KR101389193B1 - 등속조인트용 샤프트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은, 래디얼 포징 공법을 이용하여 성형을 함으로써 상대적으로 제조공정을 단축시켜서 제조원가를 낮출 수 있으며, 리커시브 액시얼 포밍 공벙을 이용하여 스플라인을 가공함으로써 축방향 스트레스를 최소화하기 위한, 등속조인트용 샤프트의 제조방법에 관한 것으로서,
고주파 열처리용 합금강을 준비하는 단계와, 둥그렇게 조관을 하고 치수를 맞추기 위하여 인발을 하는 단계와, 무산화 노말라이징 열처리를 실시하여 조직이 표준화되고 표면 탈탄을 제어하는 단계와, 래디얼 포징 공법을 이용하여 성형가공을 하는 단계와, 리커시브 액시얼 포밍 공법을 이용하여 스플라인을 가공하는 단계와, 고주파 담금질에 의한 경화 처리를 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

등속조인트용 샤프트의 제조방법{Producing method of shaft for constant velocity joint}

이 발명은 등속조인트용 샤프트의 제조방법에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 래디얼 포징 공법을 이용하여 성형을 함으로써 상대적으로 제조공정을 단축시켜서 제조원가를 낮출 수 있으며, 리커시브 액시얼 포밍 공벙을 이용하여 스플라인을 가공함으로써 축방향 스트레스를 최소화하기 위한, 등속조인트용 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 조인트는 회전축의 각도가 서로 다른 회전축에 회전동력(토크)을 전달하기 위한 것으로서, 동력전달 각도가 작은 추진축의 경우에는 후크 조인트, 플렉시블 조인트 등이 사용되고, 동력전달 각도가 큰 전륜 구동차의 구동축의 경우에는 등속 조인트가 사용된다.

상기한 등속 조인트는 구동축과 피동축의 교차각이 큰 경우에도 등속으로 원활하게 동력을 전달할 수 있기 때문에 독립 현가 방식의 전륜 구동차의 액슬축에 주로 사용되며, 샤프트를 중심으로 엔진측(인보드측)은 트라이포드 타입 조인트로 이루어지고, 샤프트를 중심으로 타이어측(아웃보드측)은 볼 타입 조인트로 이루어진다.

도 1은 일반적인 등속 조인트의 단면 구성도이고, 도 2는 일반적인 등속 조인트의 외형 구성도이다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 일반적인 등속 조인트의 구성은, 샤프트(1)를 중심으로 엔진측(인보드측)은 트라이포드 타입 조인트로 이루어지고, 샤프트(1)를 중심으로 바퀴측(아웃보드측)은 볼 타입 조인트로 이루어진다.

샤프트(1)를 중심으로 엔진측(인보드측)에 설치되어 있는 트라이포드 타입 조인트의 구성은, 엔진(도시되지 않음)의 회전동력을 전달하며 내부에 트랙홈이 형성되어 있는 하우징(2)과, 상기한 하우징(2)의 회전동력을 전달받아서 회전되는 샤프트(1)와, 상기한 하우징(2)과 샤프트(1)를 연결하기 위하여 상기한 샤프트(1)의 일단에 연결되어 상기한 하우징(2)의 내부에 설치되며 트라이포드 타입의 트러니언이 형성되어 있는 스파이더(3)와, 상기한 스파이더(3)의 트러니언의 외주면에 설치되는 니들롤러(6)와, 상기한 니들롤러(6)의 외주면에 설치되는 인너롤러(5)와, 상기한 인너롤러(5)의 외주면에 설치되어 상기한 하우징(2)과 샤프트(1)의 마찰을 감소시키는 아우터롤러(4)와, 상기한 니들롤러(6) 및 인너롤러(5)의 상단에 설치되는 스트라이크 아웃트(7)와, 상기한 스트라이크 아웃트(7)의 이탈을 방지하기 위한 리테이너링(8)과, 상기한 하우징(2)에 일단이 연결되고 상기한 샤프트(1)에 일단이 연결되는 부트(10)와, 상기한 부트(10)를 각각 고정시키기 위한 클램핑 밴드(11, 12)를 포함하여 이루어진다.

또한, 샤프트(1)를 중심으로 바퀴측(아웃보드측)에 설치되어 있는 볼 타입 조인트의 구성은, 상기한 트라이포드 타입 조인트의 회전동력을 전달받아서 회전되는 샤프트(1)와, 상기한 샤프트(1)의 일단에 연결설치되는 인너레이스(15)와, 상기한 인너레이스(15)의 외부에 설치되는 아웃터레이스(13)와, 상기한 인너레이스(15)의 회전동력을 상기한 아웃터레이스(13)에 전달하기 위한 볼(16)과, 상기한 볼(16)을 지지하기 위한 케이지(14)와, 상기한 아웃터 레이스(13)의 외부에 설치되는 센서링(17)과, 상기한 샤프트(1)에 일단이 연결되고 상기한 아웃터 레이스(13)에 일단이 연결되는 부트(18)와, 상기한 부트(18)를 고정시키기 위한 클램핑 밴드(19, 20)를 포함하여 이루어진다.

그리고, 샤프트(1)의 중간에는 댐퍼(21)가 밴드(22, 23)를 이용하여 설치되며, 상기한 댐퍼(21)는 몸체(212)의 내부에 질량체(211)가 설치되는 구조로 이루어진다.

상기한 구성에 의한 일반적인 등속 조인트의 작용은 다음과 같다.

엔진(도시되지 않음)으로부터 출력된 회전동력이 트랜스미션(도시되지 않음)을 거쳐 하우징(2)에 전달되면 하우징(2)이 회전되며, 이러한 하우징(2)의 회전동력은 아우터롤러(4), 인너롤러(5), 니들롤러(6)를 통해 스파이더(3)로 전달됨으로써 스파이더(3)에 연결되어 있는 샤프트(1)를 회전시킨다.

또한, 상기한 샤프트(1)의 회전동력은 인너레이스(15)와 볼(16)을 거쳐 아웃터 레이스(13)로 전달됨으로써 아웃터 레이스(13)에 연결되는 바퀴(도시되지 않음)를 회전시키게 된다.

이 경우에, 샤프트(1)를 중심으로 엔진측(인보드측)에 설치되어 있는 트라이포드 타입 조인트에서는 아우터롤러(4)가 하우징(2)의 트랙홈내를 슬라이딩 이동함으로써 아우터롤러(4)와 연관되어 있는 샤프트(1)의 회전 각도가 달라지게 됨으로써 차량의 변위에 따라 절각이 되고, 샤프트(1)를 중심으로 바퀴측(아웃보드측)에 설치되어 있는 볼 타입 조인트에서는 볼(16)에 의해 아웃터 레이스(13)의 회전각도가 달라지게 됨으로써 차량의 변위에 따라 절각이 된다.

이와 함께, 트라이포드 타입 조인트측의 부트(10)와 볼 타입 조인트측의 부트(18)는 각각 트라이포드 타입 조인트와 볼 타입 조인트의 외부를 감싸 밀봉시킴으로써 트라이포드 타입 조인트와 볼 타입 조인트가 외부 오염물질에 의해 손상되는 것을 방지한다.

또한, 엔진으로부터 출력되어진 토크가 트랜스미션을 거쳐 샤프트(1)를 통해 바퀴측으로 토크를 전달할 때, 고속으로 회전하는 샤프트(1)에 있어서 어느 회전 속도에서는 불균형 회전이 발생하게 되는데, 이러한 불균형 회전은 바람직하지 못한 진동을 야기시키고 구동계의 작동에 좋지 않은 영향을 미친다. 이와 같은 불균형 회전에 의한 바람직하지 못한 진동을 억제하기 위해 샤프트(1)의 중간부분에 설치된 댐퍼(2)는 샤프트(1)의 고속회전시 샤프트(1)에서 일어나는 유해한 진동 주파수로 인한 부밍 노이즈(booming noise)를 방지한다.

한편, 등속 조인트에 사용되는 샤프트(1)에 관한 종래의 기술로서, 강관을 스웨이징 가공을 이용하여 성형함으로써 전체적으로 연결요소없이 일체형으로 구성되며, 망간과 보론이 첨가되어 성형성과 열처리성이 향상되며, 표면이 침탄 혹은 고주파 경화처리됨으로써 샤프트의 강성을 향상시킬 수 있는 기술이 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0121400호(공개일자 2011년 11월 07일)의 "등속조인트용 샤프트 및 그의 제조방법"에서 본 출원인에 의해 개시된 바 있다.

본 발명의 목적은 상기한 공개번호 10-2011-0121400호의 기술을 더욱 개량하기 위한 것으로서, 래디얼 포징 공법을 이용하여 성형을 함으로써 상대적으로 제조공정을 단축시켜서 제조원가를 낮출 수 있는 등속조인트용 샤프트의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 리커시브 액시얼 포밍 공벙을 이용하여 스플라인을 가공함으로써 축방향 스트레스를 최소화하기 위한, 등속조인트용 샤프트의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 상대부품과의 조립을 위한 스플라인부(30c), 조인트 내부 그리스의 씰링용 부트의 체결을 위한 부트 체결부(30d), 스플라인부와 부트체결부 사이의 동력전주부인 소경부(30b), 제품의 주요 동력전달부인 중간경부(30a)로 구성되며, 탄소(C)의 함유량이 0.30 ~ 0.38wt%, 실리콘(Si)의 함유량이 0.15 ~ 0.30wt%, 망간(Mn)의 함유량이 1.2 ~ 1.6wt%, 인(P)의 함량이 0.02 wt% 이하이고, 황(S)의 함량이 0.01wt%이하인 화학성분을 가지면 바람직하다.

이 발명의 방법의 구성은, 고주파 열처리용 합금강을 준비하는 단계와, 둥그렇게 조관을 하고 치수를 맞추기 위하여 인발을 하는 단계와, 무산화 노말라이징 열처리를 실시하여 조직이 표준화되고 표면 탈탄을 제어하는 단계와, 래디얼 포징 공법을 이용하여 성형가공을 하는 단계와, 리커시브 액시얼 포밍 공법을 이용하여 스플라인을 가공하는 단계와, 고주파 담금질에 의한 경화 처리를 하는 단계를 포함하여 이루어지면 바람직하다.

이 발명의 방법의 구성은, 상기한 합금강은 탄소(C)의 함유량이 0.30 ~ 0.38wt%, 실리콘(Si)의 함유량이 0.15 ~ 0.30wt%, 망간(Mn)의 함유량이 1.2 ~ 1.6wt%, 인(P)의 함량이 0.02 wt% 이하이고, 황(S)의 함량이 0.01wt%이하인 화학성분을 가지면 바람직하다.

이 발명의 방법의 구성은, 상기한 표면탈탄을 0.15mm이하로 제어하면 바람직하다.

이 발명의 방법의 구성은, 상기한 무산화 노말라이징 열처리는, AC3점(840도) 이상 승온시킨 분위기에서 실시하면 바람직하다.

이 발명은, 래디얼 포징 공법을 이용하여 성형을 함으로써 상대적으로 제조공정을 단축시켜서 제조원가를 낮출 수 있으며, 리커시브 액시얼 포밍 공벙을 이용하여 스플라인을 가공함으로써 축방향 스트레스를 최소화하는 효과를 갖는다.

도 1은 일반적인 등속 조인트의 단면 구성도이다.
도 2는 일반적인 등속 조인트의 외형 구성도이다.
도 3a 내지 도 3f는 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트 제조방법의 성형공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트 제조방법의 스플라인 가공 공정을 나타낸 도면이다.
도 5는 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트 제조방법의 리커시브 액시얼 포밍 공정의 스트레스를 나타낸 그래프이다.
도 6은 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트의 단면 구성도이다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

또한, 본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 일예로서, 방향에 관한 용어는 설명상의 편의를 위하여 도면상에 표현된 위치를 기준으로 설정하기로 한다.

이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트의 제조방법의 작용은 다음과 같다.

먼저, 탄소(C)의 함유량이 0.30 ~ 0.38wt%, 실리콘(Si)의 함유량이 0.15 ~ 0.30wt%, 망간(Mn)의 함유량이 1.2 ~ 1.6wt%, 인(P)의 함량이 0.02 wt% 이하이고, 황(S)의 함량이 0.01wt%이하인 화학성분을 갖는 고주파 열처리용 합금강을 준비한다.

탄소(C)의 함량은 열처리시 표면경도와 가공시 소재의 변형 정도에 영향을 미친다. 고주파 열처리를 위하여 탄소(C)의 함량을 30%이상 확보하고, 탄소(C)의 함량이 40% 이상 높을수록 소재의 변형능력을 저하시킨다. 탄소(C)의 함량이 평균 35%임에 따라 열처리 소입성을 향상시키기 위해 망간(Mn)과 붕소(B)을 첨가한다. 성형제품에서의 부서짐이나 쪼개짐을 방지하기 위해서 인(P)의 함량은 0.02 wt% 이하, 황(S)의 함량은 0.01wt%이하로 제한한다.

다음은 본 발명의 화학성분 구성비를 만족하는 실시예들과 그렇지 않은 비교예들의 중공축 영향인자에 대하여 나타낸 성능을 나타낸 표이다

구분

화학성분

중공축 영향인자

C

Si

Mn

P

S

B

표면경도

ERW 용접성

성형성

충격인성

열처리특성

파단강도

피로수명

함량 (wt%)

실시예1

0.30

0.15

1.20

-

-

0.001

o

o

o

o

o

o

o

실시예2

0.38

0.30

1.60

0.02

0.01

0.005

o

o

o

o

o

o

o

비교예1

0.30 미만

0.15 미만

1.20 미만

-

-

0.001 미만

x

o

o

o

x

x

x

비교예2

0.39 이상

0.31이상

1.7 이상

0.03 이상

0.002 이상

0.006 이상

o

x

x

x

o

o

x

위의 표에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 실시예들의 중공축 영향인자는 모두 우수하지만, 비교예 1은 표면경도, 열처리특성, 파단강도, 피로수명이 열등하며, 비교예 2는 ERW 용접성, 성형성, 충격인성, 피로수명에서 열등한 것으로 나타났다.

상기한 바와 같은 고주파 열처리용 합금강을 준비한 다음에, 성형가공전 합금강을 파이프와 같이 둥그렇게 조관을 하고, 치수를 맞추기 위하여 인발을 한 후, 무산화 노말라이징 열처리를 실시하여 조직이 표준화되고 표면 탈탄을 0.15mm이하로 제어함으로써 성형에 용이한 구상화 형태를 구성한다. 조관 및 인발 후 무산화 노말라이징시, AC3점(840도) 이상 승온시킨 분위기에서 실시함으로써 제관시 용접과 인발로 인한 스트레스를 완전히 제거하고, 성형에 용이한 구상화된 조직을 얻을 수 있다. 또한 로 내에서 산소를 제거한 환경에서 노말라이징함으로써 표면 탈탄이 최소화되며 0.15mm 이하로 제어될 수 있다. 표면 탈탄은 표면경도를 저하시키며, 중공축 제품의 피로수명을 단축시키기 때문에 최소화해야 한다.

이어서, 도 3a 내지 도 3f에 도시되어 있는 바와 같이 래디얼 포징 공법을 적용하여 소재에 대한 성형가공 공정을 최적화하고 다수의 가공으로 인한 가공경화를 최소화한다. 도 3a 내지 도 3f는 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트 제조방법의 성형공정을 나타낸 도면으로서, 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이 중공축(30)을 커팅하고, 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이 소경부(점선부분)를 가공하고, 도 3c에 도시되어 있는 바와 같이 대경부(점선부분)를 가공하고, 도 3d에 도시되어 있는 바와 같이 소경부(점선부분)를 가공하고, 도 3e 및 도 3f에 도시되어 있는 바와 같이 스플라인부(점선부분)를 가공한다. 이와 같이 래디얼 포징 공법을 이용하여 성형 가공시 스플라인 가공을 제외하면 중공축(30)을 3공정으로 성형할 수 있는데, 이는 소경부와 부트체결부를 1공정으로 성형할 수 있기 때문이다.

도 6은 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트의 단면 구성도로서, 래디얼 포징 공법을 이용하여 소경부(30b)를 가공하는 경우에 소경부(30b)와 부트체결부(30d)를 일체화된 금형으로 1공정으로 성형하게 된다. 이는 래디얼 포징 공법 적용시 충분한 가압력이 확보되어 공정을 분산하지 않아도 되기 때문이다. 래디얼 포징 공법 이외의 성형공법을 적용하게 되면 소경부(30b)와 부트체결부(30d)를 별도로 성형해야 하기 때문에 양쪽 합쳐 4공정과 중간경부(30a) 가공을 포함하여 최소 5공정 이상이 필요하게 된다.

다음에, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 리커시브 액시얼 포밍 공법을 적용하여 스플라인 가공을 함으로써 축방향 스트레스가 최소화하도록 한다. 상기한 리커시브 액시얼 포밍 공법은 일반적인 포밍 공법과 다르게 매우 작은 스텝(STEP)으로 전후진 왕복하면서 점진적으로 전진하며 성형하는 공법으로서, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 스플라인 성형에 적용시 축에 가해지는 힘이 일반 액시얼 포밍 공법보다 40% 감소하여 제품에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

다음에, 고주파 담금질에 의한 경화 처리를 한다.

도 6은 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트의 단면 구성도로서, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일 실시예에 따른 등속조인트용 샤프트는, 상대부품과의 조립을 위한 스플라인부(30c), 조인트 내부 그리스의 씰링용 부트의 체결을 위한 부트 체결부(30d), 스플라인부와 부트체결부 사이의 동력전주부인 소경부(30b), 제품의 주요 동력전달부인 중간경부(30a)로 구성된다.

30a : 중간경부 30b : 소경부
30c : 스플라인부 30d : 부트 체결부

Claims (5)

1. 삭제
2. 고주파 열처리용 합금강을 준비하는 단계와,
   둥그렇게 조관을 하고 치수를 맞추기 위하여 인발을 하는 단계와,
   무산화 노말라이징 열처리를 실시하여 조직이 표준화되고 표면 탈탄을 제어하는 단계와,
   래디얼 포징 공법을 이용하여 성형가공을 하는 단계와,
   리커시브 액시얼 포밍 공법을 이용하여 스플라인을 가공하는 단계와,
   고주파 담금질에 의한 경화 처리를 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 샤프트의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기한 합금강은 탄소(C)의 함유량이 0.30 ~ 0.38wt%, 실리콘(Si)의 함유량이 0.15 ~ 0.30wt%, 망간(Mn)의 함유량이 1.2 ~ 1.6wt%, 인(P)의 함량이 0.02 wt% 이하이고, 황(S)의 함량이 0.01wt%이하인 화학성분을 가지는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 샤프트의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서,
   상기한 표면탈탄은 0.15mm이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 샤프트의 제조방법.
5. 제 2항에 있어서,
   상기한 무산화 노말라이징 열처리는, AC3점(840도) 이상 승온시킨 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 샤프트의 제조방법.

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