KR100633320B1

KR100633320B1 - 크랭크 샤프트의 열처리 방법

Info

Publication number: KR100633320B1
Application number: KR1020050028420A
Authority: KR
Inventors: 문창덕
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-12

Abstract

본 발명은 크랭크 샤프트의 열처리 공정 중에 고주파 소입 열처리하는 과정에서 발생될 수 있는 변형을 효과적으로 해결하여 크랭크 샤프트의 벤딩 교정시 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있는 크랭크 샤프트의 열처리 방법에 관한 것으로, 크랭크 샤프트 가공 소재의 각 핀부와, 중앙에 위치하는 센터 저널을 제외한 나머지 저널들을 소입 열처리하는 제1단계와; 상기 센터 저널의 변형량과 그 변형 각도를 측정하는 제2단계와; 상기 센터 저널을 고주파 소입 열처리하되, 상기 센터 저널의 변형 각도 및 변형 정도에 따라서 상기 센터 저널의 굽힘 방향의 반대측에 더 큰 열에너지가 작용하도록 하는 제3단계로 구성되어, 벤딩 교정 시에 발생할 수 있는 크랙을 예방할 수 있으며, 크랭크 샤프트의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

크랭크 샤프트, 고주파 소입, 크랙, 벤딩측정기, 크링크 핀, 센터 저널.

Description

크랭크 샤프트의 열처리 방법{Heat treatment method for a crank shaft}

도 1은 일반적인 6실린더형 크랭크 축을 보여주는 도면,

도 2는 종래의 크랭크 샤프트의 고주파 소입 열처리 공정을 위한

설비 구성을 보여주는 도면,

도 3은 본 발명의 크랭크 샤프트의 고주파 소입 열처리 공정을 위한

설비 구성을 보여주는 도면,

도 4는 크랭크 샤프트의 소입 열처리 공정 후에 벤딩된 상태의

크랭크 샤프트를 보여주는 도면,

도 5는 도 4에 도시된 크랭크 샤프트의 기본 보정의 일례를 보여주는 도면,

도 6은 도 4에 도시된 크랭크 샤프트에 대한 특정 굽힘 발생 각도에 대한

보정의 일례를 보여주는 도면,

도 7은 도 4에 도시된 크랭크 샤프트에 대한 굽힘 크기에 대한

보정의 일례를 보여주는 도면,

도 8은 6실린더형 크랭크 샤프트의 4번 저널 열처리 파워 조정 테스트

결과를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 크랭크 샤프트 210 : 코일

230 : 전원 250 : 파워콘트롤러

260 : 정합부 300 : 벤딩측정기

310 : 단말장치

본 발명은 크랭크 샤프트의 열처리 방법에 관한 것으로, 특히 크랭크 샤프트의 열처리 공정 중에 고주파 소입 열처리하는 과정에서 발생될 수 있는 변형을 효과적으로 해결하여 크랭크 샤프트의 벤딩 교정시 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있는 크랭크 샤프트의 열처리 방법에 관한 것이다.

크랭크 축의 형상은 복잡하여 핀부를 고주파 열처리하고 소입하게 되면 고온 급랭에 의한 조직변이나 내부 응력에 의하여 변형(굽힘:bending)이 발생할 수 있다.

이로 인하여 이후 공정에서 가공을 하지 못하거나 굽힘 교정을 억지로 실시하는 경우에는 크랙이 발생하거나 파손될 수가 있다. 또한, 크랭크 축의 양쪽 끝에 리센터링(recentering)을 하여 가공량 편차를 조정하는 경우도 있으나 이는 공정 추가가 발생하므로 추가 투자비가 요구되는 문제점이 있다.

도 1은 일반적인 6실린더형 크랭크 축을 보여주는 도면으로, 일반적으로 크 랭크 샤프트(100)는 미도시된 메인 베어링에 지지되는 저널(111-117)과, 미도시된 커넥팅 로드를 연결하기 위한 크랭크 핀(121-126)과 함께, 관성 우력과 불평형 우력을 상쇄시키기 위한 벨런싱 웨이트가 부여된 크랭크 암으로 이루어진다.

크랭크 샤프트(100)의 내부에는 커넥팅로드의 베어링과 피스톤핀 베어링으로 오일을 공급하기 위한 유로가 형성되며, 메인 베어링에 공급된 오일의 일부가 이 유로를 통해서 압송된다.

도 1의 6실린더형 크랭크 샤프트는 7개의 저널(111-117)과 6개의 크링크 핀(121-126)이 구비되며, 제1및제6크링크 핀(121)(126), 제2및제5크링크 핀(122)(125), 제3및제4크링크 핀(123)(124)이 각각 동일 위상을 이루며, 120도의 각도를 유지하면서 3방향으로 등방적으로 위치한다.

이러한 크랭크 샤프트의 열처리 공정은 먼저, 1) 크랭크 샤프트의 각 핀과 저널을 소입 열처리하며, 2) 열처리 후에 굽힘량을 측정한다. 이러한 굽힘량 측정은 제품 중에 일부만을 선별하여 측정하여 교정량을 파악한다. 3) 다음으로, 측정된 교정량으로부터 핀부에 대한 열처리 파워를 결정한다. 도 2를 참고하면, 크랭크 샤프트(100)를 장치 내에 고정한 상태에서 코일(210)을 핀 부위에 안착시킨다. 단말장치(230)의 조작에 의해 전원(230)과 연결된 파워 콘트롤러(250), 정합부(260), 및 디스크(270)를 통해 코일(210)에 전원이 인가되면서 고주파 열처리가 이루어지며, 다음으로 소입수의 공급에 의해 급랭이 이루어진다. 한편, 이와 같이 고주파 소입 열처리가 이루어진 후에 굽힘량이 심한 경우에는 프레스로 교정한다.

그러나, 이러한 종래의 열처리 공정에 있어 핀 부위는 기존에 열처리했던 결과를 가지고 일률적으로 바깥 부위와 크랭크 축 안쪽 부위의 파워(power)를 60-95% 정도 차이를 두게 고주파 소입하며, 저널 부위는 전체 원주 방향으로 동일한 열처리 파워를 인가함으로써, 크랭크 샤프트의 변형에 대한 개선 효과가 미비하며, 각각 소재별 차이를 보상하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 크랭크 샤프트의 열처리 방법에 있어서, 크랭크 샤프트의 열처리 공정 중에 고주파 소입 열처리하는 과정에서 발생될 수 있는 변형을 효과적으로 해결하여 크랭크 샤프트의 벤딩 교정시 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있는 크랭크 샤프트의 열처리 방법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명의 크랭크 샤프트의 열처리 방법은 크랭크 샤프트 가공 소재의 각 핀부와, 중앙에 위치하는 센터 저널을 제외한 나머지 저널들을 소입 열처리하는 제1단계와; 상기 센터 저널의 변형량과 그 변형 각도를 측정하는 제2단계와; 상기 센터 저널을 고주파 소입 열처리하되, 상기 센터 저널의 변형 각도 및 변형 정도에 따라서 상기 센터 저널의 굽힘 방향의 반대측에 더 큰 열에너지가 작용하도록 하는 제3단계에 의해 달성된다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 크랭크 샤프트 열처리를 위한 설비는 종래와 동일하나 고정된 크랭크 샤프트의 벤딩 정도를 측정하기 위한 벤딩측정기(300)가 추가로 구비된다. 또한, 단말장치(310)는 데이터의 입력이 가능한 입력부와, 입력 데이터를 표시할 수 있는 표시부로 구성되어 파워 콘트롤러(250)를 통해 코일(210)에 인가되는 전원을 제어 가능하도록 구성된다. 단말장치(310)의 입력부를 통해 입력되어야 하는 구체적인 보정 값은 다시 구체적으로 언급된다.

본 발명의 열처리 방법은 이러한 열처리 설비를 이용하여 센터 저널 부위를 제외한 나머지 저널들을 소입 열처리한 후에 굽힘량을 측정하며, 측정된 변형 정도에 따라 센터 저널의 고주파 소입 열처리 시에는 굽은 방향 반대편에 더 큰 열에너지가 인가되도록 제어함으로써 전체 크랭크 샤프트의 굽힘이 펴지도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 본 발명의 크랭크 샤프트의 열처리 공정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

참고로, 이하 설명에서는 6실린더형 크랭크 샤프트를 일례로서 설명하나, 4실린더형 크랭크 샤프트에도 동일하게 적용이 가능하며, 본 발명의 설명에서 센터 저널이라 함은 크랭크 샤프트의 대칭 중심에 위치하는 크랭크 저널을 지칭한다. 예를 들어, 6실린더형 크랭크 샤프트에서는 4번째 저널(도 1의 도면부호 114)을 지칭하며, 4실린더형 크랭크 샤프트에서는 3번째 저널을 의미한다.

본 발명의 열처리 공정의 제1단계는 크랭크 샤프트 가공 소재의 각 핀부와 중앙에 위치하는 4번째 크랭크 저널(센터 저널)을 제외한 나머지 1,2,3,5,6,7번째 저널들을 소입 열처리한다.

제2단계는 각 핀부와 센터 저널을 제외한 나머지 저널에 대한 소입 열처리가 끝난 후에 센터 저널의 변형량과 각도를 측정한다.

즉, 크랭크 샤프트(100)는 미도시된 모터에 의해 회전하며 벤딩측정기(300)는 굽힘 정도와 각도를 측정하며, 측정된 데이터는 파워 콘트롤러(250)로 전달된다.

제3단계에서는 측정된 데이터에 기초하여 변형 각도와 정도에 따라 센터 저널을 고주파 소입 열처리한다.

구체적으로 도 4는 크랭크 샤프트의 소입 열처리 공정 후에 3번째 크랭크 핀 방향(120°방향)으로 굽힘량이 측정된 예를 보여준다.

이와 같이 3번째 핀 방향으로 굽힘량이 발생된 경우에는 기본적으로 굽힘이 발생된 방향의 반대 방향에 파워가 상대적으로 최대가 되도록 설정한다.

도 5는 이러한 예에 있어 각도 분포에 따라 센터 저널에 인가되는 파워 보정값을 보여주는 데이터 예이다. 즉, 전체 각도 중에 3번째 핀 방향의 반대 방향인 240°- 360°구간에 상대적으로 파워가 크게 전달되도록 설정된다.

이때, 구체적인 보정값은 경험적 또는 실험적으로 결정될 수 있으며, 파워 콘트롤러(250)에는 이와 같이 결정된 각도 분포에 따라 보정값이 테이블로 저장되어 별도의 외부 제어 없이 수행될 수가 있으며, 필요에 따라서는 단말장치(310)를 통해 작업자가 직접 보정값을 입력 또는 종래 데이터값을 편집할 수 있다.

한편, 이러한 기본 보정과 함께 다음의 두 가지 보정이 추가로 고려될 수 있다.

첫째는 크랭크 축은 구조특성상 일반적으로 3번째 핀방향으로 굽힘이 발생하면 반대로 펴는 것이 힘든 반면에, 3번째 핀의 반대 방향으로 발생된 굽힘은 3번째 핀 방향으로 펴기가 비교적 용이하다.

이는 크랭크 샤프트의 크랭크 핀과 저널의 기하학적 형상에 기인한 것으로, 이와 같이 크랭크 축에 대한 비등방적인 특성을 고려하여 상술한 기본 보정값을 추가로 보정할 필요가 있다.

도 6은 이러한 특정 굽힘 발생 각도에 따라 결정될 수 있는 보정값 테이블을 보여주는 데이터이며, 구체적인 보정값은 크랭크 샤프트의 기하학적인 형상을 고려하여 결정되거나 경험적 또는 실험적으로 결정되어 보정이 이루어질 수 있다. 또한, 기본 보정에서 설명한 바와 같이 작업자가 단말장치(310)를 통해 직접 입력하거나 기설정된 데이터를 편집할 수 있음은 자명하다.

두 번째로는 측정된 굽힘량(total indicated runout; T.I.R) 크기에 따라 추가의 보정이 있을 수 있다.

즉, 측정된 굽힘량이 클수록 상대적으로 큰 파워가 전달될 필요가 있으며, 이러한 굽힘량 크기에 따른 보정값도 상술한 바와 같이 실험적 또는 경험적으로 결정?? 설정될 수가 있으며, 작업자가 단말장치(310)를 통해 직접 입력하거나 기결정된 데이터를 편집할 수 있도록 한다.

도 7은 이러한 측정 굽힘량 크기에 따라 결정된 보정값의 일례를 보여주는 데이터이다.

이와 같이 굽힘 발생 각도와 굽힘 크기에 따라 기본 보정값과 함께 추가 보정값에 의해 코일에 전달되는 파워가 결정되며, 이 코일에 전달된 파워에 따라 센터 저널은 굽힘 방향의 반대측에 보다 큰 열에너지가 전달되어 소르바이트(sorbite) 조직이 마텐자이트(martensite) 조직의 변이가 생기면서 체적이 증가하여 소재가 반대 방향으로 펴지게 된다.

한편, 도 8은 6실린더형 크랭크 샤프트의 4번 저널 열처리 파워 조정 테스트 결과를 보여주는 도면으로, 일반 조건 하에서 1번째 테스트(종래 기술)에서는 소입 후에 3,4번째 핀 방향으로 굽힘이 발생하였으나, 2번째 테스트(본 발명)에서는 굽힘 반대 방향으로 4번 저널(센터 저널)의 파워를 10% 더 인가함으로써 발생 방향이 3,4번 핀 반대 방향으로 달라진 것을 확인할 수가 있었다.

이상과 같은 본 발명의 크랭크 샤프트의 열처리 방법은 크랭크 샤프트의 열처리 공정 중에 고주파 소입 열처리하는 과정에서 굽힘이 발생된 반대 방향으로 파워가 더 크게 작용하도록 함으로써, 벤딩 교정 시에 발생할 수 있는 크랙을 예방할 수 있으며, 크랭크 샤프트의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims

크랭크 샤프트의 제조를 위한 열처리 방법에 있어서,

크랭크 샤프트 가공 소재의 각 핀부와, 중앙에 위치하는 센터 저널을 제외한 나머지 저널들을 소입 열처리하는 제1단계와;

상기 센터 저널의 변형량과 그 변형 각도를 측정하는 제2단계와;

상기 센터 저널을 고주파 소입 열처리하되, 상기 센터 저널의 변형 각도 및 변형 정도에 따라서 상기 센터 저널의 굽힘 방향의 반대측에 더 큰 열에너지가 작용하도록 하는 제3단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 열처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 제3단계는 상기 센터 저널의 굽힘 방향의 반대측에 인가되는 열에너지를 결정하는 기본 보정과, 특정 굽힘 발생 각도에 따라 결정되는 보정과, 굽힘 크기에 따라 결정되는 보정에 의해 상기 센터 저널에 인가되는 열에너지가 결정되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 열처리 방법.