KR101809546B1 - 통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법에 관한 것으로써, 본 발명은 환봉을 일정 길이로 절단하여 볼트소재(111)를 얻는 소재 컷팅단계(S1)와, 컷팅된 볼트소재(111)를 제1금형틀(130)에 끼워 넣어 볼트소재(111)의 직선도를 잡아주는 직선도 작업단계(S2)와; 제2금형틀을 통해서 볼트소재(111)에 가압변형홈(106) 및 머리부(102)를 예비 성형하여 예비성형볼트부(112)를 가공하는 단조성형압 완화단계(S3)와; 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161)에 예비성형볼트부(112)를 끼워 놓고 볼트부(110)의 머리부(102)로 완성될 수 있게 머리형상부(181)를 갖는 헤드펀치부(180)에 의해 냉간 단조 방식으로 가압하면서 밀어 넣음에 따라 일단에 머리부(102)가 형성됨과 아울러 측면가압 성형돌출핀부(162)에 의해 예비성형볼트부(112)의 양측면부에 걸림홈(103)이 함몰 성형됨과 동시에, 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161) 내에서 냉간 단조로 밀려 들어가는 예비성형볼트부(112)의 저면에 단조다이(170)의 홈가압성형핀(171)에 의해 유도홈(104)이 일체로 함몰 성형된 볼트부(110)를 제조하는 단조 성형단계(S4)와, 단조 성형단계(S4)를 거친 볼트부(110)의 유도홈(104)으로부터 이격된 위치에서 한 쌍의 걸림홈(103)이 서로 연통되도록 걸림홈(103)쪽에 드릴 가공하여 관통공(105)이 형성되는 마무리단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법{Manufacturing method of cotter pin bolt using integrated mold}

본 발명은 통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배전선로 등에서 사용되는 분리 방지핀이 합체된 코터핀 볼트를 냉간 단조를 통해서 제조하는 데 있어서, 통합형 금형을 이용하여 단계별 공정의 병합을 통해 공정의 간소화 및 동시화(혹은, 일체화)를 구현하여 냉간 단조 공정을 개선함으로써, 작업 공정 단축, 생산성 향상 및 금형의 내구성을 향상시킬 수 있는 통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 건축재료나 기계부품을 고정하거나 두 부재를 연결시키는 기계요소로는 핀, 축, 나사, 볼트 등이 있으며, 사용 목적에 따라 이들을 단독으로 또는 복합적으로 적절하게 선택하여 사용하게 된다.

이 중에서 볼트는 일측 단면에 육각형, 사각형, 원통형 접시형 머리와 봉(핀) 형상의 몸체부로 이루어진 부품을 말하는 데, 가장 널리 사용되고 있는 것은 관통볼트로써, 죄어 맞추는 것의 구멍에 볼트를 넣은 다음 너트로 죄어 고정시킨다.

또, 관통구멍을 뚫을 수 없을 때는 구멍에 나사를 내어 볼트를 넣고 너트로 죄는 탭볼트(tap bolt), 미리 심어 놓고 밖에 있는 부분을 너트로 죄는 스터드볼트(stud bolt), 기계 등을 기초 콘크리트 위에 장치할 때 사용하는 기초볼트(foundation bolt) 등의 종류가 있다. 볼트는 좁은 의미로는 둥근 봉에 나사산이 형성되어 있는 것이 일반적이지만, 클레비스(clevice) 볼트처럼 나사가 없거나(민볼트) 둥글지 않은 봉을 가진 것도 포함한다.

한편, 기계적 운동에 의한 반복적인 진동이나 과도한 응력 집중 등으로 인하여 일반적인 볼트인 경우 체결된 너트가 느슨해지거나, 클레비스 볼트인 경우 볼트가 이탈될 가능성이 있다. 이를 방지하기 위하여 볼트의 몸체부에 축에 직각방향으로 관통구멍을 가공하고, 볼트를 체결한 다음 관통구멍에 이탈 방지핀(혹은, 분할핀)을 삽입한 후, 분할핀(split pin)의 갈라진 단부를 절곡하여 장착하게 된다.

그러나, 분할핀을 사용하는 경우 관통구멍이 형성된 볼트와 분할핀을 따로따로 지니고 있다가 작업해야 하고 마지막으로 분할핀을 절곡해야 하기 때문에 불편하며, 보수작업시 분할핀의 제거가 곤란하여 작업성이 저해되는 문제점이 있다.

특히, 활선 상태의 배전선로 작업시 반드시 보호용 절연장갑을 껴야 하지만, 두툼한 절연장갑을 낀 상태로 분할핀 설치작업이 불가능하기 때문에 어쩔 수 없이 이를 벗은 상태에서 작업하는 경우가 있어 안전사고가 발생할 위험성이 크다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 등록특허공보 제1125062호(2012.3.21. 공고)에는 분리방지핀이 합체된 볼트에 관한 기술이 개시되어 있다.

즉, 전술한 바와 같이 고공 송전탑에서의 전기 애자조립용 코터핀 조립시, 안전 장갑을 벗은 상태에서 작업을 해야 하므로 코터핀 조립작업이 매우 번거롭고 불편하다. 특히, 이러한 코터핀 조립작업은 통전 상태에서 행해지므로, 코터핀 조립작업이 매우 번거롭고 불편할 뿐만 아니라 위험을 초래한다. 경우에 따라서는 코터핀 조립작업 중에 감전 사고가 종종 발생하기도 한다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 지상에서 미리 코터핀 볼트에 와이어 형태의 분리방지핀을 회전 가능하게 조립하여, 송전탑의 고공에서도 와이어 형태의 분리방지핀을 회전시킴에 따라 코터핀을 전기 애자조립관 등에 고정시킬 수 있는 분리방지핀이 합체된 볼트가 개발된 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 분리방지핀이 합체된 볼트(일명, 코터핀 볼트)는 몸체부(11)와, 몸체부(11)의 일단부에 외측 반경방향으로 돌출된 머리부(13)를 가진다.

상기 몸체부(11)의 자유단부에는 비원호 루프 형상을 갖는 와이어 형태의 분리방지핀(20)을 정렬하는 걸림홈 형태의 한 쌍의 측면 그루브(15)가 대칭되게 형성되어 있다.

또한, 상기 몸체부(11)의 자유단부의 저부면에는 한 쌍의 측면 그루브(15)와 연통하는 유도홈 형태의 하단 그루브(17)가 형성되어 있다.

그리고, 상기 몸체부(11)에는 하단 그루브(17)로부터 이격된 위치에 비원호 루프 형상을 갖는 와이어 형태의 분리방지핀(20)이 관통 결합되는 관통공(19)이 형성되어 있다.

이러한 구성에 의하여 코터핀 볼트(10)을 전기 애자조립관(1)에 고정시키는 과정을 도 2를 이용하여 간략하게 설명한다.

먼저, 와이어 형태의 분리방지핀(20)이 코터핀 볼트(10)의 측면 그루브(15)에 의해 정렬되도록 분리방지핀(20)을 코터핀 볼트(10)에 조립한 상태에서, 도 2(a)에 도시된 바와 같이 전기 애자조립관(1)에 삽입한다.

다음, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 분리방지핀(20)이 전기 애자조립관(1)으로부터 돌출하도록 코터핀 볼트(10)를 전기 애자조립관(1)에 관통 결합한다.

이어서, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 분리방지핀(20)이 코터핀 볼트(10)에 대해 가로로 배치되도록 분리고정핀(20)을 회전시킴으로써, 코터핀 볼트(10)는 전기 애자조립관(1)에 견고하게 결합된다.

따라서, 지상에서 미리 코터핀 볼트(10)에 와이어 형태의 분리고정핀(20)을 회전 가능하게 조립하여, 송전탑의 고공에서도 와이어 형태의 분리고정핀(20)을 회전시킴에 따라 코터핀 볼트(10)를 전기 애자조립관(1) 등에 간편하게 고정시킬 수 있게 된다.

그런데, 이러한 종래의 코터핀 볼트(10)는 환봉을 일정 크기로 절단한 후, 황삭, 선삭, 연삭 등의 절삭 가공과, 한 쌍의 측면 그루브를 형성하기 위한 1차 밀링 가공, 하단 그루브를 형성하기 위한 2차 밀링 가공, 핀 관통공을 형성하기 위한 드릴 가공을 통해 제조하고 있다.

따라서, 종래의 코터핀 볼트(10)는 일련의 기계 가공을 통해 제조되므로, 코터핀 볼트(10)를 가공할 때 상당량의 재료 손실이 발생하므로, 비경제적인 문제점이 있다.

또한, 소재의 가공량만큼 가공비의 증대를 초래하여 제조원가가 상승할 뿐만 아니라 가공시간이 많이 소요되어 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

그리고, 제품 제조의 전 공정이 기계가공으로 이루어져 있어, 제품에 버어(burr)가 발생되어 표면조도의 불량을 초래하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 보완 개선하기 위하여 대한민국 등록특허공보 제1704932호(2017. 2.8. 공고)에는 코터핀 샤프트 제조방법이 개시되어 있다.

상기 등록특허공보 제1704932호에 개시된 코터핀 샤프트 제조방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 환봉을 일정 길이로 절단하여 소재(30)를 얻는 소재 커팅 단계와, 냉간 단조를 통하여 커팅된 소재(30)의 하단부의 중앙에 일정 깊이의 하단 그루브(17)를 함몰 형성하여, 1차 가공품(40)을 성형하는 단계와, 냉간 단조를 통하여 1차 가공품(40)의 하단부의 외면에 하단 그루브(17)와 연통하며 대칭하도록 일정 길이의 한 쌍의 측면 그루브(15)를 함몰 형성하여 2차 가공품(50)을 성형하는 단계와, 상기 2차 가공품(50)의 한 쌍의 측면 그루브에 각각 지지 금형을 삽입한 상태에서 냉간 단조를 통하여 2차 가공품(50)의 상단부에 소재의 반경 방향으로 돌출된 머리부(102)를 형성하여 3차 가공품(60)을 성형하는 단계와, 상기 하단 그루브(17)로부터 이격된 위치에 상기 한 쌍의 측면 그루브(15)와 연통하도록 3차 가공품(60)에 드릴 가공하여 관통공(19)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

이때, 1차 가공품(40) 성형 단계는 냉간 단조용 금형(140a,140b) 내에 소재(30)를 공급한 뒤, 펀치 핀(145a,145b)을 이용하여 소재(30)를 가압(즉, 프레싱)하는 바, 여기서, 상부 펀치 핀(145a)의 펀칭 면은 평평한 면을 가지며, 하부 펀치 핀(145b)의 펀칭 면은 반원형의 단면형상으로 돌출된 돌출부를 가짐으로써, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 하부 펀치핀(145b)의 돌출부를 통해서 하단 그루브(17)를 함몰 형성하게 된다.

그리고, 2차 가공품(50) 성형 단계는 냉간 단조용 금형(150a,150b) 내에 1차 가공품(40)을 공급한 뒤, 펀치 핀(155a,155b)을 이용하여 1차 가공품(40)을 가압(즉, 프레싱)하는 바, 여기서, 상부 펀치 핀(155a)의 펀칭 면은 평평한 면을 가지며, 하부 펀치 핀(155b)은 상호 대향하게 돌출된 반원형의 단면형상을 갖는 한 쌍의 돌출부(157)를 가짐으로써, 도 3(c)에 도시된 바와 같이 하부 펀치핀(155b)의 돌출부(157)를 통해서 일정 길이를 갖는 한 쌍의 측면 그루브(15)를 함몰 형성하게 된다.

또한, 3차 가공품(60) 성형 단계는 냉간 단조용 금형(160a,160b) 내에 2차 가공품(50)을 공급한 뒤, 펀치 핀(165)을 이용하여 2차 가공품(50)을 가압(즉, 프레싱)하는 바, 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 2차 가공품(50)의 상단부에 소재 반경방향으로 돌출된 머리부(102)를 형성하여 머리부(102)를 갖는 3차 가공품(60)을 얻는다.

이때, 3차 가공품(60)을 성형할 때 2차 가공품(50)의 성형시 형성된 한 쌍의 측면 그루브(15)가 변형하지 않도록 2차 가공품(50)의 한 쌍의 측면 그루브(15)에 대응하는 단면 형상을 갖는 한 쌍의 지지 금형(160c)을 각각 삽입한 상태에서 냉간 단조를 실시한다.

그리고, 상기와 같이 냉간 단조 과정을 통해 3차 가공품(60)이 제조되면, 3차 가공품(60)을 드릴 머신으로 이동하여 하단 그루브(17)로부터 이격된 위치에 한 쌍의 측면 그루브(15)와 연통하도록 3차 가공품(60)에 드릴 가공하여 관통공(19)을 형성한다.

이와 같이 종래 기술에 따른 코터핀 샤프트 제조방법에 따르면, 기계 가공만에 의해 제조하지 않고 냉간 단조를 통해 제조함으로써, 재료의 손실을 줄이며 제조할 수 있어 제조 원가를 절감하며, 생산성을 향상시킬 수 있고, 표면조도의 불량을 줄일 수 있게 되며, 냉간 단조를 통해 제조됨으로써, 기계 가공에 의해 제조되는 코터핀 샤프트에 비해서 단류선(금속 조직의 흐름)을 끊김없이 유지시켜 인성 및 내구강도가 증대되는 것을 기대할 수 있는 것으로 기술되어 있다.

그러나, 상기와 같은 냉간 단조를 통해서 코터핀 샤프트를 제조하는 방법은 1차 가공품(40), 2차 가공품(50), 3차 가공품(60)과 같이 단계별로 냉각 단조용 금형 내에서 각각 필요로 하는 형상에 맞춰 펀치 핀을 개별 구비하여 냉각 단조 작업을 수행하는 관계로, 냉간 단조 공정이 단순화될 수 있음에도 불구하고, 작업 공정이 늘어나고 그에 따른 제품 생산성이 떨어지는 단점이 있었다.

예를 들어, 상기 등록특허공보 제1704932호에 개시된 코터핀 샤프트 제조방법은, 1차 가공품(40) 성형 단계, 2차 가공품(50) 성형 단계, 3차 가공품(60) 성형 단계별로 냉간 단조 금형(140a,140b),(150a,150b),(160a,160b)을 각각 준비하고 있다.

여기서, 1차 가공품(40) 성형 단계를 수행하는 냉간 단조용 금형(140a,140b)에서는 소재의 하단부에 하단 그루브(17)를 성형하기 위한 반원형의 단면형상으로 돌출된 돌출부를 갖춘 하부 펀치핀(145b)이 준비되고, 그 다음 2차 가공품(50) 성형 단계에서는 별도의 냉간 단조용 금형(150a,150b)이 준비되며, 이 냉간 단조용 금형(150a,150b)에서 하단 그루브(17)가 형성된 1차 가공품(50)의 양측면으로 한 쌍의 측면 그루브(15)를 함몰 성형하여 2차 가공품(50)을 제조하기 위하여 상호 대향하게 돌출된 반원형의 단면형상을 갖는 한 쌍의 돌출부(157)를 갖춘 하부 펀치 핀(155b)이 사용되고 있다.

이처럼, 한 쌍의 측면 그루브(15)를 함몰 형성하기 위하여 편평한 면을 가진 상부 펀치 핀(155a)과 상호 대향하게 돌출된 반원형의 단면형상을 갖는 한 쌍의 돌출부(157)를 가진 하부 펀치 핀(155b)으로 이루어진 냉간 단조용 금형(150a,150b)을 별도로 사용하는 경우, 구조 역학상 상호 대향하게 돌출된 반원형의 단면형상을 갖는 한 쌍의 돌출부(157)를 가진 하부 펀치 핀(155b)에 충격 하중이 집중되어 하부 펀치 핀(155b)의 파손 등에 의한 금형의 내구성이 떨어지는 단점을 가지고 있었다.

그리고, 냉간 단조용 금형(150a,150b)을 통해서 2차 가공품(50)이 제조되면, 또 다른 냉간 단조용 금형(160a,160b) 내에서 2차 가공품(50)의 상단부에 소재 반경방향으로 돌출된 머리부(102)를 형성하기 위한 펀치 핀(165)을 이용하여 머리부(102)를 갖는 3차 가공품(60)을 얻는 냉간 단조를 수행하고 있는바, 이때, 2차 가공품(50)의 성형시 형성된 한 쌍의 측면 그루브(15)가 변형하지 않도록 2차 가공품(50)의 한 쌍의 측면 그루브(15)에 대응하는 단면 형상을 갖는 한 쌍의 지지 금형(160c)을 각각 삽입하고 있다.

이처럼, 종래 기술은 냉간 단조를 통해 1차 및 2차에 걸쳐 순차적으로 하단 그루브(17) 및 한 쌍의 측면 그루브(15)를 각각의 함몰 형태에 따라 준비된 펀치 핀으로 함몰 성형한 후, 최종적으로 머리부(13)를 냉간 단조 성형하는 단계를 수행하고 있는 바, 머리부(13)를 냉간 단조로 성형하는 단계에서는 미리 함몰 성형된 한 쌍의 측면 그루브(15)가 변형이 일어나지 않도록 별도로 준비되는 한 쌍의 지지 금형(160c)을 준비해야 하는 번거로움이 있었다.

즉, 상기 하단 그루브(17), 한 쌍의 측면 그루브(15), 머리부(13)를 냉간 단조로 성형하는 공정을 하나의 금형에서 동시에 수행할 수 있다면, 작업 공정 및 준비되는 금형을 단순화시킬 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 앞 단계(즉, 2차 가공품(50) 성형 단계)의 공정에서 형성된 형상(즉, 한 쌍의 측면 그루브(15))이 변형되지 않도록 하기 위하여 3차 가공품(60) 성형 단계에서 한 쌍의 지지 금형(160c)을 준비해야 하는 공정상의 번거로움 및 금형에 사용되는 부속품이 증가하는 문제를 충분히 개선할 수 있을 것이다.

특히, 냉간 단조를 반복적으로 수행하여 제품을 생산하는 과정에서 예비 성형 공정을 도입할 경우에 가압력(즉, 프레싱 압력)을 낮추어 줄 여지가 충분히 있음에도 이러한 예비 성형 공정을 수행하는 않아 금형 자체의 내구성이 떨어지는 단점이 있었다.

즉, 종래 냉간 단조 기술을 이용하여 코터핀 샤프트 제조방법을 수행하는 데 있어서, 단계별 공정을 개선할 필요성과 함께 금형의 내구성을 향상시킬 수 있는 방안의 필요성이 대두되고 있는 실정이었다.

대한민국 등록특허공보 제1125062호(2012.3.21. 공고, 명칭: 배전전선로 등에 사용되는 분리방지핀이 합체된 볼트) 대한민국 등록특허공보 제1704932호(2017. 2.8. 공고, 명칭: 코터핀 샤프트 제조방법)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 따른 냉간 단조 기술을 이용한 코터핀 샤프트(즉, 코터핀 볼트) 제조방법의 문제점을 보완 개선하기 위하여 연구 개발된 것이다.

즉, 본 발명의 목적은 코터핀 볼트를 냉간 단조 기술을 이용하여 제조하는 데 있어서, 단계별 공정의 병합을 통해 공정의 간소화 및 동시화(혹은, 일체화)를 구현하여 냉간 단조 공정을 개선함으로써, 작업 공정의 단축 및 금형에 사용되는 부속품수를 줄여 경제성을 추구함은 물론, 냉간 단조 공정 단축에 따른 생산성 향상을 도모할 수 있고, 예비 성형 공정을 도입하여 금형의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 볼트 형태의 몸체부와 머리부로 이루어지고, 상기 몸체부의 자유단부에는 한 쌍의 측면그루브가 대칭되게 형성된 걸림홈이 형성됨과 동시에 한 쌍의 걸림홈을 관통하는 관통공이 형성되고, 상기 몸체부의 자유단부의 저면에는 한 쌍의 걸림홈과 연통하는“ㅡ”자 그루브 형태의 유도홈이 형성되며, 상기 관통공에 관통결합되어 걸림홈과 유도홈을 따라 회동 가능한 비원호 루프형상을 갖는 와이어 형태의 분리방지핀을 포함하는 코터핀 볼트를 냉간 단조 방식으로 제조하는 방법에 있어서, 상기 코터핀 볼트를 제조하기 위한 환봉을 일정 길이로 절단하여 볼트소재를 얻는 소재 컷팅 단계와; 컷팅된 볼트소재를 원통형 직선통공이 형성된 제1금형틀에 끼워 넣어 볼트소재의 직선도를 잡아주는 직선도 작업단계와; 상기 제1금형틀에서 직선도 작업단계를 거친 볼트소재를 예비 성형하여 후공정 단계의 단조 성형압을 완화시키기 위해서 볼트소재의 테두리를 모따기 성형하는 면취작업을 수행할 수 있는 모따기 형상부 및 원통형 통공을 갖춘 제2금형틀과, 이 원통형 통공 내 일측에 삽입 구비되어 단조 작업시 유도홈에 비해서 상대적으로 넓은 폭을 가짐과 아울러 동일한 깊이를 갖는 원형의 가압변형홈을 형성할 수 있는 원통형 가압성형핀을 갖춘 성형다이와, 상기 제2금형틀과 연계하여 볼트소재의 일단을 단조 가압할 수 있는 예비머리형상부를 갖춘 예비헤드펀치부를 갖추고, 상기 원통형 통공 내에 볼트소재를 머리부로 성형될 수 있는 길이만큼 노출되게 삽입한 상태에서 예비헤드펀치부로 가압하여 머리부를 예비 성형함과 동시에, 볼트소재가 가압될 때 볼트소재의 저면 중앙부위에 원통형 가압성형핀에 의해 가압변형홈이 함몰 성형되고, 제2금형틀의 모따기 형상부에 의해 모따기 성형된 예비성형볼트부로 성형되는 단조성형압 완화단계와, 상기 단조성형압 완화단계를 거친 예비성형볼트부의 양측면에 걸림홈을 가압 성형할 수 있는 측면가압 성형돌출핀부가 원통형 통공 내에 형성된 제3금형틀과, 이 원통형 통공의 일측에 삽입 구비되어 유도홈을 형성할 수 있는 홈가압성형핀을 갖춘 단조다이와, 상기 제3금형틀과 연계하여 예비성형볼트부의 일단을 냉간 단조방식으로 가압하여 머리부로 완성될 수 있게 머리형상부를 갖는 헤드펀치부를 갖추고, 이 제3금형틀의 원통형 통공에 예비성형볼트부를 끼워 놓고 냉간 단조 방식으로 가압함에 따라 측면가압 성형돌출핀부에 의해 예비성형볼트부의 양측면에 그루브 형태의 걸림홈이 함몰 성형됨과 동시에, 예비성형볼트부가 원통형 통공 내에서 밀려 들어감에 따라 걸림홈이 함몰 성형되면서 형성되는 소성변형으로 인해 열린공간인 가압변형홈쪽으로 밀려서 메워지는 형태로 변형됨과 동시에 단조다이의 홈가압성형핀에 의해 예비성형볼트부의 저면에 유도홈이 함몰 성형되어 볼트부로 제조되는 단조 성형단계와, 상기 단조 성형단계를 거친 볼트부의 걸림홈쪽에 드릴 가공하여 관통공을 형성하는 마무리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법을 제공하는 데 그 특징을 갖는다.

본 발명에 따르면, 코터핀 볼트를 냉간 단조 기술을 이용하여 제조하는 데 있어서, 제3금형틀을 통해서 코터핀 볼트의 볼트부에 형성되는 머리부 형상, 걸림홈, 유도홈을 한 번의 작업 공정으로 동시에 냉간 단조 성형할 수 있도록 단계별 공정의 병합을 통해 공정의 간소화 및 동시화(혹은, 일체화)를 구현하여 냉간 단조 공정을 개선함으로써, 작업 공정의 단축 및 금형에 사용되는 부속품수를 줄여 경제성을 추구함은 물론, 냉간 단조 공정 단축에 따른 생산성 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 제2금형틀에서 볼트소재에 머리부 형상과 볼트소재의 끝단면 중앙에 가압변형홈과 볼트소재의 테두리에 모따기 성형을 냉간 단조를 통해 실시하는 예비성형 단조공정을 도입함으로써, 단조 성형단계에서 볼트부의 양측면에 형성되는 걸림홈(103)을 단조 성형할 때 가압변형홈(106)쪽으로 부피 변형량이 쉽게 밀려 들어오게 됨에 따라 냉간 단조시 가해지는 가압력을 크게 줄여 줄 수 있어 금형의 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이처럼, 본 발명은 볼트부를 제조하는 과정에서 냉간 단조하기 위하여 가하게 되면 단조 압력을 예비성형 단조 공정과 단조성형 공정별로 최대한 분산시키거나 줄여 줄 수 있게 됨에 따라 볼트부에 크랙이 발생하는 문제을 개선하는 효과 및 금형의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 등록특허공보 제1125062호에 개시된 코터핀 볼트의 일 실시예를 보여주는 사시도.
도 2는 종래 기술에 따른 코터핀 볼트의 사용 상태를 보여주는 개략적인 사용 예시도.
도 3은 종래 기술에 따른 등록특허공보 제1704932호에 개시된 코터핀 샤프트 제조방법을 보여주는 단계별 제조 과정도.
도 4는 본 발명이 적용되는 코터핀 볼트의 구성을 보여주는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 코터핀 볼트 제조공정을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 6은 본 발명에 따른 코터핀 볼트의 제조방법에 의해 단계별로 성형 상태를 개략적으로 보여주는 도면으로써, 도 6(a)는 소재 컷팅 단계를 거친 볼트소재를 보여주는 도면이고, 도 6(b)는 예비성형 단조단계를 거친 예비성형볼트부를 보여주는 도면이며, 도 6(c)는 단조성형 단계를 거친 볼트부를 보여주는 도면이다.
도 7(a)(b)는 본 발명에 따른 소재 컷팅 단계를 거친 볼트소재의 직선도 작업단계를 순차적으로 보여주는 제조 과정도.
도 8(a)(b)는 본 발명에 따른 직선도 작업단계를 거친 볼트소재에 예비성형을 통해서 예비성형볼트부로 제조하는 단조성형압 완화단계를 순차적으로 보여주는 제조 과정도.
도 9(a)(b)(c)는 본 발명에 따른 예비성형볼트부를 이용하여 볼트부를 냉간 단조로 제조하는 단조 성형단계를 순차적으로 보여주는 제조 과정도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이때, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의성을 위해 과장되거나 생략될 수 있으며, 도면에 병기된 도면부호에 따라 부여되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

본 발명은 배전선로 등에서 두 부재를 체결 조립하는 기계요소로 사용되는 코터핀 볼트(100)를 냉간 단조 기술을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명이 적용되는 코터핀 볼트(100)는, 종래 기술에 따른 도 1에 도시된 분리방지핀이 합체된 볼트와 동일한 형상 및 구성을 갖고 있다.

즉, 상기 코터핀 볼트(100)는, 통상의 볼트와 마찬가지로, 몸체부(101)와 머리부(102)로 이루어진 볼트부(110)와, 이 볼트부(110)에 연결 조립되는 분리방지핀(120)을 포함하는 구성을 갖는다.

상기 몸체부(101)에는 나사산이 형성되어 있을 수도 있으며, 상기 몸체부(101)의 끝단 저면에는 횡으로 반호형을 갖는“ㅡ”자 그루브 형태의 유도홈(104)이 형성되어 있고, 상기 몸체부(101)의 양측면부에는 몸체부(101) 말단에서 일정높이까지 그루브 형태의 걸림홈(103)이 서로 대향되면서 유도홈(104)과 서로 맞닿아 연결되는 형태로 각각 형성되어 있으며, 상기 한 쌍의 걸림홈(103) 상에는 유도홈(104)으로부터 이격된 위치에 양쪽의 걸림홈(103)이 서로 연통되는 형태의 관통공(105)이 형성되어 있다.

상기 관통공(105)에는 분리방지핀(120)이 벌려진 상태에서 삽입되어 합체되는 구조를 가지고 있다.

따라서, 상기 분리방지핀(120)이 볼트부(110)의 길이방향으로 회전된 상태에서 분리방지핀(120)이 볼트부(110)의 몸체부(101) 외주면에 형성된 걸림홈(103) 내에 수용될 수 있도록 되어 있다.

본 발명에서 분리방지핀(20)은 눌림이나 벌림에 대해 탄성을 가지도록 탄성부가 형성되어 있는 집게 형상으로 강판 또는 강선 재질인 것이 좋다.

예를 들어, 분리방지핀(120)이 강판 또는 강선 재질인 경우, 절곡된 부위가 탄성부로서의 기능을 하게 된다.

이하에서는 도 5 내지 도 9를 이용하여 본 발명에 따른 코터핀 볼트(100)의 제조 과정을 실시예 별로 설명한다.

본 발명에 따른 코터핀 볼트(100)의 제조방법은, 도 5에 도시된 바와 같이 크게 소재 컷팅단계(S1), 직선도 작업단계(S2), 단조성형압 완화단계(S3), 단조 성형단계(S4), 마무리 단계(S5)를 포함한다.

이하, 각 단계별로 상세히 설명한다.

상기 소재 컷팅단계(S1)는 코터핀 볼트(100)를 제조하기 위한 볼트부(110) 재질로 사용되는 소재를 컷팅하여 냉간 단조를 준비하는 단계이다.

상기와 같이 컷팅되는 소재의 길이는 제조하고자 하는 코터핀 볼트(100)의 규격(혹은 크기)에 따라 다양한 규격으로 준비되는바, 예를 들어, 볼트소재(111)의 길이(L1)는 대략 60㎜, 100㎜ 등과 필요로 하는 규격 길이로 준비되고, 직경(Ø1)은 대략 16㎜ 정도의 크기를 갖는 것이 보통이다.

통상적으로 환 형상으로 권선되어 제공되는 환봉을 일정 길이로 절단하여 도 6(a)에 도시된 바와 같은 볼트소재(111)를 얻는다.

이렇게 얻어진 볼트소재(111)는 환봉이 환 형상으로 권선되어 있던 관계로, 직선도 작업을 수행하는 것이 바람직하다.

상기 직선도 작업단계(S2)는, 도 7(a)(b)에 도시된 바와 같이 직선통공(131)을 갖춘 제1금형틀(130)을 준비한 다음, 제1금형틀(130)의 직선통공(131) 내에 볼트소재(111)를 강제적으로 삽입하여 볼트소재(111)의 직선도를 잡아주는 단계이다.

이때, 상기 제1금형틀(130)에 구비되는 직선통공(131)의 직경은 볼트소재(111)의 직경에 맞춰 동일한 크기(실질적으로는 강제 삽입이 가능한 미세한 공차를 가지고 있다.)로 준비되게 된다.

이와 같은 제1금형틀(130)의 직선통공(131)에 볼트소재(111)를 작업공구(133)로 잡아서 가압 상태로 밀어 넣게 되면, 볼트소재(111)와 동일 직경을 갖는 직선통공(131)에 의해 자연스럽게 직선도 작업이 이루어지게 된다.

상기와 같이 제1금형틀(130)의 직선통공(131)에 가압 상태로 삽입되어 직선도 작업이 이루어진 볼트소재(111)는 제1금형틀(130)의 직선통공(131)과 동일선상에 배치된 푸쉬부(132)로 밀어서 직선통공(131)으로부터 배출 분리하게 된다.

이처럼, 상기 컷팅 준비된 볼트소재(111)를 냉간 단조 가공으로 프레싱할 때 볼트소재(111)가 약간이라도 휘어져 있으면 곡선 변형이 일어나 제품 불량이 발생할 확률이 크기 때문에 볼트소재(111) 자체를 반듯하게 펴주는 직선도 작업을 수행하는 것이 좋다.

특히, 환 형상으로 권선된 환봉을 일정길이로 소재 컷팅하여 볼트소재(111)를 준비하는 경우에는, 환 형상으로 권선된 환봉을 컷팅한 관계로, 컷팅된 볼트소재(111)의 길이가 매우 짧더라도 권선 곡면이 형성되어 있을 수 있기 때문에 직선도 작업을 수행하는 것이 바람직한 것이다.

물론, 직선도 작업을 수행하는 경우에 있어서 컷팅된 볼트소재(111) 자체가 처음부터 매우 반듯하게 컷팅되어 있어 직선도 작업을 수행하지 않아도 될 경우가 있을 수 있지만, 시각적으로 직선도를 확인하는 것보다는 제1금형틀(130)의 직선통공(131)을 통해서 직선도를 확인하는 것이 바람직하다 할 것이다.

상기와 같이 직선도 작업공정이 완료된 볼트소재(111)는 코터핀 볼트(100)의 볼트부(110)로 제조하기 위하여 볼트부(110)상에 각각 형성되는 냉간 단조 성형 부위를 동시에 구현할 수 있도록 각 성형 부위가 하나의 금형 내에 구비되게 설계 제조된 제2금형틀(140)을 통해서 단조성형압 완화단계(S3)를 거쳐 예비성형볼트부(112)로 제조되게 된다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 직선도 작업단계(S2) 이후에 곧바로 후술하는 단조 성형단계(S4)로 공정을 진행하는 방식을 적용해 보았으나, 후술하는 단조 성형단계(S4)에서 컷팅 준비된 볼트소재(111) 자체에 한 번의 냉간 단조 작업을 통해서 머리부(102)를 성형함과 동시에 볼트소재(111)의 양측면부와 끝단면에 걸림홈(103), 유도홈(104)을 각각 함몰 성형함과 아울러 모따기 성형에 의한 면취작업까지 동시에 수행하는 경우, 제3금형틀(160)에서 냉간 단조 작업시 매우 높은 가압력이 필요하게 됨은 물론, 이러한 높은 단조 성형압으로 인해 볼트부(110)의 머리부(102) 쪽에 종종 크랙이 발생하는 문제점이 제조 공정상 노출되었다.

이처럼, 볼트소재(111)의 일단에 헤드펀치부(180)에 의해 한 번에 원호 형상의 머리부(102)를 냉간 단조 성형할 때 매우 강한 가압력을 필요로 하게 되면서 그 강한 가압력에 의한 충격으로 인해 금속재질인 볼트소재 내 섬유질 형태의 금속조직이 끊어져 크랙이 발생하는 문제점이 종종 노출되었고, 상기와 같이 냉간 단조 작업에 따른 과도한 가압력이 금형에 반복적으로 작용하게 되면서 금형의 내구성이 현저히 저하되는 문제점이 노출되었다.

이에 본 발명의 바람직한 실시예에서는 볼트소재(111)에 대한 직선도 작업을 마친 후에 곧바로 단조 성형단계(S4)를 수행하는 것이 아니라 단조 성형단계(S4)에서 냉간 단조에 필요한 가압력(혹은, "단조성형압" 이라 한다)을 완화시켜 수월하게 단조성형 작업을 수행함과 아울러, 상기와 같은 금형의 내구성이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 방안으로써, 볼트소재(111)에 대한 직선도 작업 후에 볼트소재(111)에 가압력 완화를 위한 사전 작업을 진행하여 예비성형볼트부(112)를 제조하는 실시예를 구현하게 되었다.

즉, 도 8(a)(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코터핀 볼트 제조방법은, 볼트소재(111)의 직선도 작업 후에 단조성형압 완화단계(S3)를 포함시키는 데 그 특징을 두고 있다.

상기 단조성형압 완화단계(S3)는 후술하는 단조 성형단계(S4)를 통해서 볼트부(110)를 제조하기 전에 볼트소재(111)에 1차 냉간 단조를 수행하여 머리부 형상을 예비 성형함과 아울러 유도홈(104) 성형시 직경 변형에 대응될 수 있도록 볼트소재(111)의 끝단면 중앙에 유도홈(104)의 폭보다 상대적으로 넓은 가압변형홈(106)을 형성함과 동시에 볼트소재(111)의 테두리에 모따기 성형에 의한 면취작업을 수행하여 예비성형볼트부(112)를 가공 제조하는 단계이다.

이와 같이 단조성형압 완화단계(S3)를 단조 성형단계(S4) 앞에서 실시함으로써, 단조 성형단계(S4)에서의 냉간 단조를 통해 가해지는 가압력을 상대적으로 줄여 준 상태로 예비성형볼트부(112)에 대해 제3금형틀(160)에서 냉간 단조를 수행함에 따라 단조 성형압을 현저히 줄여 줄 수 있도록 하기 위함이며, 특히, 예비성형볼트부(112)의 저면에 가압변형홈(106)을 사전에 형성해 줌으로써, 단조 성형단계(S4)에서 볼트부(110)의 양측면에 형성되는 걸림홈(103)을 단조 성형할 때 가압변형홈(106)쪽으로 소성변형에 의한 형상 변형이 일어나면서 쉽게 밀려 들어오게 됨에 따라 냉간 단조시 가해지는 가압력을 크게 줄여 줄 수 있어 금형의 내구성을 크게 향상시킬 수 있도록 하고 있는 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 제2금형틀(140)에 의한 단조성형압 완화단계(S3)를 통해 예비성형볼트부(112)를 단조가공 제조하는 과정을 첨부도면을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 8(a)(b)에 도시된 바와 같이, 상기 단조성형압 완화단계(S3)에서는 제2금형틀(140)이 준비되게 된다.

상기 제2금형틀(140)은 제1금형틀(130)에서 직선도 작업단계(S2)를 거친 볼트소재(111)를 삽입하여 볼트부(110)의 머리부(102)로 성형될 수 있는 길이만큼 노출되게 끼워 놓을 수 있는 원통형 통공(141)을 갖추고 있다.

이때, 상기 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141)의 일측에는 볼트소재(111)의 테두리 부위를 모따기 성형할 수 있는 모따기 형상부(142)가 형성되어 있다.

그리고, 상기 제2금형틀(140)은 예비머리형상부(146)를 갖춘 예비헤드펀치부(145)와 서로 연계될 수 있게 구비된다.

상기 예비헤드펀치부(145)는 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141) 내에 볼트소재(111)를 삽입한 다음, 볼트소재(111)의 일단이 후술하는 볼트부(110)의 머리부(102)로 성형될 수 있는 길이만큼 노출 시킨 상태에서 예비헤드펀치부(145)의 예비머리형상부(146)로 볼트소재(111)의 일단을 가압함에 따라 볼트소재(111)의 일단에 볼트부(110)의 머리부(102) 형상(예를 들어, 원호형 단면형상)으로 완성될 수 있도록 사전에 예비 성형을 통한 머리부 형상을 잡아주는(즉, 예비 성형해 주는) 역할을 하게 된다.

이렇게 제2금형틀(140)에서 예비헤드펀치부(145)의 예비머리형상부(146)로 예비성형볼트부(112)의 일단에 원호형 단면형상으로 가변하기 쉬운 예비 성형된 머리부 형상이 성형되게 되면, 상기 제3금형틀(160)에서 헤드펀치부(180)로 머리부(102)를 냉간 단조를 통해서 성형하게 될 때, 필요한 가압력을 볼트소재(111) 상태에서 한 번에 원호형 단면 형상을 갖는 머리부(102)로 형성할 때에 비해서 상대적으로 크게 줄여 줄 수 있고, 냉간 단조에서 가압력을 줄여 주게 되면 소재에 가해지는 충격이 줄기 때문에 머리부(102)를 단조 성형하는 과정에서 발생할 수 있는 크랙 문제를 자연스럽게 개선할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 단조성형압 완화단계(S3)를 구현하기 위해서는 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141) 내 삽입된 볼트소재(111)의 끝단면과 접촉하는 위치에는 원통형 가압성형핀(151)을 갖춘 성형다이(150)가 삽입 구비된다.

상기 성형다이(150)에 형성된 원통형 가압성형핀(151)은 냉간 단조를 통해서 예비헤드펀치부(145)로 볼트소재(111)가 가압될 때 볼트소재(111)의 끝단면에 유도홈(104)의 폭에 비해서 상대적으로 넓은 폭(혹은 직경)을 갖는 원형구조의 가압변형홈(106)을 형성하는 역할을 하게 된다.

상기 볼트소재(111)의 끝단면 중앙부위에 형성되는 가압변형홈(106)은 제3금형틀(160)에서 볼트소재(111)의 끝단면에 “ㅡ”자 그루브 형태의 유도홈(104)을 수월하게 함몰 성형함과 동시에 양쪽 걸림홈(103)이 가압 성형되는 과정에서 볼트소재의 부피 변형에 따라 용이하게 변형될 수 있는 부위로 제공되는 홈으로써, 이 가압변형홈(106)으로 인해 유도홈(104) 및 걸림홈(103)을 함몰 성형하는 과정에서 예비성형볼트부(112)의 끝단면 중앙에 미리 넓은 직경의 가압변형홈(106)이 패여져 있는 관계로, 이 열린공간인 가압변형홈(106)쪽으로 소성변형에 의한 형상 변형이 일어나면서 쉽게 밀려 들어오게 됨에 따라 냉간 단조를 통해 가압되는 힘을 줄여 줄 수 있게 됨은 물론이다.

이처럼, 단조성형압을 완화시켜 주게되면, 결과적으로 금형의 내구성을 크게 개선하는 효과를 얻을 수 있음을 후술하는 금형의 내구성 시험 테스트 결과(표 1 참조)를 통해서 확인할 수 있다.

상기 가압변형홈(106)의 함몰 성형 깊이는 유도홈(104)의 함몰 성형 깊이와 동일하게 설계됨은 물론이다.

즉, 제2금형틀(140)에 의한 단조성형압 완화단계(S3)를 거침으로써, 제3금형틀(160)에 의한 단조 성형단계(S4)에서 냉간 단조에 필요한 가압력을 분산시켜 줄 수 있는 장점이 있고, 이렇게 냉간 단조에 필요한 가압력을 상대적으로 낮춰주게 되면, 금형에 가해지는 충격력이 감소되어 금형의 내구성이 크게 향상되는 장점을 기대할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 상기와 같이 구비된 제2금형틀(140)에서 단조성형압 완화단계(S3)를 통해 예비성형볼트부(112)를 제조하는 과정을 살펴보면, 도 8(a)(b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1금형틀(130)에서 직선도 작업단계(S2)를 거친 볼트소재(111)를 모따기 형상부(142)를 갖춘 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141) 내에 삽입하여 볼트부(110)의 머리부(102)로 성형될 수 있는 길이만큼 노출되게 끼워 놓은 상태에서 예비머리형상부(146)를 갖춘 예비헤드펀치부(145)로 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141) 외부로 노출된 볼트소재(111)의 일단을 가압하여 볼트소재(111)에 머리부(102)를 예비 성형하게 된다.

이와 동시에, 도 8(a)(b)에 도시된 바와 같이 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141) 내 삽입된 볼트소재(111)의 끝단면과 접촉하는 위치에 원통형 가압성형핀(151)을 갖춘 성형다이(150)가 삽입 구비됨에 따라 냉간 단조를 통해서 예비헤드펀치부(145)로 볼트소재(111)가 가압될 때 볼트소재(111)의 끝단면 중앙부위에 가압변형홈(106)이 성형다이(150)의 원통형 가압성형핀(151)에 의해 함몰 성형됨과 동시에, 제2금형틀(140)의 모따기 형상부(142)에 의해 볼트소재(111)의 테두리를 모따기 성형하는 면취작업을 수행하여 예비성형볼트부(112)로 성형되는 것이다.

그리고, 상기 가압변형홈(106)이 함몰 성형되는 과정에서 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141)에 인접한 내주면에 모따기 형상부(142)가 형성 구비되어 있는 관계로, 가압되는 볼트소재(111)의 테두리가 모따기 성형되면서 면취작업이 이루어지게 된다.

이러한 모따기 성형을 통한 면취작업은 모서리 파손을 방지하면서 코터핀 볼트(100)가 갖는 모서리의 날카로움을 제거하는 역할을 하게 된다.

이렇게 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141) 내에서 냉간 단조를 통해 예비성형볼트부(112)가 형성 제조되게 되면, 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141)과 동일선상으로 위치하면서 성형다이(150)와 이중 구조로 배치 구비된 푸쉬부(143)가 예비성형볼트부(112)를 밀어줌으로써, 제2금형틀(140)의 원통형 통공(141)에서 예비성형볼트부(112)를 배출 분리하게 된다.

상기와 같이 볼트소재(111)를 제2금형틀(140)에서 1차적인 예비 단조 성형작업인 단조성형압 완화단계(S3)를 거치게 되면, 도 6(b)에 도시된 바와 같은 예비성형볼트부(112)가 가공되는 바, 상기 예비성형볼트부(112)는 1차적인 단조 성형에 의해 가압력이 가해졌기 때문에 볼트소재(111)에 비해서 상대적으로 그 길이(L2)가 짧아지면서 직경(Ø2)이 커지는 변형이 일어나게 되는 것이다.

예를 들어, 볼트소재(111)의 길이(L1)에 비해서 예비성형볼트부(112)의 길이(L2)는 대략 1.5~2㎜정도 짧아지고, 볼트소재(111)의 직경(Ø1)에 비해서 예비성형볼트부(112)의 직경(Ø2)은 대략 0.05㎜정도 커지는 단조에 의한 소성변형이 일어나게 된다.

이와 같이 단조성형압 완화단계(S3)를 통해 1차 단조 제조된 예비성형볼트부(112)는 도 9(a)(b)(c)에 도시된 바와 같이 단조 성형단계(S4)를 실시하여 제3금형틀(160)에서 냉간 단조 가공을 통해 볼트부(110)로 제조되게 된다.

즉, 본 발명에 따른 단조 성형단계(S4)는, 제3금형틀(160)을 통해서 코터핀 볼트(100)의 볼트부(110)에 형성되는 머리부(102) 형상, 걸림홈(103), 유도홈(104)을 한 번의 작업 공정으로 동시에 냉간 단조 성형한다는 데 그 특징을 가지고 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 단조 성형단계(S4)에서는, 냉간 단조용 금형인 제3금형틀(160)과 연계하여 볼트부(110)의 머리부(102)를 단조 성형하는 헤드펀치부(180)가 구비되고, 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161) 내부에 일체로 형성되어 볼트부(110)의 양측면에 걸림홈(103)을 함몰 성형하는 측면가압 성형돌출핀부(162)가 구비되며, 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161) 일측에 삽입 구비되어 볼트부(110)의 끝단면에“ㅡ”자 그루브 형태의 유도홈(104)을 함몰 성형하는 홈가압성형핀(171)을 갖춘 단조다이(170)가 구비된다.

상기와 같은 제3금형틀(160), 단조다이(170), 헤드펀치부(180)가 준비되면, 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161) 내 예비성형볼트부(112)를 공급한 후, 헤드펀치부(180)로 예비성형볼트부(112)를 냉간 단조 방식으로 가압하여 제3금형틀(160)을 통해서 동시에 예비성형볼트부(112)의 양측면부 및 끝단면에 걸림홈(103)과 유도홈(104)을 각각 순차적으로 함몰 성형하여 볼트부(110)를 제조하게 된다.

이처럼, 본 발명에 따른 단조 성형단계(S4)는, 코터핀 볼트(100)를 구성하는 볼트부(110)를 냉간 단조 기술로 제조하는 데 있어서, 예비 성형된 예비성형볼트부(112)로 가공한 다음, 제3금형틀(160) 내에 공급하여 코터핀 볼트(100)가 갖추어야 할 구성요소들을 한 번의 냉간 단조 작업 공정으로 동시에 성형하는 관계로, 종래 기술에서 언급하고 있는 등록특허공보 제1704932호에 개시된 냉간 단조에 의해 코터핀 샤프트를 제조하는 방법에 비해서 상대적으로 작업 공정을 간소화시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

이를 보다 구체적으로 살펴보면, 도 9(a)(b)(c)에 도시된 바와 같이, 예비 성형된 머리부 및 가압변형홈(106)이 단조 성형된 예비성형볼트부(112)의 양측면에 서로 대향되게 예비성형볼트부(112)의 말단에서 일정높이까지 그루브 형태의 걸림홈(103)을 가압 성형할 수 있는 측면가압 성형돌출핀부(162)가 원통형 통공(161) 내에 형성된 제3금형틀(160)이 구비되게 된다.

그리고, 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161)에 예비성형볼트부(112)를 끼워 놓고 볼트부(110)의 머리부(102)로 완성될 수 있게 머리형상부(181)를 갖는 헤드펀치부(180)에 의해 냉간 단조 방식으로 가압하면서 밀어 넣음에 따라 예비성형볼트부(112)의 일단에 머리부(102)가 형성된다.

이와 동시에, 헤드펀치부(180)의 가압력에 의해 예비성형볼트부(112)가 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161)을 따라 밀려 들어가게 됨으로써, 측면가압 성형돌출핀부(163)에 의해 예비성형볼트부(112)의 양측면에 그루브 형태의 걸림홈(103)이 함몰 성형된다.

특히, 상기 측면가압 성형돌출핀부(163)는 제3금형틀(160)에 일체로 형성되어 있는 관계로, 종래 등록특허공보 제1704932호에 개시된 한 쌍의 측면 그루브(15)를 함몰 형성하기 위하여 편평한 면을 가진 상부 펀치 핀(155a)과 상호 대향하게 돌출된 반원형의 단면형상을 갖는 한 쌍의 돌출부(157)를 가진 하부 펀치 핀(155b)으로 이루어진 냉간 단조용 금형(150a,150b)을 별도로 사용하는 것에 비해서 구조 역학상 상대적으로 금형의 파손 위험이 줄어들어 금형 자체의 내구성이 우수하다는 장점을 갖는다.

그리고, 상기 예비성형볼트부(112)의 양측면에 형성되는 한 쌍의 걸림홈(103)이 냉간 단조 방식에 의해 가압되어 형성됨과 동시에, 밀려 들어가는 예비성형볼트부(112)의 끝단면(즉, 저면)과 접촉하는 위치에 홈가압성형핀(171)을 갖춘 단조다이(170)가 삽입 구비됨으로써, 이 단조다이(170)의 홈가압성형핀(171)에 의해 예비성형볼트부(112)의 저면에 유도홈(104)이 일체로 함몰 성형되는 것이다.

도 9(a)에 도시된 바와 같이 홈가압성형핀(171)은 반호형 단면을 갖는 곡면 형상을 갖고 단조다이(170) 상에 돌출 형성되어 있고, 상기 단조다이(170)는 제3성형틀(160)의 원통형 통공(161) 일측에 필요에 따라 이동 가능하게 삽입 고정되는 것이다.

이때, 상기 유도홈(104)은 홈가압성형핀(171)의 형상에 맞춰 전술한 바와 같이 양쪽 걸림홈(103)과 연통되는“ㅡ”자 그루브 형태의 홈으로 형성되게 된다.

또한, 상기 헤드펀치부(180)의 머리형상부(181)는 머리부(102)의 단면형상에 대응하는 단면형상을 갖고 있는바, 보통의 단조용 볼트에서 볼 수 있는 것처럼, 머리부(102)는 원호 형상의 단면을 갖는 것이 일반적이다.

물론, 상기 머리부(102)의 형상을 원호 형상으로 한정하는 것은 아니며, 헤드펀치부(180)의 머리형상부(181)의 설계 형상에 따라 주지 관용적인 다양한 형태를 갖는 단조용 볼트의 머리부 형상으로 성형될 수 있음은 당연하다.

상기 제3금형틀(160)에서 냉간 단조를 통해서 제조된 볼트부(110)는 냉간 단조에 의한 가압을 통해서 에비성형볼트부(112)의 일단에 머리부(102)가 형성됨과 더불어, 예비성형볼트부(112)의 양측면부와 끝단면에 각각 걸림홈(103) 및 유도홈(104)이 함몰 성형되는 단조가공(혹은, 변형)이 일어나는 관계로, 예비 성형되어 가공된 예비성형볼트부(112)에 비해 상대적으로 길이(L3)는 짧아지는 반면, 직경(Ø3 즉, 굵기)은 커지게 되는 변형이 일어나게 된다.

예를 들어, 단조 성형단계(S4)에서의 예비성형볼트부(112)가 볼트부(110)로 가공되는 과정에서 전체길이는 약 3㎜ 정도 짧아지고, 직경은 0.05㎜정도 커지는 변형이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.

이렇게 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161) 내에서 냉간 단조를 통해 볼트부(110)가 형성 제조되게 되면, 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161)과 동일선상으로 위치하면서 단조다이(170)와 이중 구조로 배치 구비된 푸쉬부(164)가 볼트부(110)를 밀어줌으로써, 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161)에서 볼트부(110)를 배출 분리하게 된다.

이와 같은 단조 성형단계(S4)를 통해서 볼트부(110)가 제조되면, 볼트부(110)를 드릴 머신으로 이동하여 유도홈(104)로부터 이격된 위치에 서로 대향되게 함몰 성형된 한 쌍의 측면 그루브 형태를 갖는 걸림홈(103)이 서로 연통되도록 볼트부(110)의 걸림홈(103)상에 드릴 가공하여 관통공(105)을 형성하는 마무리단계(S5)를 수행하게 된다.

여기서, 상기 관통공(105)은 유도홈(104)와 평행을 이루며 관통 형성됨으로써, 전술한 바와 같이 관통공(105)을 통해 분리 방지핀(120)이 합체되어 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 코터핀 볼트(100)를 얻을 수 있게 된다.

즉, 몸체부(101)와 머리부(102)가 일체로 형성되고, 한 쌍의 걸림홈(103), 유도홈(104), 관통공(105)이 형성된 코터핀 볼트(100)를 얻을 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 코터핀 볼트(100)의 제조방법은 기계 가공이 아닌 냉간 단조를 통해 제조함에 따라. 표면조도가 우수한 코터핀 볼트(100)를 얻을 수 있게 된다.

특히, 본 발명에 따른 제조방법에서 단조성형압 완화단계(S3)를 추가했을 때와, 단조성형압 완화단계(S3) 없이 직선도 작업단계(S2) 후 곧바로 단조 성형단계(S4)를 수행했을 때의 단조성형압 변화와 금형의 내구성 및 제품 생산성을 비교한 결과가 아래 표 1에 나타나 있다.

구 분	금형에 걸리는 부하	생산 수량/금형1개당	비고
단조성형압 완화단계없이 단조 성형단계 수행시	9,675㎏ (볼트소재 직경 16㎜ 단면시)	5,000~8,000EA	6,500EA/평균
단조성형압 완화단계 수행시	2,512㎏ (가압변형홈 직경 10㎜ 단면시)	-
단조성형압 완화단계거친 이후 단조 성형단계 수행시	1,540㎏	55,000~60,000EA	57,500EA/평균
증감율(%)	하중 감소율 84.08%	생산 증가율 884.62%
절감 효과	1) 제품생산 소요 금형비 (금형 1개당 /평균 생산수) 개선 전: ￦350,000/6,500EA→￦53.846/EA 개선 후: ￦350,000/57,500EA→￦6.087/EA 2) 제품 생산성 향상 개선 전: 23,300EA/8시간 개선 후: 34,000EA/8시간 →49.92% 증가		금형단가 ￦350,000/EA

이처럼, 본 발명에 따른 코터핀 볼트 제조 공정에서 가압변형홈(106)을 형성하는 단조성형압 완화단계(S3)를 추가하게 되면, 금형 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라 제품 생산 원가를 크게 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있음을 실증적으로 확인할 수 있었다.

더욱이, 본 발명의 예시적인 단조작업 공정을 수행할 때, 단조성형압 완화단계(S3)에서 16㎜ 직경을 갖는 볼트소재(111)의 저면에 10㎜ 직경을 가지며 깊이 2.5㎜를 갖는 가압변형홈(106)을 형성하는 데 필요한 단조 성형압이 대략 2,512㎏ 수준의 가압력이 필요함을 확인할 수 있었고, 이러한 단조성형압 완화단계(S3)를 거친 후 단조 성형단계(S4)에서 머리부(102), 걸림홈(103) 및 유도홈(104)을 단조 성형하는 데 필요한 단조성형압은 1,540㎏ 수준의 가압력이 필요함을 확인할 수 있었다.

그런데, 상기와 같은 단조성형압 완화단계(S3)를 거치지 않고, 볼트소재(111)의 직선도 작업단계(S2)를 수행한 후, 볼트소재(111)를 대상으로 머리부(102), 걸림홈(103), 유도홈(104)을 한번에 동시에 단조 성형하는 단조 성형단계(S4)를 곧바로 수행하는 경우에는 단조성형압이 대략 9,675㎏ 수준의 가압력이 필요함을 확인할 수 있어, 단조성형압 완화단계(S3)를 거친 후 단조 성형단계(S4)를 수행할 때에 비해서 상대적으로 매우 높은 가압력(즉, 단조 성형압)이 요구됨을 확인할 수 있었으며, 그로 인한 금형의 내구성에 지대한 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 코터핀 볼트를 종래 등록특허공보 제1704932호에 개시된 바와 같이 하단 그루브(17), 한 쌍의 측면 그루브(15), 머리부(13)를 1,2,3차에 걸친 냉간단조 금형(140a,140b),(150a,150b),(160a,160b)을 이용하여 냉간 단조를 통해서 각각의 단계별로 제조하지 않고, 본 발명에서는 단조성형압 완화단계(S3)에서 걸림홈(103) 단조 작업시 부피 변형을 유도할 수 있는 가압변형홈(106)을 성형할 수 있는 제조공정을 추가한 다음, 제3금형틀(160)에서 머리부(102), 걸림홈(103), 유도홈(104)을 동시에 냉간 단조를 통해 성형 가공함에 따라 단조 성형단계(S4)에서의 가압력을 크게 줄여 줌으로써, 단계별 공정의 병합을 통해 공정의 간소화 및 동시화(혹은, 일체화)를 구현하여 냉간 단조 공정을 개선함에 따라 작업 공정의 단축 및 금형에 사용되는 부속품수를 줄여 경제성을 추구함은 물론, 냉간 단조 공정 단축에 따른 생산성 향상을 도모할 수 있고, 예비 성형 공정을 도입하여 금형의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

100 : 코터핀 볼트 101 : 몸체부
102 : 머리부 103 : 걸림홈
104 : 유도홈 105 : 관통공
106 : 가압변형홈 110 : 볼트부
111 : 볼트소재 112 : 예비성형볼트부
120 : 분리방지핀 130 : 제1금형틀
131 : 직선통공 132, 143, 164 : 푸쉬부
133 : 작업공구 140 : 제2금형틀
141, 161 : 원통형 통공 142 : 모따기 형상부
145 : 예비헤드펀치부 150 : 성형다이
151 : 원통형 가압성형핀 160 : 제3금형틀
163 : 측면가압 성형돌출핀부 170 : 단조단이
171 : 홈가압성형핀 180 : 헤드펀치부

Claims (1)

1. 볼트 형태의 몸체부(101)와 머리부(102)로 이루어지고, 상기 몸체부(101)의 자유단부에는 한 쌍의 측면그루브가 대칭되게 형성된 걸림홈(103)이 형성됨과 동시에 한 쌍의 걸림홈(103)을 관통하는 관통공(105)이 형성되고, 상기 몸체부(101)의 자유단부의 저면에는 한 쌍의 걸림홈(103)과 연통하는“ㅡ”자 그루브 형태의 유도홈(104)이 형성되며, 상기 관통공(105)에 관통결합되어 걸림홈(103)과 유도홈(104)을 따라 회동 가능한 비원호 루프 형상을 갖는 와이어 형태의 분리방지핀(120)을 포함하는 코터핀 볼트(100)를 냉간 단조방식으로 제조하는 방법에 있어서,
   상기 코터핀 볼트(100)를 제조하기 위한 환봉을 일정 길이로 절단하여 볼트소재(111)를 얻는 소재 컷팅 단계(S1)와;
   컷팅된 볼트소재(111)를 원통형 직선통공(131)이 형성된 제1금형틀(130)에 끼워 넣어 볼트소재(111)의 직선도를 잡아주는 직선도 작업단계(S2)와;
   상기 제1금형틀(130)에서 직선도 작업단계(S2)를 거친 볼트소재(111)를 예비 성형하여 후공정 단계의 단조 성형압을 완화시키기 위해서 볼트소재(111)의 테두리를 모따기 성형하는 면취작업을 수행할 수 있는 모따기 형상부(142) 및 원통형 통공(141)을 갖춘 제2금형틀(140)과, 이 원통형 통공(141) 내 일측에 삽입 구비되어 단조 작업시 유도홈(104)에 비해서 상대적으로 넓은 폭을 가짐과 아울러 동일한 깊이를 갖는 원형의 가압변형홈(106)을 형성할 수 있는 원통형 가압성형핀(151)을 갖춘 성형다이(150)와, 상기 제2금형틀(140)과 연계하여 볼트소재(111)의 일단을 단조 가압할 수 있는 예비머리형상부(146)를 갖춘 예비헤드펀치부(145)를 갖추고, 상기 원통형 통공(141) 내에 볼트소재(111)를 머리부(102)로 성형될 수 있는 길이만큼 노출되게 삽입한 상태에서 예비헤드펀치부(145)로 가압하여 머리부를 예비 성형함과 동시에, 볼트소재(111)가 가압될 때 볼트소재(111)의 저면 중앙부위에 원통형 가압성형핀(151)에 의해 가압변형홈(106)이 함몰 성형되고, 제2금형틀(140)의 모따기 형상부(142)에 의해 모따기 성형된 예비성형볼트부(112)로 성형되는 단조성형압 완화단계(S3)와,
   상기 단조성형압 완화단계(S3)를 거친 예비성형볼트부(112)의 양측면에 걸림홈(103)을 가압 성형할 수 있는 측면가압 성형돌출핀부(162)가 원통형 통공(161) 내에 형성된 제3금형틀(160)과, 이 원통형 통공(161)의 일측에 삽입 구비되어 유도홈(104)을 형성할 수 있는 홈가압성형핀(171)을 갖춘 단조다이(170)와, 상기 제3금형틀(160)과 연계하여 예비성형볼트부(112)의 일단을 냉간 단조방식으로 가압하여 머리부(102)로 완성될 수 있게 머리형상부(181)를 갖는 헤드펀치부(180)를 갖추고, 이 제3금형틀(160)의 원통형 통공(161)에 예비성형볼트부(112)를 끼워 놓고 냉간 단조 방식으로 가압함에 따라 측면가압 성형돌출핀부(162)에 의해 예비성형볼트부(112)의 양측면에 그루브 형태의 걸림홈(103)이 함몰 성형됨과 동시에, 예비성형볼트부(112)가 원통형 통공(161) 내에서 밀려 들어감에 따라 걸림홈(103)이 함몰 성형되면서 형성되는 소성변형으로 인해 열린공간인 가압변형홈(106)쪽으로 밀려서 메워지는 형태로 변형됨과 동시에 단조다이(170)의 홈가압성형핀(171)에 의해 예비성형볼트부(112)의 저면에 유도홈(104)이 함몰 성형되어 볼트부(110)로 제조되는 단조 성형단계(S4)와,
   상기 단조 성형단계(S4)를 거친 볼트부(110)의 걸림홈(103)쪽에 드릴 가공하여 관통공(105)을 형성하는 마무리단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합형 금형을 이용한 코터핀 볼트 제조방법.

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