KR102297349B1 - 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공펌프의 부품인 로터를 냉간단조를 이용하여 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 합금강을 이용하여 단류선의 절손 없이 강도와 내구성이 우수한 자동차용 엔진펌프 로터를 제조할 수 있다.

Description

자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법{Method for cold forging a rotor of vacuum pump in automobile}

본 발명은 자동차에 사용되는 진공펌프를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공펌프의 부품인 로터를 냉간단조를 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 브레이크시스템에 필요한 진공을 생성하기 위해 엔진에 진공펌프를 적용하고 있으며, 진공펌프의 구동방식으로는 엔진의 캠축을 이용한 직접구동방식이 선호되고 있고, 이를 위해 엔진의 전, 후면에 진공펌프가 장착되고 있다.

진공펌프는 도 9에 도시되는 바와 같이, 흡기구(2)와 배기구(3)가 설치된 펌프 하우징(1)내에 베인(5)이 흡기구(2)와 배기구(3)가 유체의 흐름방향에 대하여 직각으로 설치되며, 흡기구(2)로 흡인된 공기와 급유구(6)를 통하여 공급되는 오일이 로터(4)의 회전에 따라 회동하는 베인(5)에 의하여 각 작용점에서 단계적으로 압축되고, 이 압축작용에 의하여 생성된 진공력을 오일과 함께 배기구(3)로 배출하도록 구성된다.

베인(5)을 회동시키는 로터(4)는 진공펌프의 회전수, 흡입주기를 결정하는 중요한 부품으로 반복적으로 회전됨에 따라 높은 내구성, 고강성, 고강도, 내마모성이 요구되고 있다.

이와 같은 로터의 제조를 위한 기술이 대한민국 특허등록 제10-1877422호, 대한민국 공개특허 제2015-0067407호에 개시되어 있는데, 대한민국 특허등록 제10-1877422호에는 로터를 절삭 가공하여 제조하는 기술이 개시되어 있는데, 로터의 제조를 위하여 금속 봉재를 절삭가공하면 절삭에 의한 재료손실이 발생함은 물론, 절삭 시 금속 결정입자가 일방항으로 형성하는 단류선의 절손이 발생하여 충격하중에 대한 저항성이 약해지는 문제가 있다.

그리고, 대한민국 공개특허 제2015-0067407호 '오일 펌프로터 제조방법'에는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 탄소(C)의 혼합분말로 소결 성형하여 로터를 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 분말 소결방식은 정밀한 성형이 가능하다는 장점은 있으나, 분말 소결을 위한 고가의 장비가 필요함은 물론, 강도와 내구성이 저하되는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1877422호 (진공 펌프용 로터 가공을 위한 지그) 대한민국 공개특허공보 제2015-0067407호 (오일 펌프로터 제조방법)

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 자동차 진공펌프용 로터를 제조하는 방법의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명은 단류선 불량 없이 강도와 내구성이 우수한 자동차 진공펌프용 로터를 제조할 수 있는 냉간단조 제조방법을 을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 봉 형태의 강재를 설정된 길이로 절단하는 단계와, 절단된 상기 강재를 제1 금형에서 가압하여 하단부가 아래로 테이퍼지게 제1 성형물을 성형하는 단계와, 제1 성형물을 제2 금형에서 가압하여 상기 하단부에 제1 성형물 보다 직경이 작은 원기둥 형상의 캠샤프트 결합부가 형성되는 제2 성형물을 성형하는 단계와, 제2 성형물을 제3 금형에서 가압하여 상기 캠샤프트 결합부와 인접하게 캠샤프트 결합부 보다 직경이 큰 원기둥 형상의 로터축이 형성되는 제3 성형물을 성형하는 단계와, 제3 성형물을 제4 금형에서 가압하여 상기 로터축과 인접하게 로터축 보다 직경이 큰 원기둥 형상의 로터몸체가 형성되는 제4 성형물을 성형하는 단계와, 제4 성형물을 제5 금형에서 가압하여 로터몸체의 상면에 제4 성형물의 중심과 정렬되는 제1 내경을 성형하는 단계 및, 제1 내경이 성형된 제5 성형물을 제6 금형에서 가압하여 상기 제1 내경의 중심에 정렬되며 상기 제1 내경 보다 작은 직경의 제2 내경을 성형하는 단계를 포함하는 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법을 제공한다.

삭제

본 발명에 있어서, 상기 로터축을 수용하는 제4 내지 제6 금형의 내부공간은 로터축의 95~98% 부피로 형성된다.

본 발명에 있어서, 상기 강재는 크롬몰리브덴강(SCM440)이 사용된다.

본 발명에 있어서, 이와 같이 제조된 상기 로터는 KS B 0802에 따른 인장강도는 501~522N/㎟ 이고, KS B 0806에 따른 표면경도는 83~84HRA이다.

본 발명에 있어서, ASTM E340-15에 따른 측정 시, 로터 절단면에 대하여 형성되는 기공의 면적비율인 기공율은 0%이다.

본 발명에 따르면 합금강을 이용하여 단류선의 절손 없이 강도와 내구성이 우수한 자동차용 엔진펌프 로터를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조되는 자동차 진공펌프용 로터의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자동차 진공펌프용 로터의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제조방법의 각각 단계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 제조방법 중 로터의 내경을 형성하는 단계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 진공펌프 로터의 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 진공펌프 로터의 인장강도와 표면경도를 측정한 시험성적서이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 진공펌프 로터의 단류선 불량여부를 측정한 시험성적서이다.
도 8은 도 7의 측정 시 로터의 단면사진이다.
도 9는 자동차 진공펌프의 평면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로서, 도면에서의 요소의 형상, 요소의 크기, 요소간의 간격 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되거나 축소되어 표현될 수 있다.

또한, 실시예를 설명하는데 있어서, 만일 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "형성되어", "포함되어", "결합되어", "고정되어" 있다고 기재된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 형성, 포함, 결합 또는 고정되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 실시예를 설명하는데 있어서 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따라 제조되는 자동차 진공펌프용 로터(40)의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 중공의 원형 파이프 형상으로 베인(5)과 결합되는 로터몸체(41)와, 로터몸체(41) 하부에 펌프 하우징(1)의 내부와 결합되는 로터축(42), 로터축(42)의 하부에 캠샤프트와 결합되는 캠샤프트 결합부(43)로 이루어진다. 로터축(42)과 캠샤프트 결합부(43)는 로터몸체(41)에 비하여 보다 지름이 작게 형성되도록 단차지게 형성된다.

이와 같은 로터(40)를 제조하는 방법이 도 2,3에 도시되어 있다. 도 2,3을 참조하면, 본 발명에 따른 자동차 진공펌프용 로터(40)는 봉 형태의 강재(10)를 설정된 길이로 절단하는 단계(S100), 절단된 강재(10)를 제1 금형(21)에서 가압하여 제1 성형물(11)을 성형하는 단계(S110), 제1 성형물(11)을 제2 금형(22)에서 가압하여 캠샤프트 결합부(43)가 형성되는 제2 성형물(12)을 성형하는 단계(S120), 제2 성형물(12)을 제3 금형(23)에서 가압하여 로터축(42)이 형성되는 제3 성형물(13)을 성형하는 단계(S130), 제3 성형물(13)을 제4 금형(24)에서 가압하여 로터몸체(41)가 형성되는 제4 성형물(14)을 성형하는 단계(S140), 제4 성형물(14)을 제5 금형(25)에서 가압하여 로터몸체(41)의 상면에 제1 내경(44)을 성형하는 단계(S150), 및 제1 내경(44)이 성형된 제5 성형물(15)을 제6 금형(26)에서 가압하여 제2 내경(45)을 성형하는 단계(S160)를 거쳐 제조된다.

S100 단계는 환봉 형태의 강재(10)를 설정된 길이로 절단하는 단계로, 강재(10)로는 성형성 및 내구성이 우수한 크롬몰리브덴강(SCM440)이 사용되는 것이 바람직하다. 그리고, 강재(10)의 표면은 성형시 단조금형에 의한 표면마모를 방지하도록 보호피막이 형성되는 것이 바람직하다. 보호피막은 포타시움 하이드로겐플루오라이드(Potassium Hydrogenfluoride. KHF₂) 1 내지 5 중량%, 망가네스 나이트레이트(Manganese Nitrate / Mn(NO₃)₂) 0.1 내지 0.5 중량%, 소디움 나이트레이트(Sodium Nitrate / NaNO₃), 0.05 내지 0.2 중량%, 및 나머지 물로 이루어져, 강재(10) 표면에 코팅되어 형성되는데, 이와 같은 피막이 형성된 강재(10)는 표면이 우수한 윤활층이 형성되어 단조성형 과정에서 재료의 마모를 저감시킬 수 있다.

S110 단계는 절단된 강재(10)를 제1 금형(21)에서 가압하여 제1 성형물(11)로 성형하는 단계로, 도 3에 도시되는 바와 같이, 제1 성형물(11)의 제조를 위하여 제1 가압 펀치(21a) 및 제1 성형 금형(21b)이 구비된다.

절단된 강재(10)를 제1 성형 금형(21b)에 인입한 후 제1 가압 펀치(21a)가 제1 성형 금형(21b)의 방향으로 이동하여 가압하는데, 제1 가압 펀치(21a)는 예를 들어 유압 프레스와 같은 장치에 의하여 작동될 수 있다. 제1 성형 금형(21b)은 예를 들어 초경합금 소재로 만들어질 수 있고 아래의 각각의 성형 금형(21b,22b,23b,24b, 25b,26b)도 마찬가지로 초경합금 또는 이와 유사한 소재로 만들어질 수 있다. 각각의 가압 펀치(21a,22a,23a,24a,25a,26a)도 동일하다.

제1 가압 펀치(21a)에 의하여 강재(10)가 제1 성형 금형(21b) 내에서 하단부가 아래로 테이퍼진 형상을 갖는 제1 성형물(11)로 단조 가공되는데, 이것은 다음 단계에서 강재(10)의 직경보다 작은 직경으로 이루어지는 캠샤프트 결합부(43)를 형성하기 위해 필요한 전처리 공정이다.

S120 단계는 제1 성형물(11)을 제2 금형(22)에서 가압하여 하단부에 제1 성형물(11) 보다 직경이 작은 원기둥 형상의 캠샤프트 결합부(43)가 형성되는 제2 성형물(12)로 성형하는 단계로, 도 3에 도시되는 바와 같이, 제2 성형물(12)의 단조 가공을 위하여 제2 가압 펀치(22a) 및 제2 성형 금형(22b)이 구비된다.

제2 성형 금형(22b)은 단면감소율이 90% 이상일 경우 발생할 수 있는 단류선의 끊김현상을 방지하기 위하여 단면감소율이 85% 이하가 되도록 캠샤프트 결합부(43)와 인접한 상부가 테이퍼지게 내부 형상을 설계하는 것이 바람직하다.

제2 성형 금형(22b) 내에 제1 성형물(11)을 인입한 후 제2 성형 금형(22b)의 방향으로 제2 가압 펀치(22a)가 이동하면 제2 가압 펀치(22a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제1 성형물(11) 보다 직경이 작은 원기둥 형상의 캠샤프트 결합부(43)가 형성되고, 캠샤프트 결합부(43)와 인접한 상부가 테이퍼진 형상을 갖는 제2 성형물(12)이 성형된다.

S130 단계는 제2 성형물(12)을 제3 금형(23)에서 가압하여 캠샤프트 결합부(43)와 인접하게 캠샤프트 결합부(43) 보다 직경이 큰 원기둥 형상의 로터축(42)이 형성되는 제3 성형물(13)로 성형하는 단계이면서 동시에 다음 단계인 S140 단계에서 로터몸체(41)을 형성하기 위한 전처리 공정이 될 수 있다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 제3 성형물(13)의 가공을 위하여 제3 가압 펀치(23a) 및 제3 성형 금형(23b)이 구비되고, 제3 성형 금형(23b) 내에 제2 성형물(12)을 인입한 후 제3 성형 금형(23b)의 방향으로 제3 가압 펀치(23a)가 이동하면 제3 가압 펀치(23a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제3 성형물(13)이 성형된다.

삭제

S140 단계는 제3 성형물(13)을 제4 금형(24)에서 가압하여 로터축(42)과 인접하게 로터축(42) 보다 직경이 큰 원기둥 형상의 로터몸체(41)가 형성되는 제4 성형물(14)로 성형하는 단계이다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 제4 성형물(14)의 성형을 위하여 제4 가압 펀치(24a) 및 제4 성형 금형(24b)가 구비되는데, 제4 성형 금형(24b)은 로터축(42)과 로터몸체(41)가 수직을 이루며 연결되는 부위를 소정의 각도를 이루도록 설계하여 단류선의 끊김현상 없이 체적변화가 용이하게 이루어질 수 있도록 유도하고 금형의 수명을 연장할 수 있다.

제4 성형 금형(24b) 내에 제3 성형물(13)을 인입한 후 제4 성형 금형(24b)의 방향으로 제4 가압 펀치(24a)가 이동하면 제4 가압 펀치(24a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제4 성형물(14)이 성형된다.

S150 단계는 제4 성형물(14)을 제5 금형(25)에서 가압하여 로터몸체(41)의 상면에 제4 성형물(14)의 중심과 정렬되는 제1 내경(44)을 성형하는 단계이다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 제1 내경(44)을 성형하기 위하여 제5 가압 펀치(25a) 및 제5 성형 금형(25b)이 구비되고, 제5 성형 금형(25b) 내에 제4 성형물(14)을 인입한 후 제5 성형 금형(25b)의 방향으로 제5 가압 펀치(25a)가 이동하면 제5 가압 펀치(25a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 로터몸체(41)의 상면에 제4 성형물(14)의 중심과 정렬되는 제1 내경(44)이 성형된다.

S160 단계는 제1 내경(44)이 성형된 제4 성형물(14)을 제6 금형(26)에서 가압하여 제1 내경(44)의 중심에 정렬되며 제1 내경(44) 보다 작은 직경의 제2 내경(45)을 성형하는 단계이다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 제2 내경(45)을 성형하기 위하여 제6 가압 펀치(26a) 및 제6 성형 금형(26b)이 구비되고, 제6 성형 금형(26b) 내에 제1 내경(44)이 성형된 제4 성형물(14)을 인입한다.

제6 성형 금형(26b)의 방향으로 제6 가압 펀치(26a)가 이동하면 제6 가압 펀치(26a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제2 내경(45)이 성형되고 자동차용 진공펌프 로터(40)의 성형공정이 완료된다.

도 4는 본 발명에 따른 체적변화를 고려한 금형설계의 개념도로, 이를 참조하여 S160 단계에서 제2 내경(45)를 형성할 때 로터축(42)의 체적변화를 살펴보면 다음과 같다.

S160 단계에서 제2 내경(45)을 성형하기 위하여 제1 내경(44)이 성형된 제4 성형물(14)을 제6 성형 금형(26b)에 인입하고 제6 가압 펀치(26a)로 수직가압 하는데, 이 때 제6 성형 금형(26b)의 로터축(42)를 수용하는 내부공간의 부피는 S150 단계에서 제5 성형 금형(25b)의 로터축(42)를 수용하는 내부공간의 부피보다 2~5% 만큼 증가된 체적을 갖도록 설계하여 제2 내경(45)이 형성되며 이동되는 체적이 로터축(42) 방향으로 이동할 수 있도록 함으로써 단류선의 끊김현상을 방지할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 따른 자동차용 진공펌프 로터(40)의 냉간 단조방법은 상기 제4 내지 제6 성형 금형(24b,25b,26b)의 로터축(42)를 수용하는 내부공간의 부피가 전단계의 95~98% 부피를 갖도록 설계하여 단계별 체적변화를 고려하는 특징을 갖는다.

이와 같이 단계별 체적변화를 고려한 금형설계는 상술한 캠샤프트 결합부(43)를 형성하는 단계에서 캠샤프트 결합부(43)와 인접한 상부가 테이퍼지게 함으로써 단면감소율이 85% 이하가 되도록 금형을 설계하는 것과 같은 이유로, 소재의 가공경화를 낮추고, 단류선의 끊김현상을 방지하며, 금형에 크랙이 형성되거나 파손되는 위험을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 제조된 자동차 진공펌프용 로터(40)가 도 5에 도시되어 있으며, 진공펌프용 로터를 아래와 같이 인장강도, 경도, 단류선 불량을 측정하였다.

1. 인장강도 측정

로터의 인장강도는 KS B 0802에 따라 측정하였고, 인장강도는 도 6의 시험성적서에 나타나는 바와 같이 501~522 N/㎟로 측정되었다.

2. 표면경도 측정

로터의 표면경도는 KS B 0806에 따라 측정하였고, 표면경도는 도 6의 시험성적서에 나타나는 바와 같이 83~84 HRA로 측정되었다.

3. 단류선 불량여부 측정

로터의 횡방향으로 절단하여 절단면의 단류선 여부를 ASTM E340-15에 따라 측정하였다. 단류선 분석결과 도 7의 시험성적서과 도 8의 시험사진에 드러나는 바와 같이, 로터 절단면에 대하여 형성되는 기공의 면적비율이 기공율(POROSITY)이 0%로 측정되었다. 따라서, 본 발명에 따른 로터는 내부적으로 단류선이 접힌 곳이나 절손과 같은 불량 없이 형성되었음을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따라 제조되는 진공펌프용 로터(40)는 500N/㎟ 이상의 높은 인장강도와, 80HRA 이상의 우수한 표면경도를 가지면서도, 단류성 불량도 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

1 : 펌프 하우징 2 : 흡기구
3 : 배기구 4 : 로터
5 : 베인 6 : 급유구
10 : 강재 11 : 제1 성형물
12 : 제2 성형물 13 : 제3 성형물
14 : 제4 성형물 21 : 제1 금형
21a : 제1 가압 펀치 21b : 제1 성형 금형
22 : 제2 금형 22a : 제2 가압 펀치
22b : 제2 성형 금형 23 : 제3 금형
23a : 제3 가압 펀치 23b : 제3 성형 금형
24 : 제4 금형 24a : 제4 가압 펀치
24b : 제4 성형 금형 25 : 제5 금형
25a : 제5 가압 펀치 25b : 제5 성형 금형
26 : 제6 금형 26a : 제6 가압 펀치
26b : 제6 성형 금형 40 : 로터
41 : 로터몸체 42 : 로터축
43 : 캠샤프트 결합부 44 : 제1 내경
45 : 제2 내경

Claims (7)

1. 자동차 진공펌프용 로터를 제조하는 방법에 있어서,
   봉 형태의 강재를 설정된 길이로 절단하는 단계;
   절단된 상기 강재를 제1 금형에서 가압하여 하단부가 아래로 테이퍼지게 제1 성형물을 성형하는 단계;
   상기 제1 성형물을 제2 금형에서 가압하여 상기 하단부에 제1 성형물 보다 직경이 작은 원기둥 형상의 캠샤프트 결합부가 형성되는 제2 성형물을 성형하는 단계;
   상기 제2 성형물을 제3 금형에서 가압하여 상기 캠샤프트 결합부와 인접하게 캠샤프트 결합부 보다 직경이 큰 원기둥 형상의 로터축이 형성되는 제3 성형물을 성형하는 단계;
   상기 제3 성형물을 제4 금형에서 가압하여 상기 로터축과 인접하게 로터축 보다 직경이 큰 원기둥 형상의 로터몸체가 형성되는 제4 성형물을 성형하는 단계;
   상기 제4 성형물을 제5 금형에서 가압하여 상기 로터몸체의 상면에 제4 성형물의 중심과 정렬되는 제1 내경을 성형하는 단계; 및
   상기 제1 내경이 성형된 제5 성형물을 제6 금형에서 가압하여 상기 제1 내경의 중심에 정렬되며 상기 제1 내경 보다 작은 직경의 제2 내경을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 로터축을 수용하는 제4 내지 제6 금형의 내부공간은 로터축의 95~98% 부피로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 강재는 크롬몰리브덴강(SCM440)인 것을 특징으로 하는 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 로터의 인장강도는 KS B 0802에 따른 측정 시 501~522N/㎟ 인 것을 특징으로 하는 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 로터의 표면경도는 KS B 0806에 따른 측정 시 83~84HRA 인 것을 특징으로 하는 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   ASTM E340-15에 따른 측정 시, 로터 절단면에 대하여 형성되는 기공의 면적비율인 기공율 0%인 것을 특징으로 하는 자동차 진공펌프용 로터의 냉간단조 제조방법.

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