KR100569143B1 - 실린더블록 샴부의 잔류응력 측정방법 - Google Patents

실린더블록 샴부의 잔류응력 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 엔진 실린더 블록의 샴부(siamese region)에 스트레인 게이지를 부착하여 잔류응력을 측정하는 방법은 (A) 상기 엔진 실린더 블록의 실린더 보어가 서로 접합된 상기 샴부(siamese region)에 상기 실린더 보어의 내측으로 스트레인 게이지(strain guage)를 부착하는 단계; (B) 상기 실린더 보어의 종단으로부터 그 연장방향으로 상기 스트레인 게이지의 양측을 단계적으로 절단하고 상기 스트레인 게이지의 출력값을 검출하는 단계; (C) 각 단계별 상기 스트레인 게이지의 출력값의 변화율을 산출하고 상기 변화율이 설정된 값 이하인지 판단하는 단계; 및 (D) 상기 출력값의 변화율이 설정된 변화율 이하인 경우 상기 절단을 중단하고 상기 스트레인 게이지의 최종 출력값을 기초로 잔류응력을 산출하는 단계;를 포함하여, 스트레인 게이지가 부착된 샴부를 실린더 블록으로부터 완전하게 분리하지 않은 채 잔류응력을 측정할 수 있도록 한다.
실린더 블록, 샴부(siamese region), 실린더 보어, 잔류응력, 스트레인 게이지

Description

실린더블록 샴부의 잔류응력 측정방법{A METHOD FOR ESTIMATING RESIDUAL STRESS IN SIAMESE REGION OF CYLINDER BLOCK}
도 1은 엔진의 샴부에 발생하는 잔류응력에 의한 균열이 발생된 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 잔류응력 측정방법을 수행하기 위한 시트템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류응력 측정방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류응력 측정방법에서 스트레인게이지를 부착한 실린더 블록을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류응력 측정방법에서 샴부(siamese region)을 절단한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 완전 절단법과 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 절단법에 따른 스트레인 게이지로부터의 출력값을 비교 도시한 도면이다.
본 발명은 잔류응력 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 실린더 블록의 샴부(siamese region)의 잔류응력을 측정하는 경우, 샴부의 일부만을 절단하여 잔류 응력을 측정할 수 있는 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에 사용되는 부품 중 다수는 주조에 의해 제조되고 있으며, 그 내부에는 잔류응력이 존재하는 것이 일반적이다. 즉, 주조 후 수축에 의해서 높은 잔류응력이 발생할 가능성이 크며, 잔류응력이 큰 경우 피로 수명이 크게 단축된다.
최근 자동차 엔진에 사용되는 실린더 블록은 차량 경량화와 연비 개선을 위하여 보다 알루미늄을 사용하고 있으나, 실린더 블록 강성이나 피로 강도의 문제 때문에 실린더 보어 내부는 아직 주철재를 사용하고 있는 실정이다.
따라서, 주철재와 알루미늄의 열팽창 계수가 다르기 때문에, 실린더 블록 주조 후실린더 블록의 상단에서 실린더 보어가 서로 접합된 샴부(siamese region)에는 상대적으로 큰 잔류 응력이 존재하게 된다.
샴부(siamese region)에 존재하는 잔류응력은 도 1에 도시된 바와 같이, 균열을 발생시켜 엔진의 피로 강도를 약화시키고, 내구성을 악화시키는 문제점이 있었다.
따라서, 엔진 개발 단계에서 실린더 블록의 샴부(siamese region)의 잔류 응력을 측정이 요구되고 있는 실정이며, 측정 결과 잔류 응력이 기준치보다 큰 경우에는 잔류 응력을 낮추도록 제품의 제조 방법이나 구조 형상을 변경하여야 한다.
잔류 응력을 측정하는 방법은 크게 비절단법과 절단법으로 나눌수 있다. 비절단법은 제품에 손상을 주지 않고, 외부에서 X 레이, 초음파, 자기장등을 이용하 여 제품 내부의 결정 구조를 파악함으로써 잔류응력을 검출하는 방법이며, 절단법은 제품을 절단할 때 제품의 잔류응력이 제거되면서 발생하는 제품의 변형을 측정함으로써 잔류 응력의 크기를 알아내는 방법이다.
절단법 중에서 가장 널리 사용되고 있는 방법은, 드릴링(drilling)법과 완전 절단법이 있다.
드릴링법은 측정하고자하는 부위의 주위에 작은 스트레인 게이지를 원형으로 각각 0도, 120도 270도의 위치에 부착하고 측정 부위를 드릴 또는 레이져를 이용하여 제거하면서 주위의 스트레인 게이지를 통한 제품의 변형을 측정하고 이를 통하여 잔류응력을 산출하는 방법이다.
한편, 완전 절단법은, 잔류응력 측정 부위에 스트레인 게이지를 부착하고 스트레인 게이지 주위를 모두 절단하여 측정 부위만을 떼어냄으로써 주위의 구조물과 연결을 완전히 제거하여 잔류응력에 의한 변형을 측정하게 하고, 이를 통하여 잔류응력을 측정하게 되는 방법이다.
비절단법에 의한 잔류응력 측정은 고가의 장비가 필요하며, 엔진에 사용되는 실린더 블록은 그 부피가 매우 크기 때문에 비절단법을 사용하기에는 적당하지 않다.
또한 드릴링에 의한 절단법은 측정 부위 근처에 스트레인 게이지를 부착하기 위한 넓은 영역이 필요하여, 실린더 블록의 상면에 위치하는 샴부(siamese region) 처럼 주위 면적이 작은 경우에는 적용할 수 없느 문제점이 있었다.
따라서 종래에는 샴부의 잔류 응력을 측정하기 위해서 완전 절단법에 의해 스트레인 게이지 주위를 주위의 구조물로부터 완전히 절단하여 그 과정에서 발생하는 변형량을 기초로 잔류 응력을 측정하는 방법이 사용되었다.
그러나, 완전절단법에 의하면 실린더 블록으로부터 샴부(siamese region)를 완전히 분리하여야 함으로써, 그 측정 과정에 과도한 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 엔진 실린더 블록의 샴부(siamese region)를 주위의 구조물로부터 완전하게 절단하지 않은채 간단한 방법으로 잔류 응력을 측정하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔진 실린더 블록의 샴부(siamese region)에 스트레인 게이지를 부착하여 잔류응력을 측정하는 방법은, (A) 상기 엔진 실린더 블록의 실린더 보어가 서로 접합된 상기 샴부(siamese region)에서 상기 실린더 보어의 내측으로 스트레인 게이지(strain guage)를 부착하는 단계; (B) 상기 실린더 보어의 종단으로부터 그 연장방향으로 상기 스트레인 게이지의 양측을 단계적으로 절단하고 상기 스트레인 게이지의 출력값을 검출하는 단계; (C) 각 단계별 상기 스트레인 게이지의 출력값의 변화율을 산출하고 상기 변화율이 설정된 값 이하인지 판단하는 단계; 및 (D) 상기 출력값의 변화율(R)이 설정된 변화율(Rc) 이하인 경우 절단을 중단하고 상기 스트레인 게이지의 최종 출력값을 기초로 잔류응력을 산출하는 단계;를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 설정된 변화율(Rc)은 2%이하인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 의한 잔류응력 측정방법을 수행하기 위한 시스템의 블록도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잔류응력 측정방법을 수행하기 위한 시스템은 엔진 실린더 블록의 실린더 보어(50)에서 샴부(siamese region)(10)에 고정되는 스트레인 게이지(strain guage)(20); 상기 스트레인 게이지(20)가 고정된 샴부(siamese region)를 절삭하기 위한 절삭 수단(30); 및 스트레인 게이지(20)로부터의 검출값을 기초로 샴부(siamese region)(10)의 잔류 응력을 산출하는 제어부(40)를 포함하여 구성된다.
샴부(siamese region)(10)에 부착되는 스트레인 게이지(20)는 실린더 보어(cylinder bore)(50)의 내주면에 고정되며, 이러한 스트레인 게이지(20)를 부착한 실린더 보어(50)를 구비한 실린더 블록(60)이 도 4에 도시되어 있다.
상기 도 1에서, 스트레인 게이지(20)의 출력단은 제어부(40)에 연결되어, 스트레인 게이지(20)의 검출값이 제어부(40)로 전달되며, 제어부(40)는 제어부(40)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 마이크로프로세서를 포함하여 스트레인 게이지(20)로부터의 출력값 예컨대 전류값을 기초로 샴부(10)의 잔류 응력을 산출한다.
절삭 수단(30)은 드릴링 또는 엔드밀 절삭 수단이 이용되며, 스트레인 게이 지(20) 주위의 구조물을 제거하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류응력 측정방법의 흐름도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 상기 잔류응력 측정방법에 관하여 살펴보면, S310 단계에서, 엔진 실린더 블록(60)의 실린더 보어(50)가 서로 접합된 상기 샴부(siamese region)(10)에서 실린더 보어(50)의 내주면에 스트레인 게이지(strain guage)(20)가 부착되어 제어부(40)와 연결된다.
S320 단계에서, 제어부(40)는 엔진 실린더 블록의 샴부(10)가 절삭되기 전, 샴부(10)에 부착된 스트레인 게이지(20)로부터 검출되는 초기 검출값, 일예로 전류의 초기값을 저장한다.
S330 단계에서, 절삭수단(30)을 이용하여 상기 실린더 보어(50)의 종단으로부터 그 연장 방향으로 상기 스트레인 게이지(20)의 양측 구조물을 단계적으로 절단하면서 상기 스트레인 게이지(20)의 출력값을 계속 검출한다.
도 5에는 절삭수단(30)에 의해 절삭되는 샴부(10)의 절삭 형상이 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 샴부(10)의 절삭 방향은 실린더 보어(50)의 축방향으로 이루어지며, 스트레인 게이지(20)의 양측에서 절삭이 이루어진다.
　　　이때, 샴부(10)는 단계적으로 절삭되며, 실린더 보어의 절삭 깊이가 증가함에 따라, 상기 스트레인 게이지(20)는 잔류 응력에 의한 샴부(10)의 형상 변화를 반영하여 그 출력값을 제어부(40)로 전달하는 것이다.
이어서, S340 단계에서, 제어부(40)는 전송되는 스트레인 게이지(20)의 출력값을 기초로 단계 사이의 스트레인 게이지(20)의 출력값의 변화율(R)을 산출하고, 출력값의 변화율(R)이 설정된 변화율(Rc) 이하인지 판단한다.
상기 출력값의 변화율(R)이 설정된 변화율(Rc) 이하인 경우, 스트레인 게이지(20)로부터의 최종 출력값을 이용하여 샴부(10)의 잔류 응력을 산출하게 된다.
S350 단계에서, 제어부(40)가 스트레인 게이지(20)의 출력값의 변화율이 설정된 값을 초과하는 것으로 판단한 경우, 다시 S330 단계로 복귀하여, 절삭수단(30)을 이용하여 상기 실린더 보어(50)의 종단으로부터 그 연장방향으로 스트레인 게이지(20)의 양측을 다시 절단하고 스트레인 게이지(20)의 출력값을 검출한 후, 출력값의 변화율(R)이 설정된 변화율(Rc) 이하인지 다시 판단하게 된다.
즉, 기존 완전 절단법에 의하면, 잔류응력을 측정하기 위해서는 스트레인 게이지(20)를 부착한 샴부(siamese region)(10)를 실린더 블록(60)의 실린더 보어(50)로부터 완전히 떼어내어 하는데 반하여, 본 발명에 따른 잔류응력 측정방법에 의하면, 도 5와 같이 스트레인 게이지(20)가 부착된 샴부(10)의 양측부를 실린더 보어(50)의 연장 방향으로 제거해 가면서 잔류 응력을 측정하게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 스트레인 게이지(20)의 출력값을 완전 절단법에 의한 결과와 비교하면, 본 발명에 의한 스트레인 게이지(20)의 출력값은 일정 깊이, 즉 20mm 이상 에서는 출력값의 변화가 설정된 비율 이하로 되어 거의 변화가 없게 되는데, 이것은 일정 깊이 이상으로 절단시키면, 그 이후로는 아무리 절단해도 샴부(10)의 변형은 더 이상 나타나지 않으며, 완전 절단법과 동일한 효과를 가져옴을 의미한다.
따라서, 본 방법을 사용하면 완전 절단법과 비교하여 작업 시간과 노력은 크게 절감하되, 완전 절단법과 동일한 결과를 얻는 것이 가능하다.
스트레인 게이지(20)으로부터의 출력값 예컨대, 전류값을 기초로 잔류 응력을 산출할 수 있음은 당업자에게 자명한 것으로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 엔진에 있어서 실린더 블록 샴부의 잔류응력 측정방법에 의하면, 스트레인 게이지가 부착된 샴부를 실린더 블록으로부터 완전하게 분리하지 않고, 그 양측을 실린더 보어의 연장방향으로 단계적으로 절삭하며, 이때 스트레인 게이지로부터의 출력값을 기초로 잔류응력을 간단하게 측정할 수 있다.

Claims (4)

  1. 엔진 실린더 블록의 샴부(siamese region)에 스트레인 게이지를 부착하여 잔류응력을 측정하는 방법에 있어서,
    (A) 상기 엔진 실린더 블록의 실린더 보어가 서로 접합된 상기 샴부(siamese region)에서 상기 실린더 보어의 내측에 스트레인 게이지(strain guage)를 부착하는 단계;
    (B) 상기 실린더 보어의 종단으로부터 그 연장방향으로 상기 스트레인 게이지의 양측을 단계적으로 절단하여, 상기 스트레인 게이지의 출력값을 검출하는 단계;
    (C) 각 단계별 상기 스트레인 게이지의 출력값의 변화율을 산출하여, 상기 변화율이 설정된 값 이하인지 판단하는 단계; 및
    (D) 상기 출력값의 변화율이 설정된 변화율 이하인 경우 절단을 중단하고 상기 스트레인 게이지의 최종 출력값을 기초로 잔류응력을 산출하는 단계;를
    포함하는 엔진 실린더 블록의 샴부(siamese region) 잔류응력 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정된 변화율은 2%의 이하인 것을 특징으로 하는 실린더 블록의 샴부(siamese region) 잔류응력 측정방법.
  3. 엔진 실린더 블록의 샴부(siamese region)의 잔류응력 측정 시스템으로서,
    상기 샴부(siamese region)에 고정되는 스트레인 게이지(strain guage);
    상기 스트레인 게이지가 고정된 샴부(siamese region)를 절삭하기 위한 절삭 수단; 및
    스트레인 게이지로부터의 검출값을 기초로 샴부(siamese region)의 잔류 응력을 산출하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 마이크로 프로세서로서,
    (A) 상기 실린더 보어의 종단으로부터 연장방향으로 양측이 단계적으로 절삭되는 상기 스트레인 게이지의 출력값을 검출하는 단계;
    (B) 각 단계별 상기 스트레인 게이지의 출력값의 변화율을 산출하여, 상기 변화율이 설정된 값 이하인지 판단하는 단계; 및
    (C) 상기 출력값의 변화율이 설정된 변화율 이하인 경우 절단을 중단하고 상기 스트레인 게이지의 최종 출력값을 기초로 잔류응력을 산출하는 단계;를
    수행하는 것을 특징으로 하는 실린더 블록의 샴부 잔류응력 측정시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 설정된 변화율은 2%의 이하인 것을 특징으로 하는 실린더 블록의 샴부(siamese region) 잔류응력 측정시스템.
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