스크롤 로터의 금형 및 제조방법{MOLD OF SCROLL ROTOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 스크롤 로터의 금형 및 제조방법에 관한 것으로, 특히 랜드길이와 테이퍼를 조절하여 소재흐름의 속도제어가 가능한 스크롤 로터의 금형 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 스크롤 로터는 자동차 또는 냉방기용 스크롤 압축기에 적용되는데, 냉각효율이 높고 진동소음이 적으며 대체냉매에 의해서도 사용이 가능하다. 뿐만 아니라, 압축기의 크기가 작아 냉방기의 부피를 줄일 수 있다. 나아가, 냉매가스의 누설이 적고 토크 및 하중변동이 미소하다는 장점이 있어 널리 이용된다.
스크롤 로터의 랩부는 스크롤의 중심부을 기준으로 나선형의 곡선을 형성하고 있어 형상이 복잡하고 비대칭이라는 특징이 있다. 일반적인 단조 공정을 이용하여 스크롤 로터를 제조할 경우 랩부 높이가 균일하게 성형되지 않는다. 그에 따라 랩부의 높이 편차를 줄이기 위한 후속 기계가공이 필요하게 되고, 낭비되는 소재의 손실량이 상당하여 비경제적이라는 문제가 있다.
한편, 랩부 높이를 균일하게 하기 위한 다른 방법으로 밀폐단조(closed-die forging)방식이 제시된다. 그러나 최종 성형단계에서 성형하중이 급격히 높아져 금형의 파손 및 이로 인한 작업자의 사고 위험이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
다른 한편, 랩부의 높이 편차를 최소화하고 후속 기계가공량을 줄이기 위한 또 다른 방법으로 배압을 이용한 스크롤 로터의 성형방법이 제시된다. 그러나, (1)배압을 제공하기 위한 별도의 유압공급장치가 필요하고 배압에 의한 성형하중의 증가를 수반한다는 점, (2)배압에 의한 랩부의 배부름(bulging)현상 때문에 랩부와 압출구간의 금형면 사이에 접촉압력이 높아져 성형 후 제품의 취출이 어려워진다는 점, (3)별도의 배압장비를 위한 유지보수가 추가적으로 필요하다는 점 등의 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 랜드길이와 테이퍼를 조절하여 소재흐름의 속도제어가 가능한 스크롤 로터의 금형 및 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 스크롤 로터 단조용 금형에 있어서, 내부에 성형공간이 형성되고, 하부에는 상기 스크롤 로터에 구비되는 랩부에 대응하는 나선형태의 압출통로가 마련된 압출부을 구비하는 다이; 및 상기 성형공간의 내주면과 밀착하여 상하방향으로 미끄럼 이동가능 하도록 다이와 연결되고, 하부는 상기스크롤 로터의 플랜지부의 상면 및 보스부와 대응되는 형상으로 이루어진 펀치를 포함하고, 상기 압출통로는 압출소재와 직접 접촉하는 랜드구간을 구비하며, 상기 랜드구간의 길이는 나선방향을 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 스크롤 로터의 금형이 제공된다.
상기 랜드구간의 길이는 중심측에서 최대 길이를 가지고 중심측으로부터 연속적으로 나선방향을 따라 2차적으로 줄어들다가 다시 길어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 랜드구간은 압출시 압출소재의 유동방향을 따라 가면서 폭이 좁아지도록 형성된 테이퍼를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일측면에 따르면, 상기 스크롤 로터의 금형을 장착한 것을 특징으로 하는 스크롤 로터의 성형장치가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 스크롤 로터를 제조하는 제조방법에 있어서 상기 스크롤 로터의 금형을 성형장치에 장착하는 금형 장착 단계; 소재를 상기 금형의 성형공간 내부에 안착시키는 소재 안착 단계; 펀치 가압에 의해 상기 소재를 변형시켜 스크롤 로터를 성형하는 가압 성형 단계; 및 상기 성형된 스크롤 로터를 다이로부터 취출하는 제품 취출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 로터의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로, 금형의 압출구간에 랜드길이와 테이퍼를 조절하여 소재흐름의 속도를 제어함으로써 랩부의 높이 편차를 최소화할 수 있다. 그에 따라, 스크롤 로터의 랩부 높이를 균일하게 하기 위한 후속 기계가공을 줄일 수 있고 낭비되는 소재량을 감소시켜 공정 효율성 및 경제성이 개선된다.
아울러, 금형의 압출부에 테이퍼를 형성함으로써 성형된 스크롤 로터의 취출이 훨씬 용이해져 작업 편의성이 개선된다.
특히, 별도의 배압장비를 필요로 하지 않아 스크롤 로터의 성형공정이 단순화되고 배압장비의 유지보수가 필요없다는 경제적 이점이 있다.
도 1은 스크롤 로터의 단면도 및 사시도이다.
도 2는 일반적인 단조 공정에 의해 제조된 스크롤 로터의 절단 사시도이다.
도 3은 배압에 의한 소재의 배부름 현상을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 금형을 도시한 단면도이다.
도 5은 랜드구간와 테이퍼로 구성된 압출부를 확대 도시한 단면도이다.
도 6는 다이 중심측에서 나선방향을 따라 랜드 길이의 분포를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 금형에 의해 성형된 스크롤 로터를 도시한 절단 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 금형을 장착한 성형장치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 금형을 이용한 스크롤 로터 제조방법을 도시한 공정순서도이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 스크롤 로터의 단면도 및 사시도이다. 도 1을 참조하면, 스크롤 로터(140)는 원판 형상의 플랜지부(120), 상면에 보스부(110) 및 하면에 랩부(130)로 구성된다. 랩부(130)는 중심부에서 나선방향으로 소용돌이 모양의 나선형 비대칭 무늬로 성형된다. 이하, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 설명하고 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 일반적인 단조 공정에 의해 제조된 스크롤 로터의 사시도이다. 도 2를 참조하면, 랩부(130)는 형상이 복잡하고 비대칭이기 때문에 압출과정에서 중심부에서 나선방향을 따라 압출부를 통하여 압출되는 소재흐름의 속도 및 유동량이 달라져 랩부(130)의 높이 편차가 나타난다. 그에 따라, 랩부(130)의 높이를 균일하게 하기 위해 성형 후 제품을 깍아내는 후속 기계가공을 거치게 되고, 낭비되는 소재의 량이 상당하여 비경제적이다.
도 3은 배압에 의한 소재의 배부름 현상을 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 펀치 가압에 의해 성형공간내 소재가 압출부를 통하여 유동하게 되고, 랩부의 높이를 조절하기 위해 상방향으로 배압이 작용하는 과정에서 랩부의 배부름(bulging)현상이 나타난다. 그에 따라, 압출구간에서 소재와 금형면 사이에 접촉압력이 높아져 성형 후 제품의 취출이 어려워진다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 금형을 도시한 단면도이고 도 5은 테이퍼가 적용된 랜드구간을 갖는 압출부를 확대도시한 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 금형(240)은 다이(210)와 펀치(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다이(220)는 내부에 원통형의 성형공간(230)이 형성되고, 성형공간(230)의 하면에 랩부(130)를 압출성형하기 위한 압출부(300)가 형성된다. 압출부(300)에는 스크롤 로터의 랩부(130)의 형상에 대응하여 형성된 압출통로(340)가 마련된다. 압출통로(340)는 성형공간(230)과 직접 이어지며, 압출시에 내면이 압출소재와 직접 접하는 랜드구간(330)을 구비한다. 랜드구간(330)은 압출소재 유동방향의 상류측에 위치하는 테이퍼(310)와 하류측에 위치하는 랜드(320)를 구비한다. 테이퍼(310)는 압출시 압출소재의 유동방향을 따라 가면서 폭이 좁아지도록 형성된다. 따라서, 유동 소재와 금형 접촉면 사이에 접촉압력을 증가시켜 마찰저항을 보다 크게할 수 있다. 또한, 압출부(330)에 테이퍼(310)가 적용된 경우 압출된 부위가 쐐기 형태로 성형되기 때문에 다이(220)로부터 성형된 스크롤 로터의 취출이 보다 용이해진다.
펀치(500)는 성형공간(230)의 내주면과 밀착하여 상하방향으로 미끄럼 이동이 가능하도록 다이(220)와 연결되고, 하부는 플랜지부(120)의 상면 및 보스부(110)와 대응되는 형상으로 이루어진다.
펀치 가압에 의해 성형공간(230)내 소재가 압출통로(340)를 통하여 유동하게 되고, 소재흐름의 속도는 중심부에서 나선방향을 따라 연속적으로 변화한다. 이러한 소재흐름의 속도를 제어하기 위해 랜드구간(330)의 길이를 조절하는 방식을 제시한다. 본 발명에서 랜드구간(330)의 길이는 압출시에 압출소재의 유동방향으로 연장된 길이를 의미한다.
일반적으로, 압출 금형은 소재의 진직도를 확보하기 위하여 랜드구간을 구비하고 있으며 랜드구간이 긴 경우에는 접촉면적이 넓어져 마찰이 증가한다. 따라서, 중심측에서 나선방향을 따라 랜드구간이 사전에 미리 설정된 길이 분포를 가지도록 적절히 조절함으로써 소재와 금형면 사이의 마찰에 의해 소재흐름의 속도를 제어할 수 있다.
적절한 랜드길이 분포를 선정하기 위해 유한요소해석(FEM) 프로그램을 이용한다. 도 6은 중심부에서 나선방향을 따라 랜드 길이의 분포를 도시한 그래프이다. 도 6을 참조하면, X축은 중심부를 기준으로 나선방향을 따라 나선길이를 나타내고, Y축은 랜드길이를 나타낸다. 랜드구간(320)의 길이는 중심측에서 최대 길이를 가지고 연속적으로 나선을 따라 2차적으로 줄어들다가 다시 길어지는 것을 특징으로 한다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 이와 유사하게 랜드 길이를 변화시킨 것도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 금형에 의해 성형된 스크롤 로터의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 발명의 일실시예에 따른 금형(240)에 의해 랩부(130)의 높이 편차가 최소화된 스크롤 로터(140)를 성형할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 금형을 장착한 성형장치를 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예로서 상기 금형(240)을 장착한 성형장치(400)가 제공된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 금형을 이용한 스크롤 로터 제조방법을 도시한 공정순서도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일실시예로서 스크롤 로터의 제조방법은 금형 장착 단계(S100)와, 소재 안착 단계(S200)와, 가압 성형 단계(S300)와, 제품 취출 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
금형 장착 단계(S100)는 기존의 성형장치에 상기 금형(240)을 장착하는 것을 특징으로 한다. 소재 안착 단계(S200)는 단조을 위해 1차 가공된 소재를 상기 금형(240)의 성형공간(230) 내부에 안착시키는 것을 특징으로 한다. 가압 성형 단계(S300)는 펀치(210)의 가압에 의해 소재를 변형시켜 스크롤 로터(140)을 성형하는 것을 특징으로 한다. 제품 취출 단계(S400)는 다이(220)로부터 성형된 스크롤 로터(140)를 취출하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
110 : 보스부 120 : 플랜지부
130 : 랩부 140 : 스크롤 로터
210 : 펀치 220 : 다이
230 : 성형공간 240 : 금형
300 : 압출부 310 : 테이퍼
320 : 랜드 330 : 랜드구간
400 : 성형장치 S100 : 금형장착단계
S200 : 소재안착단계 S300 : 가압성형단계
S400 : 제품취출단계 |
