KR101107596B1 - 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법 - Google Patents

금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 자동차에 사용되는 가변과급기의 가이드 베인을 가공하는 방법을 개선함으로써 작업공정 단축과 비용 절감 및 정밀가공시 발생하는 불량률을 현저하게 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법은, 금속분말사출에 의해 가이드 베인을 제작하는 단계, CNC 선반의 척(chuck)에 상기 가이드 베인의 날개부를 클램핑하는 단계, 상기 클램핑된 가이드 베인의 날개부 하단과 샤프트를 바이트(bite)로 황삭(荒削)하는 단계, 상기 황삭한 가이드 베인의 날개부 하단과 샤프트를 바이트로 정삭(精削)하는 단계, 상기 정삭한 가이드 베인의 샤프트를 상기 CNC 선반에서 연마하는 단계, 연마를 마친 상기 가이드 베인을 CNC 선반의 척에서 해체한 후, 상기 샤프트를 CNC 선반의 척에 클램핑하는 단계, 상기 클램핑된 가이드 베인의 날개부 상단을 바이트로 황삭하는 단계, 상기 황삭한 가이드 베인의 날개부 상단을 바이트로 정삭하는 단계를 거쳐서 가공하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법{Machining method of variable geometry turbocharger's guide vane manufactured by metal injection molding}
본 발명은 가변과급기의 가이드 베인 가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 디젤 자동차에 사용되는 가변과급기의 가이드 베인(guide vane)을 가공하는 방법을 개선함으로써 작업공정 단축과 비용 절감 및 정밀가공시 발생하는 불량률을 현저하게 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법에 관한 것이다.
최근 들어 자동차 및 자동차 부품산업은 국가의 주력산업이 되었으며 내열성 정밀형상 부품의 제조기술 선진화 및 국산화는 이와 같은 산업의 성패를 좌우할 수 있는 중요한 과제이며, 특히 전 세계적으로 자동차의 배출가스로 인한 대기오염을 최소화하는 기술이 최대 관심사로 되어 있는 실정에 비추어 볼 때, 배출가스 저감을 위한 디젤 차량용 과급기에 대한 기술은 매우 중요하다고 하겠다.
자동차 엔진의 고출력화 및 고성능화의 한 수단으로서 사용되는 과급기(過給器)로서 터보차저(turbo-charger)가 알려져 있고, 이는 엔진의 배기에너지에 의해 터빈을 구동하며 터빈의 출력에 의해 콤프레셔를 회전시켜 엔진에 자연흡기 이상의 과급상태를 만들어 주는 장치인데, 엔진의 출력 증강과 배기효율을 좋게 하기 위해 엔진에서 배출되는 가스를 유입시켜 터빈 휠을 돌리는 터빈하우징과 공기를 압축시켜 실린더로 보내는 콤프레셔 하우징 및 터빈과 콤프레셔를 연결하는 샤프트로 구성되어, 엔진 배출가스의 고온 고압의 에너지를 터빈 휠의 회전에너지로 변환하여 콤프레셔 휠을 회전시켜 엔진 실린더로 유입되는 새로운 공기를 과급시켜 주며, 자연흡입방식 엔진과 비교했을 때 과급기를 장착한 엔진의 특징은 배출가스(NOx 등) 저감, 엔진의 비출력(실린더 단위 체적당 출력) 향상, 연비개선 효과, 고지(高地) 성능 향상으로 고지대에 대한 우수한 적응성 등으로 요약될 수 있다.
그런데, 엔진이 저속으로 회전하고 있을 때는 배출가스의 양이 충분하지 않아 정지되어 있는 터보 프로펠러를 돌리기 어렵기 때문에 터보차저가 부스트를 시작하려면 엔진이 일정 회전수까지 도달해야 한다. 따라서 운전자가 가속페달을 밟은 후 터보차저가 동작할 때까지의 지연시간 소위 터보랙(turbo-lag)이 발생하는 것을 피할 수 없고, 엔진 회전이 낮은 디젤엔진에서는 터보효과를 얻기 어렵다는 결점이 있다. 이 때문에 베인(vane) 개방도를 조정하여 저회전역에서도 효율적으로 작동하는 가변과급기가 개발되고 있는데, 이것은 배기터빈의 바깥둘레에 설치된 복수의 가변날개에 의해 적은 유량의 배기가스를 압축하여 배기속도를 증가시키도록 하여 배기터빈의 작업량을 크게 함으로써 저속회전 시에도 고출력을 발휘할 수 있도록 한 것인데, 이는 별도로 가변날개의 가변기구 등이 필요하고 주변의 구성 부품도 종래의 것에 비해 형상 등이 더 복잡하다.
이와 같이 최근 자동차 기능의 다양화와 환경 규제 및 에너지 효율을 높이기 위하여 핵심 부품은 점점 복잡 다양화되고 있으며, 이에 따라 삼차원 형상 복잡한 부품의 수요가 증가하고 있다. 이러한 부품 제작을 위해서는 일반적으로 정밀주조 후에 기계가공을 하거나 분말야금으로 제조한 후 복잡한 형태를 가공하기 위하여 추가적인 기계가공을 하는 방법을 사용하고 있으며, 또한 형상이 복잡하고 높은 정밀도를 요하는 부품의 경우에는 주로 기계절삭가공을 통해 제조되어 왔으나, 기존의 방법들은 형상 및 치수 제어가 어렵고, 재질 선택의 한계가 있으며 과다한 원재료 소모로 인해 생산성이 떨어지고 원가상승을 초래하는 단점이 있어, 삼차원 복잡 형상 부품에 대한 저비용 대량생산이 가능한 성형기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
지금까지는 가변과급기에서 배기가스의 유량제어를 담당하는 배기 가이드 어셈블리의 구성요소, 예컨대, 가변날개나 가변날개의 자유로운 회전운동을 유지하는 터빈 프레임 등의 부품을 제조함에 있어서는, 로스트왁스(lost wax)나 원심주조법 등 정밀주조로 제조했는데, 우선 각 구성요소의 원형이 되는 금속소재(소형재)를 정밀주조로 제조한 다음, 이 소형재를 앵귤러 연마기에서 연마하여 원하는 형상이나 치수로 마무리하거나 절삭가공하여 제작하는 것이 일반적이다. 그러나 앵귤러 연마기는 장비 가격이 워낙 고가(高價)인데다 작업도 어려워 생산성이 매우 낮아서 생산단가가 너무 높고, 절삭가공을 하더라도 가이드 베인 자체의 크기가 너무 적고 절삭면의 위치를 바꿔가면서 절삭을 해야 하기 때문에 작업공정도 복잡하여 생산성 및 치수정밀도를 맞추기가 너무 어렵다는 문제가 있다.
그리고, 과급기는 배기가스를 유입하여 그 에너지를 이용하는 것이기 때문에 부재 표면은 당연히 고온·고압가스 분위기에 노출되고, 배기가스 중에는 금속소재를 부식시키는 성분이 함유되어 있기 때문에, 과급기의 구성요소 부재는 우수한 내열성과 내산화성 등을 가지는 SUS 310S 등의 내열 스테인리스강이 적용되는데, 이러한 소재는 일반적으로 난절삭성의 재질로, 절삭에 장시간을 요하고 가공이 복잡하다는 문제가 있어서, 1기의 과급기에 10∼15개 정도의 가이드 베인이 들어가므로 실제로 자동차가 월 3만대 정도 생산되는 경우에는 가이드 베인이 월 30만∼45만 개가 필요하여 기존의 정밀주조 및 후가공 방법으로는 기계적 물성이나 치수정밀도에서 도저히 대응할 수 없어서, 아직까지도 세계적으로 양산화 개발에 성공하지 못하고 있다.
따라서, 제조공정에서 가공공정을 줄여 생산성을 높이고 절삭가공시 발생하는 불량률을 줄이는 것이 가장 시급한 선결 과제라고 하겠으며, 이러한 점 등을 고려하여 본 출원인은 가변과급기의 가이드 베인을 치수정밀도를 높이고 제조 원가를 현저하게 절감하여 생산성을 높일 수 있는 가공방법을 개발하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 디젤 차량용 가변과급기(Variable Geometry Turbocharger; VGT, 이하에서는 '가변과급기'로 칭한다)에 들어가는 가이드 베인(guide vane)을 가공하는 방법을 개선함으로써 작업공정 단축과 비용 절감 및 치수정밀도를 높이고 정밀가공시 발생하는 불량률을 현저하게 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법은, 금속분말사출에 의해 가이드 베인을 제작하는 단계, CNC 선반의 척(chuck)에 상기 가이드 베인의 날개부를 클램핑하는 단계, 상기 클램핑된 가이드 베인의 날개부 하단과 샤프트를 바이트(bite)로 황삭(荒削)하는 단계, 상기 황삭한 가이드 베인의 날개부 하단과 샤프트를 바이트로 정삭(精削)하는 단계, 상기 정삭한 가이드 베인의 샤프트를 상기 CNC 선반 내에 설치한 연마기에서 연마하는 단계, 연마를 마친 상기 가이드 베인을 CNC 선반의 척에서 해체한 후, 상기 샤프트를 CNC 선반의 척에 클램핑하는 단계, 상기 클램핑된 가이드 베인의 날개부 상단을 바이트로 황삭하는 단계, 상기 황삭한 가이드 베인의 날개부 상단을 바이트로 정삭하는 단계를 거쳐서 가공하는데, 상기 척은 콜릿척(collet chuck)이며, 상기 콜릿척은, 가이드 베인의 날개부 단면(斷面) 형상과 동일한 형상의 척 어댑터를 구비하고 있어서 가이드 베인을 클램핑하는 제1척과, 상기 제1척을 클램핑하는 제2척으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 가이드 베인의 샤프트는 CNC 선반 내에 설치된 연마기의 고주파스핀들에 장착된 CBN(cubic boronitride)휠로 연마한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법은, 디젤 차량용 가변과급기에 들어가는 가이드 베인을 제작함에 있어서, 종래에는 원심주조나 로스트왁스법으로 제작한 후에 CNC 선반에서 척(chuck)에 물려 베인의 상단부, 하단부, 측면부 및 샤프트까지 절삭가공한 후에 다시 앵귤러 연마기에서 연마하여 제작하였으나, 본 발명에서는 금속분말사출로 가이드 베인을 제작한 후에 CNC 선반에서 콜릿척(collet chuck)에 물려 베인의 상단부와 하단부 및 샤프트의 표면을 절삭가공한 후 곧바로 동일한 CNC 선반에서 연마기로 샤프트를 연마하여 제작함으로써 작업공정 단축과 비용 절감 및 치수정밀도를 높이고 정밀가공시 발생하는 불량률을 현저하게 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 가변과급기 어셈블리의 분해사시도이다.
도 2는 가이드 베인의 날개부 하단과 샤프트를 가공하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 가이드 베인의 날개부 상단을 가공하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
디젤 자동차에 사용되는 가변과급기는 조절 링(adjustment ring), 가이드 베인, 디스크, 베인 링(vane ring) 등이 핵심적인 구성요소이고, 이들은 높은 치수정밀도와 저렴한 제조원가 등이 요구되는데, 이들 부품은 원형이 되는 금속소재(소형재)를 주로 주물로 생산한 다음 절삭가공에 의해 제조되고 있어서 지금까지도 대량생산이 불가능하여, 아직까지도 세계적으로 이들 부품의 양산화에 성공하지 못하고 있다.
본 발명에서 가공대상은 가변과급기에 핵심적인 구성요소로 들어가는 가이드 베인인데, 상기 가이드 베인은 기존의 정밀주조 및 NC 또는 CNC 선반에서의 후가공 방법으로는 가변과급기에 요구되는 기계적 물성 및 치수정밀도를 얻기가 거의 불가능하기 때문에, 본 발명에서는 플라스틱산업 분야에서 사용되는 사출성형기술과 분말야금산업 분야에서 발달한 금속분말의 소결기술의 장점을 융합시킨 금속분말사출법(Metal Injection Molding; MIM)에 의해 제조한 가이드 베인을 가공의 대상으로 한다.
가이드 베인(10)은 가변과급기에 구성요소의 하나로 조립되어 유체의 속도와 양을 조절하는 역할을 하는데, 저속일 때 배기유로를 축소시켜 속도에너지를 최대화하고, 고속일 때 배기유로를 확대하여 배기유량을 최대화하는 기능을 하며, 그 형상은 첨부 도면에 도시된 바와 같이 날개부(11)와 샤프트(shaft)(12)가 일체로 된 구조로 되어 있다.
이하에서는 가이드 베인(guide vane)을 가공하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하면, 먼저, 금속분말사출에 의해 날개부(11)와 샤프트(12)가 일체로 된 가이드 베인(10)을 제작한 후 CNC 선반에서 가공을 하게 되는데, 금속분말사출로 제작된 가이드 베인은 날개부의 측면을 가공할 필요가 없으므로 가공공정이 훨씬 단축된다.
가공을 위해서는, 피가공물을 고정시키기 위해 클램핑(clamping)을 하는데, CNC 선반의 척(chuck)에 가이드 베인의 날개부(11)를 클램핑한다. 크기가 적은 피가공물을 일반적인 척에 클램핑하여 절삭가공하는 방법으로는 피가공물의 회전중심을 척의 회전중심과 정확히 일치시키기가 힘들고, 또한 크기가 적은 피가공물과 척 어댑터의 일부분만이 접촉되므로 척킹력이 약해서 가공하는 중에 피가공물의 회전중심이 변하게 되어 가공불량이 발생할 가능성이 크기 때문에 높은 치수정밀도를 요하는 가이드 베인을 일반적인 절삭가공방법으로 가공하는 것은 거의 불가능하다.
그러므로 본 발명에서 가이드 베인을 가공하기 위한 척은 콜릿척(collet chuck, 20)이며, 상기 콜릿척(20)은 가이드 베인(10)을 클램핑하는 제1척(21)과, 상기 제1척(21)을 클램핑하는 제2척(22)으로 구성된 것을 사용한다. 이와 같이 2개의 척으로 된 콜릿척을 사용하면 가공중에도 피가공물의 회전중심이 변하지 않게 된다. 물론 척 어댑터의 형상은 피가공물인 가이드 베인의 날개부(11)를 고정시킬 수 있는 형상이어야 할 것이다.
클랭핑 후, 가이드 베인(10)의 날개부(11) 하단과 샤프트(12)를 바이트(23)로 절삭하는데, 절삭하는 순서는 도 2에 화살표로 표시한 바와 같이 날개부 하단을 절삭한 다음 샤프트(12)를 화살표 방향으로 절삭하며, 한 번의 절삭으로 끝나는 것이 아니라 치수정밀도를 높이기 위하여, 먼저 황삭(荒削)한 다음 정삭(精削)하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.
절삭한 가이드 베인은 샤프트(12)를 연마하는 단계를 거치는데, 연마는 절삭한 CNC 선반에서 샤프트(12)를 절삭 후 곧바로 진행하거나 바이트(23)로 샤프트(12)를 절삭하는 중에 절삭된 부위를 곧바로 연마기(24)로 연마작업을 하게 되는데, 본 발명의 가이드 베인을 가공하는 CNC 선반은 선반 내에 바이트(23)와는 별도로 연마기(24)를 설치한 것으로, 연마기(24)는 고주파스핀들에 CBN(cubic boronitride)휠을 장착한 것이다. 만일 절삭한 후에 연마를 위하여 별도로 다른 곳에 설치된 연마기를 사용한다든가, 종래와 같이 별도의 앵귤러 연마기를 사용할 경우에는 절삭한 가이드 베인을 다시 고정하고 센터를 맞춰야 하기 때문에 작업공정도 복잡하지만 작업시간도 훨씬 많이 걸리며 높은 치수정밀도를 보장하기가 힘들어진다.
연마를 마친 가이드 베인은 CNC 선반의 척에서 해체한 후, 샤프트(12)를 CNC 선반의 척에 클램핑한 다음, 도 3에 화살표로 표시한 것과 같이, 가이드 베인의 날개부 상단을 절삭가공한다. 물론 절삭가공할 때는 먼저 황삭한 다음 정삭하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사항을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 항정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 가이드 베인 11 : 날개부
12 : 샤프트
20 : 콜릿척(collet chuck) 21 : 제1척
22 : 제2척 23 : 바이트
24 : 연마기

Claims (5)

  1. 가변과급기에 구성요소로 조립되어 배기유로를 조절하는 기능을 하는 가이드 베인(guide vane)을 가공하는 방법에 있어서,
    금속분말사출에 의해 날개부와 샤프트(shaft)가 일체로 구성되는 가이드 베인을 제작하는 단계;
    CNC 선반의 척(chuck)에 상기 가이드 베인의 날개부를 클램핑하는 단계;
    상기 클램핑된 가이드 베인의 날개부 하단과 샤프트를 절삭하는 단계;
    상기 절삭한 가이드 베인의 샤프트를 상기 CNC 선반 내에 설치한 연마기에서 연마하는 단계;
    연마를 마친 상기 가이드 베인을 CNC 선반의 척에서 해체한 후, 상기 샤프트를 CNC 선반의 척에 클램핑하는 단계;
    상기 클램핑된 가이드 베인의 날개부 상단을 절삭하는 단계;
    를 거쳐서 가공하는데, 상기 척은 콜릿척(collet chuck)이며, 상기 콜릿척은, 가이드 베인의 날개부 단면(斷面) 형상과 동일한 형상의 척 어댑터를 구비하고 있어서 가이드 베인을 클램핑하는 제1척과, 상기 제1척을 클램핑하는 제2척으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절삭하는 단계에서는, 먼저 가이드 베인을 바이트(bite)로 황삭(荒削)한 다음, 황삭한 가이드 베인을 다시 정삭(精削)하는 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 베인의 샤프트를 연마하는 단계에서는, 상기 CNC 선반 내에 설치된 연마기의 고주파스핀들에 장착된 CBN(cubic boronitride)휠로 연마하는 것을 특징으로 하는 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법.
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