KR100271500B1 - 코일 스프링의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강선으로 이루어진 코일 스프링을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서 나사 스프링의 경계층은 초기 응력 없는 제 1 숏 피닝(shot peening) 단계, 그 다음의 응력 제거 단계 및 그 다음에 이루어지는 제 2 숏 피닝 단계를 포함하는 열가공 경화 공정으로 처리되며, 상기 제 2 숏 피닝은 적어도 2단계로 실시된다. 본 발명에 따른 방법에 의해서, 치수 및 중량이 비교적 작은 경우에도 더 큰 하중 수용 능력을 갖는 스프링을 제조할 수 있게 되었다.

Description

코일 스프링의 제조 방법

본 발명은 강선으로 이루어져 있으며, 열가공 경화 공정으로 처리된 코일 스프링을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법으로 제조된 코일 스프링은 특히 최고의 하중 수용 능력이 요구되는 자동차 구조에서 현가 스프링(suspension spring)으로서 사용된다.

강선으로 이루어진 코일 스프링을 제조하는 방법은 대체로 2가지 방법이 공지되어 있다. 소위 "냉간 블라스트(cold blast) 방법"으로 일컬어지는 제 1방법에서는 열처리된 강선을 투입 재료(ingoing material)로서 사용한다.

"가열 와인딩(warm winding) 방법"이라 일컬어지는 공지된 제 2방법에서는 열처리되지 않은 강선을 가열하여, 고온 상태에서 와인딩한 다음에 담금질 처리한다. 상기 가열 와인딩 방법은 예를 들어 제 52회 국제 자동차 전시회(Internationalen Automobilausstellung IAA, Frankfurt/Main 1987)에 즈음하여 발간된 간행물인 "열간 성형 스프링(hot forming spring)"에 기술되어 있다.

많이 알려진 것은 아니지만 제 3의 제조 가능성은, 열처리되지 않은 투입 재료를 냉간 블라스팅한 다음에 스프링을 별도의 작업 공정에서 열처리하는 것이다.

가열 와인딩 방법에서는 바아 형태로 사용된 강선이 상기 강선의 열처리시에 가열, 경화 및 어닐링 작업 단계를 거친다. 이 경우 가열은 일반적으로 가스 또는 오일의 연소에 의해서 가열되는 연속로(continuous furnace)내에서 이루어진다. 상기 방식의 연속로내에서는 와인딩 후에 경화가 이루어질 수 있도록 하기 위해서 강선 재료가 비교적 서서히 오스테나이트화(austenizing) 온도로 된다.

경화 및 어닐링 후에는, 그 다음의 "히트 세팅(heat setting)" 공정을 위해 재차 가열되도록 하기 위해서 코일 스프링이 바람직하게 공기에 의해 냉각된다. 이러한 관계에서 볼 때, "히트 세팅" 상태는 코일 스프링의 사전 세팅, 즉 스프링의 항복점(yielding point)을 능가하는 상승된 온도에서 실시되는 응력을 의미한다. 상기 히트 세팅에 의해 스프링 와이어내에는 유리한 고유 응력 상태가 형성되는데, 상기 응력 상태는 스프링의 정적 및 동적 하중 수용 능력을 증가시키고, 스프링의 응력 이완 특성 및 크리프(creep) 특성을 개선시킨다.

히트 세팅 후에 스프링을 숏 피닝함으로써, 스프링 와이어의 외부 경계층이 경화되고 특히 압축 내부 응력이 가해진다. 상기 압축 내부 응력은 스프링의 동적 하중 수용 능력을 매우 효과적으로 상승시키는데, 그 이유는 압축 내부 응력은 스프링 하중이 가해지는 동안 와이어 표면에서 나타나는 높은 인장 응력과 반대로 작용하기 때문이다.

스프링 와이어의 기계적인 특성을 개선하기 위해서, DE 36 33 058 C1호에는 스프링강을 소위 "열가공 처리"하는 내용이 공지되어 있다. 상기 "열가공 처리"는 통상적으로 경화 및 어닐링의 형태로 실시되는 열처리와 달리 오스테나이트화 온도까지 가열한 후에 실시되는, 비틀림 및/또는 롤링에 의한 스프링강의 소성 변형이라는 부가 단계를 포함한다.

DE 43 30 832 C2호에는 또한, 코일 압축 스프링을 제 1 및 제 2 숏 피닝하는 코일 압축 스프링의 제조 방법이 공지되어 있다.

간행물 "코일 압축 스프링의 연마 가공(abrasive blasting)", Eckehard Mueller, Draht, 1994, Heft 1/2에서는 결론적으로, 초기 응력 없이 이루어지는 제 1 연마 가공 및 초기 응력하에서 이루어지는 제 2 연마 가공의 2단계로 이루어지는 숏 피닝 공정에 의해서, 연마 가공 공정 없이 제조된 스프링과 비교할 때 재료 소비의 감소 및 중량의 감소 측면에서 비교할 만한 특성을 갖는 코일 스프링이 제조될 수 있다는 내용이 언급되어 있다.

코일 스프링을 제조하기 위한 공지된 방법도 신뢰할만한 방법이기는 하지만, 특히 자동차 산업에서 점점 더 강하게 요구되는 사이즈의 축소화 그리고 그에 따른 중량 및 스프링 설치 공간의 축소화와 같은 요구들을 충족시키는 스프링의 제조가 공지된 방법에서는 불가능하다.

본 발명의 목적은, 치수 및 중량이 더 작으면서도 더 높은 하중 수용 능력을 갖는 스프링을 제조할 수 있는, 전술한 선행 기술로부터 출발하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 열가공 처리되고 에지층이 열가공 경화된 고장력 및 초고장력의 코일 스프링을 제조할 때의 연속적인 작업 단계들을 보여주는 다이아그램.

도 2 는 산출 속도가 높은 거친 입자의 연마재를 사용하여 초기 응력하에서 숏 피닝한 후에 코일 스프링의 에지층에서의 압축 내부 응력의 변화를 보여주는 다이아그램.

도 3 은 제 1 단계에서는 거친 입자의 연마재를 사용하고 제 2 단계에서는 미세한 입자의 연마재를 사용하여 초기 응력하에서 단계 방식으로 연속적으로 숏 피닝할 때에 코일 스프링의 에지층에서의 압축 내부 응력의 변화를 보여주는 다이아그램.

상기 목적은 본 발명에 따라, 초기 응력 없는 제 1 숏 피닝 단계, 그 다음에 이루어지는 열적 응력 제거 (팽창) 단계 및 이어서 이루어지는 제 2 숏 피닝 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다.

코일 스프링의 에지층을 열가공 경화하는 제 1 숏 피닝 공정에 의해 스프링 와이어의 표면에 가까운 제작 재료가 가능한 한 깊게 소성 변형된다. 그 다음에 스프링의 열적 팽창에 의해, 변형된 제작 재료층내에 바람직한 특성 변화가 야기되는데, 상기 변화의 원인은 특히 석출, 시효, 결정의 다각형화(polygonisation) 및 변위에 유리한 구조의 형성이다.

스프링의 초기 응력하에서 또는 초기 응력 없이 이루어질 수 있는 마지막 제 2 연마 가공 과정은 에지층에서 높은 압축 내부 응력이 형성되도록 작용한다. 상기 제 2 연마 가공 처리는 본 발명에 따라 2 단계로 실시된다. 제 1 단계에서는바람직하게, 높은 에너지로 산출되는 "거친 입자의" 연마재에 의해 스프링이 대충 연마 가공된다. 상기 대충의 연마 가공은 스프링 재료의 에지층 내부 깊숙이 작용한다.

제 2 단계에서 바람직하게 더 미세한 입자의 연마재 또는 더 거친 입자의 연마재를 사용하여 감소된 산출 속도로 실시되는 소위 "정밀 연마 가공"은 직접 와이어 표면에서 압축 내부 응력을 증가시키고 상기 표면을 평활화한다.

직접 와이어 표면에서 압축 내부 응력을 증가시킴으로써, 사용 하중하에서의 스프링의 높은 동적 하중 상태에서 와이어 표면에 너무 이르게 균열이 형성되는 것이 방지된다. 상기 유형의 균열은 다른 경우에, 특히 노치(notch)에 민감한 초고장력(super high strength) 코일 스프링에서는 너무 이르게 스프링 와이어를 파괴시킬 수 있다.

마지막으로, 와이어 표면의 평활화는 상기 표면의 구조로부터 유래하는 노치 효과를 감소시키는 이외에 후속하는 코일 스프링의 래커 코팅을 위해서도 현저한 장점을 제공해준다.

본 발명은 실시예를 나타내는 다이아그램을 참조하여 하기에 자세히 설명된다.

제공된 강선은 제일 먼저 전기 유도 방식으로 작동되는 도시되지 않은 가열 장치내에서 오스테나이트화 온도로 가열된다. 이어서, 오스테나이트화된 강선 재료는 기계적으로 롤링 또는 비틀림에 의해 소성 변형된다. 그 다음에, 아직 고온의 강선을 와인딩하여 코일 스프링을 만든다. 강선의 열가공 처리는 상기 와인딩공정에 이어서 실시되는 경화 공정에 의해 계속 진행된다. 그 다음에 이어지는 어닐링 공정을 끝으로 강의 열가공 처리가 종결된다.

어닐링 후에는 물에 의한 코일 스프링의 신속한 냉각이 이루어진다.

그 다음에 실시되는 신장되지 않은 코일 스프링의 제 1 숏 피닝 처리에서는 우선, 스프링강 와이어의 표면에 가까운 제작 재료를 가능한 한 깊이 소성 변형시키는 것이 중요하다. 제 1 숏 피닝이 끝난 후에 코일 스프링은 히트 세팅 온도까지의 가열을 위해 규정된 도시되지 않은 로내에서 가열되는 동시에 열적으로 응력 제거된다. 히트 세팅 온도에 도달된 후에는 저절로 히트 세팅이 이루어진다. 스프링이 수냉에 의해 재차 냉각되자마자 스프링은 초기 응력하에서의 제 2 연마 가공 공정에서 숏 피닝된다.

초기 응력하에서 숏 피닝하는 목적은, 스프링강 와이어의 표면에 가까운 에지층내에 방향 설정된 높은 압축 내부 응력을 형성하려는 것이다. 즉, 연마 가공 공정 동안에 스프링이 나중의 사용 하중과 동일한 방향으로 작용하는 예압하에 놓이면, 동일 방향으로 강선 표면에 매우 높은 압축 내부 응력이 형성되며, 상기 응력에서는 사용 하중이 가장 큰 인장 응력을 야기시킨다. 이것은 일반적으로 스프링 와이어의 종축에 대해 45°의 각이 형성된 경우이다. 이와 같이 형성된 압축 내부 응력은 하중하에서 실제로 사용할 때 형성되는 인장 응력에 대항하는 반대 응력으로서 작용한다.

초기 응력하에서의 숏 피닝은 본 발명에 따라 2단계로 실행된다. 제 1단계에서는 연마재로서 직경이 0.7 - 0.9 ㎜인 비교적 거친 입자가 사용된다. 그럼으로써, 스프링 와이어강의 에지 영역에서는 다이아그램 2에 예로서 도시된 바와 같은 압축 내부 응력 프로필이 얻어진다. 이 경우의 특징은 압축 내부 응력이 큰 침투 깊이를 갖는다는 것인데, 이와 같은 큰 침투 깊이는 원하는 바와 같이 스프링 와이어의 표면 영역에서 최고값을 갖지 않고, 오히려 임의의 차이로 상기 최고값 이하의 값을 갖는다.

그 다음에 초기 응력하에서 실시되는 숏 피닝의 제 2 단계에서는 동일한 연마재가 사용되는데, 이 경우의 연마재는 제 1 단계에서 보다 더 작은 산출 속도로 산출된다. 다이아그램 3에서 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 정밀 연마 가공에 의해 압축 내부 응력은 직접 와이어 표면에서 그리고 상기 표면에 접하는 제작 재료층에서 현저하게 상승된다. 상기 방식에 의해, 결과적으로는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 코일 스프링의 동적 하중 수용 능력이 훨씬 상승되고, 자동차 현가 스프링으로서 사용된 공지된 코일 스프링에 비해 코일 스프링의 사용 품질이 현저하게 개선된다.

제조 방법을 종료하기 위해서 코일 스프링의 균열 테스트, 래커 코팅 및 응력 테스트가 실시된다. 부식을 최상으로 방지하기 위한 매우 효과적인 래커 코팅으로서 분말 코팅에 의한 아연 인산화가 수행된다.

본 발명에 따른 방법에 의해, 치수 및 중량이 더 작으면서도 더 높은 하중 수용 능력을 갖는 스프링을 제조할 수 있게 되었다.

Claims (5)

1. 나사 스프링의 경계층을 초기 응력 없이 제 1 숏 피닝(shot peening)하는 단계, 그 다음의 열적 응력 제거 단계 및 그 다음에 이루어지는 제 2 숏 피닝 단계를 포함하는 열가공 경화 공정으로 처리되는 것을 특징으로 하는 강선으로 이루어진 코일 스프링을 제조하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 숏 피닝 공정은 적어도 2단계로 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 숏 피닝 공정은 초기 응력하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 숏 피닝 공정에서는 통일된 거친 입자의 연마재가 사용되며, 상기 연마재는 숏 피닝 공정의 제 1 단계에서는 후속 단계들에서 보다 더 높은 산출 속도로 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서는 거친 입자의 연마재가 사용되고, 그 다음 단계에서는 미세한 입자의 연마재가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.