KR100551850B1 - 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄프로펠러샤프트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 알루미늄 스프레이 포밍재 튜브와 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트 제조에 관한 것으로서, 알루미늄 스프레이포밍재를 압출 인발하여 제작된 튜브와 용탕단조법으로 제조된 스웨이즈드 알루미늄 요크를 마찰압접법으로 접합함으로써, 차량에 대한 장착 적용범위가 넓고, 경량화에 유리하며, 진동 소음특성도 유리하게 개선될 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mg 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여, 분무된 액적들이 응고된 스프레이 포밍재를 만드는 단계; 상기 스프레이 포밍재를 압출/인발하여 프로펠러샤프트의 튜브를 제작하는 단계; 용탕 단조법을 이용하여 스웨이즈드 용탕 단조 알루미늄 요크를 제작하는 단계; 상기 튜브와 요크를 마찰압접하여, 일체형의 알루미늄 프로펠러샤프트로 제작하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법을 제공한다.

스웨이즈드, 스웨이징, 알루미늄 프로펠러샤프트, 튜브, 요크

Description

스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법{Method for manufacturing one-piece type propeller shaft using swaged forging york}

도 1은 본 발명에 따른 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용하여 제조된 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용하여 제조된 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트를 나타내는 사진,

도 3은 종래의 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트를 나타내는 단면도,

도 4는 종래의 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트를 나타내는 사진,

도 5는 종래의 2피스(piece) 프로펠러샤프트를 나타내는 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10a,10b : 튜브 20a,20b : 요크

22 : 마찰접합부 24 : 요크부

100, 200 : 알루미늄 프로펠러샤프트

본 발명은 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고강도 알루미늄 스프레이 포밍재 튜브와 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트 제조에 관한 것으로서, 알루미늄 스프레이포밍재를 압출 인발하여 제작된 튜브와 용탕단조법으로 제조된 스웨이즈드 알루미늄 요크를 마찰압접법으로 접합함으로써, 적용범위가 넓고, 경량화에 유리하며, 진동 소음특성도 유리하게 개선될 수 있도록 한 스웨이즈드 용탕 단조를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법에 관한 것이다.

자동차용 프로펠러샤프트는 주로 4륜구동방식 또는 프론트 엔진 리어 드라이브(FR: Front engine Rear drive)방식의 차량에 적용되는 부품으로서, 트랜스미션으로부터 뒤차축까지 연결되어, 앞쪽에 있는 엔진의 회전력을 트랜스미션을 거쳐 뒤차축까지 전달하는 역할을 한다.

현재 양산중인 프로펠러샤프트는 스틸재 조관파이프와 스틸단조 요크를 일반 용접(CO2 용접)하여 접합 제작하며, 스틸재로 제작되기 때문에 자중에 의한 처짐 현상이 발생하는 바, 이를 방지하고자 길이가 1m이상의 프로펠러샤프트는 2피스 타입으로 제작된다.

스틸재이면서 2피스 타입으로 제작된 기존의 프로펠러샤프트(도 5의 사진 참 조)는 가격이 비싸고, 부품수가 많으며, 구동시 진동 소음이 크게 발생하는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본원 출원인은 스프레이 포밍재를 압출/인발하여 튜브(10b)를 제작하고, 알루미늄 단조품을 이용하여 알루미늄 단조 요크(20b)를 제작하여, 스프레이 포밍재의 튜브(10b)와 알루미늄 단조 요크(20b)를 마찰압접으로 접합하여 이루어진 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트(200) 제조 방법을 이미 출원한 바 있다.(도 3및 도 4 참조)

상기 기출원된 "일체형 알루미늄 프로펠러샤프트 제조 방법"(출원번호 10-2002-21577)에 따르면, 스틸재를 알루미늄으로 대체하는 동시에 기존의 2피스를 1피스의 일체형으로 제작하여, 가격 및 부품수를 줄이고, 진동 소음의 개선이 가능한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트를 제조할 수 있었다. 특히 고강도 알루미늄 스프레이포밍재 압출/인발 튜브(18중량%Si-4.5중량%Cu-0.6중량%Mg-나머지 중량%Al의 합금으로 이루어진 스프레이 포밍재 압출/인발 튜브: 90Gpa)는 현재 외국사에서 양산중인 알루미늄 압출/인발 튜브(일반알루미늄 A6061 튜브: 70Gpa)에 비해 고강성이므로 더욱 콤팩트하게 일체형 프로펠러샤프트의 제조가 가능하다.

그러나, 기출원된 "일체형 알루미늄 프로펠러샤프트 제조 방법"(출원번호 10-2002-21577)에 따른 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트는 다음과 같은 단점이 있었다.

즉, 상기 스프레이 포밍재는 재료의 신율이 너무 떨어져 스웨이징 및 소성공정이 불가함에 따라, 일직선상으로만 압출하여 사용하여야 하고, 그에따라 압출된 튜브의 양쪽끝의 요크도 압출경과 같은 크기로 제작되어야 하는 조건이 따르게 된다.

통상, 알루미늄 프로펠러샤프트는 스틸재에 비하여 강성이 떨어지므로, 강성 보강을 위하여 튜브의 직경을 크게 제작하게 되고, 이 튜브의 직경에 맞추어 요크의 크기도 커져야 하며, 그에따라 프로펠러샤프트의 요크와 연결되는 트랜스미션쪽 의 스틸요크와 리어액슬쪽의 스틸요크의 크기도 커져야 하는 문제점이 있었다.

이와 같이, 프로펠러샤프트의 요크와 트랜스미션 및 리어액슬쪽 스틸요크의 크기가 커지게 됨에 따라, 그 만큼 중량이 증대되어 경량화 달성 효과를 떨어뜨리고, 전체적으로 체적이 커져서 어떤 경우(차량의 레이아웃이 복잡한 경우)에는 적용이 불가하게 되는 문제점이 제기되었다.

본 발명은 상기와 같은 기존의 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트가 갖는 단점을 해결하고자, 알루미늄 프로펠러샤프트의 스프레이 포밍재 튜브의 양끝단에 일체로 마찰압접되는 요크를 스웨이즈드(swaged)된 알루미늄 용탕 단조 요크로 적용하되, 프로펠러샤프트의 양끝단이 중심부에 비하여 그 직경을 줄어들도록 단차진 형태로 제작 적용하여, 장착자리면의 레이아웃이 좁아도 용이하게 장착이 가능하고, 요크의 직경이 줄어듬에 따라 경량화에 유리하며, 무게에 민감하게 작용하던 진동 소음을 줄일 수 있는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mg 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여, 분무된 액적들이 응고된 스프레이 포밍재를 만드는 단계; 상기 스프레이 포밍재를 압출/인발하여 프로펠러샤프트의 튜브를 제작하는 단계; 용탕 단조법을 이용하여 스웨이즈드 용탕 단조 알루미늄 요크를 제작하는 단계; 상기 튜브와 요크를 마찰압접하여, 일체형의 알루미늄 프로펠러샤프트로 제작하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 구현예로서, 상기 튜브는 두께 2mm, 직경 120mm로 제작된다.

본 발명에 따른 다른 구현예로서, 상기 스웨이즈드 용탕 단조 알루미늄 요크의 전단부는 상기 튜브의 두께 및 직경과 동일한 마찰압접부와, 이 마찰압접부로부터 단차진 두께 2mm/직경 90mm의 요크부로 제작된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 각 단계별로 상세하게 설명하는 바, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명의 프로펠러샤프트(100)에 적용되는 튜브(10a)의 재질은 우수한 물성을 가지면서 압출/인발이 가능한 알루미늄 합금을 이용하는 바, 고강도 난가공성 소재를 조가 가능하여 여러시험을 거쳐 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mg 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 합금을 튜브의 재질로 선택하였다.

이렇게 구비된 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mg 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 합금을 이용하여 튜브(10a)를 제작하는 단계를 실시하는 바, 고압의 불활성가스를 이용하여 강제로 급속 냉각시키며 분무하여, 분무된 액적들이 완전히 응고되지 않은 상태로 배행하다가 기판에 도달한 후 응고가 완료되어 스프레이 포밍재(분무성형체)로 제조된다.

상기 스프레이 포밍재의 물성은 다음 표 1과 같다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 스프레이 포밍재를 압출/인발하여, 프로펠러샤프트의 튜브(10a)를 성형하는 공정을 실시하게 되는데, 상기 스프레이 포밍재를 빌렛(billit)형태로 가공후, 2200t 압출기를 이용하여 압출하여, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 직경 120mm, 두께 2mm의 관상 튜브(10a)를 제조한 다음, 인발 공정을 통하여 치수교정을 하여, 튜브의 진직도, 진원도, 두께 공차를 규정된 범위를 만족시키게 된다.

한편, 기존의 마찰압접이 가능하도록 설계된 요크를 알루미늄 단조공법으로 제조하여 튜브와 동일한 직경의 요크를 제작한 후, 이 요크를 튜브와 마찰압접시켰는 바, 이러한 기존의 제작 방법은 튜브의 강성을 높이고자 직경이 큰 튜브를 사용함과 함께 그 만큼 큰 요크를 사용하여 마찰압접을 해야 했다.

따라서, 요크의 부피와 무게가 증가하여, 경량화 달성에 미흡하고, 진동 소음 등의 증가하여 프로펠러샤프트 성능이 떨어지는 문제점이 야기되었고, 또한 레이아웃이 복잡한 차량의 경우(주로 트랜스미션과 리어액슬쪽)에는 장착하는데 어려움 또는 불가한 점이 있었다.

일반적인 알루미늄 전신제 프로펠러샤프트는 신율이 높아서 튜브의 양끝단(요크를 포함하는 부분)을 스웨이징하여 레이아웃이 복잡한 차량에도 적용이 가능할 수 있지만, 전신제 합금은 강성이 떨어지고 신율이 낮아 튜브의 스웨이징이 불가한 점이 있다.

물론, 열간 스웨이징이 가능하기는 하나, 이 경우 재질의 강성 및 결함이 나타나 사용이 불가능한 점이 발견되었는 바, 이에 본 발명은 위와 같은 단점들을 보완하고자 요크를 스웨이징 가공한 점에 주된 특징이 있는 것이다.

따라서, 상술한 튜브 제작 공정 다음으로, 용탕 단조법을 이용하여 스웨이즈드 용탕 단조 알루미늄 요크(20a)를 제작하는 단계가 진행된다.

일반적인 알루미늄 단조 공법으로는 비용이 많이 들기 때문에 단조에 필적한 만한 물성을 가지고 성형성이 우수한 용탕 단조법을 이용하여 스웨이징 요크(20a)를 제작하게 된다.

본 발명에서 요크(20a)는 알루미늄 합금(A356-T6)을 용탕단조법으로 제조하였으며, 제조된 물성은 다음 표 2와 같다.

상기 용탕 단조법으로 제조된 본 발명의 스웨이즈드 요크(20a)의 전단부 구조를 보면, 상기 튜브(10a)의 두께 및 직경과 동일한 마찰압접부(22)와, 이 마찰압접부(22)로부터 단차진 두께 2mm/직경 90mm의 요크부(24)로 제작된다.

이와 같이, 요크(20a)를 단차진 형태로 축소 제작함에 따라, 경량화를 달성함과 함께 프로펠러샤프트의 진동소음을 개선할 수 있고, 레이아웃이 복잡한 차량에도 용이하게 장착시킬 수 있게 된다.

다음으로, 상기와 같이 제작된 스프레이 포밍재 튜브(10a)와 스웨이즈드 용탕 단조 요크(20a)를 마찰압접으로 접합시켜 줌에 따라, 일체형의 알루미늄 프로펠러샤프트(100)로 제작 완료된다.

상기 스프레이 포밍재는 일반 용융용접이 불가능한 재질인데, 그 이유는 용융용접을 위해 가열시 압출시 작아졌던 내부 기공이 가열과 함께 다시 나타나 용접부의 강도를 크게 떨어뜨리기 때문이다.

반면에, 마찰압접을 이용하여 튜브와 요크를 접합하는 바, 마찰압접을 하게 되면 일반 용융용접과는 달리 고상압점이 되므로 일반 용융용접에서 문제가 되는 용입량 또는 용접열영향부가 생기지 않게 된다.

따라서, 프로펠러샤프트의 내구시험시 용접열영향부에서 파괴되는 현상은 없 어지고 강도가 향상되는 바, 그 이유는 용접부 강도 시험시 일반 용융용접의 용접부 및 용접열영향부에서 파단이 일어나지만, 마찰압접품의 용접 내구시험시는 모재에서 파단이 일어나 접합부의 강도가 모재보다 우수하게 나타나기 때문이다.

상기와 같이 제작된 본 발명의 알루미늄 일체형 프로펠러샤프트에 대한 내구시험을 실시하였다.

내구시험은 정적파단강도 측정과 피로내구시험을 실시하였으며, 그 측정 결과는 다음의 표 3과 같다.

위의 표 3에서 보듯이, 기존의 스틸재 프로펠러샤프트와 일반 알루미늄 프로펠러샤프트에 비하여, 본 발명의 프로펠러샤프트는 고강도의 정적파단강도를 갖는 것으로 측정되었으며, 기존의 프로펠러샤프트(스웨이징 하지 않은 기출원된 내용의 프로펠러샤프트)의 정적파단강도(410∼440kgf.m)보다 약간 우수한 강성을 나타내는 것으로 확인되었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법에 의하면, 알루미늄 프로펠러샤프트의 스프레이 포밍재 튜브의 양끝단에 마찰압접에 의하여 일체화되는 요크를 스웨이즈드(swaged)된 알루미늄 용탕 단조 요크로 적용하되, 프로펠러샤프트의 양끝단이 중심부에 비하여 그 직경을 줄어들도록 단차진 형태로 제작함에 따라, 레이아웃이 복잡한 차량의 장착자리면에도 용이하게 장착이 가능하고, 요크의 직경이 줄어듬에 따라 무게가 줄어들어 경량화에 유리하며, 진동 소음 성능을 개선할 수 있는 장점을 제공한다.

또한, 기존의 스틸재 또는 알루미늄 프로펠러샤프트에 비하여 우수한 내구성을 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mg 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여 분무된 액적들이 응고된 스프레이 포밍재를 만드는 단계와, 상기 스프레이 포밍재를 압출/인발하여 프로펠러샤프트의 튜브를 제작하는 단계와, 용탕 단조법을 이용하여 스웨이즈드 용탕 단조 알루미늄 요크를 제작하는 단계와, 상기 튜브와 요크를 마찰압접하여 일체형의 알루미늄 프로펠러샤프트로 제작하는 단계로 이루어지는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법에 있어서,

   상기 튜브는 두께 2mm, 직경 120mm로 제작된 것을 특징으로 하는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 스웨이즈드 용탕 단조 알루미늄 요크의 전단부는 상기 튜브의 두께 및 직경과 동일한 마찰압접부와, 상기 마찰압접부로부터 단차진 두께 2mm, 직경 90mm의 요크부로 구성된 것을 특징으로 하는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트의 제조 방법.

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