KR101202117B1 - 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치에 관한 것으로서, 테이블(T)에 설치되는 한쌍의 스핀들(20)과; 스핀들(20)에 설치되는 회전구동부(30)와; 한쌍의 스핀들(20) 각각에 회전축(41)이 설치되어 회전구동부(30)의 회전구동력에 의하여 회전되는 편심이송회전유닛(40)과; 크랭크샤프트(10)의 축(11)이 장착 고정되는 것으로서, 편심이송회전유닛(40)에서 회전축(41)을 기준으로 편심방향으로 이송 가능하게 설치되는 지그(50)와; 열처리를 위한 레이저를 조사하는 것으로서, 크랭크샤프트(10)의 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)로 레이저를 집속하는 광학계(65)가 구비된 레이저조사부(60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

크랭크샤프트용 레이저 열처리장치{Heat treatment apparatus for crank shaft}
본 발명은 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 크랭크샤프트의 저널 및 크랭크샤프트핀을 레이저로 열처리하기 위한 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치에 관한 것이다.
자동차 엔진에는 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 크랭크샤프트가 내장되어 있다. 이러한 크랭크샤프트는, 피스톤과 연결된 커넥팅로드와 베어링에 의하여 회전가능하게 연결되는 다수의 크랭크샤프트핀과, 크랭크샤프트의 축과 동축을 이루는 것으로서 실린더블럭의 베어링에 회전가능하게 지지되는 다수의 저널을 포함한다. 이때 크랭크샤프트핀과 저널은 메탈 재질의 베어링에 접촉되어 고속 회전되므로 매우 정밀하게 가공되어야 함과 동시에 열처리가 되어야 한다.
통상적으로 크랭크샤프트핀 및 메인저널의 열처리는, 고주파의 전류(1MHz)가 흐르는 코일 내에 크랭크샤프트를 넣어서 진행되는데, 고주파는 크랭크샤프트에 인가되어 와류전류를 발생시키고 이러한 와류전류는 온도를 상승시킨다. 이때 와류전류는 내부에서 표면으로 갈수록 많이 발생하므로 크랭크샤프트핀과 저널의 표면이 가장 많이 가열된다. 이후 고주파의 인가를 정지한 후 냉각시킴으로써 열처리가 완료된다.
그런데 상기한 고주파 열처리의 경우, 실질적으로 와류전류가 크랭크샤프트핀 및 저널 내부에서도 발생하기 때문에 크랭크샤프트핀 및 저널 표면뿐만 아니라 내부도 가열된다. 따라서 크랭크샤프트핀 및 저널이 냉각되는 과정에서 많은 시간이 소요되고, 이에 따라 위치에 따라 냉각되는 정도가 달라지기 때문에 표면 경도가 일정하지 않게 된다. 이러한 표면경도의 불균형은 시간이 지남에 따라 고속으로 회전하며 큰 접촉 압력을 받는 크랭크샤프트핀 및 저널에서 크랙을 발생시킨다라는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 레이저를 이용하여 크랭크샤프트핀 및 저널의 표면을 신뢰성있게 열처리할 수 있어 표면경도를 일정하게 할 수 있고, 따라서 시간이 지나더라도 크랭크샤프트핀 및 저널에서 크랙이 발생되는 것을 최소화할 수 있는 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치는, 테이블(T)에 설치되는 한쌍의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)에 설치되는 회전구동부(30); 상기 한쌍의 스핀들(20) 각각에 회전축(41)이 설치되어 상기 회전구동부(30)의 회전구동력에 의하여 회전되는 편심이송회전유닛(40); 크랭크샤프트(10)의 축(11)이 장착 고정되는 것으로서, 상기 편심이송회전유닛(40)에서 상기 회전축(41)을 기준으로 편심방향으로 이송 가능하게 설치되는 지그(50); 및 열처리를 위한 레이저를 조사하는 것으로서, 상기 크랭크샤프트(10)의 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)로 레이저를 집속하는 광학계(65)가 구비된 레이저조사부(60);를 포함하고,
상기 편심이송회전유닛(40)은, 상기 회전축(41)을 사이에 두고 위치되는 한쌍의 가이드레일(42)과, 상기 가이드레일(42)을 따라 이송가능하게 설치되는 것으로서 상기 지그(50)가 장착되는 이송블럭(43)과, 상기 이송블럭(43)을 상기 가이드레일(42)의 특정 위치에 고정하기 위한 이송블럭고정부(44)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 열처리가 진행되는 동안 상기 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14) 표면의 온도를 측정하는 파이로미터(70)를 더 포함한다.
삭제
본 발명에 있어서, 상기 광학계(65)는, 상기 레이저조사부(60)에서 조사되는 레이저의 폭을 상기 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)의 폭에 대응되게 확산 및 집속시킨다.
본 발명에 따르면, 레이저로 크랭크샤프트핀 및 저널의 표면만을 열처리함으로써 내부까지 온도의 전달을 최소화할 수 있고, 이에 따라 급속 냉각이 가능하여 신뢰성있는 열처리가 가능하다. 이에 따라 크랭크샤프트핀 및 저널의 표면이 일정한 경도를 가지게 되고, 따라서 시간이 경과하더라도 크랭크샤프트핀 및 저널에 크랙이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 레이저 열처리장치에 의하여 열처리되는 크랭크샤프트의 사시도,
도 2는 도 1의 크랭크샤프트를 열처리하기 위한 본 발명의 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치의 구성을 도시한 도면,
도 3은 도 2의 편심이송회전유닛의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3의 편심이송회전유닛에 편심되게 위치된 지그에 크랭크샤프트가 장착되었을 때, 편심회전이송유닛이 회전되더라도 크랭크샤프트핀이 편심되지 않게 회전되는 것을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 2의 레이저 열처리장치에 있어서, 편심이송유닛이 회전되는 동안에 크랭크샤프트핀이 편심되지 않는 것을 설명하기 위한 도면,
도 6은 도 2의 레이저 열처리장치에 있어 저널을 열처리할 때 편심이송회전유닛의 위치를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 레이저 열처리장치에 의하여 열처리되는 크랭크샤프트의 사시도이다. 또 도 2는 도 1의 크랭크샤프트를 열처리하기 위한 본 발명의 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 편심이송회전유닛의 구성을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 3의 편심이송회전유닛에 편심되게 위치된 지그에 크랭크샤프트가 장착되었을 때, 편심회전이송유닛이 회전되더라도 크랭크샤프트핀이 편심되지 않게 회전되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
열처리대상물인 크랭크샤프트(10)는 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸기 위한 것으로서, 다수의 커넥팅로드 각각이 베어링(미도시)을 사이에 두고 결합되는 다수의 크랭크샤프트핀(12)(13)과, 크랭크샤프트의 축(11)과 동축을 이루는 것으로서 실린더블럭(미도시)에 베어링(미도시)을 사이에 두고 회전가능하게 지지되는 다수의 저널(14)을 포함한다.
이때 저널(14)은 도 1에 도시된 바와 같이, 축(11)과 동축을 이루지만, 크랭크샤프트핀(12)(13)은 축(11)에서 편심되게 벗어나 있다. 또한 크랭크샤프트핀(12)(13) 및 저널(14)은 납작한 원통 형태를 이루고 있다. 이러한 크랭크샤프트핀(12)(13) 및 저널(14)은 금속재질의 베어링과 접촉된 상태에서 상대운동을 하므로 강한 표면 경도가 요구된다.
상기한 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)을 열처리하기 위하여, 본 발명에 따른 자동차의 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치는, 테이블(T)에 설치되는 한쌍의 스핀들(20)과; 스핀들(20)에 설치되는 회전구동부(30)와; 한쌍의 스핀들(20) 각각에 회전축(41)이 설치되어 회전구동부(30)의 회전구동력에 의하여 회전되는 편심이송회전유닛(40)과; 열처리대상물인 크랭크샤프트(10)의 축(11)이 장착 고정되는 것으로서, 편심이송회전유닛(40)에서 회전축(41)을 기준으로 편심방향으로 이송 가능하게 설치되는 지그(50)와; 열처리를 위한 레이저를 조사하는 것으로서, 크랭크샤프트(10)의 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)로 레이저를 집속하는 광학계(65)가 구비된 레이저조사부(60)와; 열처리가 진행되는 동안 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14) 표면의 온도를 측정하는 파이로미터(70);를 포함한다.
스핀들(20)은 한쌍으로 이루어져 편심이송회전유닛(40) 양측의 회전축(41)을 회전가능하게 지자한다.
회전구동부(30)는 스핀들(20)에 장착되어 편심이송회전유닛(40)을 회전시킨다.
편심이송회전유닛(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 회전축(41)을 중심으로 회전된다.
지그(50)는 편심이송회전유닛(40)에 설치된 상태에서 크랭크샤프트(10)의 축(11)이 장착 고정된다.
이때 축(11)과 동축인 저널(14)을 열처리하고자 할 경우, 편심이송회전유닛(40)은 축(11)을 지지하는 지그(50)를 회전축(41)과 동축으로 위치시킨다. 그리고 축(11)에서 편심된 크랭크샤프트핀(12)(13)을 열처리하고자 할 경우, 편심이송회전유닛(40)은 지그(50)를 회전축(41)에서 편심되게 위치시켜야 한다.
이를 위하여 편심이송회전유닛(40)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전축(41)을 사이에 두고 위치되는 한쌍의 가이드레일(42)과, 가이드레일(42)을 따라 이송가능하게 설치되는 이송블럭(43)과, 이송블럭(43)을 상기 가이드레일(42)의 특저에 위치에 고정하기 위한 이송블럭고정부(44)를 포함한다. 이때 이송블럭(43)에는 지그(50)가 장착 고정된다.
이러한 구조에 의하여, 지그(50)가 고정된 이송블럭(43)을 가이드레일(42)을 따라 이송시킴에 따라, 지그(50)를 회전축(41)과 동축을 이루게 하거나 회전축(41)에서 편심된 위치에 있게 할 수 있다.
레이저조사부(60)는 열처리를 위한 레이저를 조사하는 것으로서, 808nm. 910nm, 940nm, 980nm, 1030nm, 1064nm 등의 파장대를 가진 반도체 레이저 다이오드 또는 디스크레이저로 구현된다. 이러한 레이저조사부(60)는 열처리하고자 하는 크랭크샤프트핀 및 저널의 개수나, 열처리 공정을 빠르게 진행하기 위하여 1개에서 여러개까지 적용 가능하며, 열처리시 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14) 표면을 1300℃ 정도로 가열한다.
광학계(65)는 레이저조사부(60)에서 조사되는 레이저를 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)로 집속하기 위한 것으로서, 레이저의 폭을 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)의 폭에 대응되게 확산 및 집속시킨다.
레이저조사부(60)에서 조사되는 레이저는 폭이 5mm 내외이다. 그러나 크랭크샤프트핀(12)(13)이나 저널(14)의 폭은 20~30mm 정도이다. 따라서 레이저의 폭을 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)에 집속시키기 위하여, 크랭크샤프트핀(12)(13) 및 저널(14)의 폭에 대응되게 확산시킨 후 집속하여야 한다. 이러한 광학계(65)는 여러개의 렌즈 및 프리즘이 복잡한 형태로 결합되어 있다.
파이로미터(70)는 열처리가 진행되는 동안 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)에서 방사되는 적외선을 측정하여 대응되는 온도신호를 발생함으로서 크랭크샤프트핀 및 저널의 표면 온도를 측정한다. 이때 파이로미터(70)에서 발생되는 온도신호에 따라 레이저조사부(60)의 출력을 제어한다.
다음, 상기한 구조의 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치의 동작을 설명한다.
도 5는 도 2의 레이저 열처리장치에 있어서, 편심이송유닛이 회전되는 동안에 크랭크샤프트핀이 편심되지 않는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 2의 레이저 열처리장치에 있어 저널을 열처리할 때 편심이송회전유닛의 위치를 설명하기 위한 도면이다.
(A) 크랭크샤프트핀(12)을 열처리할 경우,
자동차 엔진의 경우 기통수에 따라 크랭크샤프트핀 및 저널의 개수가 다양하다. 본 실시예에서는 2개의 크랭크샤프트핀(12)을 열처리하기 위하여, 2개의 레이저조사부(60)가 적용된 것으로 예시하여 설명한다.
크랭크샤프트핀(12)은 도 4에 도시된 바와 같이, 크랭크샤프트의 축(11)을 중심으로 편심거리(d) 만큼 편심되어 있다. 이러한 크랭크샤프트핀(12)(13)을 열처리하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 지그(50)를 가이드레일(42)을 따라 이송시켜, 편심이송회전유닛(40)의 회전축(41)을 중심으로 편심거리(d) 만큼 편심시킨다.
이 경우, 도 2 에 도시된 바와 같은 상태에서 회전축(41)을 중심으로 편심이송회전유닛(40)이 회전된 후 도 5에 도시된 바와 같이 회전되더라도, 크랭크샤프트핀(12)의 중심은 편심이송회전유닛(40)의 회전축(41)과 동축(C)을 이루게 된다. 따라서 편심이송회전유닛(40)이 회전되더라도, 레이저조사부(60)가 광학계(65)와 크랭크샤프트핀(12) 사이의 거리는 항상 일정하고, 이에 따라 레이저는 크랭크샤프트핀(12)의 표면에 고르게 조사되어 크랭크샤프트핀(12)의 표면 열처리가 완벽하게 수행된다.
(B) 저널(14)을 열처리할 경우,
본 실시예에서는 5개의 저널(15)을 열처리하기 위하여 5개의 레이저조사부(60)가 적용된 것으로 예시하여 설명한다.
저널(14)은 회전축(41)과 동축(C)을 이루고 있다. 이러한 저널(14)을 열처리하기 위하여, 지그(50)를 가이드레일(42)을 따라 이송시켜 회전축(41)과 동축(C)을 이루게 한다. 이 상태에서 편심이송회전유닛(40)이 회전되더라도 도 6에 도시된 바와 같이, 회전되는 저널(14)의 중심이 동축(C)과 일치한다. 따라서 편심이송회전유닛(40)이 회전되더라도, 레이저조사부(60)가 광학계(65)와 저널(14) 사이의 거리는 항상 일정하고, 이에 따라 레이저는 저널(14)의 표면에 고르게 조사되어 저널(14)의 표면 열처리가 완벽하게 수행된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10 ... 크랭크샤프트 11 ... 크랭크샤프트의 축
12, 13 ... 크랭크샤프트핀 14 ... 저널
20 ... 스핀들 30 ... 회전구동부
40 ... 편심이송회전유닛 41 ... 회전축
42 ... 가이드레일 43 ... 이송블럭
44 ... 이송블럭고정부 50 ... 지그
60 ... 레이저조사부 65 ... 광학계
70 ... 파이로미터

Claims (4)

  1. 테이블(T)에 설치되는 한쌍의 스핀들(20);
    상기 스핀들(20)에 설치되는 회전구동부(30);
    상기 한쌍의 스핀들(20) 각각에 회전축(41)이 설치되어 상기 회전구동부(30)의 회전구동력에 의하여 회전되는 편심이송회전유닛(40);
    크랭크샤프트(10)의 축(11)이 장착 고정되는 것으로서, 상기 편심이송회전유닛(40)에서 상기 회전축(41)을 기준으로 편심방향으로 이송 가능하게 설치되는 지그(50); 및
    열처리를 위한 레이저를 조사하는 것으로서, 상기 크랭크샤프트(10)의 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)로 레이저를 집속하는 광학계(65)가 구비된 레이저조사부(60);를 포함하고,
    상기 편심이송회전유닛(40)은, 상기 회전축(41)을 사이에 두고 위치되는 한쌍의 가이드레일(42)과, 상기 가이드레일(42)을 따라 이송가능하게 설치되는 것으로서 상기 지그(50)가 장착되는 이송블럭(43)과, 상기 이송블럭(43)을 상기 가이드레일(42)의 특정 위치에 고정하기 위한 이송블럭고정부(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    열처리가 진행되는 동안 상기 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14) 표면의 온도를 측정하는 파이로미터(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학계(65)는,
    상기 레이저조사부(60)에서 조사되는 레이저의 폭을 상기 크랭크샤프트핀(12)(13) 또는 저널(14)의 폭에 대응되게 확산 및 집속시키는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트용 레이저 열처리장치.
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