KR101645086B1 - 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 제조될 크랭크 샤프트의 메인저널과 핀저널 및 밸런스 웨이트를 포함하는 외형 데이터가 결정되는 모델링 단계와, 상기 모델링 단계에서 결정된 데이터를 이용하여 제 1 금형과 제 2 금형을 설계하는 금형 설계 단계와, 상기 금형 설계 단계를 통해 제조되는 금형을 이용하여 소재를 성형하는 단조 단계 및 상기 단조 단계를 통해 생성된 소재 크랭크 샤프트에 센터홀을 형성하고, 표면을 가공하는 마무리가공단계를 포함하며, 상기 금형 설계 단계에서는 상기 단조 단계에 포함되는 트리밍 과정 시 트리밍 방향에 대향되는 방향으로 상기 밸런스 웨이트의 체적을 가변시킨다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 단조 단계의 트리밍 과정시 발생되는 언밸런스량을 보완하여 소재 크랭크 샤프트의 밸런스가 향상되는 이점을 가진다.

Description

밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법{ A manufacturing method of crankshaft for improving balance }

본 발명은 단조에 의해 제조되는 크랭크 샤프트의 밸런스를 향상시키기 위한 크랭크 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 크랭크 샤프트는 증기 기관이나 내연 기관 등의 연소실에서 발생된 폭발력을 피스톤 및 커넥팅 로드를 통하여 전달받아 왕복운동을 회전 운동으로 전환하도록 구성된다.

이를 위해 상기 크랭크 샤프트에는 주축인 메인 저널과, 커넥팅 로드와 연결되는 핀저널 및 상기 핀저널에 따른 회전 불균형을 보완하기 위한 밸런스 웨이트 등이 포함된다.

상기와 같은 구성의 크랭크 샤프트에는 다수의 피스톤이 각각의 커넥팅 로드를 통해 연결되어 서로 다른 시간에 동력을 제공함으로써 휨과 비틀림 및 회전진동 등의 부하가 지속적으로 가해지게 되며, 이로 인해 회전 불균형량(이하“언밸런스값”)이 발생된다.

따라서, 크랭크 샤프트는 상기와 같은 부하조건을 감당할 수 있는 기계적 강도와 내마멸성 등이 요구되며, 이를 위해 주로 강재(Steel material)를 단조(Forging)하여 제조되고 있다.

한편, 단조를 이용하여 크랭크 샤프트를 제조하기 위해서는 다음과 같은 단계가 일반적으로 수행된다.

우선, 제조될 크랭크 샤프트의 모델링 단계가 수행된다.

상기 모델링 단계에서는 메인 저널과 핀저널 및 밸런스 웨이트를 포함하는 전체 형상이 모델링되어 데이터로 저장된다.

그리고, 상기 모델링 단계가 완료되면, 획득된 데이터를 이용하여 금형설계 단계가 이루어진다.

상기 금형설계 단계에서는 소재의 특성과 상기 모델링 데이터를 이용하여 상형 및 하형을 형성함으로써 모델링 데이터와 대응되는 형상으로 크랭크 샤프트를 성형하기 위한 금형을 제조할 수 있도록 한다.

상기 금형설계 단계가 완료되면, 설계된 내용으로 금형을 제작하고 제작된 금형을 이용하여 강재를 성형하는 단조단계가 수행된다.

종래 기술에 따른 단조 단계에는, 우선, 빌릿(Billet) 상태의 재료를 크랭크 샤프트의 각 요소부위별로 분배하는 재료분배공정과, 상기 분배된 재료에 압력을 가하여 최종형태에 대응되도록 캐비티 내부로 재료를 충진하는 재료충진공정과, 충진된 재료를 가압하여 최종 형상으로 마무리 성형하는 최종성형공정 및 최종성형공정 이후 상형 및 하형 사이에 발생된 플래쉬(Flesh)를 제거하는 트리밍공정이 포함된다.

한편, 상기와 같이 단조 단계가 완료되면 완성 가공을 위한 마무리 공정이 이루어지며, 이를 위해 소재(素材) 상태 크랭크 샤프트(이하,“소재 크랭크 샤프트”라 함)의 밸런스 중심축을 찾아내고, 밸런스 중심축 상의 양 단면에 센터홀을 형성하여 마무리 가공이 수행된다.

여기서, 소재 크랭크 샤프트가 상기 모델링 데이터와 같은 이상적인 형상으로 제조되었을 경우에는 메인저널의 중심에 센터홀을 형성함으로써 언밸런스값을 용이하게 허용값 이내로 조정할 수 있다.

하지만, 실제 가공상황에서는 금형의 불량이나, 트리밍, 몰드 분리 시의 영향 등에 의해 소재 크랭크샤프트에 두께 편차가 발생되거나, 밸런스 중심이 허용값을 벗어나는 경우가 빈번하게 발생된다.

따라서, 종래 기술에서는 밸런스 중심값을 조정하기 위하여 마무리 가공단계에서 밸런스 웨이트에 홀을 형성하여 무게를 줄임으로써 언밸런스값이 허용값 이내로 조정될 수 있도록 한다.

하지만, 상기와 같이 밸런스 웨이트에 홀을 형성하여 언밸런스값을 조정할 경우, 형성 가능한 홀의 갯수와 위치에는 한계가 있다. 따라서, 과도한 언밸런스값이 발생하게 될 경우에는 결국 크랭크샤프트의 불량으로 이어진다.

한편, 종래 기술에서는 상기와 같이 밸런스 중심값이 허용값 이내로 들어오지 못하여 크랭크샤프트에 불량이 발생하게 될 경우 밸런스 측정을 통해 센터홀 가공 위치를 수정한 이후 크랭크샤프트를 제조해 오고 있다.

일 예로 하기 특허문헌 1에서는 소재 크랭크샤프트의 센터홀 위치를 결정하는 기술로서, 복수 개의 소재 크랭크샤프트를 샘플 추출하고, 센터홀을 가공했을 때의 축 중심과 가공한 센터홀 위치와의 차이 등이 마무리 가공 후의 언밸런스량에 주는 영향을 통계적으로 처리하여 센터홀 위치를 결정하기 위한 보정량을 정의하고 있다.

그리고, 하기 특허문헌 2에서는 크랭크샤프트의 양 단면에서의 동적 밸런스 점을 동적 밸런스 시험에 의해 산출하고, 소재 크랭크샤프트의 저널부 등의 형상을 측정한 다음 측정 결과로부터 가공 후에 발생하는 언밸런스량을 연산하여 동적 밸런스 점으로부터 언밸런스량 만큼 이동한 보정 위치에 센터홀을 형성하는 기술이 개시되어 있다.

한편, 하기 특허문헌 3에서는 제 1, 2 몰드에 의해 성형하여 얻어진 소재 크랭크 샤프트의 각 부위 형상데이터를 각각 취득하고, 설계 데이터와 취득된 형상 데이터의 차이를 비교하여 보간한 이후 센터홀을 가공함으로써 전술한 특허문헌 1 및 특허문헌 2 에 비해 비교적 적은 측정데이터를 사용하여 실제 형상을 재현하고 적절한 센터홀 위치를 결정할 수 있는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 선행문헌들은 모두 소재 크랭크샤프트의 가공이 이루어진 이후 가공된 소재 크랭크샤프트의 센터홀 가공 위치를 조절하여 밸런스 중심을 조절하는 것에 그치고 있다.

즉, 종래 기술에서는 소재 크랭크샤프트는 보정하지 않고, 동일한 단조 단계를 통해 소재 크랭크 샤프트를 생산한 이후 소재 크랭크 샤프트의 마무리 가공을 위한 센터홀의 위치를 조정하여 밸런스 중심값이 허용값 범위를 만족할 수 있도록 한다.

하지만, 상기와 같이 밸런스 중심값을 조정할 경우에도 단조 단계에서 소재 크랭크 샤프트의 밸런스 중심값이 일정 값을 넘어서게 될 경우에는 센터홀의 가공이 어려운 문제점을 가진다.

JP1997-174382A JP1976-76682A KR2011-0008252A

본 발명의 목적은, 단조 단계에서 발생되는 언밸런스량의 발생위치를 보다 명확히 확인하고, 확인된 위치의 언밸런스량을 줄일 수 있도록 금형 설계가 이루어짐으로써 소재 크랭크샤프트의 밸런스가 향상될 수 있는 밸런스 향상을 위한 단조 크랭크 샤프트의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 제조될 크랭크 샤프트의 메인저널과 핀저널 및 밸런스 웨이트를 포함하는 외형 데이터가 결정되는 모델링 단계와, 상기 모델링 단계에서 결정된 데이터를 이용하여 제 1 금형과 제 2 금형을 설계하는 금형 설계 단계와, 상기 금형 설계 단계를 통해 제조되는 금형을 이용하여 소재를 성형하는 단조 단계와, 상기 단조 단계를 통해 생성된 소재 크랭크 샤프트에 센터홀을 형성하고, 표면을 가공하는 마무리가공단계를 포함하며, 상기 금형 설계 단계에서는 상기 제 1 금형과 제 2 금형이 맞닿는 면을 기준으로 상기 단조 단계에 포함되는 트리밍 과정 시 트리밍 방향에 대향되는 방향으로 상기 제 1 금형 및 제 2 금형 각각에서 밸런스 웨이트의 체적을 가변시킴으로써 상기 제 1 금형과 제 2 금형 각각의 상기 밸런스 웨이트에 상당하는 체적이 상기 제 1 금형과 제 2 금형이 맞닿는 면을 기준으로 서로 비대칭이 되도록 하고, 상기 밸런스 웨이트를 상기 제 1 금형과 제 2 금형이 맞닿는 면에 대해 일방향으로 오프셋시키는 것을 특징으로 한다.

상기 금형 설계 단계에서는 상기 트리밍 방향이 상측에서 하측으로 이루어질 경우 상기 오프셋은 하측에서 상측으로 이루어지며, 오프셋 범위는 제조될 크랭크 샤프트의 중량에 대응하여 증감되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 금형 또는 제 2 금형에 의해 성형될 부분이 소재 크랭크 샤프트의 하형부일 경우, 상기 하형부에 포함되는 밸런스 웨이트의 체적을 감소시키고, 제 1 금형 또는 제 2 금형에 의해 성형될 부분이 소재 크랭크 샤프트의 상형부일 경우, 상기 상형부에 포함되는 밸런스 웨이트의 체적을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단조 단계에서 트리밍 공정에 의해 발생되는 언밸런스량을 금형 설계에 반영하여 소재 크랭크샤프트를 제조하기 위한 금형에 반영한다.

따라서, 소재 크랭크샤프트 자체의 언밸런스량을 줄임으로써 밸런스 중심값이 센터홀 가공 이전에 허용범위 이내로 들어올 확률을 높일 수 있는 이점을 가진다.

또한, 상기와 같이 밸런스 중심값이 허용범위 이내로 보다 용이하게 들어올 수 있도록 함으로써, 마무리 가공 공정이 보다 용이하게 이루어질 수 있으며 이로 인해 생산성이 향상될 수 있는 이점을 가진다.

도 1 내지 3 은 밸런스 향상을 위해 금형 설계에 반영되는 언밸런스 발생 부위를 설명하기 위한 도면.
도 4 는 본 발명이 적용되지 않은 소재 크랭크 샤프트에서 밸런스 측정기를 통해 도시되는 언밸런스량을 보이기 위한 도면.
도 5 는 본 발명에 따른 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법 중 금형 설계 단계에서 적용되는 언밸런스량 보정 형태를 보이기 위한 도면.
도 6 은 도 5와 같은 보정을 통해 도 4의 상태에서 언밸런스량이 보정된 상태를 보이기 위한 도면.

본 발명에 따른 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법은 크게 제조될 크랭크 샤프트의 모델링 단계와, 모델링 데이터를 이용하여 이루어지는 금형 설계 단계 그리고, 설계된 금형으로 소재 크랭크 샤프트를 성형하는 단조 단계 및 소재 크랭크 샤프트에 센터홀을 가공한 이후 이루어지는 마무리 가공단계를 포함한다.

한편, 본 발명의 특징은 상기 단조 단계에서 제조되는 소재 크랭크 샤프트의 언밸런스 발생부분을 상기 금형 단계에서 보완하여 밸런스를 향상시키는데 그 특징이 있다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.

도 1 내지 3 에는 밸런스 향상을 위해 금형 설계에 반영되는 언밸런스 발생 부위를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 4 에는 본 발명이 적용되지 않은 소재 크랭크 샤프트에서 밸런스 측정기를 통해 도시되는 언밸런스량을 보이기 위한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 구성인 단조 단계에서는 원재료를 가열하는 히팅 공정과, 가열된 원재료를 금형을 이용하여 가압하는 다수의 가압공정 및 상기 가압공정 이후 플래쉬 부분을 절단하는 트리밍 공정이 포함된다.

상세히, 상기 히팅 공정은 환봉 형태의 강재를 고온으로 가열하여 성형이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.

그리고, 상기와 같이 히팅 공정을 통해 가열된 강재는 1차 가압공정 위치로이송된다.

상기 1차 가압공정에서는 가열된 강재를 제 1 버스터 금형(10)과 제 2 버스터 금형(20)을 이용하여 1차 가압함으로써 제조될 소재 크랭크 샤프트에 대응되도록 체적을 분배하게 된다.

그리고, 상기 1차 가압공정으로 체적이 분배된 강재는 다시 2차 가압공정에서 제 1 블록커 금형(30)과 제 2 블록커 금형(40)에 의해 개략적인 형상이 성형되고, 3차 가압공정에서 제 1 피니셔 금형(50)과 제 2 피니셔 금형(60)에 의해 다수의 메인저널(120)과 핀저널(140) 및 밸런스 웨이트(210~280)를 포함하는 최종 형태의 소재 크랭크 샤프트 성형이 완료된다.

상기와 같이 가압공정이 완료된 이후에는 트리밍 공정이 수행되며, 상기 트리밍 공정에서는 제 1 트리밍 금형(70)과 제 2 트리밍 금형(80)이 맞닿는 면의 틈새로 돌출되어 나온 플래쉬 부분을 커터(90)를 이용하여 절단하게 된다.

한편, 상기와 같이 트리밍 공정이 수행되는 과정에서는 도 2 에 도시된 바와 같이 커터(90)에 의해 플래쉬가 제거되면서 커터(90)의 이동 방향으로 하중이 발생하게 되는데, 이와 같은 하중은“A”부분에 집중된다.

또한, 상기“A”부분에 발생되는 응력집중은 상대적으로 단면적이 좁은 밸런스 웨이트(210~280)를 상기 커터(90)의 이동방향을 따라 다지게 되며, 이로 인해 제 1 피니셔 금형(50)에 의해 형성되는 상형부와 제 2 피니셔 금형(60)에 의해 형성되는 하형부의 중량 변화가 발생된다.

상기와 같은 중량 변화는 소재 크랭크 샤프트의 밸런스 중심(C)에 중대한 영향을 끼치게 되며, 도 4 에 도시된 바와 같이 밸런스 중심(C)이 목표 범위를 과도하게 벗어나는 경우가 발생하게 된다.

그리고, 상기와 같이 밸런스 중심(C)이 목표 범위를 과도하게 벗어나게 될 경우에는 마무리 가공을 위한 센터홀의 결정에 어려움이 있으며, 센터홀이 효과적으로 가공되지 못할 경우에는 크랭크 샤프트의 불량으로 이어지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 문제의 원인을 파악하고 상기 금형 설계 단계에서 이를 보완하는 크랭크 샤프트의 제조방법을 제공하고 있다.

도 5 에는 본 발명에 따른 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법 중 금형 설계 단계에서 적용되는 언밸런스량 보정 형태를 보이기 위한 도면이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에서는 상기 트리밍 공정에서 발생되는 언밸런스량을 보완하기 위하여 적어도 제 1 피니셔 금형(50)과 제 2 피니셔 금형(60)의 금형 설계 시 밸런스 웨이트 부분의 체적을 가변시킨다.

상세히, 본 발명에 따른 금형 설계 단계에서는 제 1 피니셔 금형(50)에 의해 성형되는 상형부와 제 2 피니셔 금형(60)에 의해 형성되는 하형부의 밸런스 웨이트 부분의 설계 시 상기 하형부의 체적을 상형부 측으로 소정량 오프셋 시킨다.

즉, 상측에서 하측으로 커터(90)가 이동하면서 트리밍 공정이 수행될 경우, 하측으로 다져짐이 발생하게 되는데 이로 인해 밸런스 웨이트의 상형부 체적은 줄고 하형부 체적은 증가된다.

따라서, 본 발명에서는 금형 설계 단계에서 미리 하형부에 포함되는 밸런스 웨이트의 체적을 줄이고 상형부에 대응되는 밸런스 웨이트의 체적을 증가시킴으로써 트리밍 공정에서 발생되는 언밸런스량을 보완하게 된다.

그리고, 상기와 같은 금형 설계는 상기 제 1 블록커 금형(30)과 제 2 블록커 금형(40)에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 6 에는 도 5와 같은 보정을 통해 언밸런스량이 보정된 상태를 보이기 위한 도면이 도시되어 있다.

도 3 과 함께 도 6의 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 살펴보면, 8개의 밸런스 웨이트(210~280)가 형성되는 크랭크 샤프트를 제조하는 경우, 본 실시 예에서는 상기 8개의 밸런스 웨이트에 해당하는 부분의 금형 설계 시 하형부를 상형부 측으로 0.4mm 수직 이동시킨다.

그리고, 상기와 같이 오프셋 된 금형을 이용하여 단조 단계가 완료된 이후 상기 밸런스 웨이트(210~280)의 밸런스 변화량은 다음 [표 1]과 같이 확인되었다.

구분	개선전	개선 후	비고
밸런싱 데이터	1) 각도 : 평균 23.5° (350°~63°에 분포) 2) 무게 : 평균390g.cm (166~555 분포)	1) 각도 : 평균 252° (178°~360°에 분포) 2) 무게 : 평균 224g.cm (120~370 분포)	Target 1)각도: 180±45° 2)무게: 200g.cm이하

즉, 본 발명에서는 금형 설계 시 하형부에 포함되는 밸런스 웨이트(210~280) 전체를 상형부 측으로 오프셋 시킴으로써 개선전(도 6의 (a))에 비해 개선후(도 6의 (b)의 밸런스 중심(C) 위치가 목표 범위에 매우 근접하게 되었으며, 무게도 목표 값에 근접함을 확인할 수 있다.

그리고, 상기와 같이 개선된 소재 크랭크 샤프트의 밸런싱 데이터를 이용하여 센터홀을 결정할 경우, 보다 용이하게 센터홀을 형성한 이후 마무리 가공단계를 수행함으로써, 크랭크 샤프트를 보다 용이하게 제조할 수 있다.

한편, 상기 밸런스 웨이트의 체적은 제조될 크랭크 샤프트의 크기에 대응하여 증감될 수 있다.

본 발명에서는 다수의 실험 결과를 통해 크랭크 샤프트의 크기에 따라 오프셋 범위를 다음 [표 2]와 같이 한정할 수 있었다.

크랭크 샤프트의 크기	소	중	대
크랭크 샤프트의 중량범위	10kg 이상 20kg미만	20kg 이상 30kg미만	30kg 이상 40kg미만
오프셋 범위	0.2mm 이상 0.3mm미만	0.3mm 이상 0.4mm미만	0.4mm 이상 0.5mm미만

상기 표에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 크랭크 샤프트의 중량범위를 기준으로 소(小), 중(中), 대(大)로 크랭크 샤프트의 크기를 구분하였으며, 구분된 크기에 따라 오프셋의 범위를 조정하면서, 밸런싱 개선 효과를 확인할 수 있는 범위를 상기와 같이 확인하였다.

즉, 크랭크 샤프트의 크기가 소(小)일 경우 오프셋을 0.2mm 미만으로 형성하였을 경우 밸런싱 개선 효과는 미비하였으며, 0.3mm 이상으로 형성하였을 경우 오히려 더 큰 편심이 발생되었다.

그리고, 크랭크 샤프트의 크기가 중(小)일 경우에는 오프셋의 범위가 0.3mm 이상 0.4mm 미만일 경우 만족스런 밸런싱 개선 효과를 확인하였으며, 크랭크 샤프트의 크기가 대(大)일 경우에는 오프셋의 범위 0.4mm 이상 0.5mm 범위에서 만족스런 밸런싱 개선 효과를 확인할 수 있었다.

10...... 제 1 버스터 금형 20...... 제 2 버스터 금형
30...... 제 1 블록커 금형 40...... 제 2 블록커 금형
50...... 제 1 피니셔 금형 60...... 제 2 피니셔 금형
70...... 제 1 트리밍 금형 80...... 제 2 트리밍 금형
90...... 커터
210~280. 밸런스 웨이트

Claims (3)

1. 제조될 크랭크 샤프트를 구성하는 다수의 메인저널과 핀저널 및 밸런스 웨이트를 포함하는 외형 데이터가 결정되는 모델링 단계;
   상기 모델링 단계에서 결정된 데이터를 이용하여 제 1 금형과 제 2 금형을 설계하는 금형 설계 단계;
   상기 금형 설계 단계를 통해 제조되는 금형을 이용하여 소재를 성형하는 단조 단계;
   상기 단조 단계를 통해 생성된 소재 크랭크 샤프트에 센터홀을 형성하고, 표면을 가공하는 마무리가공단계;를 포함하며,
   상기 금형 설계 단계에서는,
   상기 제 1 금형과 제 2 금형이 맞닿는 면을 기준으로 상기 단조 단계에 포함되는 트리밍 과정 시 트리밍 방향에 대향되는 방향으로 상기 제 1 금형 및 제 2 금형 각각에서 밸런스 웨이트의 체적을 가변시킴으로써 상기 제 1 금형과 제 2 금형 각각의 상기 밸런스 웨이트에 상당하는 체적이 상기 제 1 금형과 제 2 금형이 맞닿는 면을 기준으로 서로 비대칭이 되도록 하고, 상기 밸런스 웨이트를 상기 제 1 금형과 제 2 금형이 맞닿는 면에 대해 일방향으로 오프셋시키는 것을 특징으로 하는 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금형 설계 단계에서는,
   상기 트리밍 방향이 상측에서 하측으로 이루어질 경우 상기 오프셋은 하측에서 상측으로 이루어지며, 오프셋 범위는 제조될 크랭크 샤프트의 체적에 대응하여 증감되는 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 금형 설계 단계에서는,
   상기 제 1 금형 또는 제 2 금형에 의해 성형될 부분이 소재 크랭크 샤프트의 하형부일 경우, 상기 하형부에 포함되는 밸런스 웨이트의 체적을 감소시키고,
   제 1 금형 또는 제 2 금형에 의해 성형될 부분이 소재 크랭크 샤프트의 상형부일 경우, 상기 상형부에 포함되는 밸런스 웨이트의 체적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 밸런스 향상을 위한 크랭크 샤프트의 제조방법.
   
   

Images