KR102084465B1 - 중공 관재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 중공 관재의 제조 방법은, 소재인 강관을, 중공 관재의 외형과 동일한 형상의 내면을 갖는 외금형의 내부에, 상기 내면으로부터 적어도 일부를 이간시켜 배치하는 공정과, 상기 강관의 축 방향의 양단부면에 각각 맞닿는 한 쌍의 가압 금형 사이에, 상기 중공 관재의 축 방향의 양단부의 내면 형상과 동일한 형상의 외면 형상을 갖는 코어부를 상기 강관의 내면에 대해 적어도 일부를 이간시켜 삽입 관통시킨 상태에서, 상기 한 쌍의 가압 금형 사이의 상대적인 거리를 단축하여 상기 강관을 축 방향으로 압축하는 공정을 갖는다.

Description

중공 관재의 제조 방법

본 발명은, 중공 관재의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2016년 2월 5일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2016-021153호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

현재, 지구 환경의 보호의 관점에서, 자동차의 경량화가 요구되고 있다. 예를 들어, 차체를 구성하는 강판의 고장력화에 의한 판 두께의 박육화나, 각종 자동차 탑재 부품의 경량화가 강하게 추진되고 있다. 이 때문에, 자동차의 제조 비용은 상승하는 경향이 있고, 각종 자동차 탑재 부품의 더 한층의 저비용화도 요구되고 있다.

예를 들어, 엔진으로부터 변속기를 통해 출력된 구동력을 타이어로 전달하기 위한 드라이브 샤프트나, 차체 전방부에 탑재된 엔진의 출력을 구동륜인 후륜으로 전달하기 위한 프로펠러 샤프트, 나아가 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되어 토크 스티어를 방지하는 자동차용 동력 전달계 샤프트에서는, 이미 종래의 중실 부품으로부터의 중공화에 의한 경량화가 실용화되고 있다.

이러한 중공의 동력 전달계 샤프트는, 그 축 방향을 따른 각 위치에서 외경 및 내경이 변화되는 일이 많아, 지금까지는 이하에 열기하는 제조 방법에 의해 제조되어 왔다.

(a) 마찰 압접을 이용한 제조 방법

이 방법에서는, 축 방향을 따라 외경 및 내경이 변화되는 형상을 갖는 동력 전달계 샤프트를 제조할 때, 축 방향 중앙부와 축 방향 양단부를 각각 제조하고, 이들을 마찰 압접에 의해 접합한다. 이 방법에서는, 축 방향 중앙부는 강관을 절단함으로써 제조하고, 축 방향 양단부는 단조품을 깎아내어 제조한다.

(b) 로터리 스웨이징을 이용한 제조 방법

이 방법에서는, 축 방향을 따라 두께가 일정한 강관을 준비하고, 그리고 그 양단부를 로터리 스웨이징에 의해 박육화나 직경 축소, 두께 증가시킴으로써 제조한다. 하기 특허문헌 1에는, 이 방법에 의해, 중공의 프로펠러 샤프트나 드라이브 샤프트를 제조하는 발명이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2011-121068호 공보

마찰 압접을 이용한 제조 방법에 의하면, 제품의 축 방향 중앙부를 박육화할 수 있기 때문에, 동력 전달계 샤프트의 경량화를 도모하는 것이 확실히 가능하다. 그러나 축 방향 중앙부와 축 방향 양단부 사이를 접합하는 공정이 필요하기 때문에, 제조 비용의 상승은 피할 수 없다. 또한, 접합부의 품질 관리를 엄격하게 행할 필요도 있어, 이 면에서도 제조 비용이 높아진다.

또한, 로터리 스웨이징을 이용한 제조 방법에 있어서는, 이것을 실시하기 위한 설비가 매우 고가인 동시에, 이 제조 방법에 의한 가공 시간은 불가피하게 길어진다는 점에서, 역시 제조 비용이 높아진다.

이와 같이, 종래의 기술에서는, 예를 들어 드라이브 샤프트나 프로펠러 샤프트, 나아가 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 중공의 동력 전달계 샤프트(중공 관재)를 저렴하게 제조하는 것이 어려웠다.

본 발명의 목적은, 축 방향을 따라 단면 형상이 상이한 중공 관재를 저렴하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 하기 공정 (A) 및 (B)를 채용함으로써, 축 방향을 따라 단면 형상이 상이한 중공 관재를 저렴하게 제조할 수 있는 것을 지견하고, 더욱 검토를 거듭하여 본 발명을 완성시켰다.

(A) 소재인 강관을, 제조하려고 하는 제품의 외형과 동일한 형상의 내면 형상을 갖는 외금형의 내부에 배치하고,

(B) 이 강관의 축 방향의 양단부 각각을 강관의 축 방향 중앙 위치를 향해 압박 가능한 베이스부와, 이 베이스부에 설치되어 제품의 축 방향 양단부의 내면 형상과 동일한 형상의 외면 형상을 갖는 코어부를 갖는 한 쌍의 금형 사이에서, 강관을 축 방향으로 압축한다.

즉, 본 발명은, 이하에 열기하는 양태를 채용하였다.

(1) 본 발명의 일 양태는, 축 방향의 양단부로부터 축 방향의 중앙 위치를 향해, 두께 증가부와, 상기 두께 증가부보다 외경이 큰 팽출부와, 상기 팽출부보다 외경이 작은 중앙부를 갖는 중공 관재를 제조하는 방법이며, 소재인 강관을, 상기 중공 관재의 외형과 동일한 형상의 내면을 갖는 외금형의 내부에, 상기 내면으로부터 적어도 일부를 이간시켜 배치하는 공정과, 상기 강관의 축 방향의 양단부면에 각각 맞닿는 한 쌍의 가압 금형 사이에, 상기 중공 관재의 축 방향의 양단부의 내면 형상과 동일한 형상의 외면 형상을 갖는 코어부를 상기 강관의 내면에 대해 적어도 일부를 이간시켜 삽입 관통시킨 상태에서, 상기 한 쌍의 가압 금형 사이의 상대적인 거리를 단축하여 상기 강관을 축 방향으로 압축하는 공정을 갖는다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 코어부가, 그 선단을 향함에 따라 외경이 작아져도 된다.

(3) 상기 (2)의 경우, 상기 코어부의 외경이, 상기 두께 증가부의 두께에 따라서 단계적 또는 연속적으로 변화되어도 된다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한 쌍의 가압 금형에 있어서의 상기 강관의 축 방향의 양단부면과의 맞닿음부가, 상기 강관의 외측을 향해 경사져 있어도 된다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 관재가, 자동차용 동력 전달계 샤프트여도 된다.

(6) 상기 (5)의 경우, 상기 동력 전달계 샤프트가, 드라이브 샤프트, 프로펠러 샤프트 또는 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 동력 전달계 샤프트여도 된다.

상기 양태에 기재된, 중공 관재의 제조 방법에 의하면, 예를 들어 드라이브 샤프트나 프로펠러 샤프트, 나아가 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 중공의 동력 전달계 샤프트로서 적합하게 사용되는 중공 관재를, 저렴하게 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 중공 관재의 제조 방법을 도시하는 단면도이며, (a)가 단조 가공 전을 도시하고, (b)가 단조 가공 후를 도시한다.
도 2는 동 실시 형태에 관한 중공 관재의 제조 방법에 의해 가공되는 중공 관재의 각 치수를 설명하기 위한 단면도이며, (a)가 가공 소재가 되는 강관의 치수를 도시하고, (b)가 단조 가공 후의 동력 전달계 샤프트의 치수를 나타낸다.
도 3은 동 실시 형태의 변형예를 도시하는 단면도이며, (a)가 도 1의 (a)에 상당하고, (b)가 도 1의 (b)에 상당한다.
도 4는 동 변형예에서 사용되는 코어부의 테이퍼 각도 α를 나타내기 위한 도면이며, 축선을 포함하는 단면에서 본 경우의 단면도이다.
도 5는 중공 관재 및 코어부를, 그들의 축선을 포함하는 단면에서 본 경우의 단면도이며, (a)는 테이퍼 각도가 축선을 따라 일정한 코어부를 사용한 경우의 성형 완료 시를 도시하고, (b)는 테이퍼 각도가 축선을 따라 단계적으로 변화되는 코어부를 사용한 경우의 성형 완료 시를 도시하고, 또한 (c)는 테이퍼 각도가 축선을 따라 연속적으로 변화되는 코어부를 사용한 경우의 성형 완료 시를 도시한다.
도 6은 도 1에 도시한 실시 형태의 다른 변형예를 도시하는 단면도이며, (a)가 도 1의 (a)에 상당하고, (b)가 도 1의 (b)에 상당한다.
도 7은 동 변형예에 있어서의 단조 가공의 과정을 도시하는 도면이며, (a)가 도 6의 (a)의 A1부에 상당하는 부분의 확대 단면도이고, (b)가 도 6의 (b)의 A2부에 상당하는 부분의 확대 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시한 실시 형태의 또 다른 변형예를 도시하는 단면도이며, (a)가 도 1의 (a)에 상당하고, (b)가 도 1의 (b)에 상당한다.
도 9는 도 1에 도시한 실시 형태의 또 다른 변형예를 도시하는 단면도이며, 도 1의 (a)의 A3부에 상당하는 부분의 확대 단면도이다.

첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 중공 관재의 제조 방법을 이하에 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 중공 관재가 자동차용의 중공의 동력 전달계 샤프트인 경우를 예시하여 설명하지만, 본 발명은 동력 전달계 샤프트 이외의 중공 관재에도 마찬가지로 적용 가능하다.

1. 자동차용의 중공의 동력 전달계 샤프트(1)

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 중공 관재의 제조 방법을 도시하는 단면도이며, (a)가 단조 가공 전을 도시하고, (b)가 단조 가공 후를 도시한다.

도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 자동차용의 중공의 동력 전달계 샤프트(1)를 냉간 단조 가공에 의한 일 공정으로 제조한다.

동력 전달계 샤프트(1)는, 그 축선(CL)을 따른 방향(이하, 축 방향이라고 칭함)의 양단부 위치(2-1, 2-2)로부터 축 방향의 중앙 위치(2-3)를 향해, 두께 증가부(3-1, 3-2)와, 팽출부(4-1, 4-2)와, 중앙부(5)를 갖는다. 즉, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 동력 전달계 샤프트(1)는 두께 증가부(3-1), 팽출부(4-1), 중앙부(5), 팽출부(4-2), 두께 증가부(3-2)가, 이 순서로 연속하여 형성되어 있다.

두께 증가부(3-1, 3-2)는, 두께 증가부(3-1, 3-2), 팽출부(4-1, 4-2) 및 중앙부(5) 중에서, 두께가 가장 두꺼운 부분이다. 본 실시 형태의 경우, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 두께는, 동력 전달계 샤프트(1)의 축 방향의 각 위치에서 대략 일정하다. 두께 증가부(3-1, 3-2)의 외경은, 동력 전달계 샤프트(1)의 축 방향의 각 위치에서 대략 일정하고, 또한 소재인 강관(6)의 외경과 거의 동일하다. 또한, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 내경은, 동력 전달계 샤프트(1)의 축 방향의 각 위치에서 대략 일정하고, 또한 강관(6)의 내경보다 작다.

동력 전달계 샤프트(1)가 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 중공의 동력 전달계 샤프트인 경우에는, 이 두께 증가부(3-1, 3-2)의 외면에 스플라인이 형성된다.

팽출부(4-1, 4-2)는, 두께 증가부(3-1, 3-2)보다 외경이 크고, 또한 두께 증가부(3-1, 3-2)보다 두께가 얇은 부분이다. 팽출부(4-1, 4-2)의 외경은, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 외경을 기점으로 하여 서서히 증가하여, 팽출부(4-1, 4-2)의 축 방향의 대략 중앙 위치에서 최댓값이 되고, 그 후, 중앙부(5)를 향함에 따라 서서히 감소한다. 또한, 팽출부(4-1, 4-2)의 내경도, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 내경을 기점으로 하여 서서히 증가하여, 팽출부(4-1, 4-2)의 축 방향의 대략 중앙 위치에서 최댓값이 되고, 그 후, 중앙부(5)를 향함에 따라 서서히 감소한다.

중앙부(5)는, 그 양 옆의 팽출부(4-1, 4-2)보다 외경이 작다. 또한, 중앙부(5)의 외경은, 동력 전달계 샤프트(1)의 축 방향의 각 위치에 있어서 대략 일정하고, 또한 소재인 강관(6)의 외경과 대략 일치한다.

또한, 중앙부(5)의 내경은, 동력 전달계 샤프트(1)의 축 방향의 각 위치에서 대략 일정하고, 또한 강관(6)의 내경과 대략 일치한다. 따라서, 중앙부(5)의 내경은, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 내경보다 크다.

따라서, 중앙부(5)는 직경 확장도, 두께 증가도 되어 있지 않기 때문에, 중앙부(5)의 두께는, 동력 전달계 샤프트(1)의 축 방향의 각 위치에서, 강관(6)의 두께와 거의 동일하고, 또한 대략 일정하다.

중앙부(5)의 경도는, 소재인 강관(6)의 경도와 대략 일치하고 있고, 단조 가공 전후에서의 변화는 거의 없다.

한편, 두께 증가부(3-1, 3-2)는 단조 가공에 의해 두께 증가되어 있기 때문에, 가공 경화되어 있어, 강관(6) 시의 경도보다 단단하게 되어 있다. 또한, 팽출부(4-1, 4-2)도, 단조 가공에 의해 직경 확장되어 있기 때문에, 가공 경화되어 있어, 강관(6) 시의 경도보다 단단하게 되어 있다.

두께 증가부(3-1, 3-2) 및 팽출부(4-1, 4-2) 각각이 이와 같이 가공 경화되어 있음으로써, 동력 전달계 샤프트(1)는 자동차용 동력 전달계 샤프트의 기본적 성능으로서 요구되는 비틀림 강도나 비틀림 피로에 대한 특성 향상이 충분히 도모되어 있다.

동력 전달계 샤프트(1)의 재질로서는, S45CB 연질화재(인장 강도 TS＝550㎫급)가 예시되지만, 이 재질에만 한정되는 것은 아니다. 동력 전달계 샤프트(1)는, 단조 가공에 의한 축 압입에 의해 두께 증가와 관 확장을 행하기 때문에, 가공에 수반되는 변형은, 압축 변형이 주체가 되고, 인장 변형량이 적다. 이 때문에, 재료의 고강도화에 의한 파단의 리스크는 매우 적다. 따라서, 동력 전달계 샤프트(1)의 재질로서, S45CB 연질화재보다 저강도인 소재에도 적용 가능하다. 나아가, S45CB 연질화재보다 고강도인 소재에 적용해도 파단되는 일 없이 동력 전달계 샤프트(1)를 성형 가능하다.

S45CB 연질화재보다 고강도인 소재에서는, 그 재질의 고강도화에 비례하여 축 압입 하중이 증가한다. 그러나 축 압입 하중은, S35CB 연질화재라도 350톤 정도라는 점에서, 1000㎫급의 고강도재라도 700톤 정도이면 충분해, 양산 프레스기로도 충분히 제조 가능하다.

2. 동력 전달계 샤프트(1)의 제조 방법

먼저, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 소재인, 두께 일정의 강관(6)을, 동력 전달계 샤프트(1)의 외형과 동일한 형상의 내면 형상(7a)을 갖는 외금형(7)의 내부에, 외금형(7)의 내면으로부터 약간 이간시켜 배치한다. 즉, 내면(내면 형상(7a))의 축선과 강관(6)의 축선이 동축(축선(CL))이 되도록 배치한다. 강관(6)의 외면과 외금형(7)의 내면 사이에는 간극이 마련되어 있지만, 이 간극의 치수는 근소하다. 또한, 후술하는 베이스부(8-1, 8-2)는, 외금형(7)의 내면 형상(7a)의 단부 내경과 대략 일치하는 외경의 대략 원기둥 형상을 갖고 있다. 그 때문에, 강관(6) 및 베이스부(8-1, 8-2)를 보통 외금형(7) 내에 넣는 것만으로, 대략 동축 배치로 할 수 있다. 만일 더욱 고정밀도로 강관(6)을 동축 배치할 필요가 있는 경우에는, 도 9를 사용하여 후술하는 구성도 채용 가능하다.

상기 내면 형상(7a)의 상세에 대해 설명한다. 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 외금형(7)의 축 방향을 따라 본 경우, 두께 증가부(3-1)에 대응하는 부위는, 축선(CL)으로부터의 거리가 r1로 일정하다.

이어지는 팽출부(4-1)에 대응하는 부위에서는, 축선(CL)으로부터의 거리 r2가, 그 한쪽 단부에 있어서 두께 증가부(3-1)의 거리 r1과 동일하지만, 중앙부(5)를 향해 근접함에 따라 서서히 증가해 가고, 그리고 최댓값을 거치고 나서 다른 쪽 단부를 향해 서서히 감소해 간다.

계속해서, 중앙부(5)에 대응하는 부위의 거리 r3은, 상기 다른 쪽 단부에 있어서의 거리 r2와 동일하고, 또한 축선(CL)을 따라 팽출부(4-2)에 이르기까지 일정하다.

계속해서, 팽출부(4-2)에 대응하는 부위에서는, 축선(CL)으로부터의 거리 r4가, 그 한쪽 단부에 있어서 거리 r3과 동일하지만, 두께 증가부(3-2)를 향해 근접함에 따라 서서히 증가해 가고, 그리고 최댓값을 거치고 나서 다른 쪽 단부를 향해 서서히 감소해 간다.

계속해서, 두께 증가부(3-2)에 대응하는 부위는, 축선(CL)으로부터의 거리가 r5로 일정하고, 또한 상기 다른 쪽 단부에 있어서의 거리 r4와 동일하다.

또한, 거리 r1과 거리 r5는 서로 동등하다.

강관(6)의 외면과 외금형(7)의 내면 형상(7a) 사이에는 간극이 마련되어 있다. 이 간극의 치수는, 축선(CL)의 방향을 따라 본 경우에 일정한 것은 아니며, 그 목적에 따라서 차가 설정되어 있다.

구체적으로 말하면, 도 1의 (b)의 A부(두께 증가부(3-1, 3-2))에서는, 강관(6)을 외금형(7) 내에 넣을 때에 원활하게 통과시키기 위함(목적 1)과, 외금형(7) 내에서 형 단조에 의해 변형되는 강관(6)이 외금형(7)과의 사이에 발생하는 마찰을 억제하여 재료의 흐름을 원활하게 하기 위함(목적 2)이라는 두 목적에 의해, 간극 치수가 정해져 있다. 또한, 이들 두 목적 1, 2를 달성하는 것뿐이면, 단순히 간극을 크게 하는 것도 생각할 수 있지만, 그것으로는 강관(6)이 직경 방향 외측을 향해 과도하게 굵어지려고 하는 변형을 그 주위로부터 구속할 수 없기 때문에, 강관(6)의 좌굴 변형을 초래할 우려가 있다. 그 때문에, 간극을 적극적으로 마련하고 있기는 하지만, 그 치수가 과도한 것으로 되지 않도록 정해져 있다.

또한, 도 1의 (b)의 B부(팽출부(4-1, 4-2))에서는, 강관(6)의 외경을 굵게 하기 위해, 큰 간극 치수를 채용하고 있다.

그리고 도 1의 (b)의 C부(중앙부(5))에서는, 직경 확장도, 두께 증가도 행하지 않으므로, 강관(6)을 외금형(7) 내에 넣을 때에 원활하게 통과시킬 목적만을 위해, 최소한의 간극 치수를 채용하고 있다. 이 C부에 있어서는, 최대한 간극을 두지 않는 것이 바람직하다.

도 1의 (b)의 A부 내지 C부의 각 부에 있어서의 간극 치수에 대해서는, 상술한 이유에 의해, 각각 상한값 및 하한값을 설정하는 것이 바람직하다.

먼저, A부에 있어서의 간극의 하한값에 대해 말하면, 강관(6)의 직경 방향에 있어서의, 외금형(7)의 내면과 강관(6)의 외면 사이의 간극 W1(㎜)은, 가공 전의 소관인 강관(6)의 축 방향의 임의 위치에 있어서의 외경을 d1(㎜)로 한 경우에, W1은 0.01×d1 이상으로 하는 것이, 상기 목적 1의 관점에서 바람직하다. 계속해서, A부에 있어서의 간극의 상한값에 대해 말하면, W1은 0.05×d1 이하로 하는 것이, 상기 목적 2의 관점에서 바람직하다. 이상으로부터, A부에서는, 0.01×d1≤W1≤0.05×d1의 식에서 정해지는 범위 내로부터 간극 W1(㎜)을 채용하는 것이 바람직하다.

계속해서, B부에 있어서의 간극에 대해서는, 0.10×d1≤W1≤0.25×d1의 식에서 정해지는 범위 내로부터 간극 W1(㎜)을 채용하는 것이 바람직하다.

한편, 중앙부(5)에 있어서는, 강관(6)을 외금형(7) 내에 통과시킬 수 있으면 되고, 간극 W1(㎜)은 대략 0(제로)㎜로 하는 것이 바람직하다.

또한, 도시하지 않았지만, 외금형(7)은, 일반적인 형 단조에 사용되는 금형과 마찬가지로, 좌우 2분할 구조로 되어 있고, 2분할함으로써 성형 후의 제품을 취출할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 외금형(7)은, 도 1의 (b)에 도시한 형상의 분할면에 의해 2분할된 한 쌍의 금형으로 구성되어 있기 때문에, 성형 후의 동력 전달계 샤프트(1)에 팽출부(4-1, 4-2)가 있어도, 상기 한 쌍의 금형을 2분할함으로써, 동력 전달계 샤프트(1)를 외금형(7) 내로부터 취출할 수 있다.

다음으로, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 강관(6)의 축 방향의 양단부면(6-1, 6-2) 각각을, 상하 한 쌍의 금형(코어를 갖는 펀치)(10-1, 10-2) 사이에서, 축 방향으로 압축하는 형 단조를 행한다. 금형(10-1)은, 베이스부(8-1)와, 코어부(9-1)를 갖는다. 금형(10-2)은, 베이스부(8-2)와, 코어부(9-2)를 갖는다.

베이스부(8-1, 8-2)는, 강관(6)을 그 양단부로부터 축 방향의 중앙을 향해 압박한다. 베이스부(8-1, 8-2)는, 외금형(7)의 내면 형상(7a)의 단부 내경과 대략 일치하는 외경의 대략 원기둥 형상을 갖고 있고, 외금형(7)의 단부 내로 삽입 발출이 가능하다.

코어부(9-1, 9-2)는, 베이스부(8-1, 8-2)에 대해 동축 또한 일체로 설치되어 있고, 동력 전달계 샤프트(1)의 축 방향의 양단부의 내면 형상(1-1, 1-2)과 동일한 형상(즉, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 내면과 동일한 형상)의 외면 형상(9-1a, 9-2a)을 갖는다. 코어부(9-1, 9-2)의 외면과 단조 가공 전의 강관(6)의 내면 사이의 간극 W2(㎜)는, 강관(6)의 내경을 d2(㎜), 판 두께를 t(㎜)로 한 경우에, 0.10×(d2-2×t)≤W2≤0.25×(d2-2×t)의 범위 내로부터, 적절하게 설정할 수 있다.

형 단조 시, 도 1의 (b) 중의 A부에서는, 금형(10-1, 10-2)에 의한 축 압입에 의해 두께 증가부(3-1, 3-2)가 형성된다. 상세하게 말하면, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 베이스부(8-1, 8-2)에 의해 축 압입하기 전, 코어부(9-1, 9-2)의 외면과 강관(6)의 내면 사이에는 간극이 마련되어 있다. 그리고 베이스부(8-1, 8-2)에 의해 압축을 받음으로써, 두께 증가되는 부분의 내경이 작아지면서 두께가 증가해 가고, 최종적으로 코어부(9-1, 9-2)의 외면에 합치한 최종 제품의 내부 형상을 갖는 두께 증가부(3-1, 3-2)가 된다.

또한, 도 1의 (b) 중의 B부는, 도 1의 (a)에 도시한 축 압입 전의 상태에 있어서, 강관(6)의 주위가 구속되어 있지 않다. 그 때문에, 상기 B부는, 축 압입에 의해 두께 증가는 거의 되지 않고 관 확장되어 팽출부(4-1, 4-2)가 형성된다. 이들 팽출부(4-1, 4-2)의 최대 외경 치수는, 단조 가공 전의 강관(6)의 외형 치수에 비해 약 1.2 내지 1.5배로 직경 확장된다.

도 1의 (b) 중의 C부에서는, 관 확장도 두께 증가도 이루어지지 않는다.

도 2는, 본 실시 형태에 관한 중공 관재의 제조 방법에 의해 가공되는 중공 관재의 각 치수를 설명하기 위한 단면도이며, (a)가 가공 소재가 되는 강관(6)의 각 부 치수를 도시하고, (b)가 가공 후의 동력 전달계 샤프트(1)의 각 부 치수를 도시한다.

강관(6)의 소재로서 S45CB 연질화재(인장 강도 TS＝550㎫급)를 사용한 경우, 그 전체 길이 L은 100㎜ 내지 2000㎜, 외경 d는 20㎜ 내지 100㎜, 판 두께 t는 2㎜ 내지 20㎜이고, 또한 t≤d/2를 만족시키는 것을 적합하게 채용할 수 있다.

도 2의 (b)에 예시되는 동력 전달계 샤프트(1)는, 각 부의 두께에 관한 하기 조건 1과, 각 부의 외경에 관한 하기 조건 2의 양쪽을 만족시킨다.

조건 1: t₁＞t₂ 및 t₁＞t₃이며, 또한 t₁, t₂, t₃ 각각이 4㎜ 이상 또한 15㎜ 이하이다.

조건 2: D₂＞D₁ 및 D₂＞D₃이며, 또한 20㎜＜D₁＜100㎜, 22㎜＜D₂＜125㎜, 20㎜＜D₃＜100㎜의 전부를 만족시킨다.

또한, 강관(6)의 축 방향 길이 L(㎜)에 대해서는, 전술한 바와 같이, 하기 조건 3을 만족시키는 것이 바람직하다.

조건 3: 100㎜≤L≤2000㎜

형 단조 후, 성형된 동력 전달계 샤프트(1)로부터 금형(10-1, 10-2)을 발출하고, 외금형(7)을 좌우로 2분할하여, 동력 전달계 샤프트(1)를 취출한다. 이와 같이 하여, 중공의 동력 전달계 샤프트(1)가 일 공정의 형 단조에 의해 제조된다.

또한, 형 단조 후의 동력 전달계 샤프트(1)를 금형으로부터 취출할 때의 순서로서는, 상기 순서와는 반대로, 외금형(7)을 먼저 2분할하여 동력 전달계 샤프트(1)를 취출하고, 그 후에 동력 전달계 샤프트(1)로부터 금형(10-1, 10-2)을 발출해도 된다. 단, 전술한 바와 같이, 외금형(7)을 2분할하여 동력 전달계 샤프트(1)를 취출하기 이전에, 동력 전달계 샤프트(1)로부터 금형(10-1, 10-2)을 발출하는 순서 쪽이, 더 바람직하다. 그 이유는, 동력 전달계 샤프트(1)로부터 금형(10-1, 10-2)을 발출할 때, 동력 전달계 샤프트(1)의 팽출부(4-1, 4-2)가 내면 형상(7a)으로 형성된 오목부에 대해 걸림 지지되어 있다는 점에서, 외금형(7)을 파지하여 금형(10-1, 10-2)을 용이하게 뺄 수 있기 때문이다. 즉, 동력 전달계 샤프트(1) 자체를 직접적으로 파지하지 않아도 금형(10-1, 10-2)을 뺄 수 있으므로, 동력 전달계 샤프트(1)를 손상시켜 버릴 우려가 없다.

도 3은, 상기 실시 형태에 있어서의 한 쌍의 금형(10-1, 10-2)의 변형예를 도시하는 단면도이며, (a)가 도 1의 (a)에 상당하고, (b)가 도 1의 (b)에 상당한다.

형 단조에 의해 성형된 중공의 동력 전달계 샤프트(1)로부터 금형(10-1, 10-2)을 발출할 때의 인발 하중을 저감시키기 위해, 금형(10-1, 10-2)의 코어부(9-1, 9-2)는, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 그 선단을 향함에 따라 외경이 서서히 작아지는 테이퍼 형상을 갖는 것이 바람직하다.

특히, 관 단부인 두께 증가부(3-1, 3-2)를 원하는 두께 분포로 하기 위해서는, 코어부(9-1, 9-2)의 외경이, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 두께에 따라서 단계적 또는 연속적으로 변화되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로 말하면, 코어부(9-1, 9-2)에 테이퍼 형상을 형성한 경우, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 두께는, 관 단부로부터 팽출부(4-1, 4-2)를 향함에 따라 완만하게 증가해 간다. 그 결과, 두께 증가부(3-1, 3-2)로부터 팽출부(4-1, 4-2)로 전환되는 개소에서의 두께를 가장 크게 할 수 있으므로, 이러한 형상의 전환 부분의 기계적 강도를 높일 수 있어, 더 우수한 동력 전달계 샤프트(1)를 얻는 것이 가능해진다.

이 밖에, 코어부(9-1, 9-2)에 테이퍼 형상을 형성한 경우, 형 단조 후에 있어서의 금형(10-1, 10-2)의 발출을 보다 용이하게 행할 수 있다고 하는 이점도 있다.

도 4는, 상기 변형예에서 사용되는 코어부(9-1)의 테이퍼 각도 α를 나타내기 위한 단면도이다. 또한, 도 5는, 강관(6) 및 코어부(9-1)를 그들의 축선(CL)을 포함하는 단면에서 본 경우의 단면도이며, (a)가, 테이퍼 각도가 일정한 코어부(9-1)를 사용한 경우의 성형 완료 시를 도시하고, (b)가, 테이퍼 각도가 단계적으로 변화되는 코어부(9-1)를 사용한 경우의 성형 완료 시를 도시하고, 또한 (c)가, 테이퍼 각도가 연속적으로 변화되는 코어부(9-1)를 사용한 경우의 성형 완료 시를 도시한다. 또한, 도 5의 (a) 내지 도 5의 (c)에 있어서는, 설명을 위해, 팽출부(4-1)의 도시를 생략하고 있다.

도 4에 도시한 코어부(9-1)의 테이퍼 각도 α는, 0.3°이상 10.0°이하인 것이 바람직하다. 여기서 말하는 테이퍼 각도 α란, 축선(CL)과 평행인 직선에 대한 기울기 각도를 말한다.

도 5의 (a)에 도시한 코어부(9-1)는, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시한 코어부(9-1)와 동일 형상을 갖는다.

한편, 도 5의 (b)에 도시한 코어부(9-1)를 갖는 금형(10-1)을 사용한 경우, 제조되는 동력 전달계 샤프트(1)의 두께를 단계적으로 변화시킬 수 있다. 도 5의 (b)에 도시한 코어부(9-1)에서는, 도 4에 도시한 상기 테이퍼 각도 α를, A부, B부, C부의 3단계로 나누어 바꾸고 있다. A 내지 C부 각각의 테이퍼 각도 α는, 각각 0.3°이상 10.0°이하의 범위에서 적절하게 조합하면 된다.

또한, 도 5의 (c)에 도시한 코어부(9-1)를 갖는 금형(10-1)을 사용한 경우, 제조되는 동력 전달계 샤프트(1)의 두께를 연속적으로 변화시킬 수 있다. 테이퍼 각도 α는, 축 방향의 각 위치에 있어서, 0.3°이상 10.0°이하의 범위 내로 되도록 적절하게 변화시키면 된다.

상기한 바와 같은 각종 테이퍼 형상을 코어부(9-1)에 적용함으로써, 강관(6)에 금형(10-1, 10-2)을 세트할 때의 축심 맞춤을 용이하게 하는 것도 가능해진다.

도 6은, 도 1에 도시한 한 쌍의 금형(10-1, 10-2)의 다른 변형예를 도시하는 단면도이며, (a)가 도 1의 (a)에 상당하고, (b)가 도 1의 (b)에 상당한다.

본 변형예에서는, 후술하는 이유에 의해, 도 6에 도시한 형상의 베이스부(8-1, 8-2)를 채용하고 있다. 즉, 본 변형예에 있어서의 베이스부(8-1, 8-2)는, 강관(6)의 축 방향의 양단부면(6-1, 6-2)에 맞닿는 맞닿음부(8-1a, 8-2a)가, 강관(6)의 축선으로부터 직경 방향 외측을 향함에 따라서 강관(6)의 축 방향 중앙 위치로부터 이격되어 후퇴하도록 경사져 있다. 맞닿음부(8-1a, 8-2a)가 이러한 경사 형상을 구비한 경우, 강관(6)에 금형(10-1, 10-2)을 세트할 때의 축심 맞춤을 용이하게 할 수 있다. 즉, 맞닿음부(8-1a, 8-2a)는 대략 원뿔면을 이루고 있기 때문에, 그 끝이 가느다란 선단 부분을 강관(6)의 관 단부 내에 넣을 수 있어, 양자 사이의 축심 맞춤이 용이해진다.

또한, 맞닿음부(8-1a, 8-2a)가 상술한 바와 같이 경사져 형성됨으로써, 이들이 경사져 형성되지 않는 경우(도 1의 (a) 및 도 1의 (b) 참조)와 비교하여 팽출부(4-1, 4-2)로서 형성되는 부분에 대해, 관 확장 방향으로의 힘이 더 효과적으로 부하된다.

이 점에 대해, 도 7을 사용하여 구체적으로 설명한다. 먼저, 형 단조를 개시하면, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 맞닿음부(8-1a(8-2a))를 강관(6) 단부의 내주연에 먼저 닿게 할 수 있다. 그 결과, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 강관(6) 단부의 내주연으로부터, 앞으로 팽출부(4-1(4-2))가 될 부분을 향해, 이 팽출부(4-1(4-2))가 될 부분을 직경 방향 외측으로 확장하여, 내면 형상(7a)의 오목부로 보낼 수 있다.

이와 같이, 상기 경사는, 강관(6) 단부의 재료 흐름을 정확하게 유도하여 좌굴(팽출부(4-1, 4-2)의 직경 방향 내측으로의 빠짐)을 회피하는 역할을 갖는다. 따라서, 원하는 제품 형상이 가령 큰 팽출부(4-1, 4-2)를 갖는 것이라도, 좌굴 없이 성형할 수 있다.

도 8은, 도 1에 도시한 한 쌍의 금형(10-1, 10-2)의 또 다른 변형예를 도시하는 단면도이며, (a)가 도 1의 (a)에 상당하고, (b)가 도 1의 (b)에 상당한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 변형예에서는, 코어부(9-1, 9-2)가 상술한 테이퍼 형상을 갖는 것과, 맞닿음부(8-1a, 8-2a)가 경사져 형성되는 것을 겸비하는 형상의 금형(10-1, 10-2)을 채용하고 있다. 이 변형예에 의하면, 코어부(9-1, 9-2)가 테이퍼 형상인 것에 의한 상술한 효과와, 맞닿음부(8-1a, 8-2a)가 경사져 있는 것에 의한 상술한 효과의 양쪽을 발휘할 수 있다.

또한, 본 변형예에 있어서, 코어부(9-1, 9-2)의 선단 형상으로서 평탄한 원형을 채용하였지만, 이것에만 한정되는 것은 아니며, 반구 형상 또는 끝이 가느다란 테이퍼 형상 외에도 모따기 가공(C면 가공 및 R 가공 중 적어도 한쪽)을 실시한 형상을 채용해도 된다. 이 점은, 다른 변형예 및 상기 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다.

이상, 본 발명의 바람직한 각종 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 각종 형태에만 한정되는 것은 아니며, 적절하게 변경한 구성도 채용 가능하다.

예를 들어, 상기 각종 형태에서는, 소재가 강인 강관(6)에 대해 설명하였지만, 소재로서는 강에만 한정되는 것은 아니며, 그 밖의 소성 변형 가능한 재질의 중공 관에 대해 본 발명을 적용해도 된다.

또한, 도 6에 도시한 변형예 등에 있어서, 맞닿음부(8-1a, 8-2a)가, 강관(6)의 축선으로부터 직경 방향 외측을 향함에 따라서 강관(6)의 외측을 향해 경사져 있는 형태를 설명하였지만, 원하는 동력 전달계 샤프트(1)의 형상에 따라서, 그 경사의 방향을 역방향으로 해도 된다. 이 경우, 강관(6)의 단부 내면을 코어부(9-1, 9-2)를 향해 밀착시키도록 재료의 흐름을 촉진하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서 도 1의 (a)를 사용하여 설명한 바와 같이, 외금형(7)의 내면(내면 형상(7a))의 축선과 강관(6)의 축선을 고정밀도로 동축 배치할 필요가 있지만, 그러기 위해, 예를 들어 도 9에 도시한 금형(10-1(10-2))을 채용하는 것도 가능하다.

즉, 도 9에 도시한 바와 같이, 코어부(9-1(9-2))의 근원 부분(베이스부(8-1, 8-2)에 연결되는 부분)을 굵게 해 둠으로써 고정밀도의 동축 배치가 가능해진다. 보다 구체적으로 말하면, 상기 근원 부분에, 강관(6)의 내경보다 약간 크거나 또는 대략 동등한 외경을 갖고, 또한 코어부(9-1, 9-2)의 선단을 향해 끝이 가늘어지는 테이퍼면(8x)을 형성해 둔다. 그리고 테이퍼면(8x)으로 강관(6)의 내경 부분을 동축으로 지지함으로써 강관(6)을 동축으로 보유 지지할 수 있다.

또한, 상기 각종 형태에서는, 본 발명을 냉간 단조에 적용하였지만, 이것에만 한정되는 것은 아니며, 강관(6)을 예를 들어 600℃로 사전에 가열하고 나서 외금형(7) 내에 넣고, 그리고 금형(10-1, 10-2)에 의해 압축 가공하는 형태도 채용 가능하다. 이 경우, 강관(6)의 사전의 가열 방법으로서는, 예를 들어 통전 가열 등이 채용 가능하다.

이와 같이 강관(6)을 사전 가열한 경우, 강관(6)의 소재 강도가 높은 경우라도, 작은 압축력으로 확실하게 변형시켜 원하는 제품 형상을 얻는 것이 가능해진다.

이상에 설명한 각종 형태에 관한 중공 관재의 제조 방법의 골자를 이하에 정리한다.

(1) 이 중공 관재의 제조 방법은, 축 방향의 양단부로부터 축 방향의 중앙 위치를 향해, 두께 증가부(3-1, 3-2)와, 두께 증가부(3-1, 3-2)보다 외경이 큰 팽출부(4-1, 4-2)와, 팽출부(4-1, 4-2)보다 외경이 작은 중앙부(5)를 갖는 중공 관재(동력 전달계 샤프트(1))를 제조하는 방법이며, 소재인 강관(6)을 중공 관재(동력 전달계 샤프트(1))의 외형과 동일한 형상의 내면을 갖는 외금형(7)의 내부에, 상기 내면으로부터 적어도 일부를 이간시켜 배치하는 공정과, 강관(6)의 축 방향의 양단부면에 각각 맞닿는 한 쌍의 베이스부(8-1, 8-2) 사이에, 중공 관재(동력 전달계 샤프트(1))의 축 방향의 양단부의 내면 형상과 동일한 형상의 외면 형상을 갖는 코어부(9-1, 9-2)를 강관(6)의 내면에 대해 적어도 일부를 이간시켜 삽입 관통시킨 상태에서, 한 쌍의 베이스부(8-1, 8-2) 사이의 상대적인 거리를 단축하여 강관(6)을 축 방향으로 압축하는 공정을 갖는다. 또한, 이 압축하는 공정에 있어서는, 한 쌍의 베이스부(8-1 및 8-2)의 양쪽을 서로 접근시켜도 되고, 또는 한 쌍의 베이스부(8-1 및 8-2) 중 어느 한쪽을 고정해 두고, 다른 쪽을 상기 한쪽에 접근시켜도 된다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 코어부(9-1, 9-2)가, 그 선단을 향함에 따라 외경이 작아지는 것이어도 된다.

(3) 상기 (2)의 경우, 코어부(9-1, 9-2)의 외경이, 두께 증가부(3-1, 3-2)의 두께에 따라서 단계적 또는 연속적으로 변화되는 것이어도 된다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 있어서, 코어부(9-1, 9-2)의 베이스부(8-1, 8-2)에 있어서의, 강관(6)의 축 방향의 양단부면과의 맞닿음부가, 강관(6)의 외측을 향해 경사져 형성되어 있어도 된다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 관재가, 자동차용 동력 전달계 샤프트(1)여도 된다.

(6) 상기 (5)의 경우, 동력 전달계 샤프트(1)가 드라이브 샤프트, 프로펠러 샤프트 또는 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 동력 전달계 샤프트여도 된다.

이상 설명한 실시 형태 및 각종 변형예에 의하면, 예를 들어 드라이브 샤프트나 프로펠러 샤프트, 나아가 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 중공의 동력 전달계 샤프트를, 일 공정의 형 단조에 의해 저렴하게 제조할 수 있다.

1 : 동력 전달계 샤프트(중공 관재)
1-1, 1-2 : 양단부
3-1, 3-2 : 두께 증가부
4-1, 4-2 : 팽출부
5 : 중앙부
6 : 강관
6-1, 6-2 : 양단부면
7 : 외금형
7a : 내면 형상
8-1, 8-2 : 베이스부(가압 금형)
8-1a, 8-2a : 맞닿음부
9-1, 9-2 : 코어부

Claims (8)

1. 축 방향의 양단부로부터 축 방향의 중앙 위치를 향해, 두께 증가부와, 상기 두께 증가부보다 외경이 크고 상기 두께 증가부보다 두께가 얇은 팽출부와, 상기 팽출부보다 외경이 작은 중앙부를 갖는 중공 관재를 제조하는 방법이며,
   소재인 강관을, 상기 중공 관재의 외형과 동일한 형상의 내면을 갖는 외금형의 내부에, 상기 내면으로부터 적어도 일부를 이간시켜 배치하는 공정과,
   상기 강관의 축 방향의 양단부면에 각각 맞닿는 한 쌍의 가압 금형 사이에, 상기 중공 관재의 축 방향의 양단부의 내면 형상과 동일한 형상의 외면 형상을 갖는 코어부를 상기 강관의 내면에 대해 적어도 일부를 이간시켜 삽입 관통시킨 상태에서, 상기 한 쌍의 가압 금형 사이의 상대적인 거리를 단축하여 상기 강관을 축 방향으로 압축함으로써 냉간 단조 가공을 행하는 공정
   을 가지며,
   상기 가압 금형에 의한 축 압입의 완료 시에 있어서, 상기 코어부의 외면은, 상기 중공 관재의 상기 팽출부의 내면에 대해 맞닿아 있지 않은 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코어부는, 그 선단을 향함에 따라 외경이 작아지는 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 코어부의 외경은, 단계적 또는 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 가압 금형에 있어서의 상기 강관의 축 방향의 양단부면과의 맞닿음부는, 상기 강관의 외측을 향해 경사져 있는 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 중공 관재는, 자동차용 동력 전달계 샤프트인 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 동력 전달계 샤프트는, 드라이브 샤프트, 프로펠러 샤프트 또는 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 동력 전달계 샤프트인 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중공 관재는, 자동차용 동력 전달계 샤프트인 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 동력 전달계 샤프트는, 드라이브 샤프트, 프로펠러 샤프트 또는 좌우의 드라이브 샤프트에 접속되는 동력 전달계 샤프트인 것을 특징으로 하는, 중공 관재의 제조 방법.
   

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