KR100783875B1 - 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플레이트, 링기어, CPS 휠로 구성되는 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법에 관한 것으로서, SPHF540 열연강판을 상기 플레이트와 CPS 휠의 일체형 부품 형상으로 성형 가공한 후, 나사선 가공을 통해 CPS 휠의 치부를 형성한 다음, 표면처리로서 질화 열처리(자연 연질화)를 실시하여 최종적으로 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품을 제조하고, 이어 상기 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품과 별도 제조된 링기어를 리벳 결합하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 의하면, 플레이트와 CPS 휠을 일체화하여 제조함으로써, 부품수 축소 및 그에 따른 공정 단순화, 원가 절감, 생산성 향상이 가능해진다. 또한 경량화와 누적 공차 감소 및 품질 향상의 효과가 있게 된다.

드라이브 플레이트, 플레이트, CPS 휠, 일체형, SPFH540, 가스 연질화

Description

자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법{for manufacturing drive plate for automobile}

도 1은 종래의 드라이브 플레이트를 도시한 분해사시도,

도 2는 본 발명에 따른 드라이브 플레이트를 도시한 분해사시도,

도 3은 본 발명에 따른 드라이브 플레이트에서 링기어 구조를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 드라이브 플레이트의 제조과정에서 링기어 및 CPS 휠의 성형을 위한 롤 포밍 공정을 나타낸 공정 순서도,

도 5는 본 발명에 따른 드라이브 플레이트의 제조과정에서 링기어의 고주파 열처리 조건을 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에서 요구되는 SPFH540의 적정 질화 열처리 조직 사진 및 경도 프로파일을 나타낸 도면,

도 7은 기존 S20C 재료의 자기 특성을 나타내는 참고도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 플레이트 12 : CPS 휠

13 : 링기어

본 발명은 플레이트, 링기어, CPS 휠로 구성되는 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SPHF540 열연강판을 상기 플레이트와 CPS 휠의 일체형 부품 형상으로 성형 가공한 후, 나사선 가공을 통해 CPS 휠의 치부를 형성한 다음, 표면처리로서 질화 열처리(자연 연질화)를 실시하여 최종적으로 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품을 제조하고, 이어 상기 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품과 별도 제조된 링기어를 리벳 결합하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 드라이브 플레이트(drive plate)는 엔진에서 발생하는 동력을 변속기로 전달하는 매개체로서, 엔진과 변속기 사이에 결합되는 판상의 얇은 부품이다.

종래의 드라이브 플레이트는 복합기능을 구현하기 위해 도 1에 도시한 바와 같이 플레이트(1), 링기어(2), CPS 휠(3)의 3가지 부품(3 piece)으로 구성되어 있으며, 각각의 요구 특성이 상이하기 때문에 다른 재질로 상기 3개 부품을 각각 제작한 후 리벳(4)으로 결합하는 방식으로 제조되고 있다.

상기 3개 부품의 각 기능 및 종래 사용 재질을 보면 다음과 같다.

상기 플레이트(1)는 엔진에서 발생하는 동력을 변속기로 전달하는 부품으로, 고탄소강인 SK5M을 재질로 하여 제작된다.

그리고, 상기 링기어(2)는 엔진 시동시에 시동모터에 의해 구동되며, 시동모터의 회전력(피니언 기어→링기어)을 상기 플레이트(1)에 전달하는 역할을 하는 것으로, S35C 탄소강을 재질로 하여 제작된다.

또한 상기 CPS 휠(3)은 크랭크 포지션 센서(Crank Position Sensor; CPS)에서의 신호 감지를 위한 부품으로, S20C를 재질로 하여 제작되며, 크랭크 포지션 센서(CPS)는 점화시기와 연료분사량을 결정하여 엔진이 계속적으로 작동할 수 있도록 하는 크랭크 샤프트의 위치를 측정하는 센서이다.

상기와 같은 드라이브 플레이트의 부품 중에서 플레이트(1)는 판재 형상이며, 판재 고유의 인장강도를 요구한다.

또한 링기어(2)는 피니언 기어와의 구동으로 인하여 치강도 및 내마모성을 요구하며, CPS 휠(3)은 크랭크 포지션 센서의 신호 감지를 위해 자기적인 특성을 요구하고 있다.

이와 같이 드라이브 플레이트는 복합기능을 구현해야 하고 기능별 각기 다른 특성을 요구하므로 종래에는 3개 부품(3 piece)의 사양으로 양산될 수밖에 없었으며, 결국 부품수 증대로 인한 구조 복잡화, 부품별 재질 및 열처리 상이로 인한 불량률 증대(품질 저하) 및 생산성 저하, 리벳 접합시 누적 공차 증대 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, SPFH540 열연강판을 소재로 하여 플레이트와 CPS 휠을 일체화시키고, 플레이트의 요구 강도를 만족시키기 위한 질화 열처리를 하여, 총 2개의 부품으로 구성되는 최적의 드라이브 플레이트를 제조할 수 있도록 함으로써, 부품수 축소에 따른 원가 절감 및 경량화, 공정 단순화를 통한 생산성 향상 및 품질 향상의 효과를 거둘 수 있도록 한 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 플레이트, 링기어, CPS 휠로 구성되는 자동차용 드라이브 플레이트를 제조하는 방법에 있어서,

SPHF540 열연강판을 상기 플레이트와 CPS 휠의 일체형 부품 형상으로 성형 가공한 후, 나사선 가공을 통해 CPS 휠의 치부를 형성한 다음, 표면처리로서 질화 열처리(자연 연질화)를 실시하여 최종적으로 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품을 제조하고,

이어 상기 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품과 별도 제조된 링기어를 리벳 결합하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

특히, 질화 열처리 후 가스 연질화로 인한 부품 표면의 화합물층 두께가 5 ~ 10㎛, 확산층 경화깊이가 0.25 ~ 0.35mm가 될 수 있는 조건으로 상기 질화 열처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법에 관한 것으로서, 도 2에 나타낸 바와 같이 플레이트(11)와 CPS 휠(12)의 두 부품을 일체화시키되, 이를 위해 최적의 소재를 선정함과 동시에 적정 가스 연질화 공정을 실시하여 상기 두 부품의 각기 다른 요구 특성을 동시에 만족시킬 수 있도록 제조함에 주안점이 있는 것이다.

본 발명의 제조방법에서는 상기와 같이 플레이트(11)와 CPS 휠(12)을 하나의 부품으로 일체화시켜, 플레이트(11)와 CPS 휠(12)이 일체화된 하나의 부품과 링기어(13)로 이루어지는 총 2개 부품(2 piece)의 드라이브 플레이트를 제조하며, 이와 같이 종래 3개 부품에서 2개 부품의 드라이브 플레이트를 제조할 수 있게 됨에 따라 부품수 축소를 통한 원가 절감 및 경량화, 공정 단순화에 의한 생산성 향상 및 품질 향상의 효과를 거둘 수 있게 된다.

본 발명에 따른 드라이브 플레이트의 제조과정을 부품별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

링기어(13)의 경우, 기존 드라이브 플레이트의 링기어 제조시와 동일한 방법으로 제조하며, 도 3에 나타낸 바와 같이 기존 링기어 사양과 동일하다.

상기 링기어는 S35C 탄소강에 고주파 열처리를 하는 방식으로 제조하는데, 도 4에 나타낸 바와 같이 반복적으로 롤(ROLL) 포밍하는 공정을 실시하여 성형하며, 이러한 프리폼(preform) 공정을 통하여 약 2.6mm 두께의 S35C 판재 끝을 두툼 하게 만든 후에 나사산 가공을 하여 치부(13a)를 형성한다.

그리고, 나사산 가공 후에는 치부 강도 및 마모성을 향상시키기 위하여 고주파 열처리를 하는 바, 이는 기존 제조과정에서와 동일하고, 조건은 도 5와 같다.

다음으로, 도 2에 나타낸 바와 같이 플레이트(11)와 CPS 휠(12)이 일체화된 부품을 제작하는 바, 플레이트(11)와 CPS 휠(12)을 일체형으로 제작하기 위해서는 강도가 낮고 소성 변형이 가능한 재질(인장강도 590MPa 이하)을 사용해야 한다.

또한 표면처리 공정을 통하여 플레이트(11)의 요구 인장강도(650MPa)와 연신율(약 10%)을 만족해야 한다.

그리고, CPS 휠(12)의 자기적인 특성은 기존 재질인 S20C를 사용했을 때와 동등한 특성을 가져야 한다.

플레이트(11)와 CPS 휠(12)을 일체화시키기 위해서는 우선 최적의 재질을 선정해야 하므로, 본 발명자는 플레이트와 CPS 휠의 일체화 부품의 적합한 재질을 선정하기 위해 하기 표 1과 같이 여러 강종 및 표면처리에 대해 물성을 평가한 결과 적절한 소재 및 표면처리 조건을 찾을 수 있었다.

SPFH540은 최소 인장강도가 540MPa을 만족해야 하는 열연강판이고, 실제 상용 SPFH540의 인장강도(표면처리 전 인장강도)가 대략 580MPa 수준이므로, 플레이트와 CPS 휠의 일체형 부품을 성형하기 위한, 강도가 낮고 소성 변형이 가능한 재질 조건을 만족하며, 롤 포밍 공정을 통한 제품 형상의 성형이 가능하다.

또한 SPFH540의 가스 연질화 열처리 조건을 다양하게 변화시켜 보았는 바, 그 결과 가스 연질화로 인한 표면 화합물층의 두께가 5 ~ 10㎛일 때 인장강도(UTS) 약 660MPa, 연신율(EL) 20%로 드라이브 플레이트 요구 특성을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

나머지 조건들은 인장강도가 낮거나, 연신율 저하로 인하여 플레이트 요구 조건을 만족시킬 수 없었다.

본 발명에서 요구되는 SPFH540의 적정 질화 열처리 조건에 관한 경도 및 조직은 도 6에 나타낸 바와 같다.

도 6에서 (a)는 질화 열처리 후 조직 사진을 나타내며, (b)는 경도 프로파일이다.

도 6에서와 같이 모재 조직은 페라이트+펄라이트 조직이다.

그리고, 화합물층은 백색층을 형성하고 있고, 화합물층의 두께는 5 ~ 10㎛이며, 확산층 경화깊이는 경도 측정 결과 약 0.3mm임을 확인할 수 있었다.

그리고, 이 소재를 사용하여 제작할 때 CPS 휠의 자기적 요구 특성을 만족하는지 여부를 판단하기 위하여 자기적 특성을 평가하여 보았으며, 평가는 재질에 따른 자기적 특성을 측정할 수 있는 VSM(Vibration Sample Magnetometer)를 이용하였다.

하기 표 2는 기존 S20C 재료의 CPS 자기 특성과 본 발명에 따른 SPFH540 재료의 CPS 자기 특성을 평가한 후 비교하여 나타낸 것이다.

도 7은 기존 S20C 재료의 자기 특성을 나타내는 참고도이다.

각각의 조건에 따라 자기 이력 특성을 평가해본 결과, 분석품 모두 동등한 특성을 나타내고 있었으며, 이를 통하여 SPHF540 재질 + 가스 연질화 사양은 CPS 휠 소재로 사용 가능함을 알 수 있었다.

결국, 플레이트와 CPS 휠이 일체형으로 된 부품을 제조함에 있어서 그 소재로서 SPFH540를 사용하고, 제품 성형 및 치부 형성 후 적정 질화 열처리를 실시하게 되면 요구되는 부품의 특성을 만족하면서 제품을 제조할 수 있게 된다.

제조 과정을 상술하면, 약 2.6mm 두께의 SPFH540의 열연강판을 링기어 제조시와 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같이 반복적으로 롤(ROLL) 포밍하는 공정을 실시하여 플레이트(11)와 CPS 휠(12)이 일체화된 형상을 성형하며, 이러한 프리폼(preform) 공정 후에 나사산 가공을 하여 CPS 휠(12)의 치부(12a)를 형성한다.

이와 같이 치부 가공 후 플레이트(11)의 요구강도를 만족시키기 위해 표면처리를 실시하는데, 상기 표면처리로서 질화 열처리(가스 연질화 처리)를 실시하되, 가스 연질화로 인한 표면 화합물층 두께가 5 ~ 10㎛, 확산층 경화깊이가 0.25 ~ 0.35mm가 되는 공정조건으로 열처리를 실시한다.

여기서, 표면 화합물층은 매우 경한 재질로서 보통 기어의 작동시에 마찰마모를 방지하기 위하여 그 두께를 최적화하기도 하지만 본 발명에서는 CPS 휠 치부가 다른 기어와 접촉하지 않기 때문에 그럴 필요성은 없다.

단, 확산층을 만들면서 형성된 것으로 화합물층이 5㎛ 미만인 경우 확산층 경화깊이도 0.25mm 미만이 되면서 강도가 부족하여 요구조건을 만족시킬 수 없게 되며, 10㎛를 초과할 경우 연신율 저하로 인해 제품 제작에 부적합하다.

화합물층이 없이 확산층만 제조할 수 있는 이온질화 방법도 있으나, 이 방법의 경우 하루 양산 수량이 매우 적을 뿐만 아니라 가격 상승이 커지는 바, 본 발명에서는 화합물층 및 확산층 조건을 고려한 가스 연질화 방법을 채택하였다.

또한 확산층 경화깊이가 0.25mm 미만이 되는 경우 요구되는 660MPa의 인장강도를 얻기가 어려운 문제가 있고, 0.35mm를 초과하는 경우 10㎛ 이하의 화합물층 두께를 얻을 수 없기 때문에 신율이 낮아지는 문제가 있어, 바람직하지 않다.

상기와 같이 열처리를 실시한 후 별도 제작된 링기어(13)와 플레이트(11)-CPS 휠(12) 일체형 부품을 리벳(14)으로 결합하게 되면 드라이브 플레이트를 제조할 수 있게 된다.

이렇게 제조된 드라이브 플레이트는 플레이트-CPS 휠 일체형 부품과 링기어의 2개 부품으로 구성되며, 이와 같이 플레이트와 CPS 휠을 일체화시켜 링기어를 포함하는 총 2개 부품으로 드라이브 플레이트를 제조할 수 있게 됨으로써, 부품수 축소를 통한 원가 절감 및 경량화, 공정 단순화에 의한 생산성 향상 및 품질 향상의 효과를 거둘 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법에 의하면, 플레이트와 CPS 휠을 일체화하여 제조함으로써, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1) 기존 3개 부품에서 2개 부품으로 드라이브 플레이트를 제조할 수 있는 바, 부품수 축소에 따른 공정 단순화와 원가 절감이 가능해진다.

2) 공정 단순화에 의해 생산성이 향상될 수 있다.

3) 플레이트 재질 변경 및 중복 리벳 접합구간 미발생으로 경량화가 가능해진다.

4) 플레이트와 CPS 휠의 일체화를 통한 누적 공차 감소와 품질 향상의 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 플레이트, 링기어, CPS 휠로 구성되는 자동차용 드라이브 플레이트를 제조하는 방법에 있어서,

   SPHF540 열연강판을 상기 플레이트와 CPS 휠의 일체형 부품 형상으로 성형 가공한 후, 나사선 가공을 통해 CPS 휠의 치부를 형성한 다음, 표면처리로서 질화 열처리(자연 연질화)를 실시하여 최종적으로 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품을 제조하고,

   이어 상기 일체형의 플레이트-CPS 휠 부품과 별도 제조된 링기어를 리벳 결합하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 질화 열처리 후 가스 연질화로 인한 부품 표면의 화합물층 두께가 5 ~ 10㎛, 확산층 경화깊이가 0.25 ~ 0.35mm가 될 수 있는 조건으로 상기 질화 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 자동차용 드라이브 플레이트의 제조방법.

Images