KR20160140599A - 저압이나 중력주조법을 이용한 실린더 크랭크케이스 생산장치 - Google Patents

저압이나 중력주조법을 이용한 실린더 크랭크케이스 생산장치 Download PDF

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KR20160140599A
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Abstract

본 발명은 조립 상태에서 실린더 크랭크케이스(22)의 외형을 재생하는 주형공간(20)을 형성하는 주형부들(12,14,16,18)을 갖는 외부 주형(10); 액체 금속이 들어있는 도징로(28); 및 주형공간(20)의 밑에 위치하면서, 도징로(28)와 주형공간(20)을 유체가 통하게 연결하는 적어도 하나의 탕구(30)를 포함하고, 저압주조법이나 중력주조법을 이용한 실린더 크랭크케이스 생산장치에 관한 것으로, 각각의 탕구(30)가 스프류부싱(34)에 연결되고, 스프류부싱은 주형공간(20) 안으로 돌출하여, 실린더 크랭크케이스(22)의 실린더공간(24)을 형성한다. 이런 구조에서는 실린더 크랭크케이스의 고질량 구간들의 충전과 보충이 개선된다.

Description

저압이나 중력주조법을 이용한 실린더 크랭크케이스 생산장치{DEVICE FOR PRODUCING A CYLINDER CRANKCASE USING THE LOW-PRESSURE OR GRAVITY CASTING METHOD}
본 발명은 조립 상태에서 실린더 크랭크케이스의 외형을 재생하는 주형공간을 형성하는 주형부들을 갖는 외부 주형, 액체 금속이 들어있는 도징로(28), 및 주형공간의 밑에 위치하면서 도징로와 주형공간을 유체가 통하게 연결하는 적어도 하나의 탕구를 포함하고, 저압주조법이나 중력주조법을 이용한 실린더 크랭크케이스 생산장치에 관한 것이다.
경금속 합금의 실린더들이 V형이나 서로에 대해 직선으로 배치된 내연기관은 보통 저압 다이캐스팅이나 중력주조법으로 제작된다. 일반적으로, 실린더가 상단에 있고 직립해있는 크랭크케이스에 충전이 이루어지는데, 베어링 브래킷은 바닥에 위치한다. 또, 주조를 하는 동안 크랭크케이스를 눕혀두고 탕구를 측면에 배치하여 베어링 브래킷과 실린더 벽을 구조개선을 위해 냉각하는 방식이 DE 10 2006 030 129 A1에 소개되었다.
직립상태로 주조할 때, 용융물을 주형의 공간에 도입하는 지점에 따라, 용융물은 실린더헤드측으로부터 크랭크 공간쪽으로나 그 반대로 응고된다. 이와 관련해, 실린더덱이나 베어링 브래킷은 다른 부분보다 서서히 응고되고, 이런 부분들은 다른 부분보다 구조가 거칠어지고 강도가 떨어진다. 또, 탕구의 배치때문에 응고경로가 길어져, 기포 없이 주형을 제대로 충전하려면 공구 온도가 높아야 한다. 주조하는 동안 내부 고어에 의한 공급로의 차단을 피하는 설계를 하는데에도 어려움이 있고, 현대식 내연기관에서 코어의 갯수와 복잡도도 증가한다.
응고시간을 줄여 베어링 브래킷의 강도를 가능한 양호하게 하기 위해, 저압법을 이용해 실린더 크랭크케이스를 밑에서부터 충전하고 실린더덱을 바닥에, 베어링브래킷을 상부에 배치하려는 시도가 있었다. 예컨대, EP 1 498 197 A1은 V형 내연기관의 크랭크케이스를 거꾸로 주조하여 용융물을 밑에서부터, 즉 실린더측으로부터 공급하려는 방법을 제시한다. 기포 방지를 위해, 실린더 크랭크케이스를 형성하는 공간 외부에 공급기들을 배치한다. 베어링 브래킷을 향해 윗쪽으로 이동하기 때문에 용융물이 베어링 브래킷 부위에 도달할 때는 거의 공융온도로 냉각상태에 있고 이곳에서 냉각속도가 빨라져, 수지상 가지간격들이 좁은 미세구조가 형성된다. 그러나, 실린더덱에서의 급속 응고는 이룰 수 없다. 볼트보스 부위의 강도도 불충분한데, 이는 이들 부위로의 공급 불충분으로 인해 기포가 형성되기 때문이다.
또, 실린더가 V형태로 배열된 내연기관의 저압주조법이 DE 10 2011 056 985 A1에 소개되었는데, 여기서는 실린더들이 탕구를 향해 아래를 gidg도록 주조 방향을 선택한다. 서로 마주보는 실린더 측면들에서 주조를 한다. 베어링 브래킷과 실린더 벽 모두 수지상 가지간격들이 좁아지도록 냉경주형을 사용해 실린더를 냉각하지만, 주조 과정중의 수축 때문에 크랭크케이스의 대형 부품에 대한 용융물의 공급이 특히 불충분해져, 이런 부분들이나 볼트파이프 부붑에서 충분한 강도를 얻을 수 없다.
즉, 볼트보스 부분에서 기포를 방지하여 고강도를 얻고 웹(web) 부분에서 실린더 보어 표면과 베어링 브래킷 부분의 수지상 가지간격을 좁게할 수 있는 방법이 없다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 저압이나 중력주조법을 이용해 베어링 브래킷과 실린더웹(cylinder web) 부위는 물론 볼트보스와 실린더덱 부위에서 최적의 구조적 물성을 얻을 수 있는 실린더 크랭크케이스 생산방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 이런 목적은 독립항의 기술적 특징을 갖는 크랭크케이스 생산장치에 의해 달성된다.
각각의 탕구가 스프류부싱에 연결되고, 스프류부싱은 주형공간 안으로 돌출하여, 실린더 크랭크케이스의 실린더공간을 형성하기 때문에, 베어링 브래킷이나 볼트보스와 같이 질량이 큰 부분에서 방향성 응고가 이루어져, 이 부분의 수지상 가지간격이 좁아 높은 강도가 얻어진다. 그와 동시에, 스프류부싱과의 직접연결 때문에, 스프류 튜브를 통해 응과과정 동안 이 부분에 용융물이 추가로 공급되어, 냉각중에 수축을 일으키는 기포의 형성도 방지된다.
이런 스프류부싱은 주조 후 크랭크 공간쪽에서 빼내어 제거 가능한 것이 좋다. 이런 스프류부싱은 세라믹, 섬유, 주물사나 주물염과 같은 주물재 또는 이들의 조합으로 이루어져, 간단하고 경제적인 생산이 가능하다.
또, 스프류부싱이 원통형 채널을 갖고, 다수의 채널들이 원통형 채널로부터 스프류부싱을 형성하는 측벽을 관통해 각도를 이루면서 뻗도록 하면 특히 바람직하다. 이런 채널들을 통해 실린더 크랭크케이스의 고질량 구간의 직접 충전과 공급이 이루어져, 높은 강도를 얻을 수 있다.
채널들이 원통형 채널까지 직각으로 뻗는 가로채널이면 생산이 더 간단해진다.
이와 관련해, 채널들이 실린더 크랭크케이스의 고질량 부위들을 향하도록 하면 이들 부위에 대한 추가 용융물 공급이 최적화된다.
또, 채널들이 볼트보스, 메인 오일채널, 및/또는 실린더 크랭크케이스의 실린더공간과 메인 베어링부 사이의 연결부를 향하도록 하면, 이들 부위에 대한 직접적인 충전과 공급이 이루어지고 수지상 가지간격이 좁은 크랭크케이스가 생산된다.
스프류부싱은 실린더덱을 한정하는 주형부 위에 배열되고, 스프류부싱의 측벽은 실린더 측벽 역할을 하면서 실린더 공간을 형성하는 것이 바람직하다. 주조를 하는 동안의 방향 때문에, 스프류부싱들이 간단하고 정확하게 위치될 수 있다.
또, 스프류부싱이 실린더 공간 안으로 뻗어 실린더 공간의 측벽을 형성하는 홀딩부에 체결되는 것이 바람직하다. 이 경우, 스프류부싱들의 배치가 간단하면서도 높은 정확도와 안정도로 이루어진다.
또, 실린더덱이나 실린더웹 부근에 배열된 실린더 공간 각각의 안으로 냉경주형이 돌출하는 것이 바람직하다. 이 경우, 용융물의 직접적인 급속응고와, 고강도의 미세구조가 가능하다. 이런 냉경주형들을 스프류부싱에 체결하여 함께 주형 안에 배치할 수도 있다.
또, 홀딩부가 스프류튜브를 홀딩하는 냉경주형 역할을 할 수도 있다. 이 경우, 스프류튜브의 연결이 아주 간단해진다.
또, 실린더덱 위에 있는 주형부를 스틸로 형성하여 냉경주형 안에서 냉각하도록 하면 좋다. 이 경우, 용융물의 냉각시간이 짧아져 실린더덱에서 직접적인 응고가 이루어지고, 강도가 좋은 미세구조가 얻어진다.
또, 홀딩부 각각에 축방향으로 뻗는 4개의 아암들이 달려있어, 원주변에 홈이 형성된 실린더를 형성하고, 아암들이 원주변에 등간격 배열되도록 하면 좋다. 이 경우, 홀딩부에서 스프류부싱의 체결이 간단하고 신뢰성 있게 이루어짐은 물론 몸체의 제작도 간단하다.
아암들을 통한 양호한 냉각과 스프류부싱의 간단한 분리를 위해, 아암들의 내부 영역에 단열 인서트가 배치되고, 인서트는 아암들 사이의 홈에 대응하는 개구부들을 갖도록 하면, 요홈부들을 통해 주형을 충전할 수 있다.
이런 홈들은 볼트보스를 향해 비스듬한 것이 좋다. 이 경우 이들 부위의 충전과 공급이 보장되는 한편 실린더들 사이의 바닥부의 냉각이 홀딩부를 통해 보장되어, 강도가 좋아진다.
또, 탕구 바로밑이나 스프류부싱에 주물필터가 배치되면, 주조부에 산화물이나 기타 불순물이 들어가지 않아 좋다.
또, 금속용융물로 충전된 뒤 주형이 180°회전되어 도징로에서 분리되도록 하면, 주형 충전에 의한 온도구배가 직접 응고를 지원한다.
따라서, 강도가 중요한 부위, 즉 베어링 브래킷, 볼트보스 및 실린더들의 웹 부위에서 최적의 구조와 강도를 얻기 위한 직접 응고가 보장되는 내연기관용 크랭크케이스 생산장치가 제공된다. 외부에서 안쪽으로나 외부에서 스프류를 향해 완벽한 냉각이 이루어져, 응고시간이 최소화된다. 동시에, 내부의 구조적 결함도 스프류부싱의 공급기능에 의해 방지된다.
도 1은 본 발명에 따른 실린더 크랭크케이스 생산장치의 첫번째 예의 측단면도;
도 2는 본 발명에 따른 실린더 크랭크케이스 생산장치의 다른 예의 측단면도;
도 3은 도 2의 III-III선 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 실린더 크랭크케이스 생산장치의 세번째 예의 측단면도.
도 1에 도시된 장치의 외부 주형(10)은 강이나 주물 주형재료로 된 여러 주형부로 이루어지는데, 구체적으로 하부 주형부(12), 양쪽 측면 주형부(14,16) 및 상부 주형부(18)를 정위치하거나 닫은 뒤 실린더 크랭크케이스(22)의 외형을 나타내는 내부에 주형공간(20)을 형성하며, 이때 실린더 공간들(24)은 아래를 향하는 반면 베어링 브래킷(25)은 위를 향하게 된다.
하부 주형부(12)의 충진시스템(26)을 통해 주형공간(20)이 주형(10) 하부의 도징로(28; dosing furnace)에 연결된다. 도징로(28)에서 주형공간(20)으로 들어가는 용융 알루미늄합금이 밑에서부터 위로 움직이는 용융물로 인한 차압에 의해 움직이기 때문에 이 머신은 저압 주조머신이다.
충진시스템(26)은 도징로(28)에서부터 여러 탕구(30)까지 뻗는데, 탕구(30)는 실린더당 하나씩 있으며, 각각의 탕구는 실린더 크랭크케이스(22)의 각각의 실린더공간(24) 중앙 하부에 배열된다. 냉경주조시 각 게이트(30) 영역에 주물필터(32)를 배치하지만, 사형주조시에는 이 필터가 탕로 입구의 상류에 배치되어, 주형을 충진할 때 주물필터(32)의 상류나 주물필터내에서 용융물의 흐름이 90°까지 꺾여진다.
각 탕구(30)는 스프류부싱(34)에 연결되고, 본 실시예에서는 스프류부싱이 원통형이어서 실린더공간(34)이나 실린더 측벽(35)을 재생한다. 이런 스프류부싱(34)은 세라믹, 섬유, 주물사나 주물염과 같은 주물재 또는 이들의 조합으로 이루어지고 하부 주형부(12)를 향하면서 하부 주형부에 결합된다.
내부에는 실린더의 중심축선을 따라 원통형 채널(36)이 형성된다. 여기서는 이 채널(36)에서부터 스프류부싱(34)의 측벽(40)을 따라 4개의 가로 채널들(38)이 뻗어있고, 이들 채널은 주형공간(20)에 연결된다. 이들 가로 채널들(38)은 이 요소에서 질량중심에 대응되는 위치로 원주변을 따라 분산된채 실린더 크랭크케이스(22)의 볼트 보스들(42)을 향해 뻗는바, 구체적으로는 도면에 도시되지 않은 크랭크케이스(22)의 실린더웹에 비스듬하게 뻗는다. 이런 가로채널들(38)은 실린더 크랭크케이스(22)의 냉각수틀을 형성하기 위해 코어(46) 위로해서 주형공간(20)에 연결된다. 따라서, 이런 가로채널들(38)은 크랭크케이스(22)의 고질량 부위들, 예컨대 볼트보스(42), 대응 삽입 코어들로 이루어진 메인 오일채널들(48), 및 크랭크축의 메인 베어링부위(50)와 베어링 브래킷(25)의 연결부들을 향해 뻗게된다.
도징로(28)에서 압력에 의해 탕구(30)를 거쳐 스프류부싱(34) 안으로 상승해 들어간 용융물은 가로채널들(38)을 통해 주형공간(20)으로 들어가 아랫쪽의 실린더덱(52) 부분을 먼저 채우면서 급속 응고되는데, 이는 이 부분으로 추가로 들어가는 재료가 없기 때문이다. 밑에서 부터 상단까지 이런식으로 계속 용융물이 채워진다. 가장 높은 부위인 메인 베어링부(50)가 마지막으로 채워지고, 실린더 크랭크케이스(22)의 이런 부분들에 도달했했을 때 용융물이 이미 공융온도 범위에 있어 급속 응고되기 때문에, 수지상 가지간격들이 좁은 미세구조가 형성되어, 강도가 높아진다. 즉, 일반 응고방향이 바깥쪽에서 안쪽을 향한다. 볼트보스(42) 및 베어링 브래킷(25)과의 연결부인 고질량 부위들이 여전히 가로채널들(38)과 접해있어, 냉각이 진행되면서 이런 부위들을 통해 외부에서 안쪽으로 재료가 추가로 공급되면, 수축에 의한 기포의 형성이 방지된다. 따라서, 우수한 강도값을 갖는 방향성 충전과 응고가 이루어진다.
이런 주조 결과를 더 개선한 예가 도 2~3에 도시되었는데, 여기서는 같은 요소를 같은 번호로 표시한다. 이 실시예는 주형(10)의 하부 주형부(12)를 스틸로 형성하고 냉각한다는 있다는 점에서 차이가 있는데, 예컨대 하부 주형부(12) 내부에 냉각채널들이 배치된다. 또, 각각의 스프류부싱(34)을 위한 홀딩부(54)가 하부 주형부(12)에 달려있다. 이들 홀딩부는 원주변을 따라 등간격으로 배치된 4개의 아암(56)으로 이루어지고, 이런 아암들은 냉경주형(58) 역할을 하면서 스프류부싱(34)을 받아들이며, 그 폭과 높이에 걸쳐 주조를 하는 동안 실린더의 측벽(35)을 형성한다(도 3 참조). 아암들(56)로 인해 원주변에 홈(60)이 분산되어 있는 실린더가 형성된다. 이들 홈(60)은 스프류부싱(34)의 가로채널(38)과 같은 방식으로 원주변에 분산된다. 채널(36) 안에 단열 인서트(62)가 배치되는데, 이 인서트에도 충전과 공급을 위한 요홈부들이 있어, 냉경주형(58) 역할을 하는 아암들(56)과 스프류부싱(34) 사이의 열전달을 낮춘다.
전 실시예와 마찬가지 방식으로 주형공간(20)을 채우지만, 실린더덱(52)과 실린더웹 부위들이 직접 냉각되어 응고시간이 단축되기 때문에 이들 부위에서 더 미세한 구조들이 얻어진다. 메인 베어링부(50) 부위에서 추가로 능동적인 냉각이 이루어지기 때문에, 방향성 충전으로 얻을 수 있는 구조에 비해 베어링 브래킷(25)에서 수지상 가지간격들이 더 좁아지고 강도는 더 높아진다.
도시된 실시예에서는 사형(sand mould) 패키지를 주형(10)으로 사용한다. 도 1의 실시예에 비해, 베어링 브래킷(25) 부위에 냉경주형(64)을 배치하고, 추가 주형부로서 커버코어(66)로 냉경주형을 고정한다. 하부 주형부(12)는 하부 코어 역할을 하고, 이곳에 충진시스템(26)의 탕로(68)와, 스프류부싱(34)에 이어진 탕구(30)가 위치한다. 냉경주형(58)은 실린더덱(52) 부위의 스프류부싱(34)에 형성된다. 또, 가로 탕로(70)가 탕로(68)부터 보조탕구(72)까지 이어지고, 이런 보조탕구를 통해 측면 실린더벽들이 더 충전될 수 있다. 하부코어(12) 부위에서 회전축(74)이 탕로(68)에 평행하게 위치하며, 용융물을 수평으로 채우고 나서 주형이 도징로(28)에서 분리되고 회전축을 중심으로 180°회전한다. 이런 방법을 회전주조나 롤오버 방법이라 한다.
따라서, 저압주조법으로 실린더 크랭크케이스를 생산할 수 있는 장치가 제공되는데, 이런 장치에서는 고응력 부위에서 고강도가 구현되는 한편 사이클 시간도 단축되는데, 이는 냉각시간이 짧고 방향성 충전이 가능하기 때문이다. 또, 용융물을 고질량 부위에 채울 수 있어, 기포의 형성도 방지된다.
본 발명의 범위는 이상 설명에 한정되지 않고, 중력주조나 실린더가 V형태로 배열된 엔진의 생산에도 적용할 수 있다. 또, 스프류부싱이나 홀딩주형부들의 구조적 변형도 고려할 수 있고 냉각되거나 냉각되지 않는 재료들과는 다른 재료로 주형부들을 생산할 수도 있다. 가로채널의 위치와 갯수 또는 그 방향도 바꿀 수 있어, 예컨대 워터재킷 코어 밑까지 이어질 수도 있다.

Claims (17)

  1. 조립 상태에서 실린더 크랭크케이스(22)의 외형을 재생하는 주형공간(20)을 형성하는 주형부들(12,14,16,18)을 갖는 외부 주형(10); 액체 금속이 들어있는 도징로(28); 및 주형공간(20)의 밑에 위치하면서, 도징로(28)와 주형공간(20)을 유체가 통하게 연결하는 적어도 하나의 탕구(30)를 포함하고, 저압주조법이나 중력주조법을 이용한 실린더 크랭크케이스 생산장치에 있어서:
    각각의 탕구(30)가 스프류부싱(34)에 연결되고, 스프류부싱은 주형공간(20) 안으로 돌출하여, 실린더 크랭크케이스(22)의 실린더공간(24)을 형성하는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  2. 제1항에 있어서, 스프류부싱(34)이 제거 가능한 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  3. 제2항에 있어서, 스프류부싱(34)이 세라믹, 섬유, 주물사나 주물염과 같은 주물재 또는 이들의 조합으로 이루것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 스프류부싱(34)이 원통형 채널(36)을 갖고, 다수의 채널들(38)이 이 채널(36)로부터 스프류부싱(34)을 형성하는 측벽(40)을 관통해 각도를 이루면서 뻗는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 채널들(38)이 원통형 채널(36)까지 직각으로 뻗는 가로채널인 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 채널들(38)이 실린더 크랭크케이스(22)의 고질량 부위들을 향하는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 채널들(38)이 볼트보스(42), 메인 오일채널(48), 및/또는 실린더 크랭크케이스(22)의 실린더공간(24)과 메인 베어링부(50) 사이의 연결부를 향하는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 있어서, 스프류부싱(34)이 실린더덱(52)을 한정하는 주형부(12) 위에 배열되고, 스프류부싱의 측벽(40)이 실린더 측벽(35) 역할을 하면서 실린더 공간(24)을 형성하는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 있어서, 스프류부싱(34)이 실린더 공간(24) 안으로 뻗어 실린더 공간의 측벽(35)을 형성하는 홀딩부(54)에 체결되는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 실린더덱(52)이나 실린더웹(cylinder web) 부근에 배열된 실린더 공간(24) 각각의 안으로 냉경주형(58)이 돌출하는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 홀딩부(54)가 냉경주형(58) 역할을 하는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 하나에 있어서, 실린더덱 위에 있는 주형부(12)가 스틸로 이루어지고 냉각되는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중의 어느 하나에 있어서, 홀딩부(54) 각각에 축방향으로 뻗는 4개의 아암들(56)이 달려있어, 원주변에 홈이 형성된 실린더를 형성하고, 상기 아암들(56)이 원주변에 등간격 배열된 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 아암들(56)의 내부 영역에 단열 인서트가 배치되고, 상기 인서트는 아암들(56) 사이의 홈(60)에 대응하는 개구부들(64)을 갖는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 홈(60)이 볼트보스(42)를 향해 비스듬한 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 하나에 있어서, 탕구(30) 바로밑이나 스프류부싱(34) 안에 주물필터(32)가 배치되는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중의 어느 하나에 있어서, 금속용융물로 충전된 뒤 주형(10)이 180°회전되어 도징로(28)에서 분리되는 것을 특징으로 하는 실린더 크랭크케이스 생산장치.
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