KR100869670B1 - 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말사출성형을 이용한 나사성형 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 또는 세라믹 분말사출성형에서 별도의 공정 없이 성형물에 암나사를 일체로 성형시킬 수 있는 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 금속분말 또는 세라믹 분말 75~95wt.%와 바인더5~25wt.%를 혼합하여 금속분말 혼합체(mixture)를 형성하는 단계, 상기 금속분말 또는 세라믹 혼합체를 사용하여 암나사를 성형 할 수 있도록 금형내에 고압으로 사출하여 성형물(Green part)을 형성하는 단계, 사출성형된 성형물을 용매를 사용하여 용매추출(dewaxing)하는 단계, 사출 성형된 성형물을 탈지로(debinding kiln)를 이용하여 상온 ~ 1,000℃에서 바인더를 제거하는 단계, 탈지된 탈지체(brown part)를 금속 및 세라믹 분말의 소결온도(1,200~1,800℃)까지 승온시켜 소성(sintering)함으로써 나사가 형성된 완제품을 얻는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

분말사출성형, 금속 분말사출성형, 세라믹 분말사출성형

Description

분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법{THE METHOD OF FORMING FEMALE SCREW USING POWDERED METAL}

도 1은 본 발명에 따른 암나사성형용 금형의 사시도

도 2는 본 발명에 따른 암나사성형용 금형 중 고정형판의 정단면도

도 3은 본 발명에 따른 암나사성형용 금형 중 회전체의 정면도

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 암나사성형용 금형의 동작 상태를 나타낸 단면도

본 발명은 분말사출성형을 이용한 나사성형 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 및 세라믹 분말사출성형에서 별도의 공정 없이 성형물에 암나사를 일체로 성형시킬 수 있는 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법에 관한 것이다.

일반적으로 분말사출성형(Powder Injection Molding)은 금속 혹은 세라믹스 분말과 유기재료로 만들어진 결합제(Binder)를 혼합한 후 사출 성형법을 이용하여 성형을 하고 결합제를 제거, 최종적인 소결을 거쳐 금속 제품이나 세라믹 제품을 제조하는 최신 분말 성형 기술을 말한다.

여기에서 사용되는 금속분말로는 Fe계, 스테인레스강, 저합금강, Fe-Ni-C, 동합금, Fe-Ni, STS316L, 17-4PH이 사용되며, 세라믹 분말로는 알루미나, 지르코니아 등이 대표적으로 사용되어진다.

이는 난가공성 소재의 대량 생산 기술로 복잡한 3차원 성형 부품의 양산이 가능한 방법으로 분말야금기술과 정밀한 플라스틱 부품의 대량 생산 기술인 사출성형 기술이 접목된 신 공정이다. 이러한 분말사출성형법은 사용 재료에 따라 금속분말 사출성형(MIM ; Metal Injection Molding), 세라믹 분말사출성형(CIM ; Ceramic Injection Molding) 등으로 분류되어 질 수 있다.

기존의 분말 야금법에 의한 제품은 성형시 압력이 제품 내부까지 고르게 전달되지 않아 표면과 내부의 충진 밀도의 차이가 발생하므로 최종 소결 밀도가 균일하지 않아 이에 기계적 성질의 저하를 유발하는 단점이 있다. 이러한 이유로 제품의 형상에 제한을 받게 되어 동일 단면 형상을 가진 제품의 제조에 한정적으로 응용되어졌다.

또한, 3차원으로 제작된 성형물의 내부에 암나사를 형성할 경우 한번에 성형하지 못하고 소결 이후에 제품에 대하여 2차가공(기계가공 등)에 의한 암나사 산을 내는 문제점이 있다.

상기와 같이 금속 및 세라믹 성형물에 암나사를 성형하기 위한 기술로서 대한민국 특허등록 제225967호(발명의 명칭: 소결합금체의 암나사 성형방법)가 알려 져 있다.

상기의 기술을 살펴보면 금속코발트 분말과 탄화텅스텐 분말의 혼합물을 압착성형틀에 넣고 600-100Kg/cm² 압력으로 성형하여 800℃전후에서 1차소결하고 1차소결물에 암나사용 구멍을 내고 구멍속에 저속회전 탭공구를 투입하여 구멍 내면에 암나사를 성형하되 피치의 간격을 완성품의 피치간격보다 20-25%크게 확대된 규격으로 성형하고 나사홈을 깨끗하게 청소한 후 소결로에 넣어 1,350-1,500℃의 온도로 2차 소결시킴을 특징으로 하는 소결합금체의 암나사 성형방법이다.

그러나 상기의 기술 또한 1차성형물을 소결한 후 다시 구멍에 탭공구를 이용하여 암나사를 별도로 형성해야 함으로써 작업시간이 많이 걸리고 불필요한 이동이 발생하며 이로 인하여 제품의 불량률이 크게 높아지는 문제점이 있으며, 이러한 문제점은 핸드폰이나 카메라의 부품 등과 같이 소형 정밀 부품 제작시 부품가공이 어려우며 1차소결 후 탭공정을 함으로서 많은 성형물들이 재활용되지 못하고 버려지는 등의 문제가 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 성형물의 전체에 걸쳐 균일한 충진밀도를 얻음으로써 정밀부품의 균질성과 성능을 향상시키며 우수한 표면조도를 얻을 수 있도록 하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는 성형물에 암나사를 1차 소결전의 사출성형 물 상태에서 성형하고 소결함으로써 작업시간을 현저히 줄이고 정밀한 부품에도 원활하게 암나사를 성형할 수 있는 암나사를 일체로 성형할 수 있는 금형장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적으로는 종래에 1차소결 후 별도의 탭공정을 거쳐 암나사를 형성하는 방법에서 소결전에 압축성형물 상태에서 암나사를 형성 후 소결함으로써 작업시간을 현저히 줄이고 정밀한 부품에도 원활하게 암나사를 성형할 수 있는 분말사출성형을 이용한 나사성형 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 금속분말 또는 세라믹 분말 75~95wt%와 바인더5~25wt%를 혼합하여 금속분말 혼합체(mixture)를 형성하는 단계, 상기 금속분말 또는 세라믹 혼합체를 사용하여 암나사를 성형 할 수 있도록 금형내에 고압으로 사출하여 성형물(Green part)을 형성하는 단계, 사출성형된 성형물을 용매를 사용하여 용매추출(dewaxing)하는 단계, 사출 성형된 성형물을 탈지로(debinding kiln)를 이용하여 상온~1,000℃에서 바인더를 제거하는 단계, 탈지된 탈지체(brown part)를 금속 및 세라믹 분말의 소결온도(1,200~1,800℃)까지 승온시켜 소성(sintering)함으로써 나사가 형성된 완제품을 얻는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기에서 사용되는 금속분말은 Fe, 스테인레스강, 저합금강, Fe-Ni-C, 동합금, Fe-Ni, STS316L, STS304, STS440, 17-4PH이 사용되며, 세라믹 분말로는 알루미 나, 지르코니아 등에 한정되는 것은 아니다.

또한, 소성온도는 사용되는 금속분말 또는 세라믹 분말의 소결온도에 따라 달라지므로 사용하는 금속분말의 소성온도에서 소성한다.

또한, 상기에서 금형은 이동형판은 내측에 성형물이 형성되는 성형홈과 이 성형홈에 혼합물이 유입되는 노즐이 성형되며, 상기 이동형판과 밀착되며 내부 중앙부분에 구멍이 형성된 홈과 타측에 암나사부를 갖으며, 상/하로 관통공이 형성된 고정형판, 상기 관통공에 삽입되며 상부에 형성된 실린더의 피스톤에 조립되는 랙크, 상기 랙크와 치합되며 동일축상에 형성된 제1기어와 제2기어, 상기 제2기어와 치합되며 양측에 숫나사가 형성되고 중앙부분에 제3기어와 베어링이 형성된 회전체를 포함하여 구성된 것에 특징이 있다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 암나사성형용 금형의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 암나사성형용 금형의 일측부 정단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 나사성형용 금형중 샤프트의 정면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법에 따른 암나사성형용 금형장치(100)는 크게 사출기(미도시)에 부착되어 좌/우 이동하는 이동형판(10)과 사출기에 고정되는 고정형판(20)으로 구성된다.

상기 이동형판(10)은 중앙부분에 성형물의 구조대로 음각된 성형홈(11)이 형성되며 일측에 혼합물이 유입되는 노즐(12)이 형성된다.

또한, 상기 이동형판(10)에는 일반적으로 고정형판(20)과 정확하게 밀착됨을 유도하기 위하여 외측에 고정형판(20)으로 일부 삽입되는 봉(미도시)과, 상기 성형물을 제거하기 위한 핀 등이 형성되며 이는, 일반적인 사출금형의 사양임으로 본 발명에서는 그 구체적인 설명은 생략한다.

상기 고정형판(20)은 상/하부에 관통되는 관통공(21)과 정면에 내부 회전체(22)의 일부가 노출되는 구멍(23)이 형성되며 내부에 회전수단(30)이 조립되는 수납공간(24)이 형성된다.

또한, 상기 구멍(23)의 대항되는 위치에 암나사부(25)가 형성된다.

또한, 상부에는 실린더(40)가 고정대(26)에 의하여 고정되며 이 실린더(40)의 피스톤(41)에 랙크(31)가 조립되어 관통공(21)에 삽입된다.

상기 랙크(31)는 내부 수납공간(24)에 형성된 회전수단(30)의 제1기어(32)와 치합된다.

상기 제1기어(32)는 동일축상에 제2기어(33)가 형성되며 상기 제2기어(33)는 회전체(22)에 형성된 제3기어(22a)와 치합된다.

또한, 상기 제3기어(22a)의 두께는 제2기어(33)의 두께의 1/2로 형성하여 치합된 상태에서 제2기어(33)의 폭만큼 좌/우이동이 가능하다.

상기 회전체(22)는 양측단에 상기 고정형판(20)의 구멍(23)과 암나사부(25)에 조립되는 숫나사(22b, 22c)와 중앙부분에 제3기어(22a) 및 베어링(22d)이 형성된다.

한편, 상기 고정형판(20)의 외부측에는 상기 이동형판(10)의 봉(13)이 삽입되는 삽입부(미도시)와 형판이 밀착시 밀착면의 충격을 해소하기 위하여 스프링(미 도시) 및 금형의 온도를 제어하기위한 냉각수로 등이 형성되는데, 이는 통상적인 사출금형의 기본 사양임으로 본 발명에서는 구체적인 설명을 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법에 동작상태를 도 4a 내지 4c를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4a는 이동형판(10)과 고정형판(20)이 떨어진 상태의 측면도이다.

상기의 상태는 도시한 바와 같이 고정형판(20)의 피스톤(41)이 하강하여 이와 연결된 랙크(31)를 하강시키고 이로써 제1, 제2, 제3기어(32, 33, 22a)가 정방향으로 회전하여 회전체(22)를 회전시키고, 이로써 회전체(22) 일측의 숫나사(22c)가 고정형판(20)의 형성된 암나사부(25)와 치합된 상태로 회전함으로써 회전체(22)를 전진시켜 회전체(22) 타측의 숫나사(22b)를 구멍(23)으로부터 일부 돌출시킨 상태로 형성한다.

상기와 같이 형성된 상태에서 도 4b에 도시한 바와 같이 이동형판(10)을 전진시켜 고정형판(20)과 밀착시키고 노즐(12)을 통해 성형홈(11)에 혼합물을 주입하여 압축된 성형물을 만들고 냉각시켜 견고하게 형성한다.

이때, 고정형판(20)의 구멍(23)보다 삽입되는 숫나사(22b)의 지름이 작게 형성되어 혼합물이 고정형판(20)측으로 유입되어 깊은 암나사가 형성된다.

상기와 같이 이동형판(10)과 고정형판(20)이 밀착되어 내부에 성형물이 형성된 상태에서 랙크(31)를 상승시키면 랙크(31)와 치합된 제1기어(32) 및 이와 일체로 형성된 제2기어(33)가 역방향으로 회전하고 이로써 제2기어(33)와 치합된 회전체(22)의 제3기어(22a)가 회전하여 후측에 형성된 숫나사(22c)가 회전히면서 고정 형판(20)내측에 형성된 암나사부(25)와 치합된 상태로 회전하여 회전체(22)를 후진시킨다.

이로써, 상기 전방의 숫나사(22b)는 외부측에 형성된 압축성형물(50)의 암나사(51)에 영향으로 주지 않고 분리된다.

상기와 같이 회전체(22)가 후진하여 성형물(50)과 숫나사(22b)가 분리된 상태에서 도4c에 도시된 바와 같이 이동형판(10)을 이동시켜 성형물을 배출한다.

상기와 같이 형성된 분말사출성형물을 탈지 및 소결로를 이용하여 상온 ~ 1,800℃에서 탈지 및 완전 소결하여 나사가 형성된 완제품을 얻는다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 금속분말에 유동성의 바인더를 첨가하므로서 균일한 압력전달을 가능케 함으로써 성형물의 전체에 걸쳐 균일한 충진밀도를 얻을 수 있어 정밀부품의 균질성과 성능을 향상시키고 우수한 표면조도를 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래에 1차소결 후 별도의 탭공정을 거쳐 암나사를 형성하는 방법에서 소결전에 압축성형물 상태에서 암나사를 성형 후 소결함으로써 작업시간을 현저히 줄이고 정밀한 부품에도 원활하게 암나사를 성형할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 금속분말 또는 세라믹 분말 75~95wt%와 바인더5~25wt%를 혼합하여 금속분말 혼합체(mixture)를 형성하는 단계;

   상기 유동성의 금속 및 세라믹분말 혼합체를 사용하여 암나사를 성형 할 수 있도록 금형내에 고압으로 사출하여 사출성형된 성형물을 형성하는 단계;

   사출성형된 성형물을 탈지로(debinding kiln)를 이용하여 상온~1,000℃에서 바인더를 제거하는 단계;

   탈지된 탈지체(brown part)를 금속 및 세라믹 분말의 소결온도(1,200~1,800℃)까지 승온시켜 소성(sintering)함으로써 나사가 형성된 완제품을 얻는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금형은 내측에 성형물이 형성되는 성형홈(11)이 일측에 노즐(12)과 연결되게 형성된 이동형판(10);

   상기 이동형판(10)과 밀착되며 내부 수납공간(24)에 일부 노출된 회전체(22)를 회전시키는 회전수단(30)이 형성되고, 상기 회전수단(30)을 구동시키는 랙크(31)가 상/하부에 관통된 상태로 상부에 형성된 실린더(40)의 피스톤(41)과 조립되어 형성된 고정형판(20)으로 이루어짐을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 나사성형 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 회전수단(30)은 상기 고정형판(20)의 내부에 형성되며 상기 랙크(31)와 치합되는 제1기어(32)와, 상기 제1기어(32)와 동일축상에 형성된 제2기어(33) 및 상기 제2기어(33)와 치합되며 상기 회전체(22)의 중앙부분에 형성된 제3기어(22a)를 포함하며,

   여기서, 상기 랙크(31)가 상/하이동함으로써 동일축상에 형성된 제1기어(32) 및 제2기어(33)가 회전하고 이로써, 제2기어(33)와 치합된 제3기어(22a)를 회전시킴으로써 회전체(22)가 회전하게됨을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제3기어(22a)의 두께는 제2기어(33)의 1/2로 형성하여 치합된 상태에서 회전체(22)가 이동할 수 있도록 형성함을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 암나사성형 방법.
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