)에 상부금형(112a)을 합형시킨 후(단계 S33), 상부가압부(136a)를 제 1 용탕주입구(114a) 내부로 하강시켜 탕도(122) 측으로 용탕이 유입되지 않게하면서 하부면을 탕면에 일치시킨다(단계 S34).

단계 S33은 성형물을 제조하기 위한 제 1 실시예의 단계 S11과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

이렇게 상부가압부(136a)의 하부면이 탕면에 일치하면(단계 S34), 다음으로 합형된 상부금형(112a)과 하부금형(112b)을 고속으로 회전시키면서 상부가압부(136a)에 의해 폐쇄된 탕도(122) 측으로 용탕이 유입되게 하부가압부(136b)를 상승시켜 제 2 용탕주입구(114a) 내부에 충진된 용탕을 성형물수용부(120) 내부로 유입시켜 응고시킨다(단계 S35).

단계 S35에서는, 상부가압부(136a)의 하부면은 용탕을 가압하면서 상승하는 하부가압부(136b)에 의해 탕도(122)의 천정면과 일치되는 지점까지 상승하여 고정되고, 계속해서 상승하는 하부가압부(136b)에 의해 용탕은 탕도(122)를 따라 성형물수용부(120) 내부로 유입되면서 응고된다.

한편, S35에서는, 상부가압부(136a)의 하부면이 용탕을 가압하면서 상승하는 하부가압부(136b)에 의해 탕도(122)의 천정면과 일치되거나, 또는 상승하는 하부가압부(136b)의 상부면이 탕도(122)의 바닥면과 일치하게 되면 동일한 가압력으로 용탕을 가압한다.

전술한 바와 같이, 용탕이 성형물수용부(120) 측으로 유입된 후 응고가 완료되면(단계 S35), 상부금형(112a)을 하부금형(112b)에서 탈형시키고 응고된 성형물을 하부금형(112b)에서 탈거시켜 성형물의 제조를 완료한다(단계 S36).

이와 같은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물 제조방법에 의하면, 성형물 주조 시 회전유닛(131)의 작동에 의해 제공되는 원심력과 용탕을 가압하는 용탕주입조절유닛(130)의 하부가압부(136a)의 가압력을 이용한 복합적인 작용으로 용탕이 성형물수용부(120) 측으로 유입되기 때문에 용탕을 연속적으로 일정하게 성형물수용부(120)에 유입시킬 수 있을 뿐만 아니라 용탕충진률을 증가시킬 수 있어 건전한 성형물이 제조되게 한다.

도 7은 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형과 종래 원심주조에서의 용탕 흐름을 나타낸 시뮬레이션 결과로서, 종래 원심주조는 단지 중력을 활용하는 관계로 용탕이 일정하게 금형 캐비티에 충진되지 못하고 있음을 확인할 수 있었다. 반면에 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형(100)에서의 용탕은 용탕주입조절유닛(130)이 용탕을 가압하기 때문에 용탕이 연속적으로 일정하게 성형물수용부(120)에 주입되고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 본 발명에 따른 다중 가압 주조 금형(100)은 종래 원심주조와 달리 단위부피 당 용탕 충진 밀도가 더 높음을 알 수 있었으며, 실제 실험결과 용탕 충진율이 종래 원심주조와 비교하여 5~10% 이상 증가하였음을 확인할 수 있었다.

상기와 같은 다중 가압 주조 금형 및 이를 이용한 성형물 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

100 : 다중 가압 주조 금형 110 : 금형부
112a : 상부금형 112b : 하부금형
114a : 제 1 용탕주입구 114b : 제 2 용탕주입구
116a : 제 1 주조홈부 116b : 제 2 주조홈부
118a : 제 1 용탕분산홈부 118b : 제 2 용탕분산홈부
120 : 성형물수용부 122 : 탕도
124a : 제 1 내부코어 124b : 제 2 내부코어
130 : 용탕주입조절유닛 132 : 회전몸체
134 : 구동모터 136a : 상부가압부
136b : 하부가압부 138a : 제 1 가압실린더
138b : 제 2 가압실린더 140a : 제 1 실린더로드
140b : 제 2 실린더로드

Claims

용탕주입구와 성형물을 위한 용탕이 수용되는 성형물수용부가 구비되는, 상부 및 하부금형을 가지는 금형부;
상기 금형부를 회전시켜 상기 용탕주입구로 주입된 용탕을 상기 성형물수용부로 유입되게 하는 회전유닛; 및
상기 용탕주입구로 주입된 용탕을 가압하여 상기 회전유닛과 함께 용탕을 상기 성형물수용부로 유입되게 하는 상부 및 하부가압부를 가지는 용탕주입조절유닛;을 포함하는 다중 가압 주조 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 용탕주입조절유닛은 상기 용탕주입구 내부를 승강하면서 상기 용탕주입구와 상기 성형물수용부를 연결 또는 차단하는 다중 가압 주조 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 용탕주입조절유닛은 상기 용탕주입구 내부를 승강하면서 상기 용탕주입구와 상기 성형물수용부 사이의 탕도를 개방 또는 폐쇄하는 다중 가압 주조 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 금형부는 용탕이 주입 가능하게 상기 용탕주입구에 장착되는 슬리브;를 더 포함하며,
상기 슬리브에는 전자기장이 통과하는 전자기장유로부가 형성되는 다중 가압 주조 금형.
청구항 4에 있어서,
상기 슬리브는 상부 및 하부가 열리고 내부가 빈 원통형상을 가지되, 전자기장이 통과되지 못하는 재질로 이루어지며,
상기 전자기장유로부는 상기 슬리브의 둘레를 따라 등간격으로 천공된 다수의 개구부, 및 전자기장이 통과하는 재질로 이루어지면서 각각의 상기 개구부을 마감하는 충진부를 포함하는 다중 가압 주조 금형.
청구항 4에 있어서,
상기 슬리브는 SKD61 또는 STD61 중 어느 하나로 제작되며,
상기 충진부는 실리콘으로 이루어지는 다중 가압 주조 금형.
청구항 4에 있어서,
상기 슬리브의 둘레에는 전자기장을 발생하는 전자석모듈이 배치되는 다중 가압 주조 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 상부금형 및 상기 하부금형에는 회전중심축선을 따라 각각 제 1 용탕주입구 및 제 2 용탕주입구가 관통되게 형성되며,
상기 상부금형의 하부면 상에는 하나 이상의 제 1 주조홈부, 및 각각의 상기 제 1 주조홈부와 상기 제 1 용탕주입구를 연결하는 제 1 용탕분산홈부들이 상부 측으로 침강되게 형성되고,
상기 하부금형의 상부면 상에는 상기 제 1 주조홈부와 마주하는 제 2 주조홈부, 및 각각의 상기 제 2 주조홈부와 상기 제 2 용탕주입구를 연결하면서 상기 제 1 용탕분산홈부와 마주하는 제 2 용탕분산홈부들이 하부 측으로 침강되게 형성되며,
서로 마주하게 형성된 상기 제 1 주조홈부와 상기 제 2 주조홈부는 상기 상부금형과 상기 하부금형 합형 시 상기 성형물수용부를 형성하며, 서로 마주하게 형성된 상기 제 1 용탕분산홈부와 상기 제 2 용탕분산홈부는 상기 상부금형과 상기 하부금형 합형 시 하나의 탕도를 형성하는 다중 가압 주조 금형.
청구항 8에 있어서,
상기 제 1 주조홈부 및 상기 제 2 주조홈부에는 각각 제 1 내부코어 및 제 2 내부코어가 장착되는 다중 가압 주조 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 상부가압부는 및 상기 하부가압부는 상기 회전유닛의 회전에 간섭되지 않게 상기 상부금형 및 상기 하부금형의 회전중심축선을 따라 상기 용탕주입구에 출입가능하게 배치되는 다중 가압 주조 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 상부가압부는 상기 상부금형의 상부 측에 이격 배치된 제 1 가압실린더의 제 1 실린더로드에 장착되고,
상기 하부가압부는 상기 하부금형의 하부 측으로 이격 배치되는 제 2 가압실린더의 제 2 실린더로드에 장착되며,
상기 제 1 가압실린더는 상기 용탕주입구에 간섭되지 않으면서 상기 상부금형의 상부에서 상부 외측으로 연장되는 서브프레임에 고정 장착되고,
상기 제 2 가압실린더는 상기 회전유닛의 회전몸체 내부에 고정 장착되는 다중 가압 주조 금형.
청구항 1에 따른 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법으로,
상기 하부가압부를 상기 금형부 내부로 상승시켜 상기 용탕주입구와 상기 성형물수용부를 연결하는 탕도 측으로 용탕이 유입되지 않게 하는 하부가압부 상승 단계;
상기 하부가압부의 상부 측에 용탕을 주입하는 용탕 주입 단계;
상기 금형부를 회전시키면서 상기 탕도 측으로 용탕이 유입되게 상기 상부가압부를 하강시켜 용탕을 상기 성형물수용부 내부로 유입시키면서 유입된 용탕을 응고시키는 용탕 유입/응고 단계; 및
상기 용탕 유입/응고 단계 완료 후, 상기 상부금형을 상기 하부금형에서 탈형시켜 성형물의 제조를 완료하는 주조 완료 단계;를 포함하는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 12에 있어서,
상기 하부가압부 상승 단계 이전에 상기 상부금형과 상기 하부금형을 합형하는 금형 합형 단계;를 더 실시하는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 12에 있어서,
상기 용탕 주입 단계와 상기 용탕 유입/응고 단계 사이에는 상기 상부가압부를 상기 용탕주입구 내부로 하강시켜 상기 용탕주입구를 폐쇄하는 용탕주입구 폐쇄 단계;를 더 실시하는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 14에 있어서,
상기 용탕주입구 폐쇄 단계에서는 상기 상부가압부의 하부면이 용탕의 탕면에 일치되는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 12에 있어서,
상기 용탕 유입/응고 단계에서 상기 하부가압부의 상부면은 용탕을 가압하면서 하강하는 상기 상부가압부에 의해 상기 탕도의 바닥면과 일치되는 지점까지 하강하여 고정되고, 계속해서 하강하는 상기 상부가압부에 의해 용탕은 상기 탕도를 따라 상기 성형물수용부 내부로 주입되어 응고되는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 12에 있어서,
상기 용탕 유입/응고 단계에서 상기 하부가압부의 상부면이 상기 탕도의 바닥면과 일치되거나, 상기 상부가압부의 하부면이 상기 탕도의 천정면과 일치하게 되면, 상기 하부가압부 및 상기 상부가압부는 동일한 가압력으로 용탕을 가압하는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 1에 따른 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법으로,
상기 용탕주입구와 상기 성형물수용부를 연결하는 탕도의 하부로 상기 하부가압부를 하강시키는 하부가압부 하강 단계;
상기 하부가압부의 상부면과 상기 탕도의 바닥부 하부 사이에 용탕을 주입하는 용탕 주입 단계;
상기 상부가압부를 상기 금형부의 내부로 하강시켜 상기 탕도 측으로 용탕이 유입되지 않게 하는 상부가압부 하강 단계;
상기 금형부를 회전시키면서 상기 탕도 측으로 용탕이 유입되게 상기 하부가압부를 상승시켜 용탕을 상기 성형물수용부 내부로 유입시키면서 유입된 용탕을 응고시키는 용탕 유입/응고 단계; 및
상기 용탕 유입/응고 단계 완료 후, 상기 상부금형을 상기 하부금형에서 탈형시켜 성형물의 제조를 완료하는 주조 완료 단계;를 포함하는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 18에 있어서,
상기 하부가압부 하강 단계 이전에 상기 상부금형과 상기 하부금형을 합형하는 금형 합형 단계;를 더 실시하는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 18에 있어서,
상기 상부가압부 하강 단계에서는 상기 상부가압부의 하부면이 용탕의 탕면에 일치되는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 18에 있어서,
상기 용탕 유입/응고 단계에서 상기 상부가압부의 하부면은 용탕을 가압하면서 상승하는 상기 하부가압부에 의해 상기 탕도의 천정면과 일치되는 지점까지 상승하여 고정되고, 계속해서 상승하는 상기 하부가압부에 의해 용탕은 상기 탕도를 따라 상기 성형물수용부 내부로 주입되어 응고되는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 18에 있어서,
상기 용탕 유입/응고 단계에서 상기 상부가압부의 하부면이 상기 탕도의 천정면과 일치되거나, 상기 하부가압부의 상부면이 상기 탕도의 바닥면과 일치하게 되면, 상기 상부가압부 및 상기 하부가압부는 동일한 가압력으로 용탕을 가압하는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.
청구항 18에 있어서,
상기 용탕 주입 단계와 상기 상부가압부 하강 단계 사이에는 상기 상부금형과 상기 하부금형을 합형하는 금형 합형 단계;를 더 실시할 수 있는 다중 가압 주조 금형을 이용한 성형물의 제조방법.