KR102297050B1 - 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형 - Google Patents

내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형에 관한 것이며, 샤프트 제조방법은 중공형 금속관체를 준비하는 단계; 상기 중공형 금속관체를 외부형상 성형용 금형본체에 올려놓는 단계; 및 멘드렐을 중공형 금속관체에 삽입하여, 확관과 동시에 볼 스플라인을 가성형하는 단계; 상기 멘드렐과 금속관체를 지속적으로 전진시켜 대경성형부를 통해 내경 볼 스플라인을 갖는 대경부를 성형하는 단계; 및 멘드렐의 볼 스플라인 성형부가 진입하지 않은 부분을 소경성형부를 통해 소경부를 동시에 성형하는 단계;로 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트를 제조하는 것이며, 본 발명에 의하면, 중공봉 금속관체를 대경부와 소경부 및 대경부에 내경 볼 스플라인을 동시에 형성할 수 있기 때문에 설비비용의 절감과 제조공정을 단축하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형{Shaft manufacturing method with internal diameter ball spline and its shaft manufacturing mold}
본 발명은 자동차의 엔진에서 동력을 발생시켜 차륜으로 동력을 전달하기 위하여 사용하는 샤프트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소정의 두께를 갖는 중공형 금속관체를 소재로 하여 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 자동차의 엔진에서 발생된 동력은 트렌스미션을 거쳐 드라이브 샤프트를 매개로 하여 바퀴까지 전달되는데, 이러한 드라이브 샤프트는 강한 비틀림을 받으면서 고속으로 회전하기 때문에 비틀림에 대한 충분한 내구성을 갖추어야 한다.
상기한 바와 같이 비틀림에 대한 내구성과 경량화를 위하여 속이 비어 있는 중공의 강관이나 중공봉으로 드라이브 샤프트를 구성하는 것이 바람직하다.
종래 자동차용 드라이브 샤프트의 제조방법은 기계적 가공을 통하여 제작되고 있는데, 일반적으로 속이 차 있는 솔리드 바(solid bar), 즉 중공봉을 드릴(drilling) 작업으로 내부에 공간을 형성시켜 중공형 샤프트를 만들고, 상기 중공형 샤프트의 선단에 부착된 로드의 직경이 상이할 경우에는 상이한 직경차로서 걸림턱이 만들어지지 않게 축관부를 추가로 구비하여 구성한다.
그러나, 일체형 중공형 샤프트는 자동차의 전륜 또는 후륜의 높낮이 변화에 따른 진동 등에 의한 파손 또는 손상에 취약한 단점을 가지고 있다.
그래서, 최근에는 전륜 또는 후륜의 높낮이 변화에 따른 진동 등에 의한 파손 또는 손상을 방지하기 위하여 일체형 중공축 대신 슬라이드 방식 조립형 드라이브 샤프트가 사용되고 있다.
상기한 슬라이드 방식 조립형 드라이브 샤프트는 구동 동력 전달축, 피동 동력 전달축을 볼 스플라인에 의한 연결을 포함한다.
즉, 구동 동력 전달축 및 피동 동력 전달축은 길이 방향으로 결합 되고, 구동 동력 전달축 및 피동 동력 전달축은 볼 스플라인의 연결에 의하여 축방향으로 슬라이드가 가능하게 결합된다.
이러한 구동 동력 전달축은 단조 가공에 의하여 내부를 가공하는데, 이로 인해 구동 동력 전달축의 금속 조직에 쉽게 균열 등이 발생 될 수 있고, 특히 단조 가공에 긴 시간이 소요되고, 단조 공정을 수행하는 단조 설비의 부피가 매우 크고 가격이 고가인 단점을 가지고 있다.
상기한 단점을 해결하기 위하여 최근 개시된 특허 제10-1936650호, 볼 스플라인을 갖는 동력 전달축의 제조 방법을 살펴본다.
먼저, 중공을 갖는 금속관을 준비하는 단계;와, 상기 금속관의 일측단을 축관하여 축관부를 형성하는 단계;와, 상기 금속관 중 축관 되지 않은 미축관부의 내부로 볼 스플라인 성형부가 구비된 멘드렐을 여러 차례 왕복시켜서 상기 미축관부의 내측면에 축 방향을 따라 직선 홈 형상을 갖는 볼 스플라인부를 형성하는 단계;로 볼 스플라인을 갖는 동력 전달축(드라이브 샤프트)이 제조되는 것이다.
상기한 볼 스플라인을 갖는 동력 전달축의 제조 방법에 대한 문제를 살펴보면, 중공을 갖는 금속관의 일측단을 축관하는 공정으로 축관부를 형성하고, 다시 축관부와 미축관부가 있는 미가공소재를 성형부가 구비된 멘드렐 시스템으로 운반하여 장착하는 과정과, 미축관부의 내부로 볼 스플라인 성형부가 구비된 멘드렐을 여러 차례 왕복시켜서 제조하기 때문에 다공정에 따른 설비비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 생산성이 저하되는데에 따른 제조원가가 비싸게 형성되는 단점이 있다.
특히, 미축관부의 내부로 볼 스플라인 성형부가 구비된 멘드렐을 여러 차례 왕복시키게 되면, 미축관부의 내부에 형성된 볼 스플라인이 매끄럽지 못하고, 볼 스플라인의 주변 금속조직이 길이방향으로 밀리는 현상으로 금속조직이 조밀하게 형성되지 못할 뿐만 아니라, 미축관부의 내부 즉, 볼 스플라인의 끝부분에 이바리가 형성되기 때문에 샤프트의 품질을 저하시키는 문제가 있다.
한국 등록특허 제10-1936650호(2019년01월03일.등록) 한국 등록특허 제10-2208388호(2021년01월21일.등록)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중공봉 금속관체를 소경부와 대경부 및 상기 대경부에 내경 볼 스플라인을 동시에 형성할 수 있는 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형을 제공하여 설비비용을 절감하고 제조공정을 단축하며, 제조 금형의 원활한 작동으로 생산성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 종래 미축관부의 내부로 멘드렐을 여러 차례 왕복시키게 됨으로써, 미축관부의 내부에 형성된 볼 스플라인이 매끄럽지 못하고, 볼 스플라인의 끝부분에 이바리가 형성되는 문제를 해결하고, 특히 내경 볼 스플라인을 성형시 멘드렐 및 금형에 의해서 확관과 축관을 통해 볼 스플라인 부분이 매끄럽고 내구성이 크게 향상된 샤프트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트, 그 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형을 살펴본다.
먼저, 본 발명에 의해서 제조된 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트는, 또 다른 샤프트가 슬라이드 연결되는 내경 볼 스플라인을 갖는 대경부와, 상기 대경부와 연결되고 지름이 작은 소경부로 구성된다.
상기와 같이 구성된 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법은, 중공형 금속관체를 준비하는 단계; 상기 중공형 금속관체를 외부형상 성형용 금형본체에 올려놓는 단계; 및 멘드렐을 중공형 금속관체에 삽입하여, 확관과 동시에 볼 스플라인을 가성형을 하는 단계; 상기 멘드렐과 금속관체를 지속적으로 전진시켜 대경성형부를 통해 내경 볼 스플라인을 갖는 대경부를 성형하는 단계; 및 멘드렐의 볼 스플라인 성형부가 진입하지 않은 부분을 소경성형부를 통해 소경부를 동시에 성형하는 단계;로 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트를 제조하는 것이다.
상기한 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조 방법을 실현하기 위한 금형의 구조를 살펴본다.
중공형 금속관을 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트의 외부형상을 제조하는 외부형상 성형용 금형은, 금형본체와 멘드렐로 구성된다.
상기 금형본체의 입구는 금속관체의 진입을 안내하기 위한 경사안내부와 볼 스플라인의 성형과 대경부의 외형을 성형하기 위한 대경성형부가 구비되어 있고, 볼 스플라인을 갖는 대경부가 진입할 때 마찰을 줄여주기 위한 공간부와 멘드렐의 볼 스플라인 성형부가 진입하지 않은 부분을 소경부로 성형하기 위한 소경성형부로 구성된다.
상기와 같이 구성된 금형본체에 중공형 금속관체와 함께 진입하여 볼 스플라인의 성형과 대경부 및 소경부를 성형하기 위한 멘드렐은 받침부와 볼 스플라인 성형부 및 내경성형부, 곡선부와 소경성형부로 구성되어 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 중공봉 금속관체를 대경부와 소경부 및 대경부에 내경 볼 스플라인을 동시에 형성할 수 있기 때문에 설비비용 절감과 제조공정을 단축하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 대경부의 내주연에 내경 볼 스플라인을 성형시 확관과 축관을 통해 볼 스플라인을 가성형 후, 완전성형하기 때문에 균열방지와 금속조직이 조밀하게 형성되는 결과로 내구성이 크게 향상된 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 볼 스플라인이 형성된 샤프트 제조단계를 보인 순서도
도 2는 본 발명에 의해서 볼 스플라인이 형성된 샤프트의 사시도
도 3은 본 발명에 의해서 볼 스플라인이 형성된 샤프트의 단면도
도 4는 도 3의 A-A선을 확대한 단면도
도 5는 본 발명에 의해서 완성된 샤프트의 사시도
도 6은 본 발명에 의한 볼 스플라인이 형성된 샤프트를 제조하기 위한 멘드렐, 금속관체, 금형본체가 배치된 상태의 예시도
도 7은 본 발명에 의한 멘드렐이 금속관체에 삽입된 상태를 보인 단면도
도 8은 도 7의 B-B선을 확대한 단면도
도 9는 본 발명에 의한 멘드렐 및 금속관체가 금형본체에 완전삽입되어 대경부 및 소경부를 동시에 성형한 상태를 보인 단면도
도 10은 도 9의 C-C선을 확대한 단면도
본 발명에 의한 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트, 그 샤프트 제조방법 및 그 샤프트 제조 금형에 대하여 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
이하, 본 발명을 구현하기 위한 바람직한 구성 실시 예를 설명함에 있어 본 발명의 기술적 사상을 본 문서에 기재된 실시 예에 기재된 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents) 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
먼저, 본 발명에 의해서 제조하고자 하는 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트(10)는 자동차의 엔진에서 발생한 동력을 차륜으로 전달하기 위한 것으로서, 일측 내경에는 또 다른 샤프트가 슬라이드 연결되도록 볼 스플라인(11)을 갖는 대경부(12)가 구성되고, 상기 대경부(12)와 곡선부(13)로 연결되고 지름이 작은 소경부(14)로 구성되는 것이다.
또한, 대경부(12)의 입구측에는 볼 이탈방지 홈(11-1)이 형성되고, 소경부(14) 끝에는 스플라인(14-1)이 형성되는 것이다.
상기와 같이 구성된 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법은, 금형에 의한 냉간 성형으로 이루어진다.
내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법은, 소정의 두께를 갖는 중공형 금속관체(1)를 준비하는 단계;
이러한 단계;는 샤프트의 길이 굵기에 따라 금속관체(1)의 두께와 길이를 계산하여 선택하는 것이 후가공을 줄여줄 수 있어 바람직하다.(S10)
특히, 금속관체(1)의 내경은 멘드렐(21)에 구성된 볼 스플라인 성형부(21-1)의 내경 성형부(21-3) 직경보다 크고 홈성형부(21-2)가 이루는 직경보다는 작게 준비한다.
상기 단계;로 준비된 중공형 금속관체를 외부형상 성형용 금형본체(20) 위에 올려놓는 단계; 및 멘드렐(21)을 중공형 금속관체(1)에 근접시켜 삽입을 준비하는 단계;
이러한 단계;는 멘드렐에 금속관체가 정확하게 삽입되게 하고 멘드렐의 받침부에 의해서 금속관체가 밀리지 않고, 금형본체에 수직으로 정확하게 안착시켜야 불량을 방지할 수 있다.(S20)
상기 준비단계;에서 멘드렐(21)을 금속관체(1)에 삽입하여 볼 스플라인(11)을 가성형을 하는 단계;
이러한 단계;는 금속관체가 금형본체(20)에는 삽입되지 않은 상태에서 멘드렐(21)이 금속관체에 먼저 삽입되어 금속관체의 내경보다 돌출되는 홈성형부(21-2)에 의해 불완전한 볼 스플라인(11)이 형성되는 것으로, 금속관체를 급격하게 확관 또는 축관으로 인하여 발생할 수 있는 금속관체의 균열을 방지하고, 볼 스플라인을 정확하게 성형할 수 있도록 하기 위함이다.(S30)
상기 단계;에 이어서 멘드렐(21)이 삽입된 상태로 볼 스플라인(11)이 가성형 된 금속관체(1)를 지속적으로 전진시켜서 금형본체(20)의 대경성형부(20-1)에 의해 내경 볼 스플라인이 완전 성형되도록 하는 대경부(12)를 형성하는 단계; 및 멘드렐의 볼 스플라인 성형부(21-1)가 진입하지 않은 부분을 소경성형부(20-2)를 통해 소경부(14)를 동시에 형성하는 단계;로 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트가 제조된다.
상기 단계; 중에 멘드렐(21) 및 볼 스플라인(11)이 가성형 된 금속관체(1)를 지속적으로 전진시켜서 금형본체(20)의 대경성형부(20-1)를 통해 내경 볼 스플라인을 갖는 대경부(12)를 형성하는 단계;는 대경성형부(20-1)에 의해서 볼 스플라인(11)이 가성형 된 금속관체(1)가 축관되면서 볼 스플라인(11)이 완전하게 성형되는데, 이 때 금속조직이 지름방향으로 밀리면서 볼 스플라인(11)이 형성되기 때문에 볼 스플라인(11)의 금속조직이 조밀하게 형성되며, 특히 상기 단계;는 멘드렐(21)을 금속관체(1)에 한번 삽입하여 금형본체(20)를 통해서 볼 스플라인(11)과 대경부(12) 및 소경부(14)를 동시에 형성하는 것으로 제조공정 및 설비비용의 절감과 생산성을 극대화하기 위한 것이다.(S40)
이렇게 성형된 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트는 탈형한 후, 대경부(12)의 입구측에 볼 이탈방지 홈(11-1)을 형성하는 단계;와 소경부의 외부에 스플라인(14-1) 등 홈(14-2)을 형성하고 열처리하고, 볼 스플라인에 냉간 볼 사이징을 하는 단계;를 더 포함한다.(S50)
상기한 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조 방법을 실현하기 위한 금형의 구조를 살펴본다.
중공형 금속관체를 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트의 외부 형상을 제조하는 외부형상 성형용 금형은, 금형본체(20)와 멘드렐(21)로 구성되어 있다.
상기 금형본체(20)는 내부가 지름이 다른 원통형으로 구성되며, 금형본체(20)의 입구는 금속관체의 진입을 안내하기 위한 경사안내부(22)가 형성되어 있고, 이어서 볼 스플라인 성형과 대경부(12)의 외형을 성형하기 위한 대경성형부(20-1)가 구비되어 있으며, 그 하부에는 볼 스플라인을 갖는 대경부(12)가 진입할 때 마찰을 줄여주기 위한 공간부(23)가 구성되고, 상기 공간부(23)에 이어서 멘드렐의 볼 스플라인 성형부(21-1)가 진입하지 않은 부분을 소경부(14)로 성형하기 위한 소경성형부(20-2)로 구성되며, 공간부(23)와 소경성형부(20-2) 사이에는 2차 경사안내부(24)가 구성된다.
상기와 같이 구성된 금형본체(20)에 금속관체(1)와 함께 진입하여 내경 볼 스플라인(11)을 갖는 샤프트를 제조하는 멘드렐(21)은 볼 스플라인 성형부(21-1)에 홈성형부(21-2)와 내경성형부(21-3)가 지름방향으로 4개이상 반복되어 구성되는데, 홈성형부(21-2)는 금속관체의 내경보다 크고 내경성형부(21-3)는 금속관체의 내경보다 크게 구성한다.
그리고 2차 경사안내부(24)와 소경성형부(20-2)가 차례로 구성되어 있으며,상기 볼 스플라인 성형부(21-1)의 상부에는 볼 스플라인 성형부(21-1)가 먼저 금속관체(1)에 삽입되면서 볼 스플라인이 가성형된 후 다시 금속관체를 금형본체(20)에 밀어넣기 위한 받침부(21-4)가 구성된다.
1: 금속관체
10: 샤프트
11: 볼 스플라인
12: 대경부
14: 소경부
20: 금형본체
21: 멘드렐

Claims (3)

  1. 자동차의 엔진에서 발생한 동력을 차륜으로 전달하기 위한 샤프트로서, 일측 내경에는 또 다른 샤프트가 슬라이드 연결되도록 볼 스플라인(11)을 갖는 대경부(12)가 구성되고, 상기 대경부(12)와 곡선부(13)로 연결되고 지름이 작은 소경부(14)로 구성되는 내경 볼 스플라인을 샤프트를 제조함에 있어서,
    소정의 두께를 갖는 중공형 금속관체를 준비하되, 금속관체(1)의 내경은 멘드렐(21)에 구성된 볼 스플라인 성형부(21-1)의 내경 성형부(21-3) 직경보다 크고 홈성형부(21-2)가 이루는 직경보다는 작게 준비하는 단계;
    상기 금속관체를 외부형상 성형용 금형본체에 올려놓고, 멘드렐을 금속관체에 삽입하되, 금속관체가 금형본체(20)에는 삽입되지 않은 상태에서 멘드렐(21)이 금속관체에 먼저 삽입되어 금속관체의 내경보다 돌출되는 홈성형부(21-2)에 의해 불완전한 볼 스플라인(11)이 형성함으로써 금속관체를 급격하게 확관 또는 축관으로 인하여 발생할 수 있는 금속관체의 균열을 방지하고 볼 스플라인을 정확하게 성형할 수 있도록 하는 단계;
    상기 멘드렐이 금속관체에 삽입된 상태에서 금속관체 및 멘드렐을 금형본체의 내부로 전진시켜 금형본체의 대경성형부를 통해 내경 볼 스플라인이 완전 성형된 대경부를 성형하는 단계; 및 멘드렐의 볼 스플라인 성형부가 진입하지 않은 금속관체의 부분을 금형본체의 소경성형부를 통해 대경부와 연결된 소경부를 동시에 성형하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조방법.
  2. 자동차의 엔진에서 발생한 동력을 차륜으로 전달하기 위한 샤프트로서, 일측 내경에는 또 다른 샤프트가 슬라이드 연결되도록 볼 스플라인(11)을 갖는 대경부(12)가 구성되고, 상기 대경부(12)와 곡선부(13)로 연결되고 지름이 작은 소경부(14)로 구성되는 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조 금형에 있어서,
    금형본체는 금속관체의 진입을 안내하기 위한 경사안내부와, 멘드렐의 진입에 의해 볼 스플라인이 가성형된 상태의 금속관체가 삽입하여 축관되면서 볼 스플라인이 완전 성형됨과 동시에 대경부의 외형을 성형하기 위한 대경성형부와, 멘드렐의 볼 스플라인 성형부가 진입하지 않은 부분을 소경부로 성형하기 위한 소경성형부로 구성되고,
    멘드렐은 금속관체의 내부에 먼저 진입하여 볼 스플라인을 가성형 한 후 금속관체와 함께 금형본체에 진입하여 볼 스플라인을 완전 성형하기 위하여 금속관체의 내경보다 작은 내경 성형부(21-3)와 금속관체의 내경보다 큰 홈성형부(21-2)를 갖는 볼 스플라인 성형부(21-1)를 갖고, 상단에는 멘드렐이 삽입된 상태의 금속관체를 금형본체에 밀어 넣을 수 있도록 하는 받침부(21-4)를 갖는 것을 특징으로 하는 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조 금형.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금형본체에는 볼 스플라인을 갖는 대경부가 진입할 때 마찰을 줄여주기 위한 공간부와, 소경부(14) 성형이 원활하도록 2차 경사안내부(24)가 형성되는 것을 특징으로 하는 내경 볼 스플라인을 갖는 샤프트 제조 금형.
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