KR102362683B1

KR102362683B1 - 중공이너샤프트 복합성형공법 및 상기 공법에 의해 제작된 중공이너샤프트와 상기 중공이너샤프트를 제작하기 위한 복합성형장치

Info

Publication number: KR102362683B1
Application number: KR1020200115535A
Authority: KR
Inventors: 변상교; 백한윤
Original assignee: (주)브이씨티이
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-02-14

Abstract

본 발명은 중공이너샤프트 복합성형공법 및 상기 공법에 의해 제작된 중공이너샤프트와 상기 중공이너샤프트를 제작하기 위한 복합성형장치에 관한 것이다. 복합성형공법은, 중공파이프형 소재 단부를 가열하는 가열단계와; 단부가 가열된 소재를 이송시키는 이송단계와; 가열된 상태의 소재 단부를 스웨이징 가공하여 단부의 직경을 축소시키는 스웨이징공정, 스웨이징공정과 함께 진행되는 과정으로서 이송되는 소재의 진행방향 선단부를 막아 선단부의 두께가 반작용력에 의해 두꺼워지게 하는 단조공정, 단조공정의 완료 후 소재를 다시 이송시켜 소재의 단부를 압출시키는 압출공정이 포함되는 성형단계와; 성형단계의 완료 후 소재의 단부를 가공하는 후가공단계를 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 중공이너샤프트 복합성형공법은, 단일한 중공파이프에 대해 스웨이징과 단조와 압출가공을 복합 적용하여, 고강도이며 경량인 중공이너샤프트를 생산할 수 있게 한다. 또한 본 발명의 복합성형장치는, 콤팩트한 구조임에도 불구하고, 스웨이징과 단조와 압출가공을 함께 수행할 수 있어, 저렴한 비용으로, 단순 중공파이프를 고강도의 종공이너샤프트로 변모시킬 수 있다.

Description

중공이너샤프트 복합성형공법 및 상기 공법에 의해 제작된 중공이너샤프트와 상기 중공이너샤프트를 제작하기 위한 복합성형장치{Method for composite manufacturing hollow inner shaft and Hollow inner shaft manufactured by the method and Apparatus for composite manufacturing the hollow inner shaft}

본 발명은 차량용 부품인 이너샤프트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스웨이징과 단조와 압출가공을 복합 적용하여, 고강도이며 경량인 중공이너샤프트를 생산할 수 있는, 중공이너샤프트 복합성형공법 및 상기 공법에 의해 제작된 중공이너샤프트와 상기 중공이너샤프트를 제작하기 위한 복합성형장치에 관한 것이다.

차량의 엔진에서 발생하는 회전토크는, 변속기, 추진축, 차동기어, 이너샤프트를 차례로 통과하여 구동휠로 전달된다. 이너샤프트는, 차동기어와 구동휠을 연결하는 동력전달축이다. 이러한 이너샤프트는 동력전달에 참여하는 부품이니만큼 가혹 환경에서도 우수한 내구성을 가져야 한다. 이너샤프트는, 차량의 모델에 따라 약간의 구조적 차이점을 가지며, 과거에는 환봉을 선삭 가공하거나, 파이프의 양단부에 기어부를 용접하여 제작되었다.

도 1은 환봉을 절삭 가공하여 제작한 종래 이너샤프트(11)를 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 종래 이너샤프트(11)는 일정직경 및 길이를 갖는 본체부(11a)와, 본체부의 양단에 일체를 이루는 기어부(11b)로 이루어진다. 본체부(11a)와 기어부(11b)는 환봉을 절삭 가공한 것으로서, 중실구조를 가져 무겁다. 특히 중실형 이너샤프트(11)는, 차량 주행 시, 노면으로부터 올라오는 진동 노이즈를 흡수하지 못하여, 차량의 제동이나 구동 능력을 감소시킨다는 단점을 갖는다. 노이즈방지용 댐퍼를 추가로 부착하는 이유가 있는 것이다. 이에 따라 중실형 이너샤프트가 제안되기도 하였다.

도 2는 종래의 중공형 이너샤프트를 부분 절제하여 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 종래 중공형 이너샤프트(13)는, 중공파이프 형태의 본체부(13a)와, 본체부(13a)의 양단부에 용접 결합하는 기어부(13c)로 이루어진다. 기어부(13c)는 본체부(13a)와 별도로 제작되며 본체부(13a)의 양단에 용접방식으로 고정된다. 도면부호 13e는 용접부이다.

그런데, 이러한 용접 방식 이너샤프트(13)는 용접부(13e)가 쉽게 절단된다는 문제를 갖는다. 용접부가 회전토크에 견디는 힘이 부족한 것이다. 차량의 주행 중 용접부(13e)가 절단되면 대형 사고로 이어질 수밖에 없다.

이와 같이, 중량과 내구성의 문제를 해결하기 위하여, 국내 공개특허공보 제10-2008-0096900호를 통해, 자동차용 액슬축 및 그 제조방법이 제안된 바 있다. 상기 공보에 개시된 제조방법은, 엑슬축으로서 원하는 조건을 갖는 재질을 갖는 두 가지의 재질로 된 관체형의 튜브를 준비하되, 엑슬축으로 완성될 때의 최종 외경을 갖는 외튜브와, 그 내경에 삽입되는 크기의 관체형의 슬리브튜브를 준비하며, 슬리브튜브는 제조될 엑슬축에서 직경이 축소되는 부분의 길이 이상이 되도록 하고, 외면에는 세레이션을 형성하되 세레이션을 포함한 슬리브튜브의 외경은 외튜브의 내경보다 조금 더 크게 구성하여 준비하는 공정과; 외튜브의 양단에 슬리브튜브를 각각 삽입하되, 억지 삽입에 의해 세레이션의 끝단 일부가 외튜브의 내경을 파고들면서 외튜브와 슬리브튜브는 서로 간에 완전히 고정되도록 하는 결합공정과; 외튜브에 슬리브 튜브가 삽입된 상태에서 양단을 동시에 축관을 실시하여 중앙부 일부를 제외한 양단이 축관되도록 하여 주는 1차 축관 공정과; 1차 축관에서 축관된 부분 중 중앙부에서 일정 길이를 제외한 부분부터 다시 축관을 실시하여 필요한 정도의 치수가 되도록 하여 주는 2차 축관 공정과; 소성 변경에 의한 응력을 풀림 열처리를 통하여 해소하여 주는 공정과; 양단의 스플라인이 형성될 부분을 포밍하여 직경을 확장시키는 공정과; 확장된 부분에 전조 또는 절삭가공을 통하여 스플라인을 형성하는 공정과; 스플라인의 끝 부분에 링홈을 가공하고, 중앙부 직경이 축소된 부분과 축소되지 않은 부분 사이에 전조공정을 통하여 홈을 가공하는 공정으로 이루어진다.

국내 공개특허공보 제10-2008-0096900호 (자동차용 액슬축 및 그 제조방법)

본 발명은, 단일한 중공파이프에 대해 스웨이징과 단조와 압출가공을 복합 적용하여, 고강도이며 경량인 중공이너샤프트를 생산할 수 있게 하는, 중공이너샤프트 복합성형공법과 상기 공법에 의해 제작된 중공이너샤프트를 제공함에 목적이 있다.

또한, 콤팩트한 구조임에도 불구하고, 스웨이징과 단조와 압출가공을 함께 수행할 수 있어, 저렴한 비용으로, 단순 중공파이프를 고강도의 종공이너샤프트로 변모시킬 수 있는, 중공이너샤프트 복합성형장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 과제의 해결수단으로서의 본 발명의 중공이너샤프트 복합성형공법은, 중공파이프형 소재를 준비하는 소재준비단계와; 상기 소재의 단부를 열간가공하기 위해, 소재 단부를 가열하는 가열단계와; 단부가 가열된 상태의 소재를 수평 이송시키는 이송단계와; 가열된 상태의 소재 단부를 스웨이징 가공하여 단부의 직경을 축소시키는 스웨이징공정, 상기 스웨이징공정과 함께 진행되는 과정으로서 이송되는 소재의 진행방향 선단부를 막아 선단부의 두께가 반작용력에 의해 두꺼워지게 하는 단조공정, 상기 단조공정의 완료 후 소재를 다시 이송시켜 소재의 단부를 압출시키는 압출공정이 포함되는 성형단계와; 상기 성형단계의 완료 후 소재의 단부를 가공하는 후가공단계를 포함한다.

또한, 상기 가열단계의 진행 전에 수행하는 과정으로서, 소재의 단부를 냉간 스웨이징 가공하여 직경을 축소하는 프리포밍단계가 더 포함된다.

아울러, 상기 목적을 달성하기 위한 과제의 해결수단으로서의 본 발명의 중공이너샤프트는, 중공파이프형 소재를 준비하는 소재준비단계와; 상기 소재의 단부를 열간가공하기 위해, 소재 단부를 가열하는 가열단계와; 단부가 가열된 상태의 소재를 수평 이송시키는 이송단계와; 가열된 상태의 소재 단부를 스웨이징 가공하여 단부의 직경을 축소시키는 스웨이징공정, 상기 스웨이징공정과 함께 진행되는 과정으로서 이송되는 소재의 진행방향 선단부를 막아 선단부의 두께가 반작용력에 의해 두꺼워지게 하는 단조공정, 상기 단조공정의 완료 후 소재를 다시 이송시켜 소재의 단부를 압출시키는 압출공정이 포함되는 성형단계와; 상기 성형단계의 완료 후 소재의 단부를 가공하는 후가공단계를 통해 제작된다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 과제의 해결수단으로서의 본 발명의 복합성형장치는, 중공파이프 소재를 수평 지지한 상태로 가압 이송하는 소재압입부와; 상기 소재압입부에 대응 배치되고, 소재압입부에 의해 압입되는 소재의 단부를 받아들여, 단부에 대한 스웨이징 가공을 통해 단부 직경을 축소시키는 스웨이징디바이스와; 상기 스웨이징디바이스의 내부에 설치되며, 상기 소재압입부에 의해 가압되는 소재의 스웨이징된 부분을 수용하는 압출단조금형과; 상기 압출단조금형의 후방에 위치조절 가능하게 구비되는 것으로서, 압출단조금형의 출구를 막아, 상기 소재압입부에 의해 압입되는 소재가 반작용력을 받아 소재의 단부 두께가 두꺼워지게 하는 단조헤드와; 상기 압출단조금형에 대한 단조헤드의 간격을 조절하는 것으로서, 단조헤드를 압출단조금형으로부터 이격시켜, 소재 단부가 압출단조금형으로부터 압출되게 하는 소재받침부를 구비한다.

또한, 상기 소재압입부는; 상기 스웨이징디바이스의 전방에 위치한 상태로 지지력을 제공하는 지지구조체와, 상기 지지구조체에 수평으로 설치되는 전방액츄에이터와, 상기 지지구조체와 스웨이징디바이스의 사이에 위치하며, 전방액츄에이터에 의해 직선 운동하는 왕복캐리어와, 상기 왕복캐리어에 장착되며 상기 소재를 물어 고정하는 회전죠오와, 상기 회전죠오를 통해 소재를 축회전시키는 죠오회전수단을 포함한다.

아울러, 상기 스웨이징디바이스는; 지지력을 제공하는 본체, 상기 본체의 전방에 회전 가능하도록 지지되며 모터로부터 회전력을 전달받아 회전하고 중심부에 드럼을 갖는 스핀들, 상기 드럼의 내측에 설치되며 진입 소재의 단부 외주면을 감싸는 다수의 다짐금형, 상기 다짐금형을 타격하는 다수의 해머, 상기 해머의 외측에 배치되고 해머를 다짐금형측으로 타격하여 다짐금형으로 하여금 소재에 대한 스웨이징을 수행하게 하는 다수의 롤러를 가지고, 스웨이징디바이스의 내부에는; 수평으로 연장된 주행통로를 제공하는 수평연장부와, 수평연장부의 단부에 일체를 이루고 상기 다짐금형의 후방에 위치하며 중심부에 상기 압출단조금형을 갖는 헤드부를 갖는 지지허브가 설치된다.

또한, 상기 소재받침부는; 상기 본체의 후방에 고정되는 지지프레임과, 상기 지지프레임에 설치된 수평의 후방액츄에이터와, 상기 후방액츄에이터로부터 동력을 전달받아 상기 주행통로 내에서 직선운동하고, 전방에 상기 단조헤드를 갖는 슬라이더가 포함된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 중공이너샤프트 복합성형공법은,단일한 중공파이프에 대해 스웨이징과 단조와 압출가공을 복합 적용하여, 고강도이며 경량인 중공이너샤프트를 생산할 수 있게 한다.

또한 본 발명의 복합성형장치는, 콤팩트한 구조임에도 불구하고, 스웨이징과 단조와 압출가공을 함께 수행할 수 있어, 저렴한 비용으로, 단순 중공파이프를 고강도의 종공이너샤프트로 변모시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 이너샤프트를 부분 절제하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공이너샤프트 복합성형공법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공이너샤프트 복합성형장치의 구조를 나타내 보인 측면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 스웨이징디바이스의 일부분을 도시한 정면도이다.
도 6a 내지 6e는 도 4의 복합성형장치를 이용한 복합성형공법을 순차적으로 나타내 보인 부분 단면도이다.
도 7은 도 4의 복합성형장치로 제작된 성형결과물의 측면도이다.
도 8은 도 7의 성형결과물의 양단부를 절단한 절제 측면도이다.
도 9는 도 7에 도시한 성형결과물을 후가공하여 완성한 중공이너샤프트를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공이너샤프트 복합성형공법을 설명하기 위한 블록도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 중공이너샤프트 복합성형공법은, 소재준비단계(101), 프리포밍단계(103), 가열단계(105), 이송단계(106), 성형단계(107), 가공물인출단계(109), 서냉단계(111), 후가공단계(113)를 포함한다. 이러한 복합성형공법은, 도 9에 도시한 중공이너샤프트(53)를 제작하기 위한 제작과정이다.

소재준비단계(101)는 일정직경을 갖는 중공파이프형 소재(도 4의 A)를 준비하는 과정이다. 소재로서의 중공파이프의 길이나 직경은 제작할 중공이너샤프트의 사이즈에 따라 결정된다.

프리포밍단계(103)는 소재의 단부를 축관하는 과정이다. 즉 소재의 양단부의 직경을 줄여, 소재가 삽입구(47d)의 내부로 보다 용이하게 진입하게 하는 것이다. 프리포밍단계(103)는 냉간 스웨이징을 통해 진행된다. 말하자면, 실온의 환경에서 소재의 일단부를 먼저 스웨이징 가공하고, 이어서 반대편 타단부를 스웨이징 가공하는 것이다. 프리포밍단계(103)를 위해 스웨이징디바이스(도 4의 40)를 사용할 수 있다.

가열단계(105)는 소재의 단부를 열간가공하기 위해, 소재 일단부(바로 성형하기 위한 단부)를 가열하는 과정으로서, 가열 온도는 1000℃ 내지 1050℃일 수 있다. 하지만 소재의 물성이나 두께에 따라 가열온도는 달라질 수 있다.

이송단계(106)는 소재의 타단부(가열된 단부의 반대편 단부)를 물어 고정한 상태로, 가열된 단부를, 이를테면, 도 4의 화살표 a방향으로 수평 이송시켜 스웨이징디바이스의 삽입구(도 5의 47d)에 진입시키는 과정이다. 이송단계(106)는 스웨이징공정(107a)이 진행되는 동안 및 스웨이징공정이 완료된 후에도 진행된다. 이에 대한 설명은 후술하기로 한다.

이송단계(106)를 위해 후술할 소재압입부(도 4의 33)가 사용된다. 소재압입부(33)는, 소재를 길이방향으로 압입하여 소재 단부에 대한 스웨이징공정(107a)과 단조공정(107b)과 압출공정(107c)이 가능하게 한다.

성형단계(107)는, 소재의 선단부, 즉 가열된 상태의 중공형 선단부를, 여러 공정을 통해 소성 변형시켜, 축소된 직경의 중실형 선단부로 만드는 과정이다. 중실형 선단부는, 이를테면, 내경 사이즈가 o mm인 단부를 의미한다.

성형단계(107)에는, 스웨이징공정(107a), 단조공정(107b), 압출공정(107c)이 포함된다.

스웨이징공정(107a)은 열간 스웨이징으로서, 달구어진 소재의 단부를 다져 직경을 축소시키는 과정이다. 이를테면 소재의 단부를, 다짐금형(도 5의 47c) 사이의 삽입구(도 5의 47d)에 삽입하고 타격하여 단부 직경을 줄이는 것이다. 스웨이징공정 자체는 일반적인 방식을 따른다. 스웨이징공정(107a)이 진행되는 동안에도 소재(A)의 화살표 a방향 진입은 계속된다.

단조공정(107b)은 스웨이징공정(107a)과 함께 진행되는 과정으로서 이송되는 소재의 진행방향 선단부를 막아 선단부의 두께가 반작용력에 의해 두꺼워지게 하는 과정이다. 선단부의 두께라 함은 소재의 외주면과 내주면 사이의 두께를 의미한다. 즉, 소재의 외경에서 내경을 뺀 값이 두께이다.

단조공정(107b)은 소재의 선단부가, 후술할 압출단조금형(도 4의 48)에 수용된 상태에서, 소재의 진행방향 선단부를 막고 후단부를 계속 가압하는 과정이다. 선단부는 가압력에 의해 반작용력을 받아 뭉개지며 두께가 점차 두꺼워지게 된다. 선단부의 두께가 계속 두꺼워져 마침내 선단부가 도 8에 도시한 바와 같이 막힐 때 까지 진행된다.

입출공정(107c)은 단조공정(107b)의 완료 후 단조된 부분, 즉 두께가 두꺼워진 단부 부분을 압출하는 과정이다. 압출공정(107c)을 통해 소재 선단부의 직경이 축소되며 길이가 길어지게 된다.

상기한 스웨이징공정(107a), 단조공정(107b), 압출공정(107c)은, 소재(A) 단부의 사이즈가 목표 사이즈가 될 때 까지 반복적으로 진행된다. 아울러, 셩헝단계(107)가 소재(A)의 일단부 뿐이 아니라 반대편 타단부에도 동일한 방식으로 진행됨은 물론이다.

가공물인출단계(109)는 성형단계(107)를 통해 얻은 가공물을 성형장치로부터 꺼내는 과정이다. 가공물을 꺼내야 후속 기계가공을 할 수 있음은 당연하다. 서냉단계(111)는 인출된 가공물을 공기 중에 방치하여 냉각시키는 과정이다.

이어지는 후가공단계(113)는 냉각된 가공물에 대한 추가 가공을 진행하는 과정이다. 후가공단계(113)에는, 절단, 선삭, 전조, 열처리, 연삭 가공이 포함된다. 후가공단계(113)를 통해 완성된 중공이너샤프트(도 9의 53)를 얻는다.

상기한 복합성형공법을, 복합성형장치(30)의 설명을 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공이너샤프트 복합성형장치(30)의 구조를 나타내 보인 측면도이고, 도 5는 도 4에 도시한 스웨이징디바이스의 일부분을 도시한 정면도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 중공이너샤프트 복합성형장치(30)는, 지지베이스(31), 소재압입부(33), 스웨이징디바이스(40), 소재받침부(43)의 기본 구성을 갖는다.

지지베이스(31)는 바닥면에 놓인 상태로, 소재압입부(33)와 스웨이징디바이스(40)를 받쳐 지지하기 위한 수평의 받침 구조물이다.

소재압입부(33)는, 중공파이프 소재(A)를 수평 지지한 상태로 화살표 a방향으로 가압 이송시키는 것으로서, 지지구조체(33a), 전방액츄에이터(33d), 왕복캐리어(33g), 소재지지부(35), 죠오회전수단을 포함한다.

지지구조체(33a)는 지지베이스(31)의 상부에 고정된 플레이트형 부재로서, 스웨이징디바이스(40)와 대향하며 전방액츄에이터(33d)를 지지한다. 전방액츄에이터(33d)의 실린더(33b)는 지지구조체(33a)의 전면에 수평으로 고정되고, 피스톤로드(33c)는 지지구조체(33a)를 관통하여 후방으로 연장된다. 아울러 지지구조체(33a)에는 다수의 가이드아암(33f)이 고정된다. 가이드아암(33f)은 수평으로 나란하게 연장된 환봉으로서 왕복캐리어(33g)의 직선 운동을 가이드 한다.

왕복캐리어(33g)는 사각플레이트의 형태를 취하며 가이드아암(33f)에 슬라이딩 가능하도록 지지된다. 왕복캐리어(33g)는 전방액츄에이터(33d)의 작동에 의해 화살표 b방향 또는 그 반대방향으로 이동한다. 아울러 왕복캐리어(33g)의 후면 중앙에는 소재지지부(35)가 위치한다. 후면이라 함은 스웨이징디바이스(40)를 향하는 면을 의미한다.

소재지지부(35)는, 어뎁터(35h)와 분리 가능하게 결합하며 외측에 종동스프로킷(35e)을 갖는 회전죠오(35d)와, 회전죠오(35d)를 지지하는 지지축(35c)을 포함한다. 회전죠오(35d)에는 어뎁터(35h)를 고정하는 록킹수단(미도시)이 구비된다. 지지축(35c)은 회전죠오(35d)를 축회전 가능하게 지지하는 수평의 샤프트이다. 지지축(35c)과 회전죠오(35d)의 사이, 또는 왕복캐리어(33g)와 지지축(35c)의 사이에는 베어링이 내장된다.

죠오회전수단은, 회전죠오(35d)의 측부에 설치되며 구동스프로킷(35b)을 회전시키는 모터(35a)와, 구동스프로킷(35b)과 종동스프로킷(35e)을 연결하는 체인(35f)을 구비한다. 모터(35a)의 구동력이 체인(35f)을 통해 회전죠오(35d)로 전달됨은 물론이다. 어뎁터(35h)는 가공할 소재(A)의 단부와 결합한 상태로 회전죠오(35d)에 착탈 가능하게 끼워진다.

한편, 상기 스웨이징디바이스(40)는, 본체(41), 모터(45), 플라이휠(47)을 포함한다. 본체(41)는, 지지베이스(31)의 상부에 고정되며 플라이휠(47) 및 모터(45)를 지지한다.

모터(45)는 본체(41)의 상부에 설치되며 외부로부터 인가된 전력에 의해 회전력을 출력한다. 모터(45)의 회전력은 전동벨트(46)를 통해 플라이휠(47)로 전달된다. 플라이휠(47)은 모터(45)의 구동풀리(45a)와 전동벨트(46)로 연결되며 전동벨트(46)를 통해 회전력을 전달받아 회전한다. 도면부호 47a는 벨트가 걸리는 벨트홈이다.

아울러 플라이휠(47)의 중심부에는 드럼(47g)이 구비된다. 드럼(47g)은 도 5에 도시한 바와 같이, 원통의 형태를 취하며 내측에 다수의 롤러(47f)를 갖는다. 롤러(47f)는 드럼(47g)의 원주방향으로 등각 배치되며 플라이휠(47)의 회전에 따라 (삽입구(도 5의 47d)를 회전중심으로 삼아) 공전(公轉)한다.

또한 드럼(47g)의 내부에는 네 개의 다짐금형(47c)과 해머(47e)가 구비된다. 다짐금형(47c)은 서로에 대해 진퇴 운동하는 부속으로서 삽입구(47d)에 삽입된 소재(A)를 두드려 소재의 직경을 축소시킨다. 해머(47e)는 회전하는 롤러(47f)에 부딪혀 화살표 e방향으로 타격되어 다짐금형(47c)을 같은 방향으로 타격한다. 이러한 작동 메카니즘은 일반적인 스웨이징장치와 동일하다.

상기와 같이, 플라이휠(47)은, 왕복캐리어(33g)에 대응 배치되고, 소재압입부에 의해 화살표 a방향으로 압입되는 소재(A)의 단부를 받아들여, 단부에 대한 스웨이징 가공을 수행하는 것이다.

또한, 본체(41)의 내부에는 지지허브(42)가 구비된다. 지지허브(42)는, 수평으로 연장된 수평연장부(42b)와, 수평연장부(42b)의 단부에 일체를 이루는 헤드부(42a)로 이루어진다. 수평연장부(42b)는 일정내경의 주행통로(42f)를 제공하는 원통형 부재이다. 또한 헤드부(42a)는 수평연장부(42b)에 일체를 이루며 중심축부에 센터홀(42e)을 갖는다. 헤드부(42a)는 플라이휠(47)의 내측에 위치하지만 플라이휠(47)과 분리되어 회전하지 않는다.

상기 센터홀(42e)의 내부에는 압출단조금형(48)이 고정된다. 압출단조금형(48)은 대략 원통의 형태를 취하는 부속으로서 성형공간(48a)을 제공한다. 성형공간(48a)의 내부에는, 도 6b에 도시한 바와 같이, 소재의 스웨이징이 완료된 부분이 수용된다.

또한, 소재받침부(43)는, 지지프레임(43h), 후방액츄에이터(43c), 슬라이더(43k)를 포함한다. 지지프레임(43h)는 본체(41)의 후방에 고정되며 지지력을 제공하는 구조체로서 후방액츄에이터(43c)를 수평으로 지지한다.

후방액츄에이터(43c)의 실린더(43a)는 지지프레임(43h)에 수평으로 고정되고, 피스톤로드(43b)는 지지허브(42)의 주행통로(42f)로 삽입된 상태로 왕복운동 한다. 아울러 슬라이더(43k)는 원통형 부재로서 피스톤로드(43b)의 연장단부에 고정된 상태로 주행통로(42f) 내에서 슬라이딩 운동한다.

특히 슬라이더(43k)에는 단조헤드(44)가 장착된다. 단조헤드(44)는 슬라이더(43k)의 전방에 고정된 부재로서, 센터홀(42e)의 내부에 부분적으로 수용된다. 센터홀(42e) 내에서의 단조헤드(44)의 위치는 후방액츄에이터(43c)에 의해 조절된다. 즉, 압출단조금형(48)에 대한 단조헤드(44)의 간격이 후방액츄에이터(43c)에 의해 이루어지는 것이다.

단조헤드(44)는, 압출단조금형(48)의 후방에 위치조절 가능하게 구비되는 것으로서, 압출단조금형(48)의 출구를 막아, 소재압입부(33)에 의해 압입되는 소재(A)의 단부가 반작용력을 받아 두께가 두꺼워지게 하는 단조의 기능과, 도 6d에 도시한 바와 같이, 압출단조금형(48)으로부터 이격되어, 소재의 단부가 압출단조금형(48)을 통과해 압출되게 한다. 즉 단조헤드(44)에 의해, 소재에 대한 단조와 압출이 이루어지는 것이다.

도 6a 내지 6e는 도 4의 복합성형장치(30)를 이용한 복합성형공법을 순차적으로 나타내 보인 부분 단면도이다.

도 6a를 참조하면, 단조헤드(44)가 화살표 f방향으로 최대한 이동하여 압출단조금형(48)의 출구를 막고 있음을 알 수 있다. 이 상태에서 소재(A)를 축회전 시키며 다짐금형(47c) 내부로 삽입한다. 소재의 단부는 다짐금형(47c)을 통과하면서 스웨이징 가공되고 진행방향 선단부가 단조헤드(44)에 도달하여 더 이상 전진하지 못한다. 상기한 소재의 단부는 상기한 가열단계(105)를 통해 가열된 부분을 의미한다.

특히, 소재(A)가 단조헤드(44)에 막혀 더 이상 전진하지 못하지만, 소재압입부(33)의 전방액츄에이터(33d)가 소재를 계속적으로 압입하므로, 소재의 진행방향 선단부는, 말하자면, 뭉개지며 두께가 두꺼워지기 시작한다. 이러한 뭉개짐 현상은 소재의 단부가 식어 소성변형성이 떨어질 때까지 이어진다.

소재의 단부가 식어 뭉개짐 현상이 이루어지지 않으면, 소재(A)를 다시 꺼내어 단부를 재가열한 다음 상기 과정을 반복한다. 도 6b는 소재 단부의 두께가 두꺼워지기 시작하는 모습이고, 도 6c는 소재 단부의 두께가 두꺼워져 소재의 내주면이 붙은 모습이다.

이와 같이 압출단조금형(48)의 출구를 막고, 전방액츄에이터를 이용해 소재(A)를 압출단조금형(48) 내부로 계속 압입함으로써, 소재 단부의 두께를 두껍게 소성 변형시키는 단조가공은, 소재 단부 내주면의 접합부분의 길이(L)가 충분히 성장할 때 까지 계속된다.

즉, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 소재의 양단부를 커팅라인(51a)을 따라 절단하여도 접합부분(A1)이 남아 있어야 하는 것이다. 남아 있는 접합부분(A1)의 길이는, 중공이너샤프트(53)의 총 길이의 5% 내외일 수 있다.

상기 단조가공을 반복하여 소재(A) 단부에 충분한 길이의 접합부분이 형성되었다면, 압출가공을 수행하기 위한 공간확보를 위해 단조헤드(44)를 도 6d의 화살표 m방향으로 후퇴시킨다. 단조헤드(44)의 후퇴는 후방액츄에이터(43c)에 의해 이루어진다. 단조헤드(44)의 후퇴 거리(G)는 달라질 수 있으며, 접합부분 길이(L)의 1/4 내지 1/3 일 수 있다.

상기와 같이 단조헤드(44)를 후퇴시킴으로써 압출단조금형(48)과 단조헤드(44)의 사이에 여유공간(49)이 마련된다. 여유공간(49)은 도 6e에 도시한 바와 같이, 압출되는 소재(A)가 수용되는 공간이다.

상기한 바와 같이, 단조헤드(44)를 화살표 m방향으로 이동시켜 여유공간(49)이 확보되었다면, 상기 전방액츄에이터(33d)를 동작시켜 소재(A)를 압출 가공한다. 즉, 도 6e에 도시한 바와 같이, 소재(A)를 압출단조금형(48)으로 압입하여 압출시키는 것이다. 압출단조금형(48)은 통상의 압출금형과 같이, 소재의 단부를 통과시키며 단부의 직경을 축소하고 길이를 길게 소성 변형 시킨다. 이러한 압출가공을 통해 접합부분(A1)이 보다 강력하게 밀착된다.

도 7은 도 4의 복합성형장치로 제작된 성형결과물(51)의 측면도이고, 도 8은 도 7의 성형결과물 양단부를 절단한 절제 측면도이다.

도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 성형결과물(51)의 양단부가 중앙부분에 비해 가늘게 형성되어 있다. 양단부는 위에 설명한 스웨이징과 단조와 압출 공정을 복합 적용하여 형성된 부분으로서, 마치, 중실축과 같은 형상을 갖는다. 이에 비해 중앙부는, 원소재의 애초 직경을 유지하고 있으며 중공부(51b)도 그대로 남아 있다.

본 실시예의 중공이너샤프트(53)는 대체적으로 중공(中空)의 구조를 가져 경량이고, 비틀림 하중이 집중되는 양단부는 중실(中實) 구조를 갖는 것이다.

도 7에서의 커팅라인(51a)은 성형결과물(51)의 후속 가공을 위해 절단하는 절단선이다. 커팅라인(51a)의 위치는 달라질 수 있고, 경우에 따라 커팅하지 않을 수도 있다.

도 9는 도 7에 도시한 성형결과물을 후가공하여 완성한 중공이너샤프트(53)의 절제 측면도이다.

도시한 바와 같이, 중공이너샤프트(53)는 중공형 본체부(53a)와, 양단의 기어부(53b)로 이루어진다. 기어부(53b)는 성형결과물(51)의 양단부를 기계 가공하여 형성된 부분이다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

11:이너샤프트 11a:본체부 11b:기어부
13:이너샤프트 13a:본체부 13c:기어부
13e:용접부 30:복합성형장치 31:지지베이스
33:소재압입부 33a:지지구조체 33b:실린더
33c:피스톤로드 33d:전방액츄에이터 33f:가이드아암
33g:왕복캐리어 35:소재지지부 35a:모터
35b:구동스프로킷 35c:지지축 35d:회전죠오
35e:종동스프로킷 35f:체인 35h:어댑터
40:스웨이징디바이스 41:본체 42:지지허브
42a:헤드부 42b:수평연장부 42e:센터홀
42f:주행통로 43:소재받침부 43a:실린더
43b:피스톤로드 43c:후방액츄에이터 43h:지지프레임
43k:슬라이더 44:단조헤드 45:모터
45a:구동풀리 46:전동벨트 47:플라이휠
47a:벨트홈 47c:다짐금형 47d:삽입구
47e:해머 47f:롤러 47g:드럼
48:압출단조금형 48a:성형공간 49:여유공간
51:성형결과물 51a:커팅라인 51b:중공부
53:중공이너샤프트 53a:본체부 53b:기어부
53e:중공부

Claims

중공파이프형 소재를 준비하는 소재준비단계와;
상기 소재의 단부를 열간가공하기 위해, 소재 단부를 가열하는 가열단계와;
단부가 가열된 상태의 소재를 수평 이송시키는 이송단계와;
가열된 상태의 소재 단부를 스웨이징 가공하여 단부의 직경을 축소시키는 스웨이징공정, 상기 스웨이징공정과 함께 진행되는 과정으로서 이송되는 소재의 진행방향 선단부를 막아 선단부의 두께가 반작용력에 의해 두꺼워지게 하는 단조공정, 상기 단조공정의 완료 후 소재를 다시 이송시켜 소재의 단부를 압출시키는 압출공정이 포함되는 성형단계와;
상기 성형단계의 완료 후 소재의 단부를 가공하는 후가공단계를 포함하는,
중공이너샤프트 복합성형공법.
제1항에 있어서,
상기 가열단계의 진행 전에 수행하는 과정으로서,
소재의 단부를 냉간 스웨이징 가공하여 직경을 축소하는 프리포밍단계가 더 포함되는,
중공이너샤프트 복합성형공법.
제1항 또는 제2항의 중공이너샤프트 복합성형공법을 통해 제작된,
중공이너샤프트.
중공파이프 소재를 수평 지지한 상태로 가압 이송하는 소재압입부와;
상기 소재압입부에 대응 배치되고, 소재압입부에 의해 압입되는 소재의 단부를 받아들여, 단부에 대한 스웨이징 가공을 통해 단부 직경을 축소시키는 스웨이징디바이스와;
상기 스웨이징디바이스의 내부에 설치되며, 상기 소재압입부에 의해 가압되는 소재의 스웨이징된 부분을 수용하는 압출단조금형과;
상기 압출단조금형의 후방에 위치조절 가능하게 구비되는 것으로서, 압출단조금형의 출구를 막아, 상기 소재압입부에 의해 압입되는 소재가 반작용력을 받아 소재의 단부 두께가 두꺼워지게 하는 단조헤드와;
상기 압출단조금형에 대한 단조헤드의 간격을 조절하는 것으로서, 단조헤드를 압출단조금형으로부터 이격시켜, 소재 단부가 압출단조금형으로부터 압출되게 하는 소재받침부를 구비하는,
중공이너샤프트 복합성형장치.
제4항에 있어서,
상기 소재압입부는;
상기 스웨이징디바이스의 전방에 위치한 상태로 지지력을 제공하는 지지구조체와,
상기 지지구조체에 수평으로 설치되는 전방액츄에이터와,
상기 지지구조체와 스웨이징디바이스의 사이에 위치하며, 전방액츄에이터에 의해 직선 운동하는 왕복캐리어와,
상기 왕복캐리어에 장착되며 상기 소재를 물어 고정하는 회전죠오와,
상기 회전죠오를 통해 소재를 축회전시키는 죠오회전수단을 포함하는,
중공이너샤프트 복합성형장치.
제5항에 있어서,
상기 스웨이징디바이스는;
지지력을 제공하는 본체, 상기 본체의 전방에 회전 가능하도록 지지되며 모터로부터 회전력을 전달받아 회전하고 중심부에 드럼을 갖는 스핀들, 상기 드럼의 내측에 설치되며 진입 소재의 단부 외주면을 감싸는 다수의 다짐금형, 상기 다짐금형을 타격하는 다수의 해머, 상기 해머의 외측에 배치되고 해머를 다짐금형측으로 타격하여 다짐금형으로 하여금 소재에 대한 스웨이징을 수행하게 하는 다수의 롤러를 가지고,
스웨이징디바이스의 내부에는;
수평으로 연장된 주행통로를 제공하는 수평연장부와, 수평연장부의 단부에 일체를 이루고 상기 다짐금형의 후방에 위치하며 중심부에 상기 압출단조금형을 갖는 헤드부를 갖는 지지허브가 설치된,
중공이너샤프트 복합성형장치.
제6항에 있어서,
상기 소재받침부는;
상기 본체의 후방에 고정되는 지지프레임과,
상기 지지프레임에 설치된 수평의 후방액츄에이터와,
상기 후방액츄에이터로부터 동력을 전달받아 상기 주행통로 내에서 직선운동하고, 전방에 상기 단조헤드를 갖는 슬라이더가 포함된,
중공이너샤프트 복합성형장치.