WO2021246665A1 - 박육 주조품 설계 방법 및 이를 통해 제조된 박육 주조품 - Google Patents

박육 주조품 설계 방법 및 이를 통해 제조된 박육 주조품 Download PDF

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WO2021246665A1
WO2021246665A1 PCT/KR2021/005706 KR2021005706W WO2021246665A1 WO 2021246665 A1 WO2021246665 A1 WO 2021246665A1 KR 2021005706 W KR2021005706 W KR 2021005706W WO 2021246665 A1 WO2021246665 A1 WO 2021246665A1
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casting
thin
thin casting
thickness
corner
Prior art date
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PCT/KR2021/005706
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Inventor
한국현
백진욱
임태완
박주민
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삼영기계 (주)
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Publication date
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
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    • G06F2119/18—Manufacturability analysis or optimisation for manufacturability

Definitions

  • the present invention relates to a method for designing a casting, and more particularly, to a method for designing a thin casting having a hollow interior and a thin thickness, and to a thin casting manufactured through the method.
  • Casting means a product manufactured through a casting process, and a casting product having an empty inside and a relatively thin thickness is called a thin casting product.
  • the demand for thin casting products is continuously increasing.
  • the demand for thin casting products having both top, bottom, and side surfaces and an empty inside is increasing.
  • the upper, lower, and side surfaces were individually manufactured and assembled with a plate-shaped material to increase durability and economic efficiency, and to realize the desired shape in one piece.
  • the need for thin castings is increasing in order to reduce the thickness to reduce the weight of products made by casting or in the past.
  • An object of the present invention is to provide a method for designing a thin casting having a shape.
  • the outer shape of the casting is not changed, and the casting is designed so that casting defects do not occur, but the weight can be relatively reduced. It is intended to provide a design method for castings.
  • a shape design method of a casting that can eliminate casting defects such as multiple shrinkage defects on the thin surface and shrinkage defects and cracks at the corners.
  • the design method of a casting according to the present invention for solving the above-described problems, in designing a thin casting including a lower surface, a side surface, an upper surface, and an inner space surrounded by the lower surface, a side surface, and an upper surface, a) of the casting determining an arrangement direction of the thin casting in consideration of the injection direction and the position of the press; b) defining a lower surface of the thin casting as an injection direction of the casting, and defining an upper surface of the thin casting as a direction in which the press is located; c) setting the wall thickness of the upper surface in the direction in which the feed metal is located is thicker than the wall thickness of the lower surface in the injection direction of the casting; and d) inducing directional solidification by setting the wall thickness of the side connecting the lower surface and the upper surface to be gradually thicker from the lower surface to the upper surface.
  • the wall thickness of at least one of the upper surface and the lower surface is characterized in that it is set to have a gradient that becomes thicker as it approaches the press.
  • step d) adding a first rib protruding into the inner space to at least one of the lower surface, the side surface, and the upper surface;
  • the first rib is characterized in that it has a gradient such that the width or thickness increases as it approaches the feed.
  • step d) the step of adding a pillar connecting the upper surface and the lower surface to the inner space; further includes.
  • the pillar portion is characterized in that it has a gradient so as to increase the cross-sectional area closer to the press.
  • the pillar portion is characterized in that a hollow space is formed so that a part of the interior is empty.
  • the second rib is characterized in that it has a gradient such that the width or thickness increases as it approaches the feed.
  • the hollow space inside the pillar portion includes at least one of a through hole formed in the direction of the pillar and a through hole formed perpendicular to the direction of the pillar.
  • the lower surface and the side surface, or the corner where the side surface and the upper surface are in contact has an obtuse angle, characterized in that it is formed in a round having a constant curvature.
  • At least one of the corners in contact with the lower surface and the side surface, or the side surface and the upper surface, is characterized in that it has an obtuse angle.
  • the outer curvature of the corner in contact with the lower surface and the side surface is set as the sum of the inner curvature of the corresponding corner and the thickness of the lower surface in contact with the corner
  • the outer curvature of the corner in contact with the side surface and the upper surface is the inner curvature of the corresponding corner and the corner It is characterized in that it is set as the sum of the thickness of the side flesh in contact.
  • the method for manufacturing a thin casting of the present invention comprises the steps of designing a thin casting by the thin casting design method; manufacturing a mold of the thin casting through sand 3D printing; and injecting a casting into the mold manufactured through the sand 3D printing.
  • the thin casting of the present invention is manufactured by the above thin casting design method, and includes at least any one of the morphological characteristics of the wall thickness, the first rib, the second rib, the column part, and the corner part of the thin casting design model. is composed
  • the thin casting of the present invention is characterized in that it is a building node that connects the building beams to each other.
  • the volume of one of the upper and lower sides of the casting becomes larger than the volume of the other side, A difference in solidification time occurs due to the difference in the volume of one side and the other side, and accordingly, a phenomenon in which the casting is solidified from the other side to one side, that is, directional solidification occurs. There is an effect that can eliminate casting defects.
  • the appearance of the casting is maintained while maintaining the directionality It has the effect of inducing coagulation.
  • the casting includes a thicker outer part than the other part of the lower end and the side part or the side part and the upper part, by correcting the 3D model to add a second rib that generates a volume difference, in casting the casting It has the effect of inducing directional coagulation.
  • the present invention by correcting the 3D model so that the part where the lower end and the side part of the casting meet each other and the part where the side part and the upper part meet each other are curved surfaces, the occurrence of cracks in the corresponding part in casting the casting is prevented, It has the effect of improving the quality of the casting by preventing the stress from being concentrated.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of a thin cast product designed according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the wall thickness gradient of the first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an example and a cross-sectional view of a thin casting according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the wall thickness gradient of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an example and a cross-sectional view of a thin cast product according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the wall thickness gradient of the third embodiment of the present invention.
  • 9 and 10 are cross-sectional views for explaining various modifications of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a thin casting 1000 designed by the present invention.
  • the thin casting design method of the present invention includes a lower surface 100, a side surface 200, an upper surface 300, and an inner space surrounded by the lower surface 100, the side surface 200, and the upper surface 300.
  • Step a) is the step of determining the arrangement direction of the casting considering the injection direction of the casting and the location of the press. This is the step to determine the standard direction.
  • Step b) is a step in which the injection direction of the casting is defined as the lower surface 100 of the thin casting form, and the direction in which the feed metal is located is defined as the upper surface 300 of the casting.
  • Step c) is a step of setting the wall thickness of the upper surface 300 and the lower surface 100 of the thin casting product defined according to the design reference direction of the thin casting, and the wall thickness of the upper surface 300 in the direction in which the hot metal is located is the thickness of the casting. It is set to be thicker than the wall thickness of the lower surface 100 in the injection direction.
  • Step d) is a step of setting the wall thickness of the side surface 200 connecting the lower surface 100 and the upper surface 300 to be gradually thicker from the lower surface 100 to the upper surface 300. Steps c) and d) are performed. As the wall thickness of the lower surface 100, the side surface 200, and the upper surface 300 gradually increases, the direction of solidification can be induced, and casting defects can be reduced in the cooling and solidification process of the thin casting.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the wall thickness gradient of the first embodiment of the present invention, which will be described in more detail with reference to FIG. (100) and the wall thickness of the upper surface 300 can also give a gradient, respectively.
  • the central flesh thickness of the lower surface 100 to be injected of the casting is T1 (100)
  • the flesh thickness T2 of the lower surface 100 close to one corner is 1.1 to 1.3 times T1
  • the flesh thickness T3 is 1.4 to 1.6 times T1
  • the flesh thickness T4 of the side 200 close to the upper edge is 1.6 to 1.8 times T1
  • the flesh thickness T5 of the upper surface 300 to the edge at one edge is 1.8 of T1.
  • the flesh thickness T6 of the center of the upper surface 300 where the press is located is preferably set to 2.2 to 2.4 times T1.
  • cooling is performed in the order of upper left, upper right, lower left, and lower right. More specifically, in the thin casting according to the first embodiment of the present invention, the directional solidification that is sequentially cooled in the order of the lower surface 100, the side surface 200, and the upper surface 300 is smoothly performed, and the local non-uniform cooling This does not happen.
  • the thin casting product according to the second embodiment of the present invention has a lower surface 100, a side surface 200, and an upper surface ( 300) from the inner surface of at least one of the first ribs 400 are formed to protrude into the inner space.
  • the first rib 400 protruding into the inside of the body is formed on the lower surface 100 , the side surface 200 , and the upper surface 300 , and the hot water supply is performed smoothly along the first rib 400 . and the direction of coagulation is toward the upper surface 300 .
  • the width and thickness of the first rib 400 can be adjusted according to the basic flesh thickness and material of the upper surface 300 , the side surface 200 , and the lower surface 100 , and the width and thickness of the first rib 400 also have a gradient. to maximize the effect of directional coagulation.
  • FIG. 4 and 5 are cross-sectional views taken in a direction different from that of FIG. 3 of a thin casting according to a second embodiment of the present invention in order to explain the first rib 400 in more detail.
  • the first rib 400 is formed over the lower surface 100 , the side surface 200 , and the upper surface 300 , thereby inducing directional solidification more efficiently.
  • 4 and 5 are cross-sectional views for explaining various modifications of the second embodiment of the present invention.
  • the first rib 400 is formed in one direction, and the first rib 400 is formed in the other direction.
  • Directional solidification can be induced by giving a gradient of wall thickness without (400).
  • the width and thickness of the first upper surface rib 410 formed on the upper surface 300 is equal to that of the lower surface 100 as shown in FIG. 5 . ), by forming a larger than the width and thickness of the first lower rib 420 formed in, it is possible to more effectively impart the directionality of the solidification.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the wall thickness gradient of the second embodiment of the present invention.
  • the side surface (200) The thickness of the first rib 400 at the bottom T5 is 1.8 to 2.2 times that of T4, the thickness T6 of the first rib 400 at the top of the side 200 is 4.7 to 5.3 times that of T4,
  • the thickness T7 of the first rib 400 may be 7.1 to 7.4 times T4, and the thickness T8 of the first rib 400 at the center of the upper surface 300 may be set to 9.5 to 10.5 times T4.
  • the thickness gradient of the first rib 400 is larger than the gradient of the thickness T1 of the lower surface 100, the thickness T2 of the side surface 200, and the thickness T3 of the upper surface 300 described above.
  • the direction of coagulation can be smoothly created.
  • the width of the first rib 400 is also preferably set to be larger as it approaches the feed, for example, when the width of the starting point of the lower surface 100 of the first rib 400 is T9, the lower side of the side 200
  • the width T10 of T9 can be set to 1.3 to 1.7 times of T9
  • the width T11 of the upper side of the side 200 can be 2.2 to 2.8 times of T9
  • the width T11 of the upper surface 300 can be set to 2.8 to 3.2 times of T9. ) to maximize the directional coagulation effect.
  • FIG. 7 is an example and a cross-sectional view of a thin casting according to a third embodiment of the present invention.
  • a column 500 is added to the inner center of the It can induce directional coagulation.
  • the central pillar part A two-pronged solidification direction is formed going to the center of the upper surface 300 through the 500, and the size of the diameter of the pillar part 500 is adjusted according to the basic flesh thickness and material, and also the diameter from the lower side to the upper side By giving a gradient so that this increases, the effect of coagulation direction can be maximized.
  • the thickness of the lower surface 100 and the side surface 200 into which the casting is injected is T1.
  • the thickness T2 of the center of the lower surface 100 is 1.2 to 1.4 times of T1
  • the thickness T3 of the upper side 200 is 1.2 to 1.4 times of T1
  • the thickness T4 of one edge of the upper surface 300 is 1.9 to 1.9 of T1 2.1 times
  • the flesh thickness T5 of the center of the upper surface 300 can be set to 2.2 to 2.4 times T1
  • the lower diameter D1 of the column part 500 is 2.5 to 3.5 times T1
  • the upper diameter D2 of the column part 500 is It can be set to 1.2 to 1.6 times the lower diameter D1.
  • the volume and weight of the pillar part 500 can be reduced by forming a cavity inside the pillar part 500 in order to reduce the weight.
  • 9 shows, as an example, a first cavity 510 formed along the direction of the pillar inside the pillar 500, a second cavity 520 formed in a direction substantially perpendicular to the direction of the pillar, and a second cavity 520 formed in a direction substantially perpendicular to the direction of the pillar.
  • Third cavities 523 , 520 , etc. are formed in a twisted position spaced apart from the second cavity 520 by a predetermined interval, so that an increase in weight caused by lifting the pillar 500 can be minimized.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining another modified example of the third embodiment of the present invention, as in FIG. 10 , some of the lower surface 100 , the side surface 200 , and the upper surface 300 have a thicker outer surface than the periphery
  • the second rib 700 connecting the external thick part 600 and the pillar part 500 may be formed.
  • the second rib 700 may be configured to have a gradient such that the width increases or the thickness increases as it approaches the press.
  • the corner 800 where the lower surface 100 and the side surface 200, or the side surface 200 and the upper surface 300 contact each other is an obtuse angle. , and is formed into a round with a constant curvature. At this time, if the inner and outer rounds are applied non-uniformly, the corner 800 becomes thin or thick, which inhibits directional solidification or increases the possibility of shrinkage defects. It is appropriate that the round is set to a constant reference value, and more preferably, it is appropriate to set the corner 800 where the face to face meets to be an obtuse angle rather than an acute angle.
  • the outer curvature R2 of the corner 800 in contact with the lower surface 100 and the side surface 200 is set as the sum of the inner curvature R1 of the corresponding corner 800 and the lower surface 100 flesh thickness in contact with the corner 800
  • the outer curvature R4 of the corner 800 in contact with the side surface 200 and the upper surface 300 is preferably set to the sum of the inner curvature R3 of the corresponding corner 800 and the flesh thickness of the side surface 200 in contact with the corner 800 do.
  • a mold for manufacturing the thin casting is made through sand 3D printing.
  • a thin casting having structural characteristics according to the design method of the present invention is manufactured.
  • the existing wooden mold method can be used to manufacture the mold, but when using a wooden mold, it may be necessary to divide and apply a plurality of cores, so it is preferable to manufacture the mold through sand 3D printing, and sand 3D printing By using it, additional shapes and structures for inducing directional solidification to which the design method of the present invention is applied can be easily manufactured.
  • the weight of the product is reduced and structural stability through removal of casting defects and durability can be improved.
  • first upper rib 420 first lower rib

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Abstract

본 발명은 내부가 비고 얇은 두께를 갖는 박육 주조품을 설계하는 방법과 이를 통해 제조된 박육 주조품에 관한 것으로, 본 발명의 박육 주조품 설계 방법은 주물의 주입 방향과 압탕의 위치를 고려하여 주조품의 배치 방향을 결정하는 단계; 상기 박육 주조품의 하면을 주물의 주입 방향으로 하고, 상기 박육 주조품의 상면을 압탕이 위치한 방향으로 정의하는 단계; 압탕이 위치한 방향의 상면 벽두께를 주물의 주입 방향의 하면 벽두께 보다 두껍게 설정하는 단계; 및 하면과 상면을 연결하는 상기 측면의 벽두께를 하면에서 상면으로 갈수록 점차 두껍게 설정하여 방향성 응고를 유도하는 단계;를 포함하여 구성된다.

Description

박육 주조품 설계 방법 및 이를 통해 제조된 박육 주조품
본 발명은 주조품 설계 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 내부가 비고 얇은 두께를 갖는 박육 주조품을 설계하는 방법과 이를 통해 제조된 박육 주조품에 관한 것이다.
주조품이란 주조 공정을 통해 제조된 제품을 의미하며, 이중 내부가 비어 있고 상대적으로 얇은 두께를 갖는 주조품을 박육 주조품이라 한다. 제품의 경량화 추세에 따라 박육 주조품 제작에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 상면과 하면, 측면을 모두 갖고 내부는 비어 있는 형상의 박육 주조품에 대한 수요가 늘어나고 있다. 예를 들어, 기존에 덩어리 형상의 소재를 깎아서 만들던 제품의 내부를 비우기 위해서, 판재형상의 재료로 상면, 하면, 측면을 각각 제작 조립하여 만들던 제품을 내구성과 경제성을 높이고, 원하는 형상으로 일체형으로 구현하기 위해서, 또는 기존에 주조로 만들던 제품의 경량화를 위해 살두께 줄이기 위해서 박육 주조품의 필요성이 증가되고 있다.
하지만, 박육 주조품을 주조할 때 주조 결함이 발생하여 원하는 형상의 제품을 개발하기 어려운 경우가 많았고, 개발을 하더라도 주조 결함이 빈번하게 발생하여 제품의 품질을 유지하기 어려운 문제점이 있었다. 특히, 박육 형상으로 인해 주조시 수축 결함이 여러 군데에서 다발적으로 발생하거나, 면과 면이 만나 각도가 크게 변하는 모서리 부분에서는 내부 수축 결함과 크랙 및 잔류 응력 등의 문제가 많이 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 주조시 압탕을 상측에 배치하여 수축 결함을 해결하기 위한 방안 등이 제시되고 있으나, 박육 주조품의 특성상 압탕의 효과가 제한적으로 작용할 수밖에 없는 한계가 있으므로, 주조 결함 없이 박육 주조품을 주조할 수 있는 주조품 설계 방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 박육 주조품의 냉각 및 응고과정에 주조결함이 발생하지 않고, 면과 면이 만나는 모서리부에 크랙과 응력집중이 일어나지 않도록 할 수 있는 형상을 가지는 박육 주조품을 설계할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
또한, 상면, 하면, 측면을 포함하여 내부공간이 형성된 형상의 박육 주조품을 설계함에 있어서, 주조품의 외형에는 변화가 없도록 하되, 주조결함이 발생하지 않도록 주조품을 설계하되, 상대적으로 중량을 감소시킬 수 있는 주조품의 설계 방법을 제공하고자 한다.
또한, 박육 주조품을 제작함에 있어서, 박육면에서의 다발적인 수축결함 및 모서리 부위에서의 수축결함 및 크랙 등의 주조결함을 제거할 수 있는 주조품의 형상 설계방법을 제공하고 한다.
또한, 다수개의 중자 등으로 분할이 필요한 목금형 방식 대신 샌드 3D프린팅을 이용한 박육 주조품의 금형 제조시 유용한 형상 설계방법을 제공하고 한다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 주조품의 설계 방법은, 하면, 측면, 상면 및 상기 하면, 측면, 상면에 의해 둘러싸인 내부공간을 포함하는 박육 주조품을 설계함에 있어서, a) 주물의 주입 방향과 압탕의 위치를 고려하여 박육 주조품의 배치 방향을 결정하는 단계; b) 상기 박육 주조품의 하면을 주물의 주입 방향으로 하고, 상기 박육 주조품의 상면을 압탕이 위치한 방향으로 정의하는 단계; c) 압탕이 위치한 방향의 상면 벽두께를 주물의 주입 방향의 하면 벽두께 보다 두껍게 설정하는 단계; 및 d) 하면과 상면을 연결하는 상기 측면의 벽두께를 하면에서 상면으로 갈수록 점차 두껍게 설정하여 방향성 응고를 유도하는 단계;를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 c) 단계에서, 상면과 하면 중 적어도 어느 하나의 벽두께가 압탕에 가까울수록 두꺼워지는 구배를 갖도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 d) 단계 이후에, 상기 하면, 측면, 상면 중 적어도 어느 하나의 면에 내부공간으로 돌출된 제1리브를 추가하는 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 제1리브는 압탕에 가까울수록 폭이 커지거나 또는 두께가 증가되도록 구배를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 d) 단계 이후에, 상기 내부공간에 상기 상면과 하면을 연결하는 기둥부를 추가하는 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 기둥부는 압탕에 가까울수록 단면적이 증가하도록 구배를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기둥부는 내부 중 일부가 비어있도록 중공 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 박육 주조품의 외형 일부에 벽두께가 주변보다 두꺼운 외형 후육부가 형성된 경우에는, 상기 외형 후육부와 상기 기둥부를 연결하는 제2리브를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2리브는 압탕에 가까울수록 폭이 커지거나 또는 두께가 증가되도록 구배를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기둥부 내부의 중공 공간은 기둥의 방향으로 형성된 관통공 또는 기둥의 방향에 대해 수직으로 형성된 관통공 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한, 상기 하면과 측면, 또는 측면과 상면이 접하는 모서리는 둔각을 가지며, 일정한 곡률을 갖는 라운드로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하면과 측면, 또는 측면과 상면이 접하는 모서리 중 적어도 어느 하나는 둔각을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하면과 측면이 접하는 모서리의 외측 곡률은 해당 모서리의 내측 곡률과 모서리에 접하는 하면 살두께의 합으로 설정되고, 상기 측면과 상면이 접하는 모서리의 외측 곡률은 해당 모서리의 내측 곡률과 모서리에 접하는 측면 살두께의 합으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 박육 주조품 제조 방법은 상기 박육 주조품 설계 방법에 의해 박육 주조품을 설계하는 단계; 샌드 3D 프린팅을 통해 상기 박육 주조품의 주형을 제조하는 단계; 및 상기 샌드 3D 프린팅을 통해 제조된 주형에 주물을 주입하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 박육 주조품은 상기 박육 주조품 설계 방법에 의해 제조된 것으로, 박육 주조품 설계 모델의 벽두께, 제1리브, 제2리브, 기둥부, 모서리부의 형태적 특징 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명의 박육 주조품은 건축용 빔을 서로 연결하는 건축용 노드인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 주조결함 제거를 위한 주조품의 설계 방법에 의하면, 본 설계 방법에 따라 설계된 주조품을 주조할 때, 주조품의 상측 및 하측 중 일측의 체적이 타측의 체적보다 커져, 주조품의 일측과 타측의 체적의 차이에 따른 응고시간의 차이가 발생하게 되고, 이에 따라 주조품이 타측에서 일측으로 응고되는 현상, 즉 방향성 응고가 발생하기 때문에, 주조품, 특히 박육부를 포함하는 박육 주조품을 제조하는데 있어서 주조결함을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 하단부, 측벽부 및 상단부를 포함하여 내부공간이 형성된 주조품의 체적을 조절하는데 있어서, 내부공간 상에서의 형상을 보정하기 때문에, 주조품을 제조하는데 있어서, 주조품의 외형은 유지하면서도 방향성 응고를 유도할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 주조품이 하단부와 측면부 또는 측면부와 상단부 중 다른 부분보다 두꺼운 외형 후육부를 포함하더라도, 체적의 차이를 발생시키는 제2리브를 부가하도록 3D모델을 보정함으로써, 주조품을 주조하는데 있어서 방향성 응고를 유도할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 주조품의 하단부와 측면부가 서로 만나는 부분과, 측면부와 상단부가 서로 만나는 부분이 곡면이 되도록 3D모델을 보정함으로써, 주조품을 주조하는데 있어서 해당 부분에서의 크랙의 발생을 방지하고, 응력이 집중되는 것을 방지하여 주조품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 주조품의 하단부와 측면부가 서로 만나는 부분의 곡면과, 측면부와 상단부가 서로 만나는 부분의 곡면의 곡률을 일정하게 한정함으로써, 주조품의 품질을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의해 설계된 박육 주조품의 제1실시예와 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예의 벽두께 구배를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 박육 주조품의 일례와 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2실시예의 여러 변형예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예의 벽두께 구배를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 박육 주조품의 일례와 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예의 벽두께 구배를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제3실시예의 여러 변형예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 주조결함 제거를 위한 주조품의 설계 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 설계란 전자기기 등을 이용해 주조품의 3차원 모델을 생성하는 것으로서, 도 1은 본 발명에 의해 설계된 박육 주조품(1000)의 제1실시예와 단면도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 박육 주조품 설계 방법은 하면(100), 측면(200), 상면(300) 및 상기 하면(100), 측면(200), 상면(300)에 의해 둘러싸인 내부공간을 포함하는 박육 주조품을 설계함에 있어서, a) 주물의 주입 방향과 압탕의 위치를 고려하여 박육 주조품의 배치 방향을 결정하는 단계; b) 상기 박육 주조품의 하면(100)을 주물의 주입 방향으로 하고, 상기 박육 주조품의 상면(300)을 압탕이 위치한 방향으로 정의하는 단계; c) 압탕이 위치한 방향의 상면(300) 벽두께를 주물의 주입 방향의 하면(100) 벽두께 보다 두껍게 설정하는 단계; 및 d) 하면(100)과 상면(300)을 연결하는 상기 측면(200)의 벽두께를 하면(100)에서 상면(300)으로 갈수록 점차 두껍게 설정하여 방향성 응고를 유도하는 단계;를 포함한다.
a) 단계는 주물의 주입 방향과 압탕의 위치를 고려하여 주조품의 배치 방향을 결정하는 단계로서, 설계하고자 하는 박육 주조품의 형태에 따라 주물이 주입되어야 하는 방향과 압탕의 위치를 고려하여 주조품의 설계 기준 방향을 정하는 단계이다. b) 단계는 주물의 주입 방향을 박육 주조폼의 하면(100)으로 정의하고, 압탕이 위치한 방향을 주조품의 상면(300)으로 정의하는 단계이다. c) 단계는 박육 주조품의 설계 기준 방향과 그에 따라 정의된 박육 주조품의 상면(300)과 하면(100)의 벽두께를 설정하는 단계로서, 압탕이 위치한 방향의 상면(300) 벽두께를 주물의 주입 방향의 하면(100) 벽두께 보다 두껍게 설정하게 된다. d) 단계는 하면(100)과 상면(300)을 연결하는 측면(200)의 벽두께를 하면(100)에서 상면(300)으로 갈수록 점차 두껍게 설정하는 단계로서, c) 단계와 d) 단계를 통해 하면(100), 측면(200), 상면(300)의 벽두께가 점차적으로 증가함에 따라 응고의 방향성을 유도할 수 있게 되며, 박육 주조품의 냉각 및 응고과정에서 주조결함을 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예의 벽두께 구배를 설명하기 위한 단면도로서, 도 2를 참조하여 좀 더 자세히 설명하면(100), 본 발명의 제1실시예에서는 측면(200) 뿐 아니라, 하면(100) 및 상면(300)의 벽두께에도 각각 구배를 줄 수 있다. 예를 들어 주물의 주입되는 하면(100)의 중심 살두께를 T1이라고 하면(100), 일측 모서리에 근접한 하면(100)의 살두께 T2는 T1의 1.1~1.3배, 하측 모서리에 근접한 측면(200)의 살두께 T3는 T1의 1.4~1.6배, 상측 모서리에 근접한 측면(200)의 살두께 T4는 T1의 1.6~1.8배, 일측 모서리에 모서리에 상면(300)의 살두께 T5는 T1의 1.8~2.1배, 압탕이 위치하는 상면(300)의 중심부의 살두께 T6는 T1의 2.2~2.4배로 설정되는 것이 바람직하다. 벽의 살두께의 설정은 재질과 형상에 따라 다르게 설정될 수 있으나, 주강계열의 재질인 경우 기본 살두께 T1을 10mm로 설정하고, T2=1.2*T1, T3=1.5*T1, T4=1.7*T1, T5=2*T1, T6=2.3*T1으로 적용할 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 박육 주조품의 냉각 시뮬레이션 결과는 좌상단, 우상단, 좌하단, 우하단 순서로 냉각이 이루어진다. 보다 구체적으로, 본 발명의 제1실시예에 따른 박육 주조품은, 하면(100), 측면(200), 상면(300)의 순서로 순차적으로 냉각되는 방향성 응고가 원활히 이루어지며, 국부적인 불균일한 냉각이 발생하지 않는다.
한편, 제품의 사이즈가 너무 크거나 급탕률이 매우 떨어지는 재질이거나 또는 형상의 제약이 있는 경우에는, 벽두께의 구배만으로 방향성 응고를 유도하는 것이 어려울 수 있으며, 이 경우에는 하면(100), 측면(200), 상면(300)의 내부에 덧살을 추가하는 방안을 고려할 수 있다. 즉, 상기 d) 단계 이후에, 상기 하면(100), 측면(200), 상면(300) 중 적어도 어느 하나의 면에 내부공간으로 돌출된 제1리브(400)를 추가하는 단계;를 더 포함함으로써, 벽두께의 구배만으로 방향성 응고를 유도하는 것이 어려운 경우에도 박육 주조품의 주조시 결함을 제거할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 박육 주조품의 일례와 단면도로서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 박육 주조품은 하면(100), 측면(200), 상면(300) 중 적어도 어느 하나의 내면에서 제1리브(400)를 내부공간으로 돌출 형성시킨 것이다. 우측의 S2의 단면을 보면, 하면(100), 측면(200), 상면(300)에 걸체 내부로 돌출 형성된 제1리브(400)가 형성되고, 제1리브(400)를 따라 원활한 급탕이 이루어지며 응고의 방향이 상면(300)으로 향하게 된다. 이때 제1리브(400)의 폭 및 두께는 상면(300), 측면(200), 하면(100)의 기본 살두께와 재질에 따라 조절가능하며, 제1리브(400)의 폭 및 두께에도 구배를 주어 방향성 응고의 효과를 극대화할 수 있다.
도 4와 도 5는 제1리브(400)에 대해 보다 상세히 설명하기 위해, 본 발명의 제2실시예에 따른 박육 주조품을 도 3과 다른 방향으로 자른 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제1리브(400)가 하면(100), 측면(200) 및 상면(300)에 걸쳐 형성된 것을 보다 명확히 파악할 수 있어, 보다 효율적으로 방향성 응고를 유도할 수 있다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 제2실시예의 여러 변형예를 설명하기 위한 단면도로서, 도 4를 참조하면, 일측 방향으로는 제1리브(400)를 형성하고, 타측 방향으로는 제1리브(400) 없이 벽두께의 구배를 주어 방향성 응고를 유도할 수 있다. 또한, 상면(300)과 하면(100)에 제1리브(400)를 형성함에 있어서, 도 5에서와 같이 상면(300)에 형성되는 제1상면리브(410)의 폭과 두께가 하면(100)에 형성되는 제1하면리브(420)의 폭과 두께 보다 더 크게 형성함으로써, 응고의 방향성을 보다 효과적으로 부여할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예의 벽두께 구배를 설명하기 위한 단면도로서, 도 6을 참조하면, 하면(100)에 배치되는 제1리브(400)의 시작점 두께 T4를 기준으로 할 때, 측면(200) 하단의 제1리브(400) 두께 T5는 T4의 1.8~2.2배, 측면(200) 상단의 제1리브(400) 두께 T6은 T4의 4.7~5.3배, 상면(300) 일측의 제1리브(400) 두께 T7은 T4의 7.1~7.4배, 상면(300) 중심의 제1리브(400) 두께 T8은 T4의 9.5~10.5배로 설정할 수 있다. 이는 앞서 설명한 하면(100)의 두께 T1, 측면(200)의 두께 T2, 상면(300)의 두께 T3의 구배보다 제1리브(400)의 두께 구배를 더 크게 한 것으로 이를 통해 살두께 구배만으로 방향성 응고가 불가능한 경우에 응고의 방향성을 원활히 만들어 낼 수 있는 것이다.
한편, 제1리브(400)의 폭 역시 압탕에 가까워질수록 크게 설정하는 것이 바람직하며, 일례로 제1리브(400)의 하면(100) 시작점의 폭을 T9라 할 때, 측면(200) 하측의 폭 T10은 T9의 1.3~1.7배, 측면(200) 상측의 폭 T11은 T9의 2.2~2.8배, 상면(300)의 폭 T11은 T9의 2.8~3.2배로 설정할 수 있고, 이를 통해 측면(200)을 통한 방향성 응고 효과를 극대화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 박육 주조품의 일례와 단면도로서, 재질 또는 형상의 제약으로 벽두께의 구배만으로 방향성 응고를 유도하기 어려운 경우에 내부 중심부에 기둥부(500)를 추가하여 방향성 응고를 유도할 수 있다. 이 경우 우측의 도면에서와 같이 하면(100) 외측 모서리에서 시작하여 측면(200)을 거쳐 상면(300) 중심부로 가는 방향과하면(100) 외측 모서리에서 하면(100) 중심부를 거쳐 중심의 기둥부(500)를 거쳐 상면(300) 중심부로 가는 두 갈래의 응고 방향이 형성되며, 기본 살두께 및 재질에 따라 기둥부(500)의 직경의 크기를 조절하게 되며, 또한, 하측에서 상측으로 갈수록 직경이 커지도록 구배를 줌으로써, 응고 방향성의 효과를 극대화 시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3실시예의 벽두께 구배를 설명하기 위한 단면도로서, 도 8을 참조하면, 주물이 주입되는 하면(100) 및 측면(200) 일측 모서리 곡면부의 살두께를 T1이라고 할 경우, 하면(100) 중심부의 살두께 T2는 T1의 1.2~1.4배, 측면(200) 상부의 살두께 T3는 T1의 1.2~1.4배, 상면(300) 일측 모서리의 살두께 T4는 T1의 1.9~2.1배, 상면(300) 중심부의 살두께 T5는 T1의 2.2~2.4배로 설정할 수 있고, 기둥부(500)의 하부 직경 D1은 T1의 2.5~3.5배, 기둥부(500)의 상부 직경 D2는 하부 직경 D1의 1.2~1.6배로 설정할 수 있다. 이와 같이 내부 중심부 기둥의 직경과 직경 구배를 크게 함으로써, 벽두께의 구배만으로 방향성 응고를 유도하기 어려운 경우에도 방향성 응고를 쉽게 유도할 수 있다.
한편, 내부에 기둥부(500)를 형성하는 경우 중량을 축소하기 위해 기둥부(500)의 내부에 공동을 형성하여 기둥부(500)의 체적과 중량을 줄일 수 있다. 도 9는 그 일례로서 기둥부(500)의 내부에 기둥의 방향을 따라 형성되는 제1공동부(510), 기둥 방향에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 형성되는 제2공동부(520), 제2공동부(520)와 일정 간격 이격되어 꼬인 위치로 형성되는 제3공동부(523)(520) 등이 형성되어 기둥부(500)를 부감함으로 인해 발생하는 중량의 증가를 최소화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3실시예의 또 다른 변형예를 설명하기 위한 단면도로서, 도 10에서와 같이 하면(100), 측면(200), 상면(300) 중 일부에 벽두께가 주변보다 두꺼운 외형 후육부(600)가 형성된 경우에는, 외형 후육부(600)와 상기 기둥부(500)를 연결하는 제2리브(700)를 형성할 수 있다. 이와 같이 제2리브(700)를 통해 기둥부(500)와 연결함으로써 외형 후육부(600)로 인해 흐트러질 수 있는 응고의 방향성을 다시 바로 잡을 수 있게 되는 것이다. 이 때, 제2리브(700)는 압탕에 가까울수록 폭이 커지거나 또는 두께가 증가되도록 구배를 갖도록 구성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4실시예를 설명하기 위한 단면도로서, 도 11을 참조하면 하면(100)과 측면(200), 또는 측면(200)과 상면(300)이 접하는 모서리(800)는 둔각을 가지며, 일정한 곡률을 갖는 라운드로 형성된다. 이 때, 내부와 외부의 라운드가 불균일하게 적용되면 모서리(800)부가 박육 또는 후육부가 되어 방향성 응고를 저해하거나 수축결함이 발생할 가능성이 높아지게 되므로, 응력 집중과 크랙 발생을 방지하기 위해 내부와 외부 라운드가 일정한 기준의 값으로 설정되는 것이 적절하며, 보다 바람직하게는 면과 면이 만나는 모서리(800)가 예각이 아닌 둔각이 되도록 설정하는 것이 적절하다. 일례로 하면(100)과 측면(200)이 접하는 모서리(800)의 외측 곡률 R2는 해당 모서리(800)의 내측 곡률 R1과 모서리(800)에 접하는 하면(100) 살두께의 합으로 설정되고, 상기 측면(200)과 상면(300)이 접하는 모서리(800)의 외측 곡률 R4는 해당 모서리(800)의 내측 곡률 R3와 모서리(800)에 접하는 측면(200) 살두께의 합으로 설정되는 것이 바람직하다.
위와 같은 여러 실시예는 설계 대상 제품의 재질과 형태에 따라 다양한 조합이 가능하며, 본 발명의 박육 주조품 설계 방법에 따라 박육 주조품이 설계된 이후에는 샌드 3D 프린팅을 통해 상기 박육 주조품을 제조하기 위한 주형을 제조하고, 상기 샌드 3D 프린팅을 통해 제조된 주형에 주물을 주입함으로써, 본 발명의 설계 방법에 따른 구조적 특징을 갖는 박육 주조품이 제조된다.
주형을 제조하기 위해 기존의 목금형 방식을 사용할 수 있으나, 목금형을 사용하는 경우 다수 개의 중자를 분할하여 적용해야 할 수 있으므로, 샌드 3D 프린팅을 통해 주형을 제조하는 것이 바람직하며, 샌드 3D 프린팅을 사용함으로써 본 발명의 설계 방법이 적용된 방향성 응고를 유도하기 위한 부가적 형태와 구조가 쉽게 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 박육 주조품은, 건축용 빔을 서로 연결하는 건축용 노드를 제조함에 있어서, 본 발명이 제시하는 설계 방법과 이를 통해 제조 방법을 적용함으로써, 제품의 중량을 줄이면서도 주조 결함 제거를 통해 구조적 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[부호의 설명]
1000 : 박육 주조품
100 : 하면 200 : 측면
300 : 상면 400 : 제1리브
410 : 제1상면리브 420 : 제1하면리브
500 : 기둥부 510 : 제1공동부
520 : 제2공동부 530 : 제3공동부
600 : 외형 후육부 700 : 제2리브
800 : 모서리

Claims (16)

  1. 하면, 측면, 상면 및 상기 하면, 측면, 상면에 의해 둘러싸인 내부공간을 포함하는 박육 주조품을 설계하는 방법에 있어서,
    a) 주물의 주입 방향과 압탕의 위치를 고려하여 박육 주조품의 배치 방향을 결정하는 단계;
    b) 상기 박육 주조품의 하면을 주물의 주입 방향으로 하고, 상기 박육 주조품의 상면을 압탕이 위치한 방향으로 정의하는 단계;
    c) 압탕이 위치한 방향의 상면 벽두께를 주물의 주입 방향의 하면 벽두께 보다 두껍게 설정하는 단계; 및
    d) 하면과 상면을 연결하는 상기 측면의 벽두께를 하면에서 상면으로 갈수록 점차 두껍게 설정하여 방향성 응고를 유도하는 단계;를 포함하는, 박육 주조품 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상면과 하면 중 적어도 어느 하나의 벽두께가 압탕에 가까울수록 두꺼워지는 구배를 갖도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에, 상기 하면, 측면, 상면 중 적어도 어느 하나의 면에 내부공간으로 돌출된 제1리브를 추가하는 단계;를 더 포함하는, 박육 주조품 설계 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1리브는 압탕에 가까울수록 폭이 커지거나 또는 두께가 증가되도록 구배를 갖는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에, 상기 내부공간에 상기 상면과 하면을 연결하는 기둥부를 추가하는 단계;를 더 포함하는, 박육 주조품 설계 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기둥부는 압탕에 가까울수록 단면적이 증가하도록 구배를 갖는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기둥부는 내부 중 일부가 비어있도록 중공 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 박육 주조품의 외형 일부에 벽두께가 주변보다 두꺼운 외형 후육부가 형성된 경우에는, 상기 외형 후육부와 상기 기둥부를 연결하는 제2리브를 형성하는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2리브는 압탕에 가까울수록 폭이 커지거나 또는 두께가 증가되도록 구배를 갖는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 기둥부 내부의 중공 공간은 기둥의 방향으로 형성된 관통공 또는 기둥의 방향에 대해 수직으로 형성된 관통공 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 박육 주조품 설계 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하면과 측면, 또는 측면과 상면이 접하는 모서리는 둔각을 가지며,
    일정한 곡률을 갖는 라운드로 형성되는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하면과 측면이 접하는 모서리의 외측 곡률은 해당 모서리의 내측 곡률과 모서리에 접하는 하면 살두께의 합으로 설정되고,
    상기 측면과 상면이 접하는 모서리의 외측 곡률은 해당 모서리의 내측 곡률과 모서리에 접하는 측면 살두께의 합으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 하면과 측면, 또는 측면과 상면이 접하는 모서리 중 적어도 어느 하나는 둔각을 가지는 것을 특징으로 하는, 박육 주조품 설계 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 박육 주조품 설계 방법에 의해 박육 주조품을 설계하는 단계;
    샌드 3D 프린팅을 통해 상기 박육 주조품의 주형을 제조하는 단계; 및
    상기 샌드 3D 프린팅을 통해 제조된 주형에 주물을 주입하는 단계;를 포함하는 박육 주조품 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 박육 주조품 설계 방법에 의해 제조된 박육 주조품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 박육 주조품은 건축용 빔을 서로 연결하는 건축용 노드인 것을 특징으로 하는, 박육 주조품.
PCT/KR2021/005706 2020-06-05 2021-05-07 박육 주조품 설계 방법 및 이를 통해 제조된 박육 주조품 WO2021246665A1 (ko)

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