KR101350273B1

KR101350273B1 - 단조가공법을 이용한 피스톤 조립체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101350273B1
Application number: KR1020130073627A
Authority: KR
Inventors: 김규태; 허정범
Original assignee: 지엔정밀 주식회사
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-01-14

Abstract

본 발명은 단조가공법에 의하여 제작된 피스톤과 슈로 구성된 피스톤 조립체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 피스톤과 슈를 단조가공법을 이용하여 제조함으로써 원재료의 사용량을 절감할 수 있어 제품원가의 저하에 따른 가격 경쟁력을 갖음과 동시에 단조가공법에 의한 각각의 제품의 조직의 치밀성, 피스톤 내경부의 조도개선 및 유류의 원활한 흐름을 유도할 수 있으며. 가공시 버의 발생을 원천적으로 방지할 수 있는 새로운 형태의 피스톤 조립체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

단조가공법을 이용한 피스톤 조립체 및 이의 제조방법{Processing method using a forged piston assembly and method for manufacturing the same}

일반적으로 단조가공법은 잘 알려진 바와 같이 고체인 금속재료를 해머 등으로 두들기거나 가압하는 기계적 방법으로 일정한 모양으로 만드는 가공방법으로써 두들기는 온도는 상온(常溫)인 경우도 있으나, 녹는점이 높은 재료에서는 다소 가열해야 할 때가 많다. 일반적으로 그 재료에서 재결정(再結晶)이 진행되는 온도를 경계로 하여 그 이상의 온도에서 단조하는 것을 열간단조(熱間鍛造), 재결정온도상에서 단조하는 것을 온간단조(溫間鍛造), 그보다 낮은 온도에서 단조하는 것을 냉간단조(冷間鍛造)라고 한다.

이러한 단조가공법은 고체재료의 조직을 균일하게 하고, 결정고체(結晶固體)에서는 결정입자의 크기를 작게 하기 위해 해머로 두들기는 조작을 단련(鍛鍊)이라 하고, 해머로 두들기지 않고 공구로 서서히 가압하여 소정의 모양으로 만드는 일을 프레스(press)라고 한다.

또한, 상기 단조가공법은 크게 평탄한 공구 사이에 소재를 놓고 적당히 돌리거나 위치를 바꾸어 두들기면서 바라는 모양의 제품으로 만드는 자유단조(自由鍛造)와, 일정한 모양으로 요각(凹刻)한 금형(金型) 사이에 소재를 끼우고 두들겨서 바라는 모양의 제품을 만드는 형단조(型鍛造)의 두 가지로 구분된다.

등록특허 제10-0581395호(등록일: 2006년05월11일) 냉장고 압축기용 볼조인트 피스톤은,

커넥팅 로드(30)의 볼(31)이 자유로이 회전가능하게 피스톤(40) 내측에 형성된 컵부분(41)의 오목한 요홈(42)에 맞물려 결합되는 냉장고 압축기의 볼조인트 피스톤에 있어서,

컵부분의 요홈(42)에 볼이 배치된 상태에서 코킹공정에 의해 컵부분의 상단부를 볼의 상면으로 만곡하여 조립할 때 컵부분의 상단부 내측에 제공되는 테프론의 링부재(43)는 상측이 하측보다 두께가 감소되게 내측면이 경사면으로 형성되어 코킹공정에 의해 만곡되는 컵부분의 상단부의 볼에 대한 가압력이 일정하게 유지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

그러나, 상기 테프론 링부재는 장기간 사용이 불가능하며 마찰에 의한 훼손시 상기 출원이 해결하고자하는 기술적 과제를 해결하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 피스톤의 가공에 사용되는 원자재의 사용량이 피스톤 완제품 대비 많이 소모되어 버려지는 원자재가 많이 발생하여 경제적이지 못한 문제점이 있다.

또한, 기계적인 가공에 의하여 제작된 피스톤 및 슈는 그 강도가 매우 약하여 장기간 사용으로 인한 변형 및 마모가 쉽게 발생하는 문제점이 있다.

또한, 종래 피스톤 및 슈는 앞서 설명한 바와 같이 선반 등의 절삭장치를 이용하여 제조됨으로써 피스톤 내부에 형성되는 유로의 표면이 거칠어 오일의 공급이 원활하지 않게 되어 실린더 내벽의 내마모성 확보가 어려운 문제점이 있으며, 피스톤과 슈는 원활한 슬라이딩을 위해, 높은 치수정밀도와 표면조도가 요구된다.

따라서, 상기 피스톤과 슈는 피스톤 내부에 형성된 유로의 조도를 개선할 필요성이 있으며, 원자재의 사용을 절감하여 생산원가를 절감하려는 노력이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 단조가공방법을 이용하여 피스톤 조립체에 충분한 내구성을 제공함과 더불어 환봉을 이용한 기계가공시보다 소재의 사용을 절감하여 제품의 원가절감을 기대할 수 있으며, 피스톤의 내경부의 조도를 개선하여 유류의 흐름을 원활하게 할 수 있으며 제품가공시 버의 발생을 원천적으로 방지할 수 있는 새로운 형태의 피스톤 조립체 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 형태에 따르면,

금형을 통한 형단조법으로 제작되며 원형의 몸체(11) 상부에 배출공(122)이 형성된 구 형태의 결합부(12)가 일체로 형성되고 내부에 상기 배출공(122)과 연통되는 유로(13)가 일체로 형성된 피스톤(10);

상기 결합부(12)에 끼움되는 결합공(21)이 중앙부분에 형성되며 이 결합공(21)과 연통되는 수용부(22)와 배출부(23) 및 외측에 단턱(24)이 일체로 금형을 통한 형단조법으로 제작되는 슈(20);

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유로(13)는 몸체(11)의 내부에 형성된 큰 지름의 유입로(131)와 결합부(12)의 내부에 형성된 배출로(133) 및 유입로(131)와 배출로(133)를 연결하는 깔대기 형상의 연결로(132)가 서로 연통되어 이루어짐을 특징으로 한다.

한편, 단조가공법을 이용한 피스톤 조립체 제조방법의 일 형태에 따르면,

강으로 이루어진 선재를 제작하려는 피스톤(10) 또는 슈(20)와 동일한 용량으로 절단하여 절단편(A)을 얻는 선재 절단단계;

절단편(A)의 양측에 펀치를 이용하여 가공위치를 체크하는 가공 준비단계;

상기 절단편(A)의 일측을 가압핀(미도시)으로 가압하여 오일이 유입되는 유입로(131)를 형성함과 동시에 절단편(A)의 길이가 길게 가변되는 1차단조가공단계;

상기 절단편(A)의 타측을 가압핀(미도시)으로 가압하여 오일이 배출되는 배출로(133)를 형성함과 동시에 절단편(A)의 길이가 가변되는 2차단조가공단계;

상기 유입로(131) 내부로 가압핀(미도시)을 삽입하고 가압하여 유입로(131)와 배출로(133)를 연결하는 깔대기 형태의 연결로(132)를 형성하는 3차단조가공단계;

상기 절단편(A)의 배출로(133) 외측부를 선반을 이용한 기계가공을 통하여 구 형태로 가공하여 몸체(11)와 결합부(12)로 구획하여 피스톤을 완성하는 피스톤 완성단계;

상기 절단단계에서 준비된 슈가공용 절단편에 펀치로 가공위치를 체크하는 슈 가공준비단계;

절단편(A)의 일측을 가압핀(미도시)으로 가압하여 결합공(21)과 배출부(23)를 단조가공법으로 형성하는 슈 반가공단계;

상기 반가공단계에서 제작된 슈(20)의 외주면을 단턱지게 제작하는 슈 완성단계;

상기 피스톤(10)의 결합부(12)를 슈(20)의 결합공(21)에 끼움조립하여 피스톤 조립체를 완성하는 완성단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 슈 반가공단계에서 제작되는 결합공(21)과 배출부(23) 사이에 배출부(23)에 비하여 넓은 원형 형태의 오일 수용부(22)를 더 포함하여 형성함으로써 피스톤의 배출부를 통하여 유입된 오일이 슈의 각도 변화에서 원활하게 배출부를 통하여 배출될 수 있도록 구성함을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 피스톤 조립체는 단조가공법에 의하여 경도 및 강도가 증가되는 효과에 의하여 피스톤 조립체의 마모율을 저하시킬 수 있으며, 환봉을 통한 기계가공시보다 자재의 소비를 줄일 수 있어 원자재의 소비를 절감하는 효과가 있으며 이러한 효과는 제품원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 피스톤 유로의 내면을 평활하게 형성할 수 있어 유류의 흐름을 원활하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 피스톤의 가공시 버의 발생을 방지함으로써 2차가공이 필요없고 정확한 제품을 제작할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단조가공법을 이용하여 제작된 피스톤 조립체의 분해 사시도
도 2는 본 발명에 따른 단조가공법을 이용하여 제작된 피스톤 조립체의 결합 단면도
도 3은 본 발명에 따른 단조가공법을 이용하여 제작된 피스톤 조립체의 제조공정을 설명하기 위한 공정도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 단조가공법을 이용하여 제작된 피스톤 조립체의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 단조가공법을 이용하여 제작된 피스톤 조립체의 결합 단면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 피스톤 조립체는 크게 피스톤(10)과 상기 피스톤(10)의 결합부(12)에 각도가 변형가능하게 끼움되는 슈(20)로 구성된다.

상기 피스톤(10)은 강으로 이루어진 선재를 제작하려는 피스톤과 동일한 용량으로 절단하여 절단편을 형성하고 이 절단편을 금형을 통한 형단조법을 통하여 원형의 몸체(11) 상부에 배출공(122)이 형성된 구 형태의 결합부(12)가 일체로 형성되고 내부에 상기 배출공(122)과 연통되는 유로(13)를 일체로 형성한다.

또한, 상기에서 유로(13)는 몸체(11)의 내부에 형성된 큰 지름의 유입로(131)와 결합부(12)의 내부에 형성된 배출로(133) 및 유입로(131)와 배출로(133)를 연결하는 깔대기 형상의 연결로(132)가 서로 연통되어 이루어져 유입로 측으로 유입되는 오일이 상기 피스톤(10)과 조립되는 슈(20) 측으로 원활하게 이동할 수 있도록 한다.

또한, 상기 유로(13)는 아래 표1에서 확인되는 바와 같이 유로의 내면의 조도가 기존 드릴가공시보다 매끄럽게 조도가 개선됨으로써 오일의 흐름이 향상되는 특징을 갖는다.

표 1은 피스톤 내부 유로의 드릴가공시와 단조가공시의 조도비교 사진이다.

상기 슈(20)는 상기 피스톤(10)의 결합부(12)에 끼움되는 결합공(21)이 중앙부분에 형성되며 이 결합공(21)과 연통되는 수용부(22)와 배출부(23) 및 외측에 단턱(24)이 금형을 통한 형단조법을 통하여 일체로 제작된다.

또한, 피스톤(10)의 유로(13)를 통하여 유입되는 오일이 배출부(23)를 통하여 배출되는 과정에서 슈(20)의 각도가 변화하더라도 수용부(22)의 내부로 오일이 수용된 상태에서 이동될 수 있도록 함으로서 슈(20)가 다양한 각도로 변화하더라도 막힘없이 원활하게 오일을 배출할 수 있는 특징이 있다.

또한, 상기 슈(20)는 피스톤(10)과 동일하게 형단조법에 의하여 제작됨으로써 기계적인 가공을 통한 제작시에 비하여 원재료의 사용을 절감할 수 있어 제품원가를 절감할 수 있는 특징이 있으며, 가공시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 특징과 기계가공에 비하여 우수한 경도를 갖는다.

표 2는 형단조법에 의하여 제작된 슈의 위치별 경도를 측정한 데이터이다

표 2에서 확인되는 바와 같이 형단조법에 의하여 제작된 슈는 전체 경도가 상승하여 마모율이 저하되는 것을 알 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 단조가공법을 이용하여 제작된 피스톤 조립체의 제조공정을 도 3을 참조하여 단계별로 설명하면 다음과 같다.

< 선재 절단단계 >(a)

강으로 이루어진 코일 형태의 선재를 제작하려는 피스톤 또는 슈와 동일한 용량으로 절단하여 절단편(A,B)을 형성한다.

이러한 절단편(A, B)은 용량이 최종 완성되는 피스톤 또는 슈와 동일한 용량을 갖음으로써 완제품의 치수정밀도가 높고 원자재를 절감할 수 있는 특징을 갖는다.

또한, 버의 생성이 최소화 됨으로써 버제거를 위한 2차공정이 불필요한 특징이 있다.

< 가공 준비단계 >(b)

상기와 같이 절단된 절단편(A)의 양측에 펀치를 이용하여 가압핀을 이용하여 가압할 위치를 설정한다.

상기와 같이 가압핀을 위한 가압전에 펀치로 위치를 설정함으로써 더욱 정밀한 제품을 생산할 수 있다.

< 1차 단조가공 단계 >(c)

절단편(A)에 펀치로 설정된 위치에 가압핀을 위치시키고 가압하여 오일이 유입되는 유입로(131)를 형성한다.

이때, 절단편(A)에 유입로를 형성하는 과정에서 절단편(A)의 길이는 초기 절단편에 비하여 길어지며, 상기와 같은 길이 치수의 변화에 따라서 절단편은 피스톤 완제품의 길이와 유사한 길이로 변형된다.

또한, 상기 절단편(A)은 원형의 환봉 형태를 갖는다.

< 2차 단조가공 단계 >(d)

상기와 같이 절단편에 유입로(131)가 형성된상태에서 상기 유입로(131)의 반대편에 유입로의 형성과정과 동일한 방법으로 배출로(133)를 형성한다.

상기 배출로(133)는 유입로(131)에 비하여 작은 지름을 갖도록 형성함으로서 유입로(131) 형성용 가압핀(미도시)에 비하여 작은 지름의 가압핀(미도시)을 이용하여 가공한다.

< 3차 단조 가공 단계 >(e)

상기 절단편(A)의 양측에 형성된 각각의 유입로(131)와 배출로(133)를 연결하기 위하여 가압핀(미도시)을 유입로(131) 측으로 유입시켜 가압하여 깔대기 형태의 연결로(132)를 형성하여 유입로 측으로 유입된 오일이 배출로 측으로 원활하게 이동할 수 있도록 한다.

또한, 상기 연결로(132)가 깔대기 형태로 형성됨으로써 오일이 걸림없이 원활하게 이동할 수 있으며 단조법으로 형성된 유입로(131)와 배출로(133) 및 연결로(132)의 표면이 상기에서 설명한 바와 같이 매끄러운 표면을 갖음으로써 더욱 오일의 흐름을 원활하게 할 수 있는 특징이 있다.

< 피스톤 완성단계 >(f)

상기와 같이 오일이 흐름을 위하여 유입로(131)와 연결로(132) 및 배출로(133)를 절단편(A)에 형성한 상태에서 배출로(133)의 외부면을 선반 등의 기계장치를 이용하여 가공하여 구 형태를 갖도록 가공함으로써 가공하여 몸체(11)와 결합부(12)로 구획된 피스톤을 완성한다.

< 슈 가공 준비 단계 >(g)

상기 슈(20)는 앞서 설명한 피스톤 제조과정 중 선재 절단단계와 같이 슈를 가공하기 위한 용량의 선제를 절단하여 준비한 절단편(B)에 펀치를 이용하여 가압할 위치를 설정한다.

< 슈 반가공 단계 >(h)

상기와 같이 절단편(B)을 금형에 위치시키고 금형 내부에서 가압핀을 이용하여 가압하여 형단조법으로 결합공과 배출부를 형성한다.

< 슈 완성단계 >(i)

상기 반가공 상태의 슈의 외주면을 단조법으로 가공하여 단턱지게 형성하여 슈를 완성한다.

< 완성 단계 >(j)

상기와 같이 제작된 피스톤(10)과 슈(20)를 조립하여 조립체로 구성하는데, 상기 피스톤(10)의 구 형태의 결합부(12) 외측에 슈(20)의 결합공(21)을 끼움조립한 상태에서 슈(20)의 외면을 스웨징(swaging)하여 피스톤(10)과 슈(20)를 견고하게 연결하여 피스톤 조립체를 완성한다.

표 3은 형단조법으로 제작된 피스톤 및 슈의 조직분석 결과표이다.

상기와 같은 형단조법을 이용하여 제작된 피스톤과 슈는 표 3에서 확인되는 바와 같이 조직이 치밀하고 제작하려는 피스톤 및 슈와 동일한 용량으로 절단한 절단편을 이용하여 제작함으로써 치수정밀도가 높고 버가 거의 발생하지 않음으로써 종래에 행하여졌던 버제거 공정도 불필요하게 된다.

따라서, 이 제조방법에서는, 종래의 제조방법에 비하여 많은 공정을 생략할 수가 있기 때문에, 제조시간을 단기화할 수 있음과 동시에, 설비비나 소모품비를 저렴화할 수 있고, 나아가서는 제조비용의 저렴화를 실현할 수 있다. 또한, 공정수가 감소함으로써, 에너지의 불필요한 소비도 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

10 : 피스톤 11 : 몸체
12 : 결합부 13 : 유로
131 : 유입로 132 : 연결로
133 : 배출로 20 : 슈
21 : 결합공 22 : 수용부
23 : 배출부

Claims

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강으로 이루어진 선재를 제작하려는 피스톤(10) 또는 슈(20)와 동일한 용량으로 절단하여 절단편(A,B)을 얻는 선재 절단단계;
절단편(A)의 양측에 펀치를 이용하여 가공위치를 체크하는 가공 준비단계;
상기 절단편(A)의 일측을 가압핀(미도시)으로 가압하여 오일이 유입되는 유입로(131)를 형성함과 동시에 절단편(A)의 길이가 길게 가변되는 1차단조가공단계;
상기 절단편(A)의 타측을 가압핀(미도시)으로 가압하여 오일이 배출되는 배출로(133)를 형성함과 동시에 절단편(A)의 길이가 가변되는 2차단조가공단계;
상기 유입로(131) 내부로 가압핀(미도시)을 삽입하고 가압하여 유입로(131)와 배출로(133)를 연결하는 깔대기 형태의 연결로(132)를 형성하는 3차단조가공단계;
상기 절단편(A)의 배출로(133) 외측부를 선반을 이용한 기계가공을 통하여 구 형태로 가공하여 몸체(11)와 결합부(12)로 구획하여 피스톤을 완성하는 피스톤 완성단계;
상기 절단단계에서 준비된 슈가공용 절단편(B)에 펀치로 가공위치를 체크하는 슈 가공준비단계;
절단편(B)의 일측을 가압핀(미도시)으로 가압하여 결합공(21)과 배출부(23)를 단조가공법으로 형성하는 슈 반가공단계;
상기 반가공단계에서 제작된 슈(20)의 외주면을 단턱지게 제작하는 슈 완성단계;
상기 피스톤(10)의 결합부(12)를 슈(20)의 결합공(21)에 끼움조립하고 외측면을 스웨징하여 피스톤 조립체를 완성하는 완성단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단조가공법을 이용한 피스톤 조립체 제조방법
제 3항에 있어서,
상기 슈 반가공단계에서 제작되는 결합공(21)과 배출부(23) 사이에 배출부(23)에 비하여 넓은 원형 형태의 오일 수용부(22)를 더 포함하여 형성함으로써 피스톤의 배출부를 통하여 유입된 오일이 슈의 각도 변화에서 원활하게 배출부를 통하여 배출될 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 단조가공법을 이용한 피스톤 조립체 제조방법