KR101182588B1 - 볼 스터드 화스너 - Google Patents

Abstract

본발명은 볼 스터드 화스너에 관한 것으로, 자동차의 스티어링 계통이나 서스펜션 계통 등의 관절부에 사용되는 것으로, 자동차의 볼 조인트를 구성하는 볼 스터드 화스너에 있어서, 상기 볼 스터드 화스너는 헤드부(10)와, 몸체부(20)로 구성되되, 상기 몸체부(20)는 목부(22), 경사부(24) 및 나사부(26)로 이루어지는 것으로, 본 발명은 볼 스터드 화스너의 헤드부에 별도의 스텔라이트 12 합금 육성층을 형성되어 제조 단계에서 발생하는 버(burr)를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 헤드부의 표면경도가 높고, 내마모성 및 내열성이 있는 현저한 효과가 있다.

Description

볼 스터드 화스너{Ball Stud Fastener}

본발명은 자동차의 스티어링 계통이나 서스펜션 계통 등의 관절부에 사용되는 것으로, 자동차의 볼 조인트를 구성하는 볼 스터드 화스너에 관한 것이다.

종래에 사용되어지는 볼 스터드 화스너(Ball Stud Fastener)는 자동차의 스티어링 계통이나 서스펜션 계통 등의 관절부에 사용된다. 볼 스터드 화스너는 조향 중 차량의 안정성을 유지시켜주는 역할을 하며, 운전자가 핸들을 조정하는 경우 전달받은 조타력을 조향 너클에 전달하고 좌, 우 방향 조정을 가능하도록 연결하고, 나아가 타이어의 상하 요동 및 좌우 요동이 가능하게 해주는 자동차의 볼 조인트를 구성하는 핵심 구성품이다.

통상적인 볼 스터드 화스너는 기본적으로 환형으로 형성되어 상부에 구비되는 헤드부(10)와, 상기 헤드부(10)와 일체형으로 하부에 구비되는 몸체부(20)로 이루어지며, 특히 상기 몸체부(20)는 단부에 형성되어 외부의 고정체와 결합되는 나사부(26)와 헤드부와 몸체부의 경계 부분에 형성되는 목부(22), 그리고 일정 각도 테이퍼져 형성되는 경사부(24)를 포함한다.

종래에 사용된 볼 스터드 화스너의 제조공정은 통상 열처리가 필요한 구조용강재의 내부균열을 없애고 결정립을 미세화시켜 재료의 연성을 높이기 위하여 어닐링(Annealing; 풀림) 처리하여 헤드부(10)와 테이퍼부(24) 그리고 꼬리부(26)로 구성되어 구상화된 냉간단조품을 생산하고, 상기의 냉간단조품을 다시 경도를 향상시키기 위한 담금질(Quenching) 및 점성을 높이기 위한 템퍼링(Tempering; 뜨임)에 의한 열처리를 한다. 상기와 같은 열처리 공정이 끝나면 꼬리부(26)에 핀홀가공을 하고 헤드부(10) 및 목부를 절삭가공한 후, 헤드부(10) 표면의 버니싱(Burnishing)과 꼬리부(26)의 나사전조공정을 거처 제품이 완성된다. 이러한 볼 스터드 화스너의 제조공정은 냉간단조품을 생산한 후 별도의 열처리 작업과 상기 냉간단조품을 절삭가공하므로써 발생하는 헤드부의 정확한 동심도를 얻지 못하는 것은 물론 최종 제품의 강도가 저하되고 헤드부의 표면 조도가 다소 거칠게 형성되는 문제가 있다.

이를 위해, 공개특허공보 공개번호 10-2001-0026473호는, 절삭 가공 이전 단계에 냉간 단조된 소재를 별도의 단계로서 헤드부를 성형하는 과정을 부가하는 방법을 제안하고 있다. 하지만, 이 방법 역시 강성이 취약한 볼 스터드 화스너의 헤드부에 부가 압력을 작용시킨다는 점에서 다른 원인에 의해 불량품이 양산될 개연성이 있다.

한편, 공개특허공보 공개번호 10-2001-0026473호에는 자동차 등의 볼조인트로 사용하기 위하여 단조성형된 볼스터드 블랭크와, 상기 머리부의 내부에 마련되어 진구도 향상을 이루는 중공부와, 상기 중공부의 내면에 형성되어 구표면의 조도를 보강하는 파형면을 포함한다. 또한 본 볼스터드 제조방법은 단조공정에 의해 성형된 볼스터드 블랭크의 형상을 완성하기 위한 롤링머신으로 목부, 구두부, 꼬리부를 동시에 완성하는 전조공정과, 상기 전조공정시 볼스터드 블랭크의 내부 중공형축과 중공부를 통하여 체적이 큰곳에서 작은 곳으로 체적이동을 이루면서 머리부의 전체적인 진구도가 형성되도록 한 진구도형성 공정을 포함하는 볼스터드 제조방법 및 그 물건이 공개되어 있다.

또한, 공개특허공보 공개번호 10-2009-0023194호에는 통상의 단조 금형으로 구조용 강재를 제작하고, 강재를 머시닝 절삭 가공을 통하여 목부를 가공하며, 마지막으로 전조부를 나사 가공하는 구성에 있어서는 종래와 동일하나, 볼부의 가공 경비가 높을 뿐만 아니라, 그 가공 또한 번거로우며, 가공시 불량이 다량 발생하는 한계가 있기 때문에 절삭가공 시 볼부의 표면 가공을 생략하고, 볼스터드의 완성 후에 인서트 사출을 통하여 볼부의 표면을 완성하며, 또한, 상기 인서트 사출시 윤활유가 공급되는 가로, 세로의 공급홈을 볼부의 표면에 일체로 형성하는 볼조인트에 사용되는 볼스터드가 공개되어 있다.

그러나 상기 종래의 볼 스터드 화스너는 제조 단계에서 버(burr)가 많이 발생하며, 헤드부의 표면경도가 충분히 높지 않으며, 내마모성 및 내열성이 떨어진다는 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 볼 스터드 화스너의 헤드부에 별도의 스텔라이트 12 합금 육성층을 형성되어 제조 단계에서 발생하는 버(burr)를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 헤드부의 표면경도가 높고, 내마모성 및 내열성이 있는 볼 스터드 화스너를 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 볼 스터드 화스너에 관한 것으로, 자동차의 스티어링 계통이나 서스펜션 계통 등의 관절부에 사용되는 것으로, 자동차의 볼 조인트를 구성하는 볼 스터드 화스너에 있어서, 상기 볼 스터드 화스너는 헤드부(10)와, 몸체부(20)로 구성되되, 상기 몸체부(20)는 목부(22), 경사부(24) 및 나사부(26)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은 볼 스터드 화스너의 헤드부에 별도의 스텔라이트 12 합금 육성층을 형성되어 제조 단계에서 발생하는 버(burr)를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 헤드부의 표면경도가 높고, 내마모성 및 내열성이 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명 볼 스터드 화스너 사시도
도 2는 본발명 볼 스터드 화스너 볼 상세도면
도 3은 본 발명 볼 스터드 화스너 목부로부터 직선부와 하부곡선부에 이어지는 경사각 표시도면
도 4는 본 발명 볼 스터드 화스너 목부에 이어지는 경사부와의 경사각 표시도면

본발명은 볼 스터드 화스너에 관한 것으로, 자동차의 스티어링 계통이나 서스펜션 계통 등의 관절부에 사용되는 것으로, 자동차의 볼 조인트를 구성하는 볼 스터드 화스너에 있어서, 상기 볼 스터드 화스너는 헤드부(10)와, 몸체부(20)로 구성되되, 상기 몸체부(20)는 목부(22), 경사부(24) 및 나사부(26)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 헤드부(10)에서 이어지는 목부(22)는 하부로 갈수록 지름이 커지며, 상기 목부(22)에 이어지는 경사부(24)는 반대로 하부로 갈수록 지름이 작아지며, 상기 경사부(24)에 이어지는 나사부(26)는 지름이 일정한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 헤드부(10)와 이어지는 목부(22)의 상부 끝단부는 상부곡선부(220), 직선부(221), 하부곡선부(222)로 이루어지되, 상기 직선부(221)와 하부곡선부(222)에 이어지는 경사각은 상하수직선에 대해 25 ~ 35°이며, 또한 상기 목부(22)에 이어지는 경사부(24)의 경사각은 상하수직선에 대해 15 ~ 25°인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목부(22)는 헤드부(10) 지름의 1/2.2 ~ 1/2인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 헤드부(10) 표면에는 스텔라이트 12 합금 육성층(14)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본발명 볼 스터드 화스너 사시도, 도 2는 본발명 볼 스터드 화스너 볼 상세도면, 도 3은 본 발명 볼 스터드 화스너 목부로부터 직선부와 하부곡선부에 이어지는 경사각 표시도면, 도 4는 본 발명 볼 스터드 화스너 목부에 이어지는 경사부와의 경사각 표시도면이다.

본발명은 자동차의 스티어링 계통이나 서스펜션 계통 등의 관절부에 사용되는 볼 스터드 화스너에 관한 것이다. 볼스터드 화스너는 자동차의 볼 조인트를 구성한다. 그리고 상기 볼 스터드 화스너는 헤드부(10)와, 몸체부(20)로 구성되되, 상기 몸체부(20)는 목부(22), 경사부(24) 및 나사부(26)로 이루어지는 것이다.

그리고 상기 헤드부(10)에서 이어지는 목부(22)는 하부로 갈수록 지름이 커지며, 상기 목부(22)에 이어지는 경사부(24)는 반대로 하부로 갈수록 지름이 작아지게 구성된다. 그리고 상기 경사부(24)에 이어지는 나사부(26)는 지름이 일정한 것이다.

한편, 상기 헤드부(10)와 이어지는 목부(22)의 상부 끝단부는 상부곡선부(220), 직선부(221), 하부곡선부(222)로 이루어지되, 상기 직선부(221)와 하부곡선부(222)에 이어지는 경사각은 상하수직선에 대해 25 ~ 35°이며, 또한 상기 목부(22)에 이어지는 경사부(24)의 경사각은 상하수직선에 대해 15 ~ 25°이 되게 구성된다.

한편, 상기 목부(22)는 헤드부(10) 지름의 1/2.2 ~ 1/2가 되게 구성한다. 목부의 지름이 헤드부(10) 지름의 1/2.2 미만이면 강도가 약하여 손상되기 쉽고, 1/2을 초과하면, 치수가 맞지 않아 볼조인트 작동부와 간섭을 일으켜 작동에 지장이 초래되는 단점이 있다.

한편, 본발명은 상기 헤드부(10) 표면에는 스텔라이트 12 합금 육성층(14)이 형성되어 있다.

한편, 상기와 같은 본발명 볼 스터드 화스너를 제조하는 방법에 대해 기재하면 다음과 같다.

먼저, 환봉소재를 준비한 다음 이를 절단한다.

절단된 환봉소재를 본발명 볼 스터드 화스너 형상의 프레스 금형 내에 넣고 헤드부와 몸체부로 이루어지는 냉간 단조품을 만든다.

헤드부와 몸체부로 이루어지는 냉간 단조품이 만들어지면, 구조용 강재의 경도를 향상시키기 위해 담금질(Quenching) 과정을 거치게 되는데, 상기 담금질은 온도는 830 ~ 880℃이며, 시간은 90분 ~ 150분으로 한다. 담금질 온도가 830℃미만이면, 경도가 충분히 향상되지 않고, 880 ℃를 초과하면, 필요없는 에너지 손실이 발생하고 제품이 용해될 수 있는 단점이 있다. 또한, 담금질 시간이 90분 미만이면 경도가 충분히 향상되지 않고, 150분을 초과하면 필요없는 에너지 손실이 발생하고 제품이 용해될 수 있는 단점이 있다.

상기 담금질 과정에서 강재의 경도는 향상되나 재질이 여리게 되므로 구조용 강재의 경도를 낮추고 점성을 높이기 위해 템퍼링(Tempering; 뜨임) 과정을 통하여 열처리한다. 상기 템퍼링 온도는 550 ~ 650℃이며, 시간은 120분 ~ 180분으로 한다. 탬퍼링 온도가 550℃미만이면, 경도가 높아 취성이 발생하며, 650 ℃를 초과하면, 경도가 낮아 강성이 떨어지는 단점이 있다. 템퍼링 시간이 120분 미만이면 경도가 높아 취성이 발생하며, 180분을 초과하면 경도가 낮아 강성이 떨어지는 단점이 있다.

열처리가 완료되면 절삭 가공 단계 이전에, 열처리된 소재 중 특히 헤드부 표면에 스텔라이트(Stellite) 12 합금 육성층을 형성시킨다.

표면처리 기술로써 플라즈마 분체 육성법(Plasma Transferred Arc, PTA)은 분체재료를 사용함으로써 복합육성금속을 형성시켜 표면경도, 내마모성 및 내열성 등을 개선시킬 수 있다. 특히 스텔라이트 12 분체 재료는 고온 경도가 가장 뛰어나기 때문에 볼 스터드 화스너 헤드부를 스텔라이트 12 분체 재료를 이용하여 플라즈마 분체 육성법으로 아크 처리하여 금속과 탄화물과의 혼합조합에 의해 복합육성금속을 형성시킴으로써 볼 스터드 화스너 헤드부의 표면경도 및 내마모성 등을 향상시킬 수 있다.

스텔라이트 12 분체 재료는 탄소 1~2중량부에 대하여, 크롬 25~33중량부, 텅스텐 10~17중량부, 코발트 50~55중량부, 철 1~5중량부로 구성되는 합금으로 표면경도 및 내마모 특성이 매우 우수하고 마찰 계수가 낮아 다른 금속과 접촉하여도 큰 손상이 없는 특징이 있다. 또한 스텔라이트 12 에 의한 하드페이싱 후의 경도값은 약 40~50 HRC로 높고 그 범위도 넓다.

헤드부 표면에 형성되는 스텔라이트 12 합금 육성층의 두께는 특별하게 한정하지 않으나, 볼 스터드 화스너의 작동 구성 및 후술할 연삭가공 단계를 감안하면 5mm 내지 10mm 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다 할 것이다. 스텔라이트 12 합금 육성층의 형성은 티그용접의 방법으로도 수행될 수 있다.

탄화물형의 스텔라이트 합금이 시효경화성인 Ni기 합금의 육성경화재와 달리 비경화성이므로 육성 후 시효처리에 의해 γ상과 같은 새로운 강화 석출상을 생성시켜 경도값을 일정 수준으로 상승시킬 수 없기 때문에 탄화물형 스텔라이트 합금은 육성 후 약 550 ~ 650℃에서 90 ~ 150분간 응력제거 열처리, 즉 어닐링을 실시한다. 응력제거 열처리 온도가 550℃ 보다 낮으면 응력이 완전히 제거되지 않고, 650℃보다 높으면 강성이 약하게 된다. 그리고 응력제거 열처리 시간이 90분 미만이면 마찬가지로 응력이 완전히 제거되지 않고, 150분을 초과하면 필요없는 에너지 손실이 발생된다.

그리고 헤드부에 대한 스텔라이트 12 합금 육성층 형성 및 응력제거 열처리가 완료되면, 헤드부 및 몸체부 각각에 대한 절삭 가공이 이어진다. 절삭 가공은 황삭 가공과 정삭 가공을 번갈아 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 기본 가공으로서 황삭 가공을 하고, 다음으로 정밀 가공으로서 정삭 가공을 함으로써 작업의 질을 높일 수 있고, 가공에 소요되는 전체 시간을 단축할 수 있게 된다. 이러한 가공 순서는 헤드부 및 몸체부, 그리고 몸체부를 구성하는 목부 및 경사부 각각에 대해서 동일하게 적용됨은 물론이다.

한편, 본 발명은 헤드부 표면에 스텔라이트 12 합금 육성층을 형성시키고 있기 때문에 헤드부의 절삭 시에 그 절삭양에 대해 주의를 해야 하지만, 이 때문에 가공에 필연적으로 수반되는 버(burr) 발생을 억제할 수 있으며 개선된 표면경도로 인해 작업 과정에서의 불량율 발생을 최소화할 수 있게 된다.

헤드부 및 몸체부 각각에 대한 절삭 가공이 완료되면, 헤드부에 대하여 연삭가공을 수행한다. 연삭가공은 스텔라이트 12 합금이 육성된 헤드부의 표면을 더욱 평활하게 하며, 통상의 버니싱 공정 등에 의해 발생할 수 있는 표면 조도 및 거칠기 등을 감소시킬 수 있다.

볼 스터드 화스너 헤드부에 대한 연삭가공 작업에 이어 몸체부에 대한 나사 전조 작업이 이어진다. 나사부는 몸체부의 단부 부위에 형성되며, 이 작업이 완료되면 도 2에 개시된 것과 같이 헤드부(10)와 상기 헤드부(10)와 일체형으로 이루어지는 몸체부(20)로 이루어지되, 상기 몸체부(20)는 목부(22), 경사부(24), 나사부(26)로 구성되는 볼 스터드 화스너가 만들어지게 된다.

도 2에 개시된 것과 같이 볼 스터드 화스너 헤드부(10)는 원 소재(12)와 스텔라이트 12 합금 육성층(14)으로 구성되어지게 된다.

상기 스텔라이트 12 합금 육성층은 헤드부 표면에 5mm ~ 10mm 의 두께로 형성되는 것으로, 5mm 미만일 경우, 육성층이 얇아, 표면경도 향상 및 내마모성 효과가 미약하며, 10mm를 초과하면, 제조경비가 비싸진다.

따라서 본 발명은 볼 스터드 화스너의 헤드부에 별도의 스텔라이트 12 합금 육성층을 형성되어 제조 단계에서 발생하는 버(burr)를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 헤드부의 표면경도가 높고, 내마모성 및 내열성이 있는 현저한 효과가 있다.

10 : 헤드부 20 : 몸체부
22 : 목부 24 : 경사부
26 : 나사부 14 : 합금육성층
12 : 원 소재 220 : 상부곡선부
221 : 직선부 222 : 하부곡선부

Claims (5)

1. 자동차의 볼 조인트를 구성하는 볼 스터드 화스너에 있어서, 상기 볼 스터드 화스너는 헤드부(10)와, 몸체부(20)로 구성되되, 상기 몸체부(20)는 목부(22), 경사부(24) 및 나사부(26)로 이루어지는 것으로, 상기 헤드부(10)에서 이어지는 몸체부(20)의 목부(22)는 하부로 갈수록 지름이 커지며, 상기 목부(22)에 이어지는 경사부(24)는 반대로 하부로 갈수록 지름이 작아지며, 상기 경사부(24)에 이어지는 나사부(26)는 지름이 일정한 것이며, 상기 헤드부(10)와 이어지는 몸체부(20)의 목부(22)의 상부 끝단부는 상부곡선부(220), 직선부(221), 하부곡선부(222)로 이루어지되, 상기 직선부(221)와 하부곡선부(222)에 이어지는 경사각은 상하수직선에 대해 25 ~ 35°이며, 또한 상기 목부(22)에 이어지는 경사부(24)의 경사각은 상하수직선에 대해 15 ~ 25°이며, 상기 몸체부(20)의 목부(22)는 헤드부(10) 지름의 1/2.2 ~ 1/2인 것이며, 상기 헤드부(10) 표면에는 스텔라이트 12 합금 육성층(14)이 형성되되,
   상기 스텔라이트 12 합금 육성층은 헤드부 표면에 5mm ~10mm 의 두께로 형성되는 것이며,
   또한, 상기 볼스터드 화스너는 냉간단조된 환봉 소재를 열처리 하고, 열처리된 소재를 절삭가공하며, 절삭가공된 소재의 헤드부(10)를 연삭가공하고 몸체부(20) 꼬리부분에 나사부(26)를 전조가공한 것으로,
   상기 열처리는 담금질 및 템퍼링을 거친 헤드부 표면에 스텔라이트 12 합금 육성층을 플라즈마 분체 육성법(Plasma Transferred Arc, PTA)에 의해 형성시킨 후, 응력제거 열처리를 하는 육성층 형성 및 응력제거 열처리를 하는 것으로,
   담금질의 온도는 830 ~ 880℃이며, 시간은 90분 ~ 150분이며, 상기 담금질 과정에서 강재의 경도는 향상되나 재질이 여리게 되므로 구조용 강재의 경도를 낮추고 점성을 높이기 위해 템퍼링을 하며, 상기 템퍼링의 온도는 550 ~ 650℃이며, 시간은 120분 ~180분으로 하며, 상기 스텔라이트 12 합금 육성층을 육성형성 후 응력제거 열처리는 550 ~ 650℃에서 90분 내지 150분간 응력제거 열처리를 실시하는 것이되,
   또한, 상기 스텔라이트 12 합금 육성층 형성에 사용되는 스텔라이트 12 분체 재료는 탄소 1~2중량부에 대하여, 크롬 25~33중량부, 텅스텐 10~17중량부, 코발트 50~55중량부, 철 1~5중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼 스터드 화스너
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