KR101353353B1 - 캠샤프트 어셈블리 및 캠샤프트 어셈블리 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캠샤프트 어셈블리 및 캠샤프트 어셈블리 제조방법에 관한 것으로써, 특히, 중공 파이프와 상기 중공 파이프에 결합되는 캠으로 구성되는 중공 캠샤프트와, 상기 캠샤프트에 조립되는 엔드피스를 포함하며, 상기 엔드피스는 주물로 형성되며, 상기 엔드피스는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트와 이종재료로 형성되며, 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트는 브레이징 접합을 통해 서로 접합되어, 엔드피스의 기계가공시 발생하는 버 발생을 방지할 수 있는 동시에 이종재료의 엔드피스와 캠샤프트를 용이하게 접합시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 캠샤프트 어셈블리 및 캠샤프트 어셈블리 제조방법에 관한 것이다.

Description

캠샤프트 어셈블리 및 캠샤프트 어셈블리 제조방법{Camshaft assembly and manufacturing method of camshaft assembly}

본 발명은 조립식 캠샤프트용 주물 엔드피스의 접합방법에 관한 것으로써, 특히, 중공 파이프와 상기 중공 파이프에 결합되는 캠으로 구성되는 중공 캠샤프트와, 상기 캠샤프트에 조립되는 엔드피스를 포함하며, 상기 엔드피스는 주물품 중 기계적 특성이 뛰어난 구상흑연주철(FCD70)로 형성되며, 상기 엔드피스는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트와 이종재료로 형성되며, 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트는 Cu 브레이징을 이용한 고상확산접합을 통해 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 조립식 캠샤프트용 주물 엔드피스의 접합방법에 관한 것이다.

종래의 캠샤프트 어셈블리에서는 엔드피스의 소재로 S45C(탄소강재)를 사용하거나 가공성 향상을 위해 SUM43(쾌삭강재)을 주로 사용하였다. 그러나, 이러한 소재는 환봉 형태의 소재를 구입 후, 기계가공을 거쳐 최종형상의 제품을 만들어야 하기 때문에 제품 제조 과정에서 스크랩으로 버려지는 재료의 양이 많아 최종제품의 가격경쟁력을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해서 일부에서는 엔드피스를 단조방식으로 제작하여 기계가공 시 버려지는 스크랩의 양을 최소화하여 가격경쟁력을 높이고 있다.

하지만 최근의 자동차 동향은 엔진의 효율성 향상을 위해 캠샤프트에 CVVT 구조물을 기본적으로 장착하여 연비 및 출력을 높이고 있다.

따라서 CVVT 구조물이 장착되는 캠샤프트의 엔드피스 부는 CVVT의 작동을 위해 오일이 공급될 수 있는 유로(油路) 및 홀(Hole) 형성을 위한 가공이 반드시 필요하다.

하지만 S45C, SUM43 재질은 높은 연신율을 가지고 있으며 특히, 소결공정을 포함하는 조립식 캠샤프트의 제조공정에서는 소결 후 더욱 증가한 연신율로 인해 버를 제거하기 힘든 문제점이 있다.

완전히 제거되지 못한 버는 엔진구동 중에 분리될 수 있으며 이는 엔진소착의 원인이 되기 때문에 버 제거 공정은 캠샤프트의 제조공정 중 매우 중요한 공정이라 할 수 있다.

주물재질을 적용한 캠샤프트용 엔드피스에 대한 발명은 한국등록실용 제290481호에 나타나있다.

상기 발명은 엔드피스의 가공에 따른 도구의 마모 감소 및 수명 향상을 위한 목적으로 S45C 보다 비교적 무른 주물재를 엔드피스로 사용하고 있다. 또한 용융접합 특성이 나쁜 주물재 엔드피스와 파이프(S45C)의 결합을 위해 파이프와 접합되는 엔드피스의 접합부(2)에는 파이프와 같은 재질을 사용하여 접합강도를 높이는 캠샤프트용 엔드피스(1)에 대해 제시하고 있어 이종재료로 이루어진 엔드피스를 성형하는데 어려움이 있는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 엔드피스의 기계가공 시 발생하는 버의 제거를 용이하게 할 수 있는 동시에 이종재료를 용이하게 접합시킬 수 있는 조립식 캠샤프트용 주물재 엔드피스의 접합방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캠샤프트 어셈블리는, 중공 파이프와 상기 중공 파이프에 결합되는 캠으로 구성되는 중공 캠샤프트와, 상기 캠샤프트에 조립되는 엔드피스를 포함하며, 상기 엔드피스는 주물재 중 기계적 특성이 우수한 구상흑연주철(FCD70)로 형성되며, 상기 엔드피스는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트와 이종재료로 형성되며, 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트는 Cu 브레이징을 이용한 고상확산접합을 통해 서로 접합된다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캠샤프트 어셈블리 제조방법은, 엔드피스를 주물로 성형하는 성형단계와, 상기 엔드피스와 접합하는 부분이 상기 엔드피스와 이종재료로 형성되는 캠샤프트에 상기 엔드피스를 조립하는 조립단계를 포함하며, 상기 조립단계에서는 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트를 Cu 브레이징을 이용한 고상확산접합을 통해 서로 접합시킨다.

상기 조립단계는 엔드피스와 캠샤프트 보다 융점이 낮은 연질의 금속링을 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트 사이에 배치시키고, 소결할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 캠샤프트 어셈블리 및 캠샤프트 어셈블리 제조방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

중공 파이프와 상기 중공 파이프에 결합되는 캠으로 구성되는 중공 캠샤프트와, 상기 캠샤프트에 조립되는 엔드피스를 포함하며, 상기 엔드피스는 주물재 중 기계적 특성이 우수한 구상흑연주철(FCD70)로 형성되며, 상기 엔드피스는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트와 이종재료로 형성되며, 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트는 Cu 브레이징을 이용한 고상확산접합을 이용하여 접합을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 접합력을 더욱 효과적으로 상승시킬 수 있고, 엔드피스의 기계가공 시 발생하는 버의 제거를 용이하게 할 수 있다.

또한, 엔드피스를 주물로 형성하게 되면 엔드피스의 최종형상과 유사한 형태로 제품을 제작할 수 있기 때문에 소재의 회수율을 높일 수 있고, 이로 인해 재료비를 줄일 수 있다.

구상흑연주철의 고상확산접합을 위한 연구가 국내의 한 대학에서 진행된 사례가 있다. 상기의 연구결과에 따르면 경도가 높아 소성변형이 어려운 구상흑연주철과 접합하고자 하는 SCM440 재질 사이에 연질 금속인 얇은 Ni 호일(foil)을 삽입한 후, 접합압력을 가하여 양 모재는 소성변형 하지 않고, 모재보다 연성이 좋은 Ni 호일을 모재의 표면 형상대로 변형시킴으로써 모재 사이의 보이드(void)를 소멸시켜 고상확산을 촉진시킨 사례이다.

하지만 캠샤프트의 제조 공정에서는 주물재 엔드피스와 캠샤프트 사이에 연질의 금속 호일을 삽입할 경우, 엔드피스를 파이프에 고정하는 단계에서 연질의 얇은 호일이 찢어지거나 밀리는 현상이 발생하여 생산성이 하락될 뿐만 아니라, 상기 연구에서와 같이 모재 사이의 보이드를 제거하기 위한 접합압력을 가할 수 없어 원활한 고상확산접합을 이룰 수 없다.

따라서 본 발명의 상기 조립단계는 엔드피스와 파이프 사이에 모재 보다 융점이 낮은 연질 금속인 Cu 링(ring)을 배치시키는 단계, 소결공정에서 용융된 Cu 링이 브레이징되면서 모재 사이의 보이드를 소멸시키는 단계, 엔드피스와 파이프의 고상확산접합 단계로 이루어져 엔드피스와 파이프를 용이하게 접합시킬 수 있을 뿐만 아니라 접합강도를 높일 수 있어 생산성 및 접합품질을 높이는 이점이 있다.

도 1은 종래의 발명에 따른 캠샤프트용 주물재 엔드피스의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엔드피스 측면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엔드피스 주물 형상(a) 및 제품 형상(b).
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캠샤프트 어셈블리 조립방법을 나타내는 상태도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캠샤프트 어셈블리 조립방법에서 금속링 용융 전 상태를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캠샤프트 어셈블리 조립방법에서 금속링 용융 후 상태를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 고상확산접합과 종래 브레이징 접합의 특성을 비교한 표.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 캠샤프트 어셈블리는, 중공 파이프(100)와 상기 중공 파이프(100)에 결합되는 캠(200)으로 구성되는 중공 캠샤프트와, 상기 캠샤프트에 조립되는 엔드피스(300)를 포함하며, 상기 엔드피스(300)는 주물재 중 기계적 특성이 뛰어난 구상흑연주철로 형성되며, 상기 엔드피스(300)는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트와 이종재료로 형성되며, 상기 엔드피스(300)와 상기 캠샤프트는 브레이징을 이용한 고상확산접합을 통해 서로 접합된다.

중공 캠샤프트는 중공 파이프(100)와 상기 중공 파이프(100)에 결합되는 캠(200)으로 구성된다.

중공 파이프(100)는 속이 빈 파이프로 구비되어 상기 캠샤프트의 축 역할을 하며, 저널부가 형성되어 있다.

중공 파이프(100)는 탄소강재(S45C)로 형성된다.

캠(200)은 중공 파이프(100)의 중간 부분에 결합되어 엔진의 흡/배기 밸브의 개폐 역할을 한다.

엔드피스(300)는 상기 캠샤프트의 중공 파이프(100)의 끝단에 조립된다.

엔드피스(300)는 CVVT 등과 같은 구조물이 장착되는 부분이다.

엔드피스(300)는 본체와, 상기 본체의 일측에 형성되는 접합부(340)와, 상기 본체와 상기 접합부(340) 사이에 형성된 플랜지 형상의 스러스트면(330)을 포함한다.

스러스트면(330)은 중공 파이프(100)가 걸리는 걸림턱 역할을 하여 캠샤프트의 위치 기준점으로 사용된다.

엔드피스(300)에는 축방향을 따라 유로(310)가 형성되어 있다.

상기 유로(310)에는 오일의 출입구에 해당하는 오일홀(320)이 연통되어 있다.

접합부(340)는 중공 파이프(100)와 결합되는 부분으로 중공 파이프(100)의 내경 보다 작게 형성된다.

접합부(340)에서 스러스트면(330)과 근접한 끝단에는 강제 압입부(343)가 형성된다.

강제 압입부(343)의 최대 외경은 접합부(340)의 외경보다 더 크게 형성되고, 중공 파이프(100)의 내경보다 크게 형성된다.

이러한 강제 압입부(343)는 엔드피스(300)와 중공 파이프(100) 조립시, 중공 파이프(100)가 압입된다. 따라서, 엔드피스(300)와 중공 파이프(100)의 조립후 확산접합이 이루어지기 전까지 엔드피스(300)와 중공 파이프(100)의 가조립 상태를 유지시켜주어 조립 공정이 용이해지고 조립 정밀도가 높아지는 이점이 있다.

강제 압입부(343)는 엔드피스(300)와 중공 파이프(100)의 확산접합시 용융된 Cu가 배출될 수 있도록 널링가공하여, 강제 압입부(343)의 외주면에는 치형(굴곡부)이 형성되어 있다. 즉, 강제 압입부(343)의 외주면에는 축방향으로 홈이 형성되어 있다. 이러한 강제 압입부(343)로 인해 Cu 용융에 의한 접합 유무를 육안으로 관찰할 수 있어서 접합 신뢰성을 용이하게 판단할 수 있다.

접합부(340)에서 강제 압입부(343)가 형성된 끝단의 반대면에는 끼움부(341)가 형성된다. 끼움부(341)는 외경이 접합부(340)보다 작게 형성되며, 외주면에 원호형상의 홈이 형성되어 이하 서술되는 Cu 링(400)으로 구비되는 연질의 금속링이 안정적으로 안착되어 끼워진 상태가 유지될 수 있다.

또한, 끼움부(341)의 끝단에는 끼움부(341)로 향할수록 외경이 커지도록 형성되어 외주면이 경사지게 형성된 걸림턱(342)이 형성된다. 따라서, 걸림턱(342)의 단면형상은 후크형상으로 형성된다. 걸림턱(342)으로 인해 엔드피스(300)와 캠샤프트 조립시 Cu 링(400)이 끼움부(341)에 원활하게 끼워질 수 있으며, Cu 링(400)이 끼움부(341)에 끼워진 후에는 Cu 링(400)이 빠지지 않도록 하여 생산성이 향상된다.

엔드피스(300)는 주물로 형성되며, 상기 캠샤프트의 중공 파이프(100)와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트의 중공 파이프(100)와 이종재료로 형성된다.

본 실시예에서는, 엔드피스(300)는 기계적 특성이 높은 구상흑연주철(FCD70)로 형성된다.

이와 같이 엔드피스(300)를 구상흑연주철로 형성하여, 높은 rpm 영역대에서 회전 굽힙응력을 지속적으로 받더라도 내구성이 유지되는 이점이 있다.

즉, 엔드피스(300)를 구상흑연주철로 형성하기 때문에 기존 소재(S45C) 대비하여 동등 이상의 기계적 특성을 갖게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 엔드피스(300)를 탄소강 보다 비싼 구상흑연주철을 사용하지만 주물 특성상 최종형상과 유사한 형태로 제품을 제작할 수 있기 때문에 재료비를 줄일 수 있다.

또한 엔드피스(300)를 구상흑연주철 재질로 하면, 연신율이 낮아서 버 생성이 억제되고, 버를 제거하는 공정에서의 효율성을 향상시켜 청정도 문제를 해결할 수 있다.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 실시예의 캠샤프트 어셈블리 제조방법을 설명한다.

본 실시예의 캠샤프트 어셈블리 제조방법은, 엔드피스(300)를 주물로 성형하는 성형단계와, 상기 엔드피스(300)와 접합하는 부분이 상기 엔드피스(300)와 이종재료로 형성되는 캠샤프트에 상기 엔드피스(300)를 조립하는 조립단계를 포함하며, 상기 조립단계는 상기 엔드피스(300)와 상기 캠샤프트를 Cu 브레이징을 이용한 고상확산접합을 통해 서로 접합시킨다.

상기 성형단계에서 엔드피스(300)는 구상흑연주철재로 주물을 통해 성형된다.

상기 조립단계는 엔드피스(300)의 구상흑연주철재의 접합부(340)를 탄소강재의 중공 파이프(100)에 끼워 넣어서 조립한다.

상기 조립단계는 연질의 Cu 링(400)을 상기 엔드피스(300)의 끼움부(341)에 배치시키고, 소결한다. 상기 연질의 Cu 링(400)이 의미하는 바는 엔드피스(300) 및 중공 파이프(100) 보다 녹는점이 낮은 금속링을 의미한다.

상기 조립단계는 도 5에 상세하게 나타내었다.

소결공정을 거치면서 Cu링(400)은 용융되어 도 6에 도시한 바와 같이, 모세관 현상에 의해 엔드피스(300)의 접합부(340)와 중공 파이프(100) 사이의 공간을 채워서 보이드를 소멸시키기 때문에 구상흑연주철과 탄소강 사이의 카본(Carbon) 함량차로 인한 고상확산접합이 원활하게 이루어질 수 있다. 이렇게 이루어진 구상흑연주철과 탄소강의 고상확산접합은 도7에 나타낸 바와 같이 일반적인 탄소강과 탄소강의 브레이징 접합과 비교하여 2배 이상의 접합강도를 나타낸다.

주물재 엔드피스(300)와 캠샤프트의 고상확산접합을 위해 두 모재 사이에 연질의 얇은 금속 호일을 삽입할 경우, 엔드피스(300)를 중공 파이프(100)에 고정하는 단계에서 연질의 호일이 찢어지거나 밀리는 현상이 발생하여 생산성이 하락될 뿐만 아니라, 캠샤프트의 제조공정 중에는 연질의 금속 호일이 두 모재의 표면형상 대로 변하게 하는 접합압력을 가할 수 없기 때문에 모재 사이에 잔존하는 보이드로 인해 원활한 고상확산접합을 이룰 수 없다.

따라서 본 발명과 같이 상기 조립단계에서 엔드피스(300)와 중공 파이프(100) 사이에 연질의 Cu링(400)을 배치시키는 것이 생산성 및 접합품질 향상에 이점이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 중공 파이프 200 : 캠
300 : 엔드 피스 400 : Cu 링

Claims (5)

1. 중공 파이프와 상기 중공 파이프에 결합되는 캠으로 구성되는 중공 캠샤프트;
   상기 캠샤프트에 조립되는 엔드피스를 포함하며,
   상기 엔드피스는 주물로 형성되며,
   상기 엔드피스는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트와 이종재료로 형성되며,
   상기 엔드피스와 상기 캠샤프트는 브레이징을 이용한 고상확산접합을 통해 서로 접합되며,
   상기 엔드피스는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트보다 연신율이 낮은 재료로 형성되며,
   상기 엔드피스에는 유로 또는 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 캠샤프트 어셈블리.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 엔드피스는 구상흑연주철재로 형성되며, 상기 캠샤프트는 탄소강재로 형성되며,
   상기 엔드피스는 본체와 상기 본체의 일측에 형성되는 접합부를 포함하며,
   상기 접합부 끝단에는 상기 중공 파이프가 압입되는 강제 압입부가 형성되고,
   상기 강제 압입부의 외주면에는 축방향으로 홈이 형성되어 있는 캠샤프트 어셈블리.
3. 유로 또는 홀이 형성된 엔드피스를 주물로 성형하는 성형단계;
   상기 엔드피스와 접합하는 부분이 상기 엔드피스와 이종재료로 형성되는 캠샤프트에 상기 엔드피스를 조립하는 조립단계를 포함하며,
   상기 조립단계는 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트를 브레이징을 이용한 고상확산접합을 통해 서로 접합되며,
   상기 엔드피스는 상기 캠샤프트와 접합하는 부분이 상기 캠샤프트보다 연신율이 낮은 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 캠샤프트 어셈블리 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 조립단계는 연질의 금속링을 상기 엔드피스와 상기 캠샤프트 사이에 배치시키고, 소결하는 것을 특징으로 하는 캠샤프트 어셈블리 제조방법.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 조립단계에서 상기 브레이징 접합은 구리 브레이징 접합인 것을 특징으로 하는 캠샤프트 어셈블리 제조방법.

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