KR101315361B1 - 샤프트 제조 방법 - Google Patents

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KR101315361B1 KR1020120050548A KR20120050548A KR101315361B1 KR 101315361 B1 KR101315361 B1 KR 101315361B1 KR 1020120050548 A KR1020120050548 A KR 1020120050548A KR 20120050548 A KR20120050548 A KR 20120050548A KR 101315361 B1 KR101315361 B1 KR 101315361B1
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Abstract

본 발명은 샤프트 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 터보차저(Turbo Charger)용의 샤프트 제조 방법으로서, (1) 샤프트 제조용 원재료(Raw material)에 대한 밀 시트(Mill Sheet) 및 치수(Dimension)를 검사하고 샤프트 제조를 준비하는 단계; (2) 상기 원재료의 경도를 강화하기 위한 열처리(Heat Treatment) 공정을 수행하는 단계; (3) 상기 열처리 공정이 수행된 샤프트 제조용 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 헤드 터닝(Head Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계; (4) 상기 헤드 터닝의 절삭 가공이 수행된 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 샤프트 터닝(Shaft Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계; 및 (5) 상기 샤프트 터닝의 절삭 가공의 공정 수행으로 제조된 샤프트에 대해 연마, 최종 치수 검사, 및 세정의 공정을 진행하여 제조를 완료하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 샤프트 제조 방법에 따르면, 터보차저에서 배기가스의 고온, 고압력 에너지를 고속회전의 운동에너지로 바꿔주는 터빈 휠과, 공기를 압축하는 컴프레서 휠을 서로 연결하는 샤프트가 고정밀 및 고강성을 갖도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 샤프트를 제조하는 공정에서 열처리를 통한 샤프트의 경도 강화 시에 발생하는 비틀림에도 샤프트 제품의 열처리 변형량을 최소화하는 공정으로 샤프트의 가공이 가능하도록 함으로써, 샤프트 제조의 불량을 최소화함은 물론, 고정밀 및 고강성을 갖는 샤프트의 생산성이 향상될 수 있도록 할 수 있다.

Description

샤프트 제조 방법{SHAFT MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 샤프트 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량의 터보차저(Turbo Charger)에서 배기가스의 고온, 고압력 에너지를 고속회전의 운동에너지로 바꿔주는 터빈 휠과, 공기를 압축하는 컴프레서 휠을 서로 연결하는 고정밀 및 고강성의 터보차저용의 샤프트 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 터보차저(Turbo Charger)는 차량 엔진의 출력을 향상시키기 위한 주요 구성 중 하나이다. 이와 같은 터보차저는, 샤프트의 일단에 터빈 휠이 일체로 회전되게 장착되고, 샤프트의 타단에는 컴프레서 휠이 일체로 회전되게 장착되며, 엔진에서 배출되는 배기가스가 터빈을 감싸고 있는 터빈 하우징으로 유입되어 터빈 휠을 고속으로 회전시키고, 터빈 휠의 고속 회전으로 샤프트와 컴프레서 휠이 함께 회전하면서 컴프레서 휠을 감싸고 있는 컴프레서 하우징을 통해 공기가 흡입되며, 이렇게 흡입된 공기는 가압되면서 연소실로 보내지게 되고, 이는 엔진의 충진 효율을 향상시키고 출력을 증대시킬 수 있게 된다.
도 1은 차량용 터보차저의 구조를 일부 절개의 사시도로 도시한 도면이고, 도 2는 차량용 터보차저의 구동원리를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 3은 차량용 터보차저에서 각각의 하우징을 제거한 상태를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 터보차저는 압축 공기의 통로 역할을 하는 컴프레서 하우징(11)과, 공기를 압축하여 연소실로 공급하는 컴프레서 휠(12)과, 고속 회전하는 샤프트(15)를 보호하고 지지하는 베어링 시스템(13)과, 배기가스의 통로 역할을 하는 터빈 하우징(14)과, 터빈 휠(16)과 컴프레서 휠(12)을 연결하여 터빈 휠(16)의 회전과 동시에 컴프레서 휠(12)을 회전시키기 위한 샤프트(15), 및 배기가스에 의해 회전하는 터빈 휠(16)을 포함하여 구성된다. 이때, 터보차저용의 샤프트(15)는, 배기가스의 고온 고압력 에너지를 고속회전 운동에너지로 바꿔주는 터빈 휠(16)과, 공기를 압축하는 컴프레서 휠(12)을 서로 연결해주는 구성으로서, 터보차저에서 동일 샤프트(15)를 통한 고온과 저온 환경에서 고속 회전이 요구됨에 따라 샤프트의 비틀림(Shaft Torsion)이 발생될 우려가 있으므로, 터보차저용으로 구성되는 샤프트는 고정밀 및 고강성이 요구된다.
즉, 차량 엔진의 효율 및 출력을 향상시키기 위한 터보차저에서 샤프트의 구성은 매우 중요하다. 고온과 저온 환경에서 고속 회전하는 샤프트에 비틀림이 발생하거나, 열 충격으로 인한 불량 발생 시 터보차저의 성능을 저하시키는 문제로 작용한다. 따라서 터보차저의 성능을 향상시키고 안정되게 유지하기 위해서는 고정밀 및 고강성의 샤프트가 요구되고 있으나, 현재 대부분의 샤프트는 수입에 의존하고 있는 실정이다. 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0047842호(2007.05.07. 공개)에는 배기가스 터보차저가 개시되어 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 터보차저에서 배기가스의 고온, 고압력 에너지를 고속회전의 운동에너지로 바꿔주는 터빈 휠과, 공기를 압축하는 컴프레서 휠을 서로 연결하는 샤프트가 고정밀 및 고강성을 갖도록 하는, 샤프트 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 샤프트를 제조하는 공정에서 열처리를 통한 샤프트의 경도 강화 시에 발생하는 비틀림에도 샤프트 제품의 열처리 변형량을 최소화하는 공정으로 샤프트의 가공이 가능하도록 함으로써, 샤프트 제조의 불량을 최소화함은 물론, 고정밀 및 고강성을 갖는 샤프트의 생산성이 향상될 수 있도록 하는, 샤프트 제조 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 샤프트 제조 방법은,
터보차저(Turbo Charger)용의 샤프트 제조 방법으로서,
(1) 샤프트 제조용 원재료(Raw material)에 대한 밀 시트(Mill Sheet) 및 치수(Dimension)를 검사하고 샤프트 제조를 준비하는 단계;
(2) 상기 원재료의 경도를 강화하기 위한 열처리(Heat Treatment) 공정을 수행하는 단계;
(3) 상기 열처리 공정이 수행된 샤프트 제조용 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 헤드 터닝(Head Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계;
(4) 상기 헤드 터닝의 절삭 가공이 수행된 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 샤프트 터닝(Shaft Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계; 및
(5) 상기 샤프트 터닝의 절삭 가공의 공정 수행으로 제조된 샤프트에 대해 연마, 최종 치수 검사, 및 세정의 공정을 진행하여 제조를 완료하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (1)에서는,
상기 샤프트 제조용 원재료에 대한 외관의 크랙(Crack) 및 버(Burr)를 검사하는 체크 공정을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (2)에서는,
상기 샤프트 제조용 원재료에 대한 열처리를 통해 HBW355~410(HRc38~44)의 경도를 갖도록 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (2)에서는,
상기 샤프트 제조용 원재료의 외관에 대한 크랙(Crack)을 검사하는 체크 공정을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (3)에서의 헤드 터닝의 절삭 가공은,
상기 샤프트 제조용 원재료의 헤드 부분의 9 포인트에 대한 가공으로 이루어질 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (4)에서의 샤프트 터닝의 절삭 가공은,
상기 헤드 터닝의 절삭 가공된 부분을 고정하고, 그 헤드 터닝의 절삭 가공된 부분을 기준으로 샤프트 터닝의 5 포인트에 대한 절삭 가공이 수행됨으로써, 샤프트의 열처리 변형량의 최소 공정이 수행되도록 할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 샤프트 제조 방법에 따르면, 터보차저에서 배기가스의 고온, 고압력 에너지를 고속회전의 운동에너지로 바꿔주는 터빈 휠과, 공기를 압축하는 컴프레서 휠을 서로 연결하는 샤프트가 고정밀 및 고강성을 갖도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 샤프트를 제조하는 공정에서 열처리를 통한 샤프트의 경도 강화 시에 발생하는 비틀림에도 샤프트 제품의 열처리 변형량을 최소화하는 공정으로 샤프트의 가공이 가능하도록 함으로써, 샤프트 제조의 불량을 최소화함은 물론, 고정밀 및 고강성을 갖는 샤프트의 생산성이 향상될 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 차량용 터보차저의 구조를 일부 절개의 사시도로 도시한 도면.
도 2는 차량용 터보차저의 구동원리를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 3은 차량용 터보차저에서 각 하우징을 제거한 상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법에 따른 터보차저용 샤프트의 가공 처리 상태를 순차로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법에서, 샤프트 열처리 변형량의 최소 공정을 설명하기 위해 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법은, 샤프트 제조를 준비하는 단계(S100), 열처리(Heat Treatment) 공정을 수행하는 단계(S200), 헤드 터닝(Head Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계(S300), 샤프트 터닝(Shaft Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계(S400), 및 연마, 최종 치수 검사, 및 세정의 공정을 진행하여 제조를 완료하는 단계(S500)를 포함하여 구현될 수 있다.
단계 S100에서는, 샤프트 제조용 원재료(Raw material)에 대한 밀 시트(Mill Sheet) 및 치수(Dimension)를 검사하고 샤프트 제조를 준비한다. 이때, 단계 S100에서는 샤프트 제조용 원재료에 대한 외관의 크랙(Crack) 및 버(Burr)를 검사하는 체크 공정을 더 포함할 수 있다. 여기서, 밀 시트(Mill Sheet)란, 재료 메이커가 발행하는 금속 재료의 시험 성적 증명서, 예를 들면, 강재의 경우 그 화학 성분, 열처리, 규격, 종류, 기호, 제조 방법, 기계적 성질 시험 등을 상세하게 표시한 것을 말한다. 단계 S100에서 검사를 위한 측정 장비로는 M/M, 롤 룰러(Roll Ruler), 및 멀티 터닝 머신(Multi Turning Machine)이 사용될 수 있다.
단계 S200에서는, 샤프트 제조용 원재료의 경도를 강화하기 위한 열처리(Heat Treatment) 공정을 수행한다. 단계 S200에서는 샤프트 제조용 원재료에 대한 열처리를 통해 HBW355~410(HRc38~44)의 경도를 갖도록 구성할 수 있다. 또한 단계 S200에서는 열처리 공정 이후 샤프트 제조용 원재료의 외관에 대한 크랙(Crack)을 검사하는 체크 공정을 더 포함할 수 있다.
단계 S300에서는, 단계 S200에서의 열처리 공정이 수행된 샤프트 제조용 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 헤드 터닝(Head Turning)의 절삭 가공을 수행한다. 이때, 단계 S300에서의 헤드 터닝의 절삭 가공은, 도 5의 (c) 및 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 복수의 링 형상이 단차지게 형성되며, 이러한 헤드 터닝의 절삭 가공에 의해 형성된 헤드 부분은 도 1 내지 도 3에 도시된 터보차저의 터빈 휠(16)에 대응하는 형상 구조로 장착이 이루어지게 된다. 즉, 샤프트 제조용 원재료의 헤드 부분에 대한 헤드 터닝의 절삭 가공은 터빈 휠(16)에 대응하여 장착될 수 있는 형상 구조를 갖도록 9포인트 지점에서 절삭 가공으로 이루어지며, 절삭 가공된 헤드 영역의 치수 체크의 공정이 수행되어 불량과 양품을 판단하는 공정이 더 수행될 수 있다.
단계 S400에서는, 단계 S300에서의 헤드 터닝의 절삭 가공이 수행된 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 샤프트 터닝(Shaft Turning)의 절삭 가공을 수행한다. 단계 S400에서의 샤프트 터닝의 절삭 가공은, 헤드 터닝의 절삭 가공된 부분을 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 지그(미도시) 및 고정구(미도시)를 사용하여 고정하고, 그 헤드 터닝의 절삭 가공된 부분을 기준으로 샤프트 바디에 대해 샤프트 터닝의 5포인트 지점에 대한 절삭 가공을 수행함으로써, 샤프트의 열처리 변형량의 최소 공정이 수행될 수 있도록 한다. 즉, 샤프트의 열처리 변형량의 최소 공정이란, 앞서 설명한 단계 S200에서의 열처리 공정 시에 샤프트 제조용 원재료가 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 헤드 부분을 제외한 샤프트의 바디 부분에 일부 비틀림이 발생되더라도, 단계 S300의 헤드 터닝의 절삭 가공을 수행한 후, 절삭 가공 처리된 샤프트의 헤드 부분의 중심축을 기준으로 샤프트 터닝의 절삭 가공을 처리하는 것을 의미한다. 즉, 샤프트의 바디 부분에 일부 비틀림이 발생되더라도 헤드 부분으로부터 지름이 좁아지는 단차진 형태로 샤프트의 바디의 절삭 가공이 수행됨으로써, 샤프트 제조용 원재료의 열처리 변형량에도 샤프트 제조를 위한 가공 수행에는 문제가 발생되지 않으며, 이를 통한 샤프트 제조의 불량을 최소화할 수 있게 된다.
단계 S500에서는, 단계 S400에서의 샤프트 터닝의 절삭 가공의 공정 수행으로 제조된 샤프트에 대해 연마, 최종 치수 검사, 및 세정의 공정을 진행하여 제조를 완료한다. 이때, 최종 치수 검사에는 측정 장비로서 CMM, M/M 등이 사용될 수 있으며, 제조를 완료한 샤프트의 외관에 대해 버(burr)와 스크래치(scratch)의 상태를 체크한다. 그리고 세정의 과정에서는 워싱 머신(Washing Machine)을 사용하여 초음파 세척을 진행한다. 이후에는 포장을 통한 샤프트 제품의 배송이 이루어질 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법의 각 단계의 공정에 사용되는 장비들은 터보차저의 샤프트를 제조함에 있어 통상적으로 사용되는 장비이므로, 각 장비들에 대한 불필요한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법은, 자동차의 연비를 향상시키고 매연을 감소시키는 터보차저용의 샤프트로서, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 헤드 부분은 복수의 링 형태가 단차지게 절삭 가공되고, 바디 부분은 헤드 부분으로부터 지름이 작아지는 단차진 형태로 구성되고, 끝단 부위에는 나사부가 형성된다. 이러한 샤프트는 헤드 부분이 터빈 휠(16)에 연결 장착되고, 바디 부분이 컴프레서 휠(12)에 연결 장착되어, 터보차저의 구동 시에 컴프레서 휠(12) 및 터빈 휠(16)과 고속으로 회전하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법에 따른 터보차저용 샤프트의 가공 처리 상태를 순차로 도시한 도면이다. 도 5의 (a)는 단계 S100의 터보차저용 샤프트를 제조하기 위한 샤프트 제조용 원재료를 나타내고, 도 5의 (b)는 샤프트 제조용 원재료에 경도 강화를 위해 단계 S200의 열처리 공정을 수행한 상태를 나타내며, 도 5의 (c)는 단계 S300의 헤드 터닝의 절삭 가공이 수행된 상태를 나타내고, 도 5의 (d)는 단계 S400의 샤프트 터닝의 절삭 가공이 수행된 상태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 샤프트 제조 방법에서, 샤프트 열처리 변형량의 최소 공정을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 6의 (a)는 단계 S200의 열처리 공정을 수행하기 이전, 샤프트 제조용 원재료를 도시하고, 도 6의 (b)는 단계 S200의 열처리 공정을 수행한 후에 샤프트 제조용 원재료의 바디 부분에 비틀림이 발생한 상태를 나타내며, 도 6의 (c)는 앞서 설명한 바 있는 단계 S400의 샤프트 터닝의 절삭 가공의 공정을 나타낸다. 여기서, 도 6의 (c)는 단계 S200을 통한 열처리 공정에서 바디 부분에 비틀림이 발생하더라도 단계 S300의 헤드 터닝의 절삭 가공의 공정 이후, 헤드 부분을 지그 및 고정구로 고정한 상태에서, 헤드 부분의 중심을 기준으로 샤프트 터닝의 절삭 가공이 진행될 수 있도록 함으로써, 샤프트 제품의 열처리 변형량에 대한 최소 공정으로 샤프트의 제조를 완료함으로써, 샤프트 제품의 불량 발생을 최소화 할 수 있게 된다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
11: 컴프레서 하우징 12: 컴프레서 휠
13: 베어링 시스템 14: 터빈 하우징
15: 샤프트 16: 터빈 휠
S100: 샤프트 제조용 원재료(Raw material)에 대한 밀 시트(Mill Sheet) 및 치수(Dimension)를 검사하고 샤프트 제조를 준비하는 단계
S200: 원재료의 경도를 강화하기 위한 열처리(Heat Treatment) 공정을 수행하는 단계
S300: 열처리 공정이 수행된 샤프트 제조용 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 헤드 터닝(Head Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계
S400: 헤드 터닝의 절삭 가공이 수행된 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 샤프트 터닝(Shaft Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계
S500: 샤프트 터닝의 절삭 가공의 공정 수행으로 제조된 샤프트에 대해 연마, 최종 치수 검사, 및 세정의 공정을 진행하여 제조를 완료하는 단계

Claims (6)

  1. 터보차저(Turbo Charger)용의 샤프트 제조 방법으로서,
    (1) 샤프트 제조용 원재료(Raw material)에 대한 밀 시트(Mill Sheet) 및 치수(Dimension)를 검사하고 샤프트 제조를 준비하는 단계;
    (2) 상기 원재료의 경도를 강화하기 위한 열처리(Heat Treatment) 공정을 수행하는 단계;
    (3) 상기 열처리 공정이 수행된 샤프트 제조용 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 헤드 터닝(Head Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계;
    (4) 상기 헤드 터닝의 절삭 가공이 수행된 원재료에 대해 CNC 터닝 머신을 이용하여 샤프트 터닝(Shaft Turning)의 절삭 가공을 수행하는 단계; 및
    (5) 상기 샤프트 터닝의 절삭 가공의 공정 수행으로 제조된 샤프트에 대해 연마, 최종 치수 검사, 및 세정의 공정을 진행하여 제조를 완료하는 단계를 포함하며,
    상기 단계 (1)에서는, 상기 샤프트 제조용 원재료에 대한 외관의 크랙(Crack) 및 버(Burr)를 검사하는 체크 공정을 더 포함하고,
    상기 단계 (2)에서는, 상기 샤프트 제조용 원재료에 대한 열처리를 통해 HBW355~410(HRc38-44)의 경도를 갖도록 구성하고, 상기 샤프트 제조용 원재료의 외관에 대한 크랙(Crack)을 검사하는 체크 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 샤프트 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 (3)에서의 헤드 터닝의 절삭 가공은,
    상기 샤프트 제조용 원재료의 헤드 부분의 9 포인트에 대한 가공으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 샤프트 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 (4)에서의 샤프트 터닝의 절삭 가공은,
    상기 헤드 터닝의 절삭 가공된 부분을 고정하고, 그 헤드 터닝의 절삭 가공된 부분을 기준으로 샤프트 터닝의 5 포인트에 대한 절삭 가공이 수행됨으로써, 샤프트의 열처리 변형량의 최소 공정이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는, 샤프트 제조 방법.
KR1020120050548A 2012-05-12 2012-05-12 샤프트 제조 방법 KR101315361B1 (ko)

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