KR20150140309A - 추가적인 제조 기법을 이용하여 제작된 피스톤 - Google Patents

추가적인 제조 기법을 이용하여 제작된 피스톤 Download PDF

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KR20150140309A
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카르모 리베이로
오웬 루
토마스 이거러
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페더럴-모걸 코오포레이숀
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Abstract

내연 기관용 모노블록 피스톤 바디가 제공된다. 피스톤 바디는 한 쌍의 스커트부 및 한 쌍의 핀 보스를 포함하는 제 1 피스와, 상부 연소 표면 및 적어도 부분적으로 포위된 오일 갤러리가 있는 크라운부를 포함하는 제 2 피스를 포함한다. 제 1 피스와 제 2 피스는 상부 연소 표면의 맞은편에 있는 오일 갤러리의 측면 상에 위치되어 있는 조인트에서 함께 접합된다. 제 1 피스는 주조가공이나 단조가공을 통해 제작되고, 제 2 피스는 직접 금속 레이저 소결과 같은 추가적인 제조 과정을 통해 제작된다.

Description

추가적인 제조 기법을 이용하여 제작된 피스톤{PISTON MADE USING ADDITIVE MANUFACTURING TECHNIQUES}
본 출원은 2013년 4월 5일자로 출원된 미국 출원 61/808,976의 이익을 주장하고, 그 내용은 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.
본 발명은 대체로 내연 기관용 피스톤 및 내연 기관용 피스톤을 제작하는 방법에 관한 것이다.
엔진 제조업체들은, 연비를 개선하는 것, 연료 연소를 개선하는 것, 연료 소모를 줄이는 것, 및 차량의 실내를 난방하도록 차후에 사용하기 위하여 배기 온도를 상승시키는 것을 포함하되 이에 제한되지 않는 엔진 효율과 성능을 향상시키는 것에 대한 증가하는 수요에 직면하고 있다. 직접 분사, 수퍼차져 및/또는 터보차져와 같은 진보된 기술은 이러한 목적들 중 하나 이상을 달성하는데 이용되고 있다. 이러한 진보된 기술의 공통 효과는 상승된 연소 압력 및 온도이다. 일부 피스톤 제조업체는 스틸로 피스톤 바디를 제작하는 것 및 이러한 스틸 피스톤 바디에 엔진 가동 중 냉각을 위한 하나 이상의 갤러리를 제공하는 것에 집중해 왔다. 상승된 압력 및 온도 상태에서도 피스톤이 성능을 발휘할 수 있도록 오일 갤러리의 성능을 향상시킬 필요는 꾸준히 존재한다.
본 발명의 일 양태는 내연 기관용 모노블록(monobloc) 피스톤 바디를 제작하는 방법을 제공한다. 방법은 피스톤 바디의 제 1 피스를 주조하거나 단조하는 단계를 포함한다. 방법은 추가적인 제조 과정을 통해 피스톤 바디의 제 2 피스를 제작하는 단계로 계속된다. 방법은 그 후 제 1 피스와 제 2 피스를 함께 접합하는 단계로 속행된다.
추가적인 제조 과정을 통해 피스톤 바디를 제작하는 단계는 종래의 과정에 비해 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 복잡한 특정 형상을 가진 연소 보울 또는 오일 갤러리와 같은 특정 부재는 종래의 제조 과정을 통해서 비용면에서 효과적으로 제작될 수 없다. 이러한 부재들을 만들어내기 위한 추가적인 제조 과정의 이용은 이러한 문제점을 극복한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 주조가공되거나 단조가공된 제 1 피스는 한 쌍의 스커트부 및 한 쌍의 핀 보스를 포함하고, 추가적인 제조 과정을 통해 제작된 제 2 피스는 상부 연소 표면 및 적어도 부분적으로 포위된 오일 갤러리를 포함한다. 이는 특히 유리할 수 있는데, 상부 연소 표면이 있는 제 2 피스가 핀 보스와 스커트부가 있는 제 1 피스의 재료보다 내산화성이 우수한 재료로 제작될 수 있기 때문이다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 피스톤 바디의 제 1 피스 및 제 2 피스는 마찰 용접과 같은 용접을 통해 함께 접합된다.
본 발명의 다른 양태에는 내연 기관용 피스톤 바디를 제작하는 다른 방법이 제공된다. 이 방법은 피스톤 바디의 일 부분을 주조하거나 단조하는 단계를 포함한다. 이 방법은 피스톤 바디의 주조가공되거나 단조가공된 부분에 피스톤 바디의 잔여부를 형성하기 위해서 추가적인 제조 과정을 통해 금속 분말을 용융시키는 단계로 계속된다.
본 발명의 다른 양태는 내연 기관용 모노블록 피스톤 바디가 제공된다. 피스톤 바디는 한 쌍의 스커트부 및 한 쌍의 핀 보스가 있는 제 1 피스, 및 상부 연소 표면 및 적어도 부분적으로 포위된 오일 갤러리를 가지는 크라운부가 있는 제 2 피스를 포함한다. 제 1 피스와 제 2 피스는 상부 연소 표면의 맞은편에 있는 오일 갤러리의 측면 상에 위치되어 있는 조인트에서 함께 접합된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 제 2 피스는 제 1 피스에 비해 증가된 내산화성을 가지는 재료로 제작된다.
본 발명의 여러 가지 특징과 이점은 첨부의 도면과 관련하여 고려하면 다음에 오는 발명의 상세한 설명을 참조하여 보다 잘 이해되는 바와 마찬가지로 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 피스톤 바디의 예시적인 실시예의 정면도이다.
도 2는 도 1의 피스톤 바디의 저면도이다.
도 3은 도 1의 피스톤 바디의 사시도이다.
도 4는 도 1의 피스톤 바디의 평면도이다.
도 5는 내부 냉각 갤러리가 나타나 있는, 도 1의 피스톤 바디의 X-레이 투시도이다.
도 6은 직접 금속 레이저 소결 공정을 통해 부분적으로 형성되는 피스톤 바디의 일 부분이 나타나 있는 사시도이다.
도 7은 도 1의 예시적인 피스톤 바디의 단면도이다.
도 8은 직접 금속 레이저 소결 공정을 통해 형성되는 피스톤 바디의 다른 부분이 나타나 있는 사시도이다.
도면을 참조하면, 여기서 유사한 부재번호는 몇몇 도면에 걸쳐 대응하는 부품들을 지시한다. 도 1 내지 도 4에는 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 피스톤 바디(20)가 도시되어 있다. 보다 상세하게는, 그 최종 형태에 있어서, 모노블록에 관한 도 1 내지 도 4의 예시적인 피스톤 바디(20)는, 원피스형 피스톤 바디(20)로 보이도록 서로 일체형으로 모두 연결되어 있는 크라운부(22), 한 쌍의 스커트부(24) 및 한 쌍의 핀 보스(26)를 포함하도록 설계되고, 부분적으로는 직접 금속 레이저 소결(direct metal laser sintering; DMLS)과 같은 추가적인 제조 과정으로 형성되도록 설계된다. 예시적인 실시예의 피스톤 바디(20)는 디젤 연료방식, 즉 압축 점화 내연 기관에서 사용하도록 구성되어 있다. 그러나, 이와 달리 피스톤 바디는, 예컨대 불꽃 점화 또는 압축 점화 2 행정 또는 4 행정 내연 기관을 포함하는 다양한 타입의 내연 기관의 범위에서 사용하도록 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 더 참조하면, 크라운부(22)는 피스톤(20)을 내연 기관의 실린더 벽(미도시)에 대하여 밀착하기 위해서 하나 이상의 피스톤 링(미도시)을 수용하기 위한 복수의 링 그루브(28)가 있는, 반경방향으로 바깥쪽을 향하고 있으면서 대체로 실린더 형상의 링 벨트 영역을 가진다. 예시적인 피스톤(20)의 크라운부(22)는 또한 그 내부에 형성된 "멕시코 모자" 형상의 연소 보울(30)이 있는 상부 연소 표면을 가진다. 연소 보울(30)이 적합한 형상이나 구성을 가질 수 있다는 것뿐만 아니라, 피스톤 바디가 거기에 맞게 설계되어 있는 특정 적용처에 따라서는 이와 달리 크라운부가 연소 보울이 없는 상태로 형성될 수 있다는 것은 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 스커트부(24)와 핀 보스(26)는 크라운부(22)로부터 늘어져 있으면서 크라운부(22)로부터 축방향으로 아래쪽을 향하여 뻗어있다. 도 1과 도 3에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 핀 보스(26)에는 피스톤(20)을 커넥팅 로드(미도시)와 연결하도록, 궁극적으로는 내연 기관의 크랭크 샤프트(미도시)와 연결하도록 거전 핀(gudgeon pin)(리스트 핀(wrist pin)으로도 알려짐)을 수용하기 위하여 핀 보어 축을 따라 서로 정렬되어 있는 핀 보어(30)들이 존재한다.
이어서 도 7의 단면도를 참조하면, 피스톤 바디(20)의 크라운부(22)는 내연 기관의 가동 중 크라운부(22)를 냉각시키도록 냉각 오일(또는 임의의 다른 냉각 유체)을 수용하면서 유지하기 위하여 그 내부에 형성되어 있는 포위된 오일 갤러리(32)를 가진다. 예시적인 실시예에서, 오일 갤러리(32)는 대체로 링이나 고리 모양이고, 축 둘레에 360˚ 뻗어있다. 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 피스톤 바디(20)는 또한, 냉각 오일을 하나 이상의 오일 제트(미도시)로부터 오일 갤러리(32) 속에 수용하기 위해서 뿐만 아니라 냉각 오일을 오일 갤러리(32)로부터 분배하고 엔진의 가동 중에는 내연 기관의 크랭크 케이스로 다시 분배하기 위해서 적어도 하나의 개구(34)를 가진다(예시적인 실시예에는 2개의 개구(34)가 나타나 있음). 오일 갤러리(32) 속으로의 오일의 이러한 연속적인 사이클링은 크라운부(22)로부터 열을 제거하는 효과가 있어서, 크라운부(22)를 냉각시킬 뿐만 아니라 상승된 연소 압력 및 온도에서 가동시킨다.
다시 도 7을 참조하면, 본 발명의 이러한 양태에 따르는 모노블록 피스톤 바디(20)는 별도로 형성되고 함께 접합되는 2개의 피스들로 제작된다. 특히, 스커트부(24)와 핀 보스(26)는 주조나 단조 같은 추가적인 제조 과정을 거치지 않고 형상이 정해지는 하나의 일체형 피스(이하에서 "제 1 피스"로 지칭됨)로 형성된다. 크라운부(22)를 포함하는 다른 피스(이하에서는 "제 2 피스"로 지칭됨)는 DMLS와 같은 추가적인 제조 과정 또는 기법을 통해 형성된다. 제 1 피스와 제 2 피스는 별도로 형성되기 때문에 상이한 재료로 제작될 수 있다. 예를 들어, 크라운부(22)가 있는 제 2 피스는 높은 연소 압력 및 온도를 견딜 수 있도록 스틸로 제작될 수 있는 한편, 제 1 피스는 피스톤 바디의 총 중량을 줄이기 위해서 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 제작될 수 있다. 이와 달리, 제 1 피스와 제 2 피스는 피스톤 바디(20)의 중량 및 성능의 최적화를 제공하기 위해서 상이한 등급의 스틸로 형성될 수 있다. 제 2 피스는 또한 제 1 피스의 재료보다 내산화성이 더 양호한 재료로 제작될 수 있다. 제 1 피스와 제 2 피스는, 예컨대 마찰 용접, 유도 용접, 납땜, 기계적 패스너 또는 적합한 기술을 통해 함께 접합될 수 있다.
나타나 있는 바와 같이, 오일 갤러리(32)는 전체적으로, 크라운부(22)를 가지는 제 1 피스 내부에 형성된다. 따라서, 제 1 피스와 제 2 피스 사이의 조인트는 상부 연소 표면의 맞은편에 있는 오일 갤러리(32)의 측면 상에 위치된다. 오일 갤러리(32)는 전체적으로, DMLS와 같은 추가적인 제조 과정 또는 기법을 통해 형성된다. 따라서, 오일 갤러리(32)는 대체로 매끄러운 벽을 가지고, 오일 갤러리가 있는 다른 피스톤에서 통상적으로 발견되는 바와 같이 그 내부에 형성된 용접 플래시를 포함하지 않는다. 이는 성능을 향상시킬 수 있는 여지가 있는데, 오일 갤러리(32) 속으로의 오일의 이동 또는 오일 갤러리(32)를 벗어나는 오일의 이동뿐만 아니라 오일 갤러리(32) 내부에서의 오일의 이동을 방해하는 용접 플래시가 없기 때문이다. 추가적으로, 추가적인 제조 공정 또는 기법을 통해 크라운부(22)를 형성하는 것은 다른 방법으로 크라운부(22)의 냉각을 더욱 강화할 수 있는 형상보다 더 복잡한 형상을 가질 수 있는 여지가 있다. 또한, 링 벨트의 그루브(28)는 추가적인 성형 과정 동안 크라운부(22) 속에 직접 형성될 수 있고, 이로써 그루브(28)를 성형하는 것이 요구되는 기계가공을 없애거나 적어도 줄일 수 있다. 이는 제조 효율을 향상시키면서 비용을 줄일 수 있는 여지가 있다.
도 6에는 DMLS를 통해 형성되는 크라운부(22)가 나타나 있다. DMLS 과정 동안, 작업대(build platform) 상의 금속 파우더(36)는 크라운부(22)에 레이어 또는 슬라이스를 만들어내기 위해서 소정의 패턴을 따라 고출력 레이저(38)로 선택적으로 용융된다. 이 과정은 모든 슬라이스들이 크라운부(22)에 만들어지는 것이 완료될 때까지 상이한 형상의 슬라이스들에 따라 용융 패턴(melting pattern)을 바꾸면서 소정의 횟수로 반복된다.
이어서 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 양태에 따르되 스커트부(24)와 핀 보스(26)가 있는 제 1 피스는 주조나 단조를 통해 형성되고, DMLS 머신에 장전된다. 그 후 DMLS 과정은 소정의 패턴을 따라 금속 분말(36)을 용융시키는 것이 시작되고, 이로써 제 2 피스를 제작하는 동안 제 1 피스와 맞닿도록 제 2 피스를 크라운부(22)(도 1에 도시됨)와 직접 접합할 수 있다. 제 1 피스에 제 2 피스를 접합하는 것이 제 1 피스를 제작하는 것과 동시에 일어나기 때문에, 별도의 접합 과정(예컨대 용접)은 요구되지 않는다.
본 발명의 다른 양태는 내연 기관용 모노블록 피스톤 바디(20)를 제작하는 방법이다. 방법은 한 쌍의 스커트부(24) 및 한 쌍의 핀 보스(26)를 포함하도록 피스톤 바디(20)의 제 1 피스를 주조하거나 단조하는 단계를 포함한다. 방법은 DMLS를 통해 피스톤 바디(20)의 제 2 피스를 제작하는 단계로 계속된다. 제 2 피스를 제작하는 단계 및 제 1 피스와 제 2 피스를 함께 접합하는 단계는 동시에 일어날 수도 있고(제 2 피스를 제 1 피스에 직접 제작하여 행해짐), 또는 제 2 피스가 제 1 피스로부터 별도로 형성될 수도 있으며, 2개의 피스들이, 예컨대 용접을 통해 순차적으로 접합될 수도 있다.
명백하게도, 본 발명의 다수의 수정과 변경은 위 교시사항의 관점에서 가능성이 있고, 첨부의 청구범위의 범위 내에 있으면서 특히 기술된 바와 달리 실시될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 내연 기관용 피스톤 바디를 제작하는 방법으로서,
    피스톤 바디의 일 부분을 주조하거나 단조하는 단계; 및
    피스톤 바디의 주조가공되거나 단조가공된 부분에 피스톤 바디의 잔여부를 형성하기 위해서 추가적인 제조 과정을 통해 금속 분말을 용융시키는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가적인 과정은 직접 금속 레이저 소결인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    피스톤 바디의 주조가공되거나 단조가공된 부분은 한 쌍의 스커트부 및 한 쌍의 핀 보스를 포함하고,
    추가적인 제조 과정을 통해 형성된 피스톤의 부분은 상부 연소 표면 및 적어도 부분적으로 포위된 오일 갤러리를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    금속 분말은 피스톤 바디의 주조가공되거나 단조가공된 부분과 상이한 재료로 되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 내연 기관용 모노블록 피스톤 바디를 제작하는 방법으로서,
    피스톤 바디의 제 1 피스를 주조하거나 단조하는 단계;
    추가적인 제조 과정을 통해 피스톤 바디의 제 2 피스를 제작하는 단계; 및
    제 1 피스와 제 2 피스를 함께 접합하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    주조가공되거나 단조가공된 제 1 피스는 한 쌍의 스커트부 및 한 쌍의 핀 보스를 포함하고,
    추가적인 제조 과정을 통해 제작된 제 2 피스는 상부 연소 표면 및 적어도 부분적으로 포위된 오일 갤러리를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    피스톤 바디의 제 2 피스를 제작하는데 사용되는 추가적인 제조 과정은 직접 금속 레이저 소결인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    직접 금속 레이저 소결을 통해 피스톤 바디의 제 2 피스를 제작하는 단계와 제 1 피스와 제 2 피스를 함께 접합하는 단계는 제 2 피스의 재료가 제 1 피스에 직접 형성되는 상태로 서로 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    직접 금속 레이저 소결을 통해 피스톤 바디의 제 2 피스를 제작하는 단계는 제 1 피스의 표면에 금속 분말을 용융시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    피스톤 바디의 제 1 피스와 제 2 피스는 용접을 통해 함께 접합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    제 1 피스와 제 2 피스를 접합하는 단계는 제 1 피스와 제 2 피스를 함께 용접하는 것으로 추가로 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 피스와 제 2 피스를 함께 접합하는 용접은 마찰 용접인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 한 쌍의 스커트부 및 한 쌍의 핀 보스를 포함하는 제 1 피스; 및
    상부 연소 표면 및 적어도 부분적으로 포위된 오일 갤러리가 있는 크라운부를 포함하는 제 2 피스;
    를 구비하는 내연 기관용 모노블록 피스톤 바디로서,
    상기 제 1 피스와 제 2 피스는 상기 상부 연소 표면의 맞은편에 있는 상기 오일 갤러리의 측면 상에 있는 조인트에서 함께 접합되는 것을 특징으로 하는 모노블록 피스톤 바디.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 1 피스와 제 2 피스는 상이한 재료로 제작되는 것을 특징으로 하는 모노블록 피스톤 바디.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 2 피스의 재료는 제 1 피스의 재료에 비해 증가된 내산화성을 가지는 것을 특징으로 하는 모노블록 피스톤 바디.
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