KR101029220B1 - 업셋터 장비내에서 길이가 긴 요크샤프트의 요크부를 한번에 성형할 수 있는 단조방법 - Google Patents

Abstract

환봉의 재료를 업셋터 장비내에서 길이가 긴 요크샤프트로 성형할 수 있는 단조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 단조방법은 재료의 선단부를 가열하는 단계; 가열된 재료를 업셋터 장비내의 제1금형에 넣어 선단부의 길이가 줄어들면서 굵어지도록 다지는 제1단계; 제1단계에서 다져진 제1가공재료를 업셋터 장치내의 또 다른 제2금형에 넣어 줄어든 선단부가 요크부의 두께 및 길이와 비슷해지도록 하부측은 타원 형태로 되면서 상측으로 연장될수록 좁아져 마름모꼴 형태로 되도록 다지는 제2단계; 제2단계에서 다져진 제2가공재료를 업셋터 장비내의 또 다른 제3금형에 넣어 완성될 요크부의 모양보다는 더 두툼하며 짧고 굴게 되도록 다지는 제3단계; 및 제3단계에서 다져진 제3가공재료를 업셋터 장치내의 또 다른 제4금형에 넣어 요크부와 동일한 형상으로 되도록 다지는 제4단계;를 포함한다. 그리고 제4단계에서 다져진 제4가공재료를 업셋터 장치내의 또 다른 제5금형에 넣어 요크부의 외부에 돌출된 플레쉬를 잘라내도록 트리밍 작업을 하는 제5단계;를 더 포함할 수 있다.

Description

업셋터 장비내에서 길이가 긴 요크샤프트의 요크부를 한번에 성형할 수 있는 단조방법{Forging method to make yoke shaft in upsetter}

본 발명은 단조방법에 관한 것으로, 특히 건설장비나 군수장비 등의 대형 차량에 사용되는 드라이브 샤프트(Drive Shaft 또는, 길이가 긴 요크샤프트(Yoke Shaft)의 요크(Yoke)부를 업셋터(Upsetter) 장비내에서 한번의 공정으로 제작할 수 있는 단조방법에 관한 것이다.

일반적으로 길이가 긴 요크샤프트는 요크형상 즉, "U"자 형상에 긴 샤프트가 연결되어 있는 형태의 동력전달장치로서, 자동차의 엔진 동력을 전달하는 추진축 등과 같이 회전되는 주축에 대하여 종동축이 동일선상에 있지 않고 소정의 각도로 기울어지게 배치되거나, 또는 동일선상에 배치되는 경우 주동축의 동력을 종동축에 원활히 전달하고자 하는 경우 주로 이용되는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 길이가 긴 요크샤프트(10)는 상부에 요크부(11)를 형성하고 요크부(11) 하부의 환봉에 스플라인이 형성된 롱 샤프트부(12)로 구성된다.

종래의 경우 요크부 형상부위 롱 샤프트부위를 별도로 제작하되,요크 형상부는 열간단조 방법으로 제작하고 롱 샤프트부위는 환봉을 가공 제작하여, 요크부와 롱 샤프트부를 마찰용접 공법으로 길이가 긴 요크샤프트를 제작한다.

이와 같이 요크부와 롱 샤프트부를 용접에 의해 제작하는 종래의 길이간 긴 요크샤프트는 별도의 장치에서 요크부와 롱 샤프트부를 제작하여야 하는 번거로움이 있고, 이로 인해 설비비가 증대되며, 용접시 열에 의해 요크부 또는 롱 샤프트부의 뒤틀림 등과 같은 변형이 발생될 수 있으며, 용접부위는 취약하므로 사용시 견고하지 못한 문제점을 가지고 있다.

또한, 요크부와 롱 샤프트부가 별도로 제작되므로 내구성 내식성이 약해 비교적 작은 충격에도 쉽게 파손됨은 물론 부식이 잘되고, 내구성을 높여주기 위해 담금질이나 뜨임이나 불림 등과 같이 금속의 결정 조직를 변화시켜 강도나 경도를 높여줌과 동시에 부식을 방지하기 위해 니켈 등으로 요크부의 표면을 도금해야 하므로 길이가 긴 요크샤프트의 가격이 높아지게 되고, 길이가 긴 요크샤프트 제작에 따른 가공 공정이 많고 또 길이가 긴 요크샤프트 제작에 오랜 시간이 소요되며 그로 인해 제품의 가격이 높아 경쟁력이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.

이러한 문제점에 착안하여 최근에는 단조에 의해 일체형 길이가 긴 요크샤프트를 제작하고 있으나, 제작비용의 증가를 막을 수는 없었다.

현재의 단조방식에 의해 길이가 긴 요크샤프트의 제작방법은, 도 2에서 보는 바와 같이 길다란 환봉의 재료(m)를 준비하여 업셋터금형 장치에 넣은 후, 순차적으로 3단계의 다짐공정을 갖게 된다. 즉, 재료(m)의 선단을 단조가공에 적합하도록 가열한 후, 이 선단을 업셋터금형 장치에 넣어 3단계에 걸쳐 다짐공정을 하여 헤머(Hammer)에서 단조가 가능한 황지 형상을 만든다.

이렇게 업셋터장비에서 첫 번째 공정에 의해 만들어진 재료는 선단부를 다시 재가열을 하고, 이 선단부를 두 번째 공정인 헤머장치에서 두드려 원하는 요크형상을 얻게 된다.

그리고 헤머장치에서 만들어진 재료는 다시 트리밍(Trimming) 장치에서 트리밍을 하여 완성품을 얻게 된다.

그러나 위의 방법으로 제작되는 길이가 긴 요크샤프트는 두 번에 걸쳐 가열을 하기 때문에 가열비가 많이 들어가고 3회에 걸쳐 작업하므로 3대의 설비가 필요하며, 작업인원의 증가, 생산성저하, 재고부담, 관리비용이 많이 들어가는 문제가 있다.

또한, 두 번째 공정인 헤머장치에서는 원하는 요크형상을 위해 버려지는 플레쉬(flash)가 많아 투입 원재료 비용의 증대로 제품의 제조비용 증대의 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 단조용 업셋터장비에 5단계에 걸쳐 요크부를 형성하는 금형을 구비하여 한번의 공정으로 일체형 길이가 긴 요크샤프트를 얻을 수 있는 단조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은,

환봉의 재료를 이용하여 그 선단부에 요크부가 형성되도록 하여 길이가 긴 요크샤프트를 제작하기 위한 단조방법에 있어서,

재료의 선단부를 가열하는 단계;

가열된 재료를 업셋터 장치내의 제1그립(Grip)금형에 넣어 선단부의 길이가 짧으면서 굵게 되도록 제1펀치(Punch)금형으로 다지는 제1단계;

제1단계에서 다져진 제1가공재료를 업셋터 장치내의 또 다른 제2그립금형에 넣어 줄어든 선단부가 요크부의 두께 및 길이와 비슷해지도록 하부측은 타원형태로 되면서 상측으로 연장될수록 좁아져 마름모꼴 형태로 되도록 제2펀치금형으로 다지는 제2단계;

제2단계에서 다져진 제2가공재료를 업셋터 장비내의 또 다른 제3그립금형에 넣어 완성될 요크부의 모양보다는 더 두툼하고 짧고 굵게 되도록 제3펀치금형으로 다지는 제3단계; 및

제3단계에서 다져진 제3가공재료를 업셋터 장비내의 또 다른 제4그립금형에 넣어 요크부와 동일한 형상으로 되도록 제4펀치금형으로 다지는 제4단계;를 포함함을 특징으로 하는 길이가 긴 요크샤프트를 제작하기 위한 단조방법을 제공한다.

이때, 제1단계 및 제2단계에서는 펀치금형과 그립금형이 만나는 접촉면이 성형될 요크부의 하단에 위치하며, 제3단계 및 제4단계에서는 펀치금형과 그립금형이 만나는 접촉면이 성형될 요크부의 중단에 위치하도록 함이 좋다.

또한, 제3단계에서는 완성될 요크부의 중앙부 상하두께보다는 더 두꺼우면서 양쪽으로 벌어진 길이는 더 짧고 굵게 성형하여 제4단계에서 두꺼운 중앙부를 가압하여 양쪽으로 벌어진 부분이 쉽게 밀려나도록 함이 더욱 좋을 것이다.

또는, 본 발명은 제4단계에서 다져진 제4가공재료를 업셋터 장비내의 또 다른 제5그립금형에 넣은후, 제5펀치금형으로 가압하여 요크부의 외부에 돌출된 플레쉬를 잘라내도록 트리밍 작업을 하는 제5단계;를 더 포함할 수도 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 단조방법은 기존방식인 헤머 및 업셋터, 트리밍 3회의 단조공정에서 업셋터 1회로 단조 완성하므로 단조공정에 기본적으로 수반되는 효과가 크게 된다.

즉, 2회가열에서 1회가열로 인해 가열에 따른 에너지비용을 절감할 수 있게 된다(1Kg당 예상전력비는 65원).

또한, 감소된 플레쉬에 의해 단조회수율이 증가하므로 소재비용이 절감될 수 있다(개당 0.8Kg 절감).

그리고 업셋터 장치와 헤머장치, 트리밍장치에 각각 금형이 필요했으나, 업셋터 금형만 구비하면 되므로 금형비를 절감할 수 있게 된다.

도 1은 길이가 긴 요크샤프트를 나타낸 사시도이고,
도 2는 종래기술에 따른 요크샤프트의 제작방법을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 업셋터의 금형에 의해 재료에서 제품이 만들어지는 모습을 단계별로 보인 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 업셋터 장치의 금형을 보인 단면도이고,
도 5는 도 4의 제1단계에 사용되는 금형을 상세히 보인 도면이고,
도 6은 도 4의 제2단계에 사용되는 금형을 상세히 보인 도면이고,
도 7은 도 4의 제3단계에서 사용되는 금형을 상세히 보인 도면이고,
도 8은 도 4의 제4단계에서 사용되는 금형을 상세히 보인 도면이며, 그리고
도 9는 도 4의 제5단계에서 사용되는 금형을 상세히 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단조방법을 설명한다.

본 발명에 따른 길이가 긴 요크샤프트의 제작방법이 업셋터 장치에서 5단계에 걸쳐 제작되므로, 업셋터 장치에는 재료를 소성가공 시키도록 그립금형과 펀치금형이 각각의 단계에 맞게 5가지 타입으로 준비된다. 여기에서, 그립금형은 종방향으로 이등분되어 제작되고, 업셋터 장치내에서 분리된 상태로 설치된 후에 재료가 들어오면 합쳐져 금형으로서의 역할을 하게 된다. 그리고 그립금형은 재료를 잡아주면서 압력을 받는 역할을 하게 되고,펀치금형은 재료에 힘을 가하는 펀치 역할을 하게 된다.

본 발명에 따른 단조방법은 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이 환봉의 재료(m)를 업셋터 장치에 넣어 제1단계에서 요크부가 성형될 선단부를 압축시켜 제1가공재료(a)를 얻게 되고, 제2단계에서 줄어든 선단부를 뭉툭하게 다져 완성될 요크부의 길이 및 두께와 비슷하게 되도록 제2가공재료(b)를 얻고, 제3단계에서 뭉툭한 선단부를 요크형상과 유사하도록 가성형하여 제3가공재료(c)를 얻고, 제4단계에서 요크부와 동일한 형상을 갖도록 단조가공하며, 마지막 제5단계에서 요크부의 외부에 붙어있던 플레쉬(15)를 잘라내는 트리밍작업을 하여 완성품을 얻게 된다.

하기에는 각 단계별 그립금형과 펀치금형의 형상 및 작용에 의해 재료의 선단부가 요크부로 성형되는 방법을 설명한다.

제1단계에서는 도 5에서 보는 바와 같이 길다란 환봉의 재료(m)를 Upsetting하여 짧고, 굵게 만드는 단조공정으로 제1그립금형(110)은 재료(m)가 들어가는 제1안착홀(111)이 형성되고, 제1그립금형(110)의 선단에는 제1펀치금형(115)이 맞닿도록 제1안착홀(111)의 입구 주변으로 제1수용부(112)가 형성된다.

그리고 제1펀치금형(115)은 요크부로 성형될 재료(m)의 선단부를 내부로 수용하도록 돌출된 재료의 선단부보다 짧고, 굵은 형상를 갖는 일자 형태의 제1펀치금형홀(116)이 형성되고, 이 제1펀치금형(115)이 왕복운동을 하면서 선단부가 제1그립금형(110)의 제1수용부(112)에 맞닿게 된다.

제2단계에서는 1차로 다져진 제1가공재료(a)를 요크형상을 만들기 수월하도록 완성될 요크형상의 길이와 폭을 비슷하게 맞추는 단조공정으로, 도 6에서 보는 바와 같이 제2그립금형(120)은 제2수용부(122)에 제2안착홀(121)의 주변으로 오목부(123)가 형성된다. 오목부(123)는 재료의 하부가 성형될 요크부의 하부면과 같은 형상으로 되도록 하는 것으로, 제2수용부(122)는 제1그립금형(110)과 달리 폭이 더 넓은 제2펀치금형(125)을 수용해야 하므로 더 넓게 확장되게 형성된다.

제2펀치금형(125)은 재료(a)의 선단부를 요크부의 길이와 폭과 유사하게 다지는 것으로, 제2펀치금형홀(126)의 하단부쪽은 요크부의 하측과 유사하도록 재료의 직경보다 더 크면서 타원형태로 형성되고, 제2펀치금형홀(126)의 위쪽으로는 점점 굵기가 얇아지도록 형성된다.

제3단계는 도 7에서 보는 바와 같이 요크의 형상과 아주 유사하게 가성형을 하는 단조공정으로, 제2단계에서 뭉치형태로 만들은 제2가공재료(b)를 가운데 부분을 눌러주어 재료(b)가 양쪽으로 벌어지면서 성형되도록 한다. 또한, 제3단계에서부터는 요크형상으로 성형하는 공정으로 재료가 양쪽으로 벌어지도록 가압되기 때문에 엄청난 힘이 필요하게 되고, 그 힘이 제1단계 및 제2단계에서와 같이 재료의 요크부와 샤프트부로 분할되는 면으로 설정하게 되면 재료가 많은 힘을 받지 못하게 되므로, 그립금형과 펀치금형의 접촉면을 상향 조정하게 된다.

따라서 제3그립금형(130)은 제1그립금형(110) 및 제2그립금형(120)에 있었던 수용부(112,122)를 없애고, 그 자리에 요크부의 몸통에 해당되는 모양인 반원형태의 그립금형홀(132)을 형성시킨다. 이때, 그립금형홀(132)의 측면상에는 재료가 눌리키면서 금형외부로 빠져나가지 못하게 하기 위해 굴곡(133)을 주고, 이 굴곡(133)면에 제3그립금형(135)의 측면이 맞닿도록 해준다. 그리고 그립금형홀(132)은 완성될 요크부의 하부면과 대응되도록 일치시켜 제작된다.

제3펀치금형(135)은 하단 중앙부에 하부면상보다 더 아래로 돌출된 반원 형태의 제1가압부(136)가 형성되고, 제1가압부(136)의 측면상에는 제3그립금형(130)의 굴곡(133)과 밀착되도록 마감부(137)가 형성되며, 제1가압부(136)와 마감부(137)의 사이에는 재료(b)가 양쪽으로 벌어지도록 안내하는 제1유도홀(138)이 형성된다. 제1가압부(136) 및 제1유도홀(138)은 완성될 요크부의 외형과 일치하는 것이 아니라 완성될 요크부의 외형보다는 조금씩 짧게 형성된다. 즉, 제1가압부(136)는 재료의 가운데를 완전한 형태보다는 짧고, 굵게 눌러주게 되고, 제1유도홀(138)은 요크부의 완전한 형태보다 좀더 짧고, 굵게 형성되도록 해주는 것이다.

제4단계에서는 도 8에서 보는 바와 같이 요크부의 형상이 완성되는 단조공정으로, 제4그립금형(140)은 제3그립금형(130)과 같이 금형홀(142)이 형성된다. 그리고 제4펀치금형(145)은 제3펀치금형(135)과 마찬가지로 제2가압부(146)와 제2유도홀(148)이 형성된다. 제2가압부(146) 및 제2유도홀(148)은 완성될 요크부의 형태로 동일하도록 대응되는 형상이며, 이 제2가압부(146)가 제3단계에서 얻어진 제3가공재료(c)의 오목한 중앙부를 눌러주고, 그 눌러주는 힘에 의해 재료의 양쪽이 제2유도홀(148)로 흘러 들어가게 되어 요크부가 완성된다.

제5단계에서는 도 9에서 보는 바와 같이 제4단계를 통과한 요크부를 트리밍(트리밍)하는 공정으로, 제5그립금형(150)은 요크부가 안쪽으로 깊숙이 들어가도록 안내홀(151)이 형성된다. 이 안내홀(151)은 요크부의 형상과 동일한 것으로, 안내홀(151)의 상단 사방에는 요크부의 외부에 돌출된 플레쉬(15)를 잘라내도록 커팅부(152)가 형성된다. 제5펀치금형은(155)은 안내홀(151)속으로 들어갈 수 있을 정도의 크기로 제작되며, 하부면상에는 요크부의 중앙부를 눌러줄 수 있도록 제3가압부(156)가 형성된다. 따라서 플레쉬(15)가 형성된 요크부가 제5펀치금형(155)에 의해 눌려 안내홀(151)속으로 들어가면서 플레쉬(15)가 커터부(152)에 의해 잘려져 트리밍 작업을 하게 되는 것이다.

제5단계인 트리밍 공정은 전술한 바와 같이 업셋터 장비내에서 수행하여도 되고, 별도로 진행하여도 무방하나, 공정의 일률적인 작업을 위해서는 업셋터 장비내에서 수행하는 것이 이로울 것이다.

본 발명에서는 길이가 긴 요크샤프트(10)의 요크부(11)를 업셋터장비에서 수행할 수 있도록 그립금형 및 펀치금형을 설계하였고, 설계의 포인트는 제3단계에서부터 그립금형과 펀치금형의 접촉면을 상향조정한 것이 성공의 관건이다. 그리고 제3단계에서는 가압부의 형태가 요크형상과 같도록 완전한 형태를 갖지 않도록 짧고,굵게 형성하여 재료의 중심부를 두툼하게 해준 후에, 제4단계에서 중심부를 가압하여 양쪽이 쉽게 변형될 수 있도록 하는 것이 주요 특징이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 길이가 긴 요크샤프트 11 : 요크부
12 : 샤프트부 100 : 업셋터 장치용 금형
110 : 제1그립금형 115 : 제1펀치금형
120 : 제2그립금형 125 : 제2펀치금형
130 : 제3그립금형 132,142 : 하형홀
135 : 제3펀치금형 136 : 제1가압부
138 : 제1유도홀 140 : 제4그립금형
145 : 제4펀치금형 146 : 제2가압부
148 : 제2유도홀 150 : 제5그립금형
151 : 안내홀 152 : 커팅부
155 : 제5펀치금형 156 : 제3가압부
(m) : 재료 (a) : 제1가공재료
(b) : 제2가공재료 (c) : 제3가공재료
(d) : 제4가공재료

Claims (4)

1. 환봉의 재료(m)를 이용하여 그 선단부에 요크부(11)가 형성되도록 하여 길이가 긴 요크샤프트(10)를 제작하기 위한 단조방법에 있어서,
   상기 재료(m)의 선단부를 가열하는 단계;
   가열된 상기 재료(m)를 업셋터 장비내의 제1그립금형110)에 넣어 상기 선단부의 길이가 줄어들면서 굵어지도록 제1펀치금형(115)으로 다지는 제1단계;
   상기 제1단계에서 다져진 제1가공재료(a)를 상기 업셋터 장비내의 또 다른 제2그립금형(120)에 넣어 줄어든 선단부가 상기 요크부(11)의 두께 및 길이와 비슷해지도록 하부측은 타원형태로 되면서 상측으로 연장될수록 좁아져 마름모꼴 형태로 되도록 제2펀치금형(125)으로 다지는 제2단계;
   상기 제2단계에서 다져진 제2가공재료(b)를 상기 업셋터 장비내의 또 다른 제3그립금형(130)에 넣어 완성될 요크부(11)의 모양보다는 더 짧고 굵게 되도록 제3펀치금형(135)으로 다지는 제3단계; 및
   상기 제3단계에서 다져진 제3가공재료(c)를 상기 업셋터 장비내의 또 다른 제4그립금형(140)에 넣어 상기 요크부(11)와 동일한 형상으로 되도록 제4펀치금형(145)으로 다지는 제4단계;를 포함함을 특징으로 하는 길이가 긴 요크샤프트를 제작하기 위한 단조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1단계 및 제2단계에서는 펀치금형과 그립금형이 만나는 접촉면이 성형될 요크부의 하단에 위치하며, 상기 제3단계 및 제4단계에서는 펀치금형과 그립금형이 만나는 접촉면이 성형될 요크부의 중단에 위치하도록 함을 특징으로 하는 길이가 긴 요크샤프트를 제작하기 위한 단조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제3단계에서는 완성될 요크부(11)의 중앙부 상하두께보다는 더 두꺼우면서 양쪽으로 벌어진 길이는 더 짧고 굵게 성형하여 상기 제4단계에서 두꺼운 중앙부 상하를 가압하여 양쪽으로 벌어진 부분이 쉽게 밀려나도록 함을 특징으로 하는 길이가 긴 요크샤프트를 제작하기 위한 단조방법.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제4단계에서 다져진 제4가공재료(d)를 상기 업셋터 장비내의 또 다른 제5그립금형(150)에 넣은후, 제5펀치금형으로 가압하여 요크부의 외부에 돌출된 플레쉬(15)를 잘라내도록 트리밍 작업을 하는 제5단계;를 더 포함함을 특징으로 하는 길이가 긴 요크샤프트를 제작하기 위한 단조방법.

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