KR101305121B1 - 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적정한 온도구간에서 필렛 롤링을 실시하여, 고성능 및 고출력 엔진에 적합한 피로특성과 고강도를 갖는 크랭크 샤프트의 제조를 위한 새로운 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 강재질의 크랭크 샤프트를 회전시키는 단계와; 상기 단계에서 크랭크 샤프트의 핀 필렛부에 일정한 하중을 가하는 단계와; 상기 단계에서 필렛부에 유도코일을 이용하여 일정한 온도로 가열하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법을 제공한다.

크랭크 샤프트, 크랭크 핀, 필렛부, 크랭크 웹, 유도코일, 가압롤러

Description

자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법{Fillet rolling-method of crank shaft for vehicle}

도 1은 일반적인 크랭크 샤프트의 취약부를 나타내는 도면이고,

도 2는 Bauschinger 효과를 설명하기 위한 그래프이고,

도 3은 본 발명에 따른 필렛 롤링 장치를 나타내는 구성도이고,

도 4는 온도에 따른 필렛 롤링시 인장응력을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 크랭크 샤프트 저널 11 : 크랭크 핀

12 : 핀 필렛부 13 : 크랭크 웹의 오버랩부분

14 : 오일구멍 15 : 유도코일

16 : 가압롤러

본 발명은 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적정한 온도구간에서 필렛 롤링을 실시하여, 고성능 및 고출력 엔진에 적합한 피로특성과 고강도를 갖는 크랭크 샤프트의 제조를 위한 새로운 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 크랭크 샤프트는 피스톤의 왕복 운동을 회전운동으로 전환하여 변속기에 전달하는 매우 중요한 엔진 구동계 부품이다.

상기 크랭크 샤프트의 재질은 통상 강 및 주철을 사용하며, 최근에 엔진의 고마력, 고하중 추세에 부합하고, 특히 크랭크 샤프트의 경우 높은 하중을 받으며 회전하기 때문에 강성 및 내구성을 확보하기 위해 고강도강을 주로 적용한다.

도 1은 종래의 크랭크 샤프트의 취약부를 나타내는 도면으로서, 크랭크 샤프트 저널(10)과 크랭크 핀(11)이 나란하게 결합되어 있고, 크랭크 샤프트 내에서 크랭크 웹의 오버랩 부분(13), 핀 필렛부(12) 및 오일구멍(14)은 가장 취약한 부분이다.

그 중에서도 핀 필렛부(12)는 엔진 작동시 주응력이 작용하는 부분이며, 파손이 발생하기 쉬운 부분이기 때문에 설계시 강도부분을 고려해야만 한다.

한편, 상기 크랭크 샤프트의 제작과정은 단조 후, 비조질강의 경우 제어 냉각을 실시하거나, 합금강의 경우 재가열 및 후열처리, 즉 담금질(quenching) 및 뜨임(tempering)을 실시한다.

본 단조품은 가공 공정으로 넘겨져 선삭, 표면처리, 연삭 및 교정 등의 절차를 통해 완성품으로 제조된다.

상기 크랭크 샤프트의 표면 처리는 추가적인 강도보강을 목적으로 실시하며, 보편 적으로 고주파소입법, 연질화처리 및 필렛 롤링 등의 3종류이다.

상기와 같은 표면 처리중에 필렛 롤링법은 고주파소입법 및 연질화처리 대비, 생산성 및 환경 친화성 등의 측면에서 유리하여 최근 현장라인에 적용이 증가하는 추세이다.

상기 크랭크 샤프트의 작동 시, 직접 하중이 크게 걸리는 부위는 크게 두가지로 나뉜다.

첫째, 각 핀 및 저널 필렛 평탄부로써 회전에 의한 마찰 마모에 따른 접촉 응력이 주로 작용한다.

둘째, 크랭크웹 영역의 핀 필렛부(12)로써, 폭발압에 의한 굽힘 응력을 주로 받는다.

상기 핀 필렛부(12)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진 작동시 반복적인 굽힘응력에 의한 파괴기점(화살표방향)이 되므로 적정 수준의 강도보강이 매우 중요하다.

또한, 상기 필렛 롤링법은 국부적으로 이 핀 필렛부(12)의 강도 보강을 얻기 위한 것으로, 상기 핀 필렛부(12)에 전체적으로 동일한 하중을 가한 상태에서 회전시켜 크랭크 샤프트 표면에 압축 잔류 응력을 형성시켜 고강도를 얻는 것이다.

그러나, 종래의 필렛 롤링 방식은 제품 표면에 잔류압축응력을 주기 때문에 인장 및 압축의 피로하중을 받게 되면, Bauschinger 효과에 의해 재료의 항복점이 감소하는 현상이 발생된다.

상기 Bauschinger 효과란 재료가 항복(yielding) 발생 후 응력(stress) 역전 현상이 일어나면 재료의 항복점이 감소하는 현상으로, 이는 전위(dislocation)가 입계(grain boundary)에 집적(filing)이 되면서 입계로부터 역응력(back stress)이 발생하기 때문에 나타나는 현상이다.

그러므로, 재료를 한 반향으로 변형시킨 후 그 반대 방향으로 변형시키면 반대 방향의 항복응력이 낮아지게 된다.

필렛 롤링부위는 잔류압축응력을 받기 때문에 인장응력을 받게 되면 재료의 인장강도는 감소하게 된다.

필렛 롤링 부위를 적정온도로 가열하여 Bauschinger 효과에 의한 인장강도의 감소 현상을 방지할 수 있다.

또한 적정 온도구간에서 필렛 롤링을 실시할 경우 동적변형시효(dynamic strain aging)에 의해서 인장강도를 증가시킬 수 있다.

상기 동적변형시효란 적정온도에서 소성변형을 가할 경우 강도가 증가하는 현상으로, 탄소나 질소 같은 석출물 등이 동적변형시효 기간 중 전위로 확산하여 전위 주위에 이들 분위기를 형성하여 전위의 이동을 방해하기 때문에 강도가 증가한다.

따라서 적정온도 구간에서 필렛 롤링을 실시하면 핀 필렛 부위의 강도가 증가하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 적정한 온도구간을 설정한 후 필렛 롤링을 실시하여, Bauschinger 효과에 의한 강도 감소를 방지하고 동적변형시효에 의한 강도를 증가시킬 수 있도록 한 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법에 있어서,

강재질의 크랭크 샤프트를 회전시키면서 크랭크 샤프트의 핀 필렛부에 유도코일을 이용하여 일정한 온도로 가열한 상태로 가압롤러를 이용하여 일정한 하중을 가하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 크랭크 샤프트의 핀 필렛부를 가열하는 온도는 168~309℃인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 필렛 롤링 장치를 나타내는 구성도이고, 도 4는 온도에 따른 필렛 롤링시 인장응력을 나타내는 그래프이다.

도 3에 도시한 바와 같이 필렛 롤링이 실시되는 부분 하부에 고주파 유도 코일(15)을 장착하여 적정한 온도로 크랭크 샤프트의 핀 필렛부(12)를 가열해준다. 가열방식은 유도코일(induction coil)(15)을 사용하여 핀 필렛부(12)(소성변형부)를 국부적으로 가열하는 방식을 사용한다.

가압롤러(16)를 이용하여 핀 필렛부(12)에 가하는 하중은 약 300~950㎏f이며, 핀 필렛부(12)의 온도는 약 168~309℃로 강종에 따라 선택하여 가열한다. 이러한 국부 강화 방법(selected area strengthening)은 크랭크 샤프트의 차량 운행시 주응력 작용부인 핀 필렛부(12)를 국부적으로 강화시켜 강도를 향상시킨다.

따라서 본 발명에서 도 3의 장비로 크랭크 샤프트를 회전하면서 필렛 롤링이 시행되는 부분을 유도코일(15)에 의해 적정한 온도로 가열한 후 작업을 실시하여 강도를 증가시킨다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하는 바, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 국한되는 것은 아니다.

실시예

실시예는 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이 조성된 본 발명의 중탄소 비조질강을 이용하여 크랭크 샤프트용 비조질강 시편을 제조하였다.

본 실시예에서는 중탄소 비조질강으로만 실시하였으나, 강에 경우 C, N량이 대체로 한정되어 있기 때문에 넓은 의미에서 모든 강에 적용가능하다.

실험예

상기 실시예에 의한 시편에 대하여 인장강도 시험을 실시하였는 바, 인장강도 시험은 필렛 롤링 시 가해지는 하중으로 소성변형 후 실시했다. 종래 방법인 상온에서 필렛 롤링을 실시한 경우와 79~351℃까지 각 온도마다 필렛 롤링을 한 경우를 비교하여 나타내면 도 4과 같다.

도 4에 도시한 바와 같이 인장강도 시험 결과, 필렛 롤링 온도에 따라 인장강도가 달라지는 것을 알 수 있었으며, 온도가 증가할수록 인장강도는 증가하지만, 적정온도 이상이 될 경우에 강도는 다시 감소하였다.

이는 적정한 온도 구간에서 필렛 롤링을 시행해야만 강도가 증가한다는 것을 보여준다. 따라서 고온 필렛 롤링 방법에 있어서, 적정 온도구간은 168~309℃임을 알 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 필렛 롤링 시 작업 부를 적절한 온도로 가열하여 Bauschinger 효과에 의한 강도 감소를 방지하고, 재료의 강도를 향상시킨다.

2) 기존 합금 첨가강에 상온 필렛 롤링을 하던 방식과 달리, 저합금 철강재료(저가형)에 고온 필렛 롤링으로 대체가 가능하기 때문에 원가절감 측면에서 상당한 효과가 기대된다.

3) 고성능 및 고출력 엔진에 적합한 우수한 피로 특성과 고강도를 갖는 크랭 크 샤프트의 제조가 가능하며, 강도 향상에 의한 수익성이 향상된다.

Claims (2)

1. 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법에 있어서,

   강재질의 크랭크 샤프트를 회전시키면서 크랭크 샤프트의 핀 필렛부에 유도코일을 이용하여 168~309℃의 온도로 가열한 상태로 가압롤러를 이용하여 일정한 하중을 가하는 것을 특징으로 하는 자동차용 크랭크 샤프트의 필렛 롤링 방법.
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