KR100475951B1 - 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법에 관한 것으로서, 알루미늄 실린더블록의 실린더 보어부를 가공할 때에 발생하는 알루미늄 후프(hoop)부의 균열 발생을 예측함에 있어서, 상기 실린더 보어부의 외주면인 알루미늄 후프부에 응력측정장치와 연결된 스트레인게이지를 장착한 후, 그 스트레인게이지 부위에 가공시의 윤활유 분위기를 견딜 수 있도록 점착제를 도포한 다음 상기 실린더 보어부의 응력을 측정하여 상기 알루미늄 후프부의 균열 발생을 예측 가능하도록 함으로써, 실린더 보어부의 가공방법에 대한 개선과 함께, 알루미늄 후프부의 균열 발생을 최소화할 수 있는 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법에 관한 것이다.

Description

자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법{Method for measuring stress in the manufacturing of cylinder-bore for automobile}

본 발명은 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 실린더블록의 실린더 보어부를 가공할 시에 발생하는 알루미늄 후프부의 균열발생을 예측함에 있어서, 고압주조에 의해 실린더블록을 제조한 후 실린더 보어부의 보링 및 호닝가공 시에 발생하는 가공응력 상태를 파악하여 상기 알루미늄 후프부의 균열 발생을 예측함으로써, 실린더 보어부 가공방법의 개선과 함께 알루미늄 후프부의 균열발생을 최소화할 수 있는 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 실린더블록(100)은 도 4에 도시된 바와 같이, 주철이나 알루미늄합금으로 제조되는 엔진의 주체가 되는 부분이며, 중량과 용적이 가장 큰 기초적 구조 부품으로서, 주철재의 경우에는 피스톤을 넣는 실린더만으로 되어 있는 것이 많고, 알루미늄합금으로 만들어져 있을 경우에는 원통형 실린더에 실린더 라이너(200)가 압입 또는 주입(鑄入)되어 있는 것이 보통이며, 3 ~ 12개의 실린더로 만들어져 있다.

자동차용 4 사이클 수냉식 엔진은 실린더 용적 750 ~ 2,000cc 범위의 소형 엔진에서 직렬 3 ~ 4 기통을 사용하고, 2,000 ~ 3,500cc 정도의 중형 엔진에서는 직렬 및 V형 6기통을, 그 이상의 대형 엔진에서는 V8 ~ V12 실린더를 많이 사용한다.

상기 실린더는 실린더 지름의 2 ~ 2.5배 정도 길이의 정원통형이며, 엔진의 실린더블록(100)에 설치된 원통형 실린더 보어부(300)를 말하는 것으로서, 그 안을 피스톤이 왕복함으로써, 엔진의 동력이 발생되며, 실린더 보어부(300)에는 내면이 실린더블록(100)과 같은 재료로 만들어진 일체형 실린더 라이너(200) 및 다른 재료로 만들어진 실린더 라이너(200)를 끼워 넣은 것이 있다.

상기 실린더 라이너(cylinder liner)(200)는 실린더블록(100)의 실린더 보어부(300)에 삽입하는 원통형 구조로서, 실린더블록(100)과 별개의 재료로 원심 주조하여 제작되며, 실린더 라이너(200)가 냉각수와 직접 접촉하지 않고 실린더블록(100)을 거쳐 냉각되는 건식과, 실린더 라이너(200)의 바깥 둘레가 워터재킷(water jacket)의 한쪽이 되어 냉각수와 직접 접촉하는 습식의 2종류가 있다.

한편, 고압주조에 의해 알루미늄 실린더블록(100)을 제조함에 있어서, 피스톤의 왕복운동 및 폭발행정 등을 행하는 실린더 보어부(300)에서는 마모성능을 유지하기 위하여 주철재 라이너 및 알루미늄합금재 라이너를 사용하게 된다.

현재 알루미늄 실린더블록(100)의 주류를 이루고 있는 주철재 라이너(200)를 사용하여 실린더블록(100)을 제조할 경우, 주철재 라이너(200)를 금형부의 보아핀에 세팅한 후, 알루미늄합금 용탕을 고압에 의해 사출하는 바, 상기 용탕은 상기 주철재 라이너(200)를 둘러싸면서 금형 내에 충진하게 된다.

이와 같은 과정에 의해 제조된 실린더블록(100)은 금형 내에서의 응고과정을 거쳐서 금형 밖으로 분리하게 된다.

이때, 응고하는 과정에 있어서, 상기 주철재 라이너(200)와 알루미늄합금 실린더 블록(100)과의 열팽창율의 차이에 의해 수축의 정도에서 차이가 발생하게 된다.

즉, 주철재 라이너(200)에 비하여, 실린더블록(100)은 수축정도가 심하게 되므로 완전하게 응고한 후, 주철재 라이너(200)에는 상기 실린더블록(100)의 응고 수축에 기인하는 잔류응력이 발생하게 된다.

이러한 잔류응력은 실린더 보어부(300)의 변형 및 실린더 보어부(300) 주변에 불균일한 응력 상태를 유발시키게 된다.

일반적으로, 이러한 잔류응력을 완화시키기 위해 T5 열처리를 실시한 후, 이어서 실린더 보어부(300)의 가공, 즉 보링(boring) 및 호닝(honing)가공을 실시한 다음, 상기 실린더 보어부(300)의 가공을 완료한 실린더블록(100)을 이용하여 엔진 성능 및 내구 시험을 거치게 된다.

한편, 상기 주철재 라이너(200)에 밀착되어 있으며, 상기 워터재킷과 연통되는 상기 실린더 보어부(300)의 알루미늄 후프(hoop)부(400)에서 균열이 발생하는 것은 주조 후와 가공 후 및 엔진 성능/내구 시험 중에 발생하고 있는 것으로 알려져 있으며, 특히 실린더 보어부(300)의 간격이 좁은 컴팩트(compact)한 실린더블록(100)일수록 알루미늄 후프부(400)의 각각의 폭이 좁아지게 되므로 균열발생의 가능성이 커지게 된다.

이때, 주조 후의 실린더 보어부(300)의 균열은 주조조건의 안정화에 의해 해결이 가능하며, 가공 전후 및 엔진 시험 중에 발생하는 알루미늄 후프부(400)의 균열에 대해서는 실린더 보어부(300)의 잔류응력 측정에 의해 균열을 감소시키는 방법이 통상적으로 이용되고 있다.

그러나, 상기와 같은 방법으로 잔류응력을 측정하는 것은 단지 알루미늄 후프부(400)의 균열에 대한 원인규명을 목적으로 하는 경우가 대부분이며, 특히 실린더 보어부(300) 가공시의 균열에 대해서는 대응할 수 없는 한계를 가지고 있다.

이와 같이, 실린더 보어부(300)의 가공시 균열에 있어서의 원인규명 및 대책에 관한 연구가 시급한 실정임에도 불구하고, 이에 관련한 연구는 거의 행하여지고 있지 않는 문제점이 있다.

따라서, 실린더블록(100)의 실린더 보어부(300) 가공시에 알루미늄 후프부(400)의 균열을 발생시키는 가공응력 상태를 측정하는 것에 의한 균열 발생을 예측할 수 있는 응력 측정방법이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 실린더블록의 실린더 보어부 가공 시, 알루미늄 후프부에 응력측정장치와 연결된 스트레인게이지를 장착한 후, 그 스트레인게이지 부위에 점착제를 도포하는 방법으로 상기 실린더 보어부의 응력을 측정하여 상기 알루미늄 후프부의 균열 발생을 예측 가능하도록 함으로써, 실린더 보어부 가공시의 가공방법에 대한 개선과 함께, 알루미늄 후프부의 균열 발생을 최소화할 수 있는 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차용 실린더 보어부의 응력을 측정함에 있어서,

실린더블록(10)의 실린더 보어부(11)에서 보링 및 호닝가공 시에 응력측정장치를 통해 응력을 측정하되, 상기 실린더 보어부(11) 외주면의 알루미늄 후프부(12)에 상기 응력측정장치의 스트레인게이지를 부착하여 그 가공응력을 측정하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 스트레인게이지에는 점착제가 도포된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 스트레인게이지의 장착위치를 나타내는 도면이다.

본 발명은 실린더블록의 실린더 보어부 가공시의 응력을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 설명하여 보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 고압주조에 의해 주조된 실린더블록(10)의 실린더 보어부(11) 외주면, 즉 알루미늄 후프(hoop)부(12)에 응력측정장치와 연결된 스트레인게이지를 부착한 후, 그 스트레인게이지 부위에 가공시의 윤활유 분위기에 견딜 수 있도록 점착제를 도포하여 고정시키게 된다.

이때, 응력을 측정하기 위한 감지부(sensor)로서 스트레인게이지(straingauge)는 응력측정장치와 연결되어 있는 바, 상기 응력측정장치는 스트레인 게이지에 전원을 공급하고 회로를 구성하여 물리적인 변화를 전기적 신호로 바꾸어 변형을 측정할 수 있도록 해주는 앰프(Amplifier)가 있고, 다음으로 앰프로부터 전송되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 A/D 컨버터가 있으며, 마지막으로 이러한 디지털 신호의 정보를 디스플레이하거나 저장할 수 있는 컴퓨터나 오실로 스코프가 구비되어 있다.

이러한 구성은 종래의 일반적인 구성으로 공지된 기술을 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 스트레인게이지가 부착된 실린더블록(10)을 실제 실린더 보어부 가공공정 라인에 설치한 후, 상기 실린더 보어부(11)의 가공 중, 보링(boring) 및 호닝(honing)가공을 거친다음에 상기 응력측정장치를 이용하여 실린더 보어부(11)에 걸리는 가공응력을 측정하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 자동차용 실린더 보어부(11) 가공시의 가공응력을 측정함에 있어서, 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 실린더 보어부의 보링 가공시, 실린더 보어부에 발생하는 응력을 측정한 결과를 나타내는 그래프로서, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면, 먼저 상기 실린더 보어부(11)에 실시하는 최초의 보링가공의 경우, 초기 가공량이 많기 때문에 응력값이 약간 증가하는 현상을 나타내고, 그 후 급격히 응력이 낮아지며 안정된 응력 하에서 가공이 진행된다.

이때, 상기 첨부도면의 응력값은 초기 가공시, 즉 10초까지의 공정시간 동안에 약 70MN/m²을 나타내며, 20초 후 약 -300MN/m²에서 안정된 가공이 진행됨을 알 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 실린더 보어부의 호닝 가공시, 실린더 보어부에 발생하는 응력을 측정한 결과를 나타내는 그래프로서, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하면, 실린더 보어부(11) 표면을 정밀 다듬질하는 호닝가공의 경우, 가공 초기부터 마지막까지 큰 진폭으로 실린더 보어부(11)에 가공응력이 작용하고 있다.

따라서, 상기 첨부도면을 통해 보링가공보다는 호닝가공 공정시에 보다 큰 응력이 작용하고 있음을 알 수 있다.

이는 실제로 실린더블록(10)을 가공하였을 때, 보링가공 시에는 알루미늄 후프부(12)의 균열이 발생하지 않지만, 호닝가공 시에 균열이 발생하는 것을 알 수 있다.

따라서, 상기 호닝가공 시에 실린더 보어부(11)의 균열을 발생시키는 원인을 제공하였다고 볼 수 있으며, 이는 상기 알루미늄 후프부(12)의 동일한 결함이 있다고 하더라도 가공 조건에 의하여 균열의 여부가 결정지어지는 것을 알 수 있게 된다.

따라서, 결국은 상기 호닝가공 시의 가공응력을 측정함으로써, 상기 알루미늄 후프부(12)의 균열 발생에 대한 예측이 가능하고, 그로인해 실린더 보어부(11)의 가공방법에 대한 개선과 함께, 향후 실린더 보어부(11)의 개발과 관련한 평가자료로 유용하게 활용할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법은 다음과 같은 효과가 있다.

1) 실린더 보어부의 가공 시, 상기 실린더 보어부에 발생하는 가공응력 상태를 파악할 수 있으며, 이것을 실제의 가공 공정에 적용하는 것으로 가공조건을 개선할 수 있다.

2) 가공조건의 개선에 의해 가공공정의 효율성 향상 및 원활화를 도모할 수 있다.

3)상기 알루미늄 후프부의 균열 발생을 최소화하여 가공 불량률을 줄일 수 있어 재가공 공정을 생략할 수 있는 효과가 있다.

4) 재가공 공정을 생략함에 따라 실린더블록소재 및 공구의 소모를 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스트레인게이지의 장착위치를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 실린더 보어부의 보링 가공시, 실린더 보어부에 발생하는 응력을 측정한 결과를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 실린더 보어부의 호닝 가공시, 실린더 보어부에 발생하는 응력을 측정한 결과를 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 실린더 라이너 및 알루미늄 후프부를 나타내는 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 실린더블록 11 : 실린더 보어부

12 : 알루미늄 후프부

Claims (2)

1. 자동차용 실린더 보어부의 응력을 측정함에 있어서,

   실린더블록(10)의 실린더 보어부(11)에서 보링 및 호닝가공 시에 응력측정장치를 통해 응력을 측정하되, 상기 실린더 보어부(11) 외주면의 알루미늄 후프부(12)에 상기 응력측정장치의 스트레인게이지를 부착하여 그 가공응력을 측정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스트레인게이지에는 점착제가 도포된 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 보어부 가공시의 응력 측정방법.