KR101932605B1 - 밸런스 샤프트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간단조공법과 냉간압출공법을 이용하여 기어부와 샤프트부가 일체로 형성된 밸런스 샤프트를 제조하도록 한 밸런스 샤프트 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 소재를 열간단조 가공하여 소재의 일단부에 기어부를 형성하고 타단부에 샤프트부를 형성하는 열간단조공정; 상기 기어부를 가압하면서 샤프트부의 길이를 증대시키는 압출가공을 복수 횟수 실시하여 밸런스 샤프트를 제조하는 냉간압출공정;을 포함하여 구성이 될 수 있다.
이 같은 구성에 따라, 소재의 일단에 열간단조 공법을 통해 기어부를 형성한 이후, 소재의 타단에 냉간압출공법을 이용한 체적분배기술에 의해 샤프트부를 형성함으로써, 일관된 공정을 통해 일체로 형성된 밸런스 샤프트의 제조가 가능한바, 제품의 대량 생산이 가능하여 생산성이 크게 향상되고, 균일한 품질 및 내구성이 향상된 제품을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

밸런스 샤프트 제조방법{Method for manufacturing balance shaft}

본 발명은 열간단조공법과 냉간압출공법을 이용하여 기어부와 샤프트부가 일체로 형성된 밸런스 샤프트를 제조하도록 한 밸런스 샤프트 제조방법에 관한 것이다.

자동차 엔진에서 크랭크 샤프트는 진동이 최소화되어 회전 운동되는 것이 바람직한데, 크랭크 저널 중심과 크랭크핀의 중심이 편심되어 있기 때문에 그대로 회전시키면 균형을 유지하지 못한다. 이에, 크랭크핀의 반대쪽에 밸런싱웨이트를 달아 균형을 유지하게 한다.

그런데, 이 같은 방법으로는 크랭크 자체의 중심은 잡히지만 폭발행정에서 팽창에 의해 발생되는 기관의 진동이 기관의 지지부분에서 차체에 전달되고 실내소음이 커지게 되는 것은 막을 수 없다.

따라서, 기관의 진동을 줄이기 위하여 밸런스 샤프트(Balance Shaft)를 크랭크샤프트와 평행하게 부착하고, 이 밸런스 샤프트의 무게와 회전방향(크랭크샤프트와 역방향), 회전속도 등을 적절하게 설정하여 엔진의 진동을 줄여주게 된다.

상기 밸런스 샤프트는 일단에 기어부가 형성되고, 타단에 샤프트부가 형성된 것으로, 기어부에 타이밍벨트가 연결됨으로써, 샤프트부를 축으로 하여 고속회전하게 되는바, 일정한 강도와 내구성이 요구되며, 주로 단조 가공을 통해 제조가 된다.

기존의 밸런스 샤프트를 제조하는 방법으로, 기어부와 샤프트부를 각각 별도 제작한 후, 이들을 조립하여 밸런스 샤프트를 제조하거나, 또는 샤프트부를 먼저 얇게 단조 가공한 후, 기계가공을 통해 기어부를 가공하여 밸런스 샤프트를 제조하게 되는데, 이들 공정 특성상 제품의 생산성이 떨어지고 제조 비용이 상승하여 밸런스 샤프트의 대량 생산에 어려움이 있었다.

KR 10-2016-0001284 A

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 열간단조공법과 냉간압출공법을 이용하여 기어부와 샤프트부가 일체로 형성된 밸런스 샤프트를 제조하도록 한 밸런스 샤프트 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 소재를 열간단조 가공하여 소재의 일단부에 기어부를 형성하고 타단부에 샤프트부를 형성하는 열간단조공정; 상기 기어부를 가압하면서 샤프트부의 길이를 증대시키는 압출가공을 복수 횟수 실시하여 밸런스 샤프트를 제조하는 냉간압출공정;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 열간단조공정은, 일정길이로 절단된 봉형의 소재를 가열한 후, 업셋금형을 이용하여 소재를 가압하는 업셋단계; 상기 소재의 일단부를 부스터금형에 의해 가압 및 확장하여 소재의 일단부에 기어부 형성에 필요한 면적을 확보하는 부스터단계; 상기 소재를 블로커금형에 의해 가압하여 기어부와 샤프트부의 형상을 1차 단조 가공하되, 상기 샤프트부의 직경이 후술하는 피니셔단계에서 요구하는 샤프트부 외경보다 소정길이만큼 작도록 형성되는 블로커단계; 상기 소재를 피니셔금형에 의해 가압하여 기어부와 샤프트부의 형상을 2차 단조 가공하는 피니셔단계;를 포함할 수 있다.

상기 피니셔단계 이 후에 소재의 외면에 형성된 플래시를 제거하는 트리밍단계; 상기 소재의 외면에 형성된 스케일을 제거하는 쇼트단계; 상기 소재의 외면에 냉간압출 금형과의 협착을 방지하기 위해 피막처리하는 피막단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 냉간압출공정은, 냉간압출 금형을 이용하여 기어부의 상부를 가압하여 샤프트부의 단면적을 줄이면서 길이를 늘리는 냉간압출단계를 여러 회차에 걸쳐서 나누어 실시하되, 제1냉간압출단계에서는 샤프트부의 단면적 감소율이 25% 이하가 되도록 가공할 수 있다.

상기 제1냉간압출단계 이 후의 제2냉간압출단계에서는 샤프트부의 단면적 감소율이 20% 이하가 되도록 가공할 수 있다.

상기 제2냉간압출단계 이 후의 제3냉간압출단계에서는 샤프트부의 단면적 감소율이 15% 이하가 되도록 가공 형성할 수 있다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 소재의 일단에 열간단조 공법을 통해 기어부를 형성한 이후, 소재의 타단에 냉간압출공법을 이용한 체적분배기술에 의해 샤프트부를 형성함으로써, 일관된 공정을 통해 일체로 형성된 밸런스 샤프트의 제조가 가능한바, 제품의 대량 생산이 가능하여 생산성이 크게 향상되고, 균일한 품질 및 내구성이 향상된 제품을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 밸런스 샤프트 제조과정을 각 단계별로 표시한 블럭도.
도 2는 본 발명의 밸런스 샤프트 제조방법에 의해 각 단계별 제조되는 제품 형상 변화를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 업세팅단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 부스터단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 블로커단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 피니셔단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 트리밍단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 제1냉간압출단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 제2냉간압출단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 제3냉간압출단계에서의 제품 가공을 설명하기 위한 도면.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 밸런스 샤프트 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 열간단조공정과, 냉간압출공정을 포함하여 구성이 된다.

열간단조공정은 소재를 열간단조 가공하여 소재의 일단부에 기어부(10)를 형성하고 타단부에 샤프트부(20)를 형성하는 공정으로, 이는 업셋단계(S10)와, 부스터단계(S20)와, 블로커단계(S30) 및 피니셔단계(S40)를 포함하여 구성이 될 수 있다.

이들 각 단계에서는 수직 단조가공을 통해 소재의 가공이 이루어지게 되는 것으로, 소재의 상부에 기어부(10)가 형성되고 하부에 샤프트부(20)가 형성되도록 소재의 상부에서 금형에 의해 가압이 된다.

이에, 각 단계별 제조과정을 살펴보면, 먼저 업셋단계(S10)에서는 도 1 내지 도 3과 같이, 일정길이로 절단된 봉형의 소재를 가열한 후, 업셋금형(100)을 이용하여 소재를 가압한다.

예컨대, 업셋단계(S10)에서는 일정길이로 절단된 봉형의 소재를 1150 ~ 1250℃로 가열하여 업셋하부금형에 올려 놓고, 업셋상부금형에 의해 가압하게 되는데, 소재의 외경 대비 2.5배 이하로 가압될 수 있도록 소재의 규격 및 금형이 설계되어야 한다.

부스터단계(S20)는, 도 1과 도 2 및 도 4와 같이 상기 엡셋단계를 통해 확보한 상기 소재의 일단부를 부스터금형(200)에 의해 가압하여 소재의 일단부를 확장함으로써, 소재의 일단부에 기어부(10) 형성에 필요한 면적을 확보할 수 있다.

블로커단계(S30)는, 도 1과 도 2 및 도 5와 같이 상기 부스터단계(S20)를 통해 확보한 소재를 블로커금형(300)에 의해 가압하여 기어부(10)와 샤프트부(20)의 형상을 1차 단조 가공하되, 상기 샤프트부(20)의 직경이 후술하는 피니셔단계(S40)에서 요구하는 샤프트부(20) 외경보다 소정길이만큼 작도록 형성할 수 있다.

즉, 블로커단계(S30)에서는, 부스터단계(S20)를 거친 소재를 블로커하부금형에 넣고 블로커상부금형을 가압함으로써, 소재 상부에 기어부(10) 형상을 성형하고, 차기 공정인 피니셔단계(S40)의 기어부(10) 체적의 100% 되도록 형성하며, 특히 샤프트의 외경이 피니셔 단계에서의 샤프트부(20) 외경보다 1mm ~ 2mm 작도록 형성할 수 있다.

피니셔단계(S40)는, 도 1과 도 2 및 도 6과 같이 상기 블로커단계(S30)를 통해 확보한 소재를 피니셔금형(400)에 의해 가압하여 기어부(10)와 샤프트부(20)의 형상을 2차 단조 가공할 수 있다.

즉, 블로커단계(S30)를 거친 소재를 피니셔하부금형에 넣고 기어부(10) 형성을 위한 피니셔상부금형으로 가압 및 프레싱함으로써, 밸런스 샤프트의 기어부(10)와 샤프트부(20)의 열간단조 공정을 실시할 수 있게 된다.

더불어, 상기 피니셔단계(S40) 이 후에 소재의 외면에 형성된 플래시를 제거하는 트리밍단계(S50)를 더 포함하여 구성이 될 수 있다.

즉, 도 2 및 도 7과 같이, 소재의 외면에 발생된 불필요한 플래시를 트리밍금형(500)을 이용하여 제거할 수 있다.

그리고, 상기 트리밍단계(S50) 이 후에는 도 1 및 도 2와 같이 상기 소재의 외면에 형성된 스케일을 제거하는 쇼트단계(S60)를 더 포함하여 구성이 될 수 있다.

즉, 쇼트단계(S60)에서는 가열에 의해 제품의 표면에 발생된 스케일을 쇼트기를 이용하여 제거할 수 있다.

또한, 상기 쇼트단계(S60) 이 후에는, 상기 소재의 외면에 냉간압출 금형과의 협착을 방지하기 위해 피막처리하는 피막단계(S70)를 더 포함하여 구성이 될 수 있다.

즉, 냉간압출 가공에 따른 성형성 향상 및 금형과의 협착을 방지하기 위해 피막단계(S70)를 수행하게 된다.

한편, 앞서 설명한 열간단조공정을 마친 후에 실시하는 냉간압출공정에서는, 상기 기어부(10)를 가압하면서 샤프트부(20)의 길이를 증대시키는 압출가공을 복수 횟수 실시하여 밸런스 샤프트를 제조할 수 있다.

이러한, 상기 냉간압출공정은, 냉간압출을 위한 전용 금형을 이용하여 기어부(10)의 상부를 가압하여 샤프트부(20)의 단면적을 줄이면서 길이를 늘리는 냉간압출단계를 여러 회차에 걸쳐서 나누어 실시할 수 있는데, 본 발명에서는 3회에 걸쳐 나누어 실시할 수 있다.

즉, 도 1과 도 2 및 도 8과 같이, 제1냉간압출단계(S80)에서는 제1냉간압출금형(600)을 이용하여 샤프트부(20)의 단면적 감소율이 25% 이하가 되도록 가공 형성할 수 있다.

그리고, 도 2 및 도 9와 같이, 상기 제1냉간압출단계(S80) 이 후의 제2냉간압출단계(S90)에서는 제2냉간압출금형(700)을 이용하여 샤프트부(20)의 단면적 감소율이 20% 이하가 되도록 가공 형성할 수 있다.

마지막으로, 도 2 및 도 10과 같이, 상기 제2냉간압출단계(S90) 이 후의 제3냉간압출단계(S100)에서는 제3냉간압출금형(800)을 이용하여 샤프트부(20)의 단면적 감소율이 15% 이하가 되도록 가공 형성할 수 있다.

이어서 냉간압출공정을 완료한 소재는 최종공정인 기계가공단계(S110)를 통해 요구되는 정밀 치수를 얻도록 연삭, 선삭, 밀링, 고주파 열처리 등의 기술을 이용하여 최종 밸런스 샤프트 제품을 제조할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 열간단조공정 내에서 각 단계별로 소재의 체적을 적절하게 분배하면서 소재를 열간 성형함으로써, 소재의 일부분이 기어부(10)로 유동하여 밸런스 샤프트의 상부에 기어부(10)가 일체 형성되도록 하는 공정간 체적분배 기술의 구현이 가능하고, 특히 3단계의 냉간압출단조를 거치면서 샤프트의 단면적을 점진적으로 줄이면서 길이를 늘리는 공정간 체적분배 기술을 구현함으로써, 기어부(10)와 샤프트가 일체로 형성된 밸런스 샤프트의 단조 가공이 일관된 작업공정을 통해 제조 가능한바, 밸런스 샤프트 제품의 대량 생산이 가능하여 생산성이 크게 향상되고, 균일한 품질 및 내구성이 향상된 밸런스 샤프트 제품을 얻을 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10 : 기어부 20 : 샤프트부
100 : 업셋금형 200 : 부스터금형
300 : 블로커금형 400 : 피니셔금형
500 : 트리밍금형 600 : 제1냉간압출금형
700 : 제2냉간압출금형 800 : 제3냉간압출금형
S10 : 업셋단계 S20 : 부스터단계
S30 : 블로커단계 S40 : 피니셔단계
S50 : 트리밍단계 S60 : 쇼트단계
S70 : 피막단계 S80 : 제1냉간압출단계
S90 : 제2냉간압출단계 S100 : 제3냉간압출단계
S110 : 기계가공단계

Claims (6)

1. 소재를 열간단조 가공하여 소재의 일단부에 기어부를 형성하고 타단부에 샤프트부를 형성하는 열간단조공정;
   상기 기어부를 가압하면서 샤프트부의 길이를 증대시키는 압출가공을 복수 횟수 실시하여 밸런스 샤프트를 제조하는 냉간압출공정;을 포함하고,
   상기 열간단조공정은,
   일정길이로 절단된 봉형의 소재를 가열한 후, 업셋금형을 이용하여 소재를 가압하는 업셋단계;
   상기 소재의 일단부를 부스터금형에 의해 가압 및 확장하여 소재의 일단부에 기어부 형성에 필요한 면적을 확보하는 부스터단계;
   상기 소재를 블로커금형에 의해 가압하여 기어부와 샤프트부의 형상을 1차 단조 가공하되, 상기 샤프트부의 직경이 후술하는 피니셔단계에서 요구하는 샤프트부 외경보다 소정길이만큼 작도록 형성되는 블로커단계;
   상기 소재를 피니셔금형에 의해 가압하여 기어부와 샤프트부의 형상을 2차 단조 가공하는 피니셔단계;를 포함하고,
   상기 피니셔단계 이 후에 소재의 외면에 형성된 플래시를 제거하는 트리밍단계;를 더 포함하며,
   상기 냉간압출공정은,
   냉간압출 금형을 이용하여 기어부의 상부를 가압하여 샤프트부의 단면적을 줄이면서 길이를 늘리는 냉간압출단계를 여러 회차에 걸쳐서 나누어 실시하되,
   제1냉간압출단계에서는 샤프트부의 단면적 감소율이 25% 이하가 되도록 가공형성하고,
   상기 제1냉간압출단계 이 후의 제2냉간압출단계에서는 샤프트부의 단면적 감소율이 20% 이하가 되도록 가공 형성하며,
   상기 제2냉간압출단계 이 후의 제3냉간압출단계에서는 샤프트부의 단면적 감소율이 15% 이하가 되도록 가공 형성하는 것을 특징으로 하는 밸런스 샤프트 제조방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 피니셔단계 이 후에 소재의 외면에 형성된 플래시를 제거하는 트리밍단계;
   상기 소재의 외면에 형성된 스케일을 제거하는 쇼트단계;
   상기 소재의 외면에 냉간압출 금형과의 협착을 방지하기 위해 피막처리하는 피막단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스 샤프트 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

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