KR20140086129A - Apparatus and Method for manufacturing impeller - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 회전날개의 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터빈 휠이나 임펠러 등과 같은 회전날개의 제조장치 및 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
일반적으로, 터빈 휠이나 임펠러와 같은 회전날개는 복잡한 형상을 가지면서도 날개의 두께가 얇아서 로스트 왁스법(lost wax process)이 적용되고 있다. 이 로스트 왁스법은 원하는 형상의 구조물을 기계가공 없이 밀랍(wax)으로 모형을 만들어 생산하는 방법으로, 재질의 융점이 높고, 강도가 강하며, 가공이 힘든 부품 제작에 주로 이용되어 실제형상에 근사(Near Net Shape)하도록 구현하는 주조기술이다. Generally, a rotary wing such as a turbine wheel or an impeller has a complicated shape, but the wing is thin, so that a lost wax process is applied. This roast wax method is a method of producing a wax model without any machining of a structure of a desired shape. This method is mainly used for manufacturing parts with high melting point, strong strength, and difficult processing, (Near Net Shape).
한편, 이러한 로스트 왁스법은 먼저 왁스 패턴을 사출하고 트리를 제작한 후 내화성이 우수한 여러가지 세라믹을 혼합하여 슬러리를 제조하고 코팅한 후 주형을 제작한다. 이때 주조하고자 하는 금속을 용해하여 용탕 상태로 주형에 주입하여 제품의 형상을 정밀하게 제조한다.In the meantime, in the roast wax method, a wax pattern is first injected, a tree is formed, and then various ceramics having excellent fire resistance are mixed to prepare a slurry, and then a mold is prepared. At this time, the metal to be cast is melted and injected into a mold in a molten state to precisely manufacture the shape of the product.
이때 적용되는 주조의 방식으로는 통상적으로 중력을 이용한 중력주조방식이나 반중력방식의 감압방식과 중력을 이용하되 가압하는 방식이 적용되고 있다. 일반적으로, 중력주조방법은 유동성이 우수한 알루미늄합금, 동합금, 철강재료, 스테인레스강 계열의 합금 등의 소재에 대해 복잡한 형상을 구현하고 대량의 생산을 할 때 채택되고 있다. As the casting method applied at this time, gravity casting method using gravity, semi-gravity type depressurization type, and gravity type but pressurizing type are applied. Generally, the gravity casting method is adopted for realizing a complicated shape for a material such as an aluminum alloy, a copper alloy, a steel material, and an alloy of a stainless steel series, which are excellent in fluidity and mass production.
한편, 티타늄 합금이나 티타늄과 알루미늄의 화합물, 일부 니켈 합금, 코발트합금 등은 용탕의 유동성이 나빠서 이러한 중력주조방법을 적용하게 될 경우 회전체 날개부의 섬세한 형상을 구현하기 어렵다. 즉 이러한 중력주조방법을 적용하게 되면 미성형되거나 주조의 결함이 발생되는 문제점이 있다.On the other hand, when a titanium alloy, a compound of titanium and aluminum, a part of nickel alloy, a cobalt alloy and the like has poor flowability, it is difficult to realize a delicate shape of a rotating wing portion when such a gravity casting method is applied. That is, if such a gravity casting method is applied, there is a problem that unformed or defective casting occurs.
따라서 이러한 경우(유동성이 나쁜 금속의 주조)에는 용탕을 주형에 주입할 때 압력을 가하여 밀어 넣는 가압식이나 주형부분에 압력을 감압시켜 용탕이 빨려 나오도록 하는 감압식 방법을 적용함으로써 복잡하고 얇은 회전날개의 형상을 구현하고 있다. Therefore, in this case (casting of a metal with a bad fluidity), a pressure type in which the molten metal is pushed into the mold by applying pressure and a depressurizing method in which the molten metal is sucked out by depressurizing the pressure in the mold portion is applied, Shape.
그러나 티타늄이나 니켈, 코발트계열의 합금은 고온에서 반응성이 강한 활성금속으로, 반드시 진공분위기 하에서 용해 및 주조공정이 이루어져야 하며, 터빈 휠이나 임펠러와 같은 회전날개를 주조할 때에는 가압이나 감압방식도 반드시 진공챔버 내에서 실행되는 것이 요구된다. However, titanium, nickel and cobalt-based alloys are active metals with high reactivity at high temperatures and must be melted and cast in a vacuum atmosphere. When casting rotary blades such as turbine wheels or impellers, It is required to be executed in the chamber.
특히, 이러한 티타늄이나 니켈계열의 합금을 로스트 왁스법으로 정밀주조 할 경우에는 진공챔버 속에서 행해져야 하므로 주형 파손을 야기할 수 있어, 이 경우에는 주로 감압방식으로 주조가 이루어지고 있다. In particular, when the titanium or nickel-based alloy is precisely cast by the roast wax method, it is required to be performed in a vacuum chamber, which may lead to mold breakage. In this case, casting is mainly performed by a reduced pressure method.
이러한 감압방식으로 주조를 하는 경우에는 도 1과 같이 용탕(2)을 하방에 두고 주형(7)을 상방에서 둔 상태로 감압하는 것으로 용탕(2)을 빨아올려서 주형 (7)내에 용탕(2)을 채우는 반중력 방식이 적용되고 있다. 1, the
구체적으로 이러한 반중력식 흡입주조방식은 도가니(1)가 진공챔버(3)의 하부에 위치하여 도가니(1)에서 용해된 용탕(2)을 진공챔버(3)의 배기로(6)를 통해 흡인시키는 것으로 흡입로(5)를 통해 주형(7)으로 빨아 올려지는 구조를 갖는다. 이때 주형(7)의 주변으로는 세라믹 보호벽(8)이 형성된다. Specifically, in this semi-gravity suction casting method, the
그러나, 진공챔버 속에서 반중력에 의해 감압식 주조를 하기 위해서는 기구가 복잡해지고, 용탕이 주형 내부를 적정량으로 채우기 위해서는 감압력을 미세하게 조정하는 것이 요구되며, 이 과정에서 미성형이나 결함을 유발할 수 있는 위험인자가 다수 발생되었다. However, in order to perform the vacuum casting by the semi-gravity force in the vacuum chamber, the mechanism becomes complicated and it is required to finely adjust the depressurizing pressure in order to fill the mold with an appropriate amount, There were a number of risk factors.
또한 감압량이 클 경우에는 주형의 파손을 초래할 수 있고, 도가니 속의 용탕이 일정량 이상 존재해야 상방에 위치한 주형의 탕구부분이 용탕에 침적되어 흡입될 수 있다. 따라서 티타늄계열의 합금은 용탕 내에 오랜 시간 유지시키기 위해서는 수냉 도가니의 경우는 전력소모가 많고, 세라믹 도가니 방식의 경우에는 도가니와 화학적 반응으로 산소의 확산을 야기할 수 있는 문제점이 있었다. In addition, if the decompression amount is large, the mold may be damaged. If the molten metal in the crucible is present in a certain amount or more, the mold spout portion of the mold located above may be dipped in the molten metal and sucked. Therefore, in order to maintain the titanium alloy in the molten metal for a long time, the water-cooled crucible consumes a large amount of electric power, and in the case of the ceramic crucible, there is a problem that oxygen can be diffused by a chemical reaction with the crucible.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 용탕을 중력법으로 주입하면서 주형을 진공챔버 내에 고정시켜 챔버 외부로 진공배기함으로써 용탕이 주형 내로 완전히 흡입되어 세밀한 주조가 가능한 회전날개의 제조장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a manufacturing method of a rotary blade capable of fine casting by completely sucking a molten metal into a mold by fixing a mold in a vacuum chamber while injecting molten metal by a gravity- And a method thereof.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 회전날개를 제조하기 위한 회전날개의 제조장치로서, 내부가 진공상태를 유지하며 적어도 하나의 배기공이 형성되어 내부를 압력을 감압시키는 진공챔버; 상기 진공챔버 내부에 장착되고 상부로부터 용탕이 유입되는 주입로; 및 상기 주입로의 측면에 각각 형성되고 다공 재질로 이루어진 다수의 주형을 포함하여 이루어진 회전날개의 제조장치가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for manufacturing a rotary vane for manufacturing a rotary vane, the apparatus comprising: a vacuum cleaner having at least one exhaust hole therein, chamber; An injection path mounted in the vacuum chamber and through which molten metal flows from above; And a plurality of molds formed on the side surface of the injection path and made of a porous material, respectively.
또한 본 발명에 따르면, 회전날개를 제조하기 위한 회전날개의 제조방법으로서, 상부로부터 용탕을 중력방식으로 진공챔버 내부의 주입로로 공급받는 동시에 상기 진공챔버의 내부의 압력을 감압시켜 상기 주입로에 연결된 다수의 다공재질의 주형으로 상기 용탕을 흡인시켜 주조가 이루어지는 회전날개의 제조방법이 제공된다. According to the present invention, there is also provided a method of manufacturing a rotary blade for manufacturing a rotary vane, comprising the steps of: supplying molten metal from an upper portion to an injection path inside a vacuum chamber in a gravitational manner; reducing a pressure inside the vacuum chamber; There is provided a method of manufacturing a rotary vane in which casting is performed by sucking the molten metal with a plurality of porous molds connected thereto.
본 발명에 따르면, 주입로의 상부로부터 중력에 의해 용탕이 주입되므로 기존의 반중력방식에서 용탕을 하부로부터 끌어올리기 위해 필요한 흡입력보다 작은 흡입력으로 주조가 가능하므로 주형의 크기가 커져도 주조에 요구되는 흡입력의 크기는 기존보다 작은 장점이 있다. 이에 따라 제조효율과 생산성을 향상시키는 효과가 있다. According to the present invention, since the molten metal is injected by gravity from the upper portion of the injection path, it is possible to perform casting with a suction force smaller than the suction force required to pull the molten metal from the lower portion in the conventional antigravity method. Therefore, Has a smaller size than the conventional one. Thereby improving manufacturing efficiency and productivity.
또한 본 발명은 터보챠저 부품에 주로 사용되는 니켈계와 코발트계의 초합금뿐만 아니라, 유동성이 좋지 않은 티타늄 합금, 또는 티타늄알루미나이드계 화합물 등의 합금의 터빈 휠의 제조에도 적용이 용이한 효과가 있다. The present invention is also applicable to the manufacture of turbine wheels of alloys such as nickel-based and cobalt-based superalloys mainly used in turbocharger parts, titanium alloys having poor fluidity, or titanium aluminide-based compounds .
도 1은 종래의 반중력식 흡입주조방법을 보여주는 예시도, 및
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전날개의 제조장치를 보여주는 공정 개략도이다.1 is an exemplary view showing a conventional anti-gravity suction casting method, and
FIG. 2 is a schematic view showing a manufacturing apparatus for a rotary blade according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전날개의 제조장치를 보여주는 공정 개략도이다.FIG. 2 is a schematic view showing a manufacturing apparatus for a rotary blade according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 회전날개의 제조장치는 진공챔버(10)의 내부에주입로(60)가 장착된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 2, the apparatus for manufacturing a rotary vane of the present invention has a structure in which an
또한 진공챔버(10)의 측면에는 복수의 배기공(12)이 형성된다. 이때 배기공(12)에는 도시하진 않았으나 흡인 펌프라인이 연결되어 진공챔버(10)의 내부의 압력을 감압시킬 수 있다. 즉 진공챔버(10) 내부의 공기를 외부로 진공배기시킬 수 있다. 또한 진공챔버(10)에는 주조시 전기적 영향을 배제하기 위한 절연체(11)가 내부에 구비되는 것이 바람직하다. A plurality of
한편, 진공챔버(10)에는 주입로(60)의 상단이 패킹(30)을 통해 밀폐된 상태로 설치된다. 또한 주입로(60)의 주변에는 다수의 주형(20)이 연결되는데 이들 주형(20)은 터빈 휠이나 임펠러를 제작하기 위한 형태로 적용될 수 있다.Meanwhile, the upper end of the
또한 주형(20)은 다공재질로 이루어질 수 있는데, 구체적으로 주형(10)은 3~30% 이내의 기공율로 형성되는 것이 바람직하다.Also, the
이에 따라 도가니(40)에서 용해된 용탕(50)이 주입로(60)의 상부로 투입되면(중력방식의 공급), 진공챔버(10)에 형성된 배기공(12)을 통해 진공배기가 이루어진다. The
즉, 주입로(60)에 용탕(50)이 투입되면 배기공(12)을 통해 진공챔버(50)의 내부의 공기를 외부로 배기시켜 진공챔버(50) 내부의 압력은 감압된다. 이에 따라 주입로(60)에 투입된 용탕(50)은 각 주형(20)으로 흡인된다. 이때 주형(20)에 형성된 기공을 통해 주입로(60)로 공급된 용탕(50)이 각각의 주형(20)으로 용이하게 흡입될 수 있도록 할 수 있다. 이때 진공챔버(50) 내부의 진공배기를 위한 압력은 2×10-1 ~ 1×10-3Torr이며, 배기공(12)을 통해 적용되는 흡인력은 15 ~ 350 liter/sec로 급속히 이루어지는 것이 바람직하다. That is, when the
이와 같이, 진공챔버(10)의 내부가 진공배기됨으로써 발생된 부압(감압을 위한 '-' 압력)은 주입로(60)로 공급된 용탕(50)을 주형(20) 측으로 흡인시키는 작용을 하게 됨으로써 용탕(50)이 주형(20)의 구석구석까지 흡인됨으로써 터빈 휠이나 임펠러와 같은 얇고 복잡한 형상을 구현하기 용이하게 된다. The negative pressure generated by the vacuum evacuation of the inside of the
이와 같이 본 발명은 용탕(50)을 중력법으로 주입하면서 주형(20)을 진공챔버(10) 내에 고정시키고, 진공챔버(10) 외부로 진공배기함으로써 용탕(50)이 제품 형상의 주형(20) 내로 완전히 흡인되도록 하는 중력식 흡입주조방식을 제공한다. As described above, according to the present invention, the
이러한 중력식 흡입주조방식으로 주조하면, 완전 용해 후 용탕(50)을 주형 내로 일반적인 중력주조 방식과 동일하게 주입하고, 이와 동시에 주형(20)을 둘러싼 진공챔버(10)의 내부를 진공배기함에 따라 주형(20) 내로 유입된 용탕(20)을 주형(20) 곳곳으로 흡입시킨 상태로 응고가 진행되므로 섬세한 형상의 주조가 용이하다. When the
또한, 본 발명은 중력법으로 용탕(50)이 주입되므로 용탕(50)을 기존의 반중력방식(도 1 참조)에서 용탕(50)을 하부로부터 끌어올리기 위해 필요한 흡입력보다 작은 흡입력으로 주조가 가능하므로, 주형(20)의 크기를 임의로 조정할 수 있다. 즉 주형(20)의 크기가 커져도 주조에 필요한 흡입력의 크기는 기존보다 작은 장점이 있다. 이에 따라 제조효율과 생산성을 향상시킬 수 있다.Further, since the
또한 이러한 특성을 갖는 본 발명은 터보챠저(turbo-charger) 부품에 주로 사용되는 니켈계 초합금뿐만 아니라, 유동성이 좋지 않은 티타늄 합금, 또는 티타늄알루미나이드계 화합물, 코발트계 등의 합금의 터빈 휠의 제조에도 적용이 용이하다. In addition, the present invention having such characteristics can be applied not only to nickel-base superalloys mainly used for turbo-charger parts but also to titanium alloys having poor fluidity or turbine wheels of alloys such as titanium aluminide-based compounds and cobalt-based alloys. .
이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to the particular embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
10: 진공챔버 11: 절연체
12: 배기공 20: 주형
30: 패킹 40: 도가니
50: 용탕 60: 주입로10: vacuum chamber 11: insulator
12: exhaust hole 20: mold
30: Packing 40: Crucible
50: molten metal 60: injection furnace
Claims (6)
내부가 진공상태를 유지하며 적어도 하나의 배기공이 형성되어 내부를 압력을 감압시키는 진공챔버;
상기 진공챔버 내부에 장착되고 상부로부터 용탕이 유입되는 주입로; 및
상기 주입로의 측면에 각각 형성되고 다공 재질로 이루어진 다수의 주형을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 회전날개의 제조장치.An apparatus for manufacturing a rotary blade for manufacturing a rotary blade,
A vacuum chamber in which an interior of the vacuum chamber is maintained in a vacuum state and at least one exhaust hole is formed to reduce pressure inside the chamber;
An injection path mounted in the vacuum chamber and through which molten metal flows from above; And
And a plurality of molds formed on the side surface of the injection path and made of a porous material.
상기 주형의 기공율은 3% 내지 30% 이내로 형성되어,
상기 용탕이 주입됨과 동시에 상기 배기공을 통해 상기 진공챔버 내부를 진공 배기시켜 상기 주입로에 투입된 상기 용탕이 상기 주형으로 흡인되도록 구성된 것을 특징으로 하는 회전날개의 제조장치. The method according to claim 1,
The porosity of the mold is formed within 3% to 30%
Wherein the molten metal is injected and the inside of the vacuum chamber is evacuated through the exhaust hole so that the molten metal injected into the injection path is sucked into the mold.
상기 진공챔버 내부의 진공배기를 위한 압력은 2×10-1 ~ 1×10-3Torr 이며,
상기 진공챔버에 적용되는 흡인력은 15 ~ 350 liter/sec인 것을 특징으로 하는 회전날개의 제조장치. 3. The method according to claim 1 or 2,
The pressure for vacuum evacuation in the vacuum chamber is 2 x 10 < -1 > to 1 x 10 < -3 > Torr,
The suction force applied to the vacuum chamber is 15 To 350 liter / sec.
상부로부터 용탕을 중력방식으로 진공챔버 내부의 주입로로 공급받는 동시에 상기 진공챔버의 내부의 압력을 감압시켜 상기 주입로에 연결된 다수의 다공재질의 주형으로 상기 용탕을 흡인시켜 주조가 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전날개의 제조방법.A method of manufacturing a rotary blade for manufacturing a rotary blade,
Characterized in that the molten metal is supplied from the upper part to the injection path inside the vacuum chamber in a gravitational manner and at the same time the inner pressure of the vacuum chamber is reduced to suck the molten metal with a plurality of porous molds connected to the injection path, Wherein the blades are rotatably mounted on the rotating blades.
상기 주형의 기공율은 3% 내지 30% 이내로 형성되어,
상기 용탕이 주입됨과 동시에 배기공을 통해 상기 진공챔버 내부를 진공 배기시켜 상기 주입로에 투입된 상기 용탕이 상기 주형으로 흡인되도록 구성된 것을 특징으로 하는 회전날개의 제조방법.5. The method of claim 4,
The porosity of the mold is formed within 3% to 30%
Wherein the molten metal is injected into the vacuum chamber and the vacuum chamber is evacuated through an exhaust hole to suck the molten metal injected into the injection furnace into the mold.
상기 진공챔버 내부의 진공배기를 위한 압력은 2×10-1 ~ 1×10-3Torr이며,
상기 진공챔버에 작용되는 흡인력은 15 ~ 350 liter/sec인 것을 특징으로 하는 회전날개의 제조방법.
The method according to claim 4 or 5,
The pressure for vacuum evacuation in the vacuum chamber is 2 x 10 < -1 > to 1 x 10 < -3 > Torr,
The attraction force acting on the vacuum chamber is 15 ≪ / RTI > to about 350 liter / sec.
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