KR20170116684A - 원심주조식 금형장치 및 그에 따른 원심주조식 제품 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 자성 반응이 가능한 용탕이 주입되는 도가니와, 상기 도가니를 감싸도록 설치되어 상기 도가니를 중심으로 상기 도가니 외부 둘레를 따라서 회전자계를 형성하여 상기 도가니 내부의 용탕에 대해 유도전류와 원심회전력을 부여하게 되는 회전자계모듈과, 상기 도가니 상측에 연통 가능하게 설치되어 원심회전하여 도가니를 이탈한 용탕이 일정한 모양을 갖도록 성형 공간을 제공하는 주형과, 상기 주형의 온도를 원하는 온도로 가열 또는 냉각하기 위한 주형온도제어유닛과, 상기 주형 내부의 성형 공간에 진공을 인가하기 위한 진공인가유닛을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치를 제공한다.

Description

원심주조식 금형장치 및 그에 따른 원심주조식 제품 주조방법{Centrifugal casting apparatus and method for fabricating casting product}

본 발명은 원심주조 방식의 금형장치 및 그에 따른 원심주조식 제품 주조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자성반응이 가능한 금속 용융물을 이용하여 봉형 혹은 튜브형 제품을 주조하는데 효과적으로 적용할 수 있는 원심주조 방식의 금형장치 및 제품 주조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 주조란 금속 재료를 녹인 용용물(이하, '용탕'이라함)을 금형에 주입하여 응고시킨 후 금형을 제거하여 원하는 형태의 제품을 만드는 작업을 말한다. 이러한 주조 작업을 효율적으로 진행하기 위해 다양한 주조 공정이 개발되고 있다.

각 주조 공정은 주형의 종류에 따라 사형주조, 금형주조, 정밀주조 등으로 구분될 수 있고, 금형주조의 경우는 금형의 캐비티 내로 용탕을 어떠한 방법으로 주입하느냐에 따라 중력주조, 저압주조, 고압주조, 고진공주조, 원심주조 등으로 구분될 수 있다.

이중 원심주조의 경우는 금형을 회전하여 원심력을 발생시켜 용탕을 주입시키는 방식이다.

특히, 크기가 작으면서도 정밀한 소형제품 또는 두께가 매우 얇은 제품, 예컨대 튜브형 제품을 주조를 통해 성형하는 경우에는 정밀주조방식을 사용하게 되는데, 이러한 정밀주조방식의 하나로 사용되고 있는 방식이 진공원심주조이다.

진공원심주조는 일정속도 이상으로 회전하는 용탕 수용조인 도가니에 용용물을 주입하고 도가니를 회전시켜 원심력에 의해 도가니로부터 이탈되는 용용물이 주형 내부에 충진함으로써 제품을 성형하는 방식이다.

여기서, 의도한 정밀한 제품을 얻기 위해서는 주형 내부공간으로 용용물이 완전히 채워져야 한다. 즉, 원심력에 의해 도가니로부터 이탈된 용융물이 응고되기 이전에 주형 내부공간을 모두 채워야 한다.

그런데 용융물로 사용되는 재료 중 응고속도가 매우 빠른 금속, 즉 용점이 매우 높은 고융점 금속재료의 경우, 도가니로부터 이탈된 용융물이 응고되는 속도가 매우 빨라 주형의 내부 공간에 용융물이 완전히 채워지기 전에 용융물이 응고될 우려가 크다.

이러한 현상은 두께가 매우 얇은 정밀한 제품의 주조시에 더 많이 나타나게 된다. 따라서, 통상의 원심주조방식에 의해서는 티타늄이나 티타늄 합금과 같은 고융점 금속재료를 이용하여 두께가 얇은 제품이나 정밀하고 조직이 치밀한 제품을 주조하는데는 한계가 있었다.

이러한 한계를 극복하기 위해 제안된 원심주조방식이 주형을 고속으로 회전시킨 후 고속회전하는 주형의 위쪽으로 열린 입구로 용융물을 주입하는 방식이다.

이와 같은 원심주조방식은 주형의 입구를 회전중심으로 하여 주형을 회전시키는 구조인데, 도가니의 용융물을 주형의 회전 중심에 오차없이 정확히 부어야 한다.

그러나 주형 입구의 회전중심으로 용융물을 정확히 진입시키지 못하는 경우 용융물은 회전하는 주형 내부 바닥면에 부딪힐 때 발생하는 반발력으로 인하여 주형 외부로 튀어나오게 되는 위험성이 존재한다.

또한, 주형의 구조에 따라 주형의 중심을 기준으로 정확히 대칭을 이루지 못하기 때문에 고속회전시 진동이 유발될 우려가 크며, 나아가 주형 자체의 파손을 야기할 우려가 크다. 따라서, 고융점 금속재료를 이용하여 두께가 얇은 제품이나 정밀하고 조직이 치밀한 제품을 성형하는데 한계가 있다.

이와 같이, 종래의 원심주조 방식들은 예컨대, 티타늄이나 티타늄 합금과 같은 고융점 금속재료로 두께가 얇은 봉형이나 튜브형의 제품을 성형하는 경우, 그 두께나 정밀성 및 조직을 치밀화하는데에 한계가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1372301호, (2014년 03월 04일 등록) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0007488호,(2015년 01월 21일 공개)

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자성반응이 가능한 금속재료를 이용한 봉형 혹은 튜브형 제품, 특히 자성반응이 가능한 고융점의 금속재료를 이용하여 두께가 얇거나 직경이 작은 제품을 주조하는데 보다 효과적으로 적용할 수 있는 원심주조 방식의 금형장치 및 그에 따른 원심주조 방식의 제품 주조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자성 반응이 가능한 용탕이 주입되는 도가니와, 상기 도가니를 감싸도록 설치되어 상기 도가니를 중심으로 상기 도가니 외부 둘레를 따라서 회전자계를 형성하여 상기 도가니 내부의 용탕에 대해 유도전류와 원심회전력을 부여하게 되는 회전자계모듈과, 상기 도가니 상측에 연통 가능하게 설치되어 원심회전하여 도가니를 이탈한 용탕이 일정한 모양을 갖도록 성형 공간을 제공하는 주형과, 상기 주형의 온도를 원하는 온도로 가열 또는 냉각하기 위한 주형온도제어유닛과, 상기 주형 내부의 성형 공간에 진공을 인가하기 위한 진공인가유닛을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치를 제공한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 도가니에 용탕을 주입하는 단계와, 주형 내의 성형공간에 진공을 인가하는 단계와, 상기 도가니 용탕 주위에 회전자계를 형성하여 회전자계와 용탕과의 상호 작용에 따라 도가니가 정지한 상태에서 용탕이 원심회전하여 주형 내의 성형 공간으로 이동하여 일정 형태로 주조되도록 하는 단계와; 상기 주형 내의 길이 방향을 따른 구역별 온도를 달리 제어하여 상기 성형 공간 내의 주조물이 위에서 아래로 방향성을 가지면서 응고되도록 하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 원심주조식 제품 주조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 원심주조식 금형장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 자성반응이 가능한 고융점의 금속 용융물을 두께가 얇거나 직경이 작은 봉형 혹은 튜브형 제품으로 주조함에 있어 기존의 압출 또는 인발 방식에 비해 보다 효과적으로 제조 가능하다.

즉, 본 발명에 따르면 도가니는 정지한 상태에서 용탕 자체에 원심력이 부여될 수 있어, 기존의 압출 또는 인발 방식에 비해 보다 효과적으로 봉형 및 튜브형 제품의 제조가 가능하며, 특히 두께가 얇고 직경이 작은 제품의 제조가 손쉽게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 주형 내에서 용탕에 의한 제품 주조가 완료된 후, 주형의 위쪽에서 아래쪽으로 방향성을 갖고 응고가 이루어지며, 이에 따라 제품의 치수 정밀도를 높일 수 있으며, 조직의 치밀도가 향상되는 등 우수한 기계적 성질을 띠는 제품 제조가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 원심주조식 금형장치의 구성을 대략적으로 나타낸 도면
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 원심주조식 금형장치에 의한 튜브 제조 과정을 보여주는 것으로서,
도 2a는 도가니에 용탕이 주입된 상태를 나타낸 도면
도 2b는 회전자계모듈의 작용에 의해 용탕이 원심회전하여 주형 내벽을 타고 오르는 도중의 상태를 나타낸 도면
도 2c는 주형의 성형 공간 내에서 주조가 완료된 상태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 원심주조식 금형장치의 블록도
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 원심주조식 금형장치의 주조 공정을 순차적으로 나타낸 흐름도

이하, 본 발명의 실시 예들에 대해 첨부도면 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 동일 구성에 대해서는 동일 도면 부호가 사용된다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조식 금형장치는, 자성 반응이 가능한 금속 용융물인 용탕(M)이 주입되는 도가니(100)와, 상기 도가니(100)를 감싸도록 설치되어 상기 도가니(100)를 중심으로 그 외부 둘레를 따라서 회전자계를 형성하여 상기 도가니(100) 내부의 용탕(M)에 대해 원심회전력을 부여하게 되는 회전자계모듈(110)과, 상기 도가니(100) 상측에 연통 가능하게 설치되어 원심회전하여 도가니(100)를 이탈한 용탕(M)이 일정한 모양을 갖도록 성형 공간을 제공하는 주형(120)과, 상기 주형(120)의 온도를 원하는 온도로 가열 또는 †‘각하기 위한 주형온도제어유닛(130), 그리고 상기 주형(120) 내부의 성형 공간에 진공을 인가하기 위한 진공펌프, 진공라인 및 체크밸브 등을 포함하는 진공인가유닛(500)을 포함한다.

여기서, 상기 회전자계모듈(110)은 상기 도가니(100) 둘레로 설치되며 전원의 인가시 발생되는 교번 전류에 의해 회전자계를 형성하는 고정자를 의미한다. 즉, 상기 회전자계모듈(110)은 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)로 이루어지는 공지의 유도모터에 있어, 코일이 권선되며 권선된 코일에 전류가 흐를 때 회전자계를 발생시켜 회전자에 회전토크가 생기도록 하는 고정자에 대응하는 역할을 수행하는 요소이다.

한편, 상기 주형온도제어유닛(130)은, 외부에 별도 구비된 전원공급부(300)로부터 전원을 공급받아 상기 주형(120)을 가열하며 상기 주형(120)의 길이 방향을 따라 구역별로 온/오프 제어가 가능토록 구비되는 복수 개의 히터(131)와, 상기 히터(131)와 더불어 상기 주형(120)에 구비되며 상기 주형(120)의 길이 방향을 따라 구역별로 냉각 온도 제어가 가능하도록 구비되는 복수 개의 냉각라인(132)을 포함한다.

상기 냉각라인(132)으로는 액체 또는 기체 상태의 냉각유체가 공급될 수 있다.

또한, 상기 도가니(100)와 상기 주형(120)은 상호 분리 및 결합 가능하도록 구성될 수 있으며, 상기 주형(120)의 상단부에는 주형의 성형 공간을 개폐하는 리드(140;lid)가 구비되고, 상기 리드(140)에는 상기 주형(120)의 성형공간 내부에 진공을 인가하는 진공라인이 연결될 수 있다.

그리고 비록 도시는 생략되었으나, 상기 도가니(100)와 상기 주형(120)은 상호 분리 및 결합 가능하도록 구성되는 경우, 상기 도가니(100)와 주형(120)이 결합된 상태를 유지할 수 있도록 상기 도가니(100)와 주형(120)을 얽매어 고정하는 클램핑수단(미도시)이 구비됨은 물론이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조식 금형장치는, 상기 도가니(100) 및 상기 도가니(100)에 결합된 주형(120)을 함께 회전시켜 용탕(M)에 대해 원심력을 부가하는 도가니 구동모듈(150)이 더 구비될 수 있다.

여기서, 상기 도가니 구동모듈(150)은, 상기 도가니(100)에 직결되는 회전축(153)과, 상기 회전축(153)에 대해 회전력을 제공하는 구동모터(151)와, 상기 구동모터(151)와 회전축(153) 사이를 연결하는 벨트(152) 등의 동력전달수단을 포함하여 구성된다.

본 실시 예에서는, 구동모터(151)의 회전력이 동력전달수단인 벨트(152)를 통해 회전축(153)으로 전달되는 것으로 예시하였으나, 상기 회전축(153)에 로터가 직결되고, 그 외측에 스테이터가 직결될 수도 있음은 물론이다.

한편, 상기 도가니 구동모듈(150)에 의한 주형(120)의 회전시에도, 상기 주형(120)의 온도를 원하는 온도 상태로 유지하기 위해서는 회전하는 주형(120) 내의 히터(131)로 전기를 공급하여 히터(131)를 온(0N) 시킬 수 있도록 구성되어야 한다.

이를 위해서는, 상기 히터(131)로는 상기 주형(120)에 구비된 브러시유닛(160), 즉 환형의 통전레일(미도시)과 이에 접촉하는 브러시(brush)를 통해 전원을 공급하도록 구성되는데, 각 히터(131)는 개별적으로 온/오프 제어 가능하도록 구성됨은 전술한 바와 같다. 통상 브러시 모터 등에 있어서 브러시에 의해 회전체에 대해 전원을 공급할 수 있는 구조는 공지된 구조로서, 본 실시 예에서도 동일 원리가 적용되므로 더 이상의 설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조식 금형장치는, 상기 도가니(100)에 주입된 용탕(M)에 대해 유도전류와 원심회전력을 부여하기에 앞서, 원심주조에 알맞은 온도로 제어하기 위한 도가니용 히터가 더 구비될 수 있으며, 상기 히터(미도시)는 도가니(100)에 내장됨이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조식 금형장치에 의한 제품 주조 과정을 튜브형 제품 제조 과정을 예로 들어 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도가니(100)의 용탕 수용공간으로 용탕(M)을 주입한다(도 2a 참조). 이때 상기 도가니(100)와 상기 주형(120)이 분리 가능한 경우에는 상기 도가니(100)와 주형(120)이 분리된 상태에서 상기 도가니(100)에 용탕(M)을 주입하고, 도가니(100)와 주형(120)을 클램핑수단으로 고정한다.

이와 같이 도가니(100)로의 용탕(M) 주입 및 도가니(100)와 주형(120)의 클램핑이 완료된 후에는, 주형(120) 상부 측을 리드(140)로 폐쇄한 상태에서 상기 주형(120) 내의 성형공간에 진공을 인가한다.

그리고 상기 주형(120)에 대한 진공 인가와는 별개로, 상기 주형(120) 내의 히터(131)들을 온(0N)시켜 주형(120)을 원하는 온도로 가열한다.

주형(120)이 원하는 온도에 이르면, 상기 도가니(100) 주위에 배치된 회전자계모듈(110)에 전원을 인가하게 되며, 이에 따라 상기 도가니(100) 주위에 회전자계가 형성되면, 상기 도가니(100) 내부의 용탕(M)에 대해 유도전류와 원심회전력이 부여된다.

이때, 도가니(100)는 정지상태를 유지하며, 상기 도가니(100)에 수용된 용탕(M)이 원심회전하여 주형(120) 내부의 성형 공간으로 이동하여 원하는 제품 형태로 주조된다.

도 2b는 회전자계모듈(110)의 작용에 의해 용탕(M)이 원심회전하여 주형(120) 내벽을 타고 오르는 도중의 상태를 나타낸 것으로서, 이 상태를 지나서 도 2c에 도시된 바와 같이 주형(120)의 성형 공간 내에서 주조가 완료된다.

이와 같이 제품 형태로의 주조가 이루어지고 나면, 상기 주형(120)에 구비된 히터(131)들을 위에서부터 아래로 순차적으로 오프(OFF) 시키고, 또한 냉각라인(132)을 위에서부터 아래로 순차적으로 작동시킴으로써, 상기 주형(120)이 길이 방향을 따라 상부에서 하부 방향으로 방향성을 띠고 냉각되도록 하며, 이로써 상기 주형(120)의 성형 공간 내에 주조된 제품이 방향성을 띠면서 응고되도록 한다.

한편, 상기와 같이 하여 용탕(M)에 대한 원심주조가 수행될 수 있지만, 용탕(M)에 작용하는 회전력을 극대화하여 직경이 극히 작은 제품을 주조하고자 하는 경우에는, 상기 도가니(100) 자체도 회전시켜 상기 용탕(M)에 대해 원심회전력이 부가되도록 제어할 수도 있다.

따라서, 본 발명에 있어, 도가니(100) 자체를 회전시켜 상기 도가니(100) 및 상기 도가니(100)에 결합된 주형(120)을 함께 회전시킴으로써 상기 용탕(M)에 대해 원심력을 부가하는 도가니 구동모듈(150)은 필요에 따라 선택적으로 구동하도록 제어 가능하다.

상기한 제품의 원심주조 과정에 있어, 회전자계모듈(110)로의 전원공급, 도가니(100)와 주형(120)의 온도 검출 및 히터(131) 및 냉각 라인의 제어를 위한 전원 공급, 주형(120)에 대한 진공인가 여부 등은 각종 상태검출 센서로 이루어진 상태감지부(400)로부터 받은 검출신호에 따라 제어부(200)에 의해 제어됨은 물론이다.

한편, 상기와 같이 진행되는 주조 과정에 있어, 용탕(M)의 회전력을 극대화하면 용탕(M)은 주형(120) 내의 성형공간을 완전히 채우게 되는데, 이를 통해 봉 타입의 제품 주조가 가능하다.

또한, 용탕(M)의 회전력 제어를 통해 용탕(M)의 원심력과 중력의 평형 조건을 맞추면 튜브(혹은 파이프)형의 제품 주조가 가능해진다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 자성반응이 가능한 고융점의 금속 용융물을 두께가 얇거나 직경이 작은 봉형 혹은 튜브형 제품으로 주조함으로써, 기존에 압출 또는 인발 방식으로 제조할 때에 비해 한층 용이하게 제조 가능하며, 또한 제품 가공 정밀도를 높일 수 있고, 방향성을 갖는 응고 유도를 통해 조직의 치밀도를 높일 수 있는 등 기계적 성질이 우수한 제품 제조를 가능케하는 매우 유용한 발명이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예들을 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예들 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

예컨대, 전술한 실시 예에서와는 달리, 다른 실시 예로서, 만약 도가니(100)와 상기 주형(120)이 분리될 수 없는 구조인 경우에는, 상기 리드(140)를 열고 주형 상단부를 통해 용탕(M)을 도가니(100)에 주입할 수도 을 것이다.

그러므로, 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

M: 용탕 100: 도가니
110: 회전자계모듈 120: 주형
130: 주형온도제어유닛 131: 히터
132: 냉각라인 140: 리드(Lid)
150: 도가니 구동모듈 151: 구동모터
152: 벨트 153: 회전축
160: 브러시유닛 200: 제어부
300: 전원공급부 400: 상태감지부
500: 진공인가유닛

Claims (9)

1. 자성 반응이 가능한 용탕이 주입되는 도가니;
   상기 도가니를 감싸도록 설치되어 상기 도가니를 중심으로 상기 도가니 외부 둘레를 따라서 회전자계를 형성하여 상기 도가니 내부의 용탕에 대해 유도전류와 원심회전력을 부여하게 되는 회전자계모듈; 및
   상기 도가니 상측에 연통 가능하게 설치되어 원심회전하여 도가니를 이탈한 용탕이 일정한 모양을 갖도록 성형 공간을 제공하는 주형;
   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주형의 온도를 원하는 온도로 가열 또는 냉각하기 위한 주형온도제어유닛; 그리고
   상기 주형 내부의 성형 공간에 진공을 인가하기 위한 진공인가유닛을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 주형온도제어유닛은,
   외부의 전원공급부로부터 전원을 공급받아 상기 주형을 가열하며 상기 주형의 길이 방향을 따라 구역별로 온/오프 제어가 가능하도록 구비되는 복수 개의 히터와,
   상기 히터와 더불어 상기 주형의 길이 방향을 따라 구역별로 냉각 온도 제어가 가능하도록 구비되는 복수 개의 냉각라인을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 도가니 및 상기 도가니에 결합된 주형을 함께 회전시켜 용탕에 대해 원심력을 부가하는 도가니 구동모듈이 더 구비됨을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 도가니 구동모듈에 의한 주형의 회전시,
   상기 주형에 구비된 환형의 통전레일에 접촉하는 브러시(brush)를 통해,
   상기 통전레일에 전기적으로 연결된 히터로 전원을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 도가니에는,
   상기 도가니에 주입된 용탕이 원하는 온도로 유지되도록 가열하기 위한 히터가 더 구비됨을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
   상기 도가니와 상기 주형은 상호 분리 및 결합 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원심주조식 금형장치.
8. 도가니에 용탕을 주입하는 용탕주입단계;
   도가니에 결합된 주형 내의 성형공간에 진공을 인가하는 진공인가단계;
   상기 도가니 주위에 회전자계를 형성하여 회전자계와 용탕과의 상호 작용에 따라 도가니가 정지한 상태에서 용탕이 원심회전하여 주형 내의 성형 공간으로 이동하여 일정 형태로 주조되도록 하는 원심주조단계;
   상기 주형 내의 길이 방향을 따른 구역별 온도를 달리 제어하여 상기 성형 공간 내의 주조물이 위에서 아래로 방향성을 가지면서 응고되도록 하는 응고유도단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 원심주조식 제품 주조방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 도가니 주위에 회전자계를 형성하여 용탕이 원심회전하도록 하는 원심주조단계를 수행할 때,
   상기 도가니 자체를 회전시킴으로써 상기 용탕에 대해 원심회전력이 부가되도록 상기 도가니 자체를 함께 회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 원심주조식 제품 주조방법.

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