KR102371064B1 - 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법 및 그에 의해 제조되는 캠 샤프트용 엔드피스 - Google Patents

캠 샤프트용 엔드피스 제조방법 및 그에 의해 제조되는 캠 샤프트용 엔드피스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Net-Shape 방식으로 강재와 분말을 압축 성형시키고 가조립된 강재와 분말 성형체를 소결(sintering)하여, 캠 샤프트에 접합시킬 엔드피스의 형상을 제조하는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법으로서, 본 발명에 의하면, 강재로만 제조되지 않아 재료비 상 유리하면서도 샤프트와의 접합부에 문제가 발생하지 않으며, 성형 공정이 보다 효율적이다.

Description

캠 샤프트용 엔드피스 제조방법 및 그에 의해 제조되는 캠 샤프트용 엔드피스{METHOD FOR MANUFACTURING ENDPIECE FOR CAM SHAFT AND THE ENDPIECE}
본 발명은 캠 샤프트의 종단에 구비되는 캠 샤프트용 엔드피스를 제조하는 방법 및 그에 의해 제조되는 엔드피스에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 엔진은 실린더 블록과 실린더 헤드 사이에 다수의 피스톤을 설치하고, 설치된 피스톤의 왕복 운동에 의해 동력을 발생시키게 된다.
피스톤은 연소실에 분사되는 연료의 폭발에 의해 왕복 운동하게 되는 바, 이러한 폭발 시 엔진 연소실의 흡입-압축-폭발-배기 행정에 적합하도록 연소실을 개폐하게 된다.
즉, 연소실을 개폐하도록 설치된 흡입, 배기 밸브가 캠 샤프트에 의해 개폐되면서 4행정이 원활하게 이루어지도록 하는 것이다.
캠 샤프트는 봉상의 캠 축에 다수의 캠이 일정 간격으로 배열되어 흡기 또는 배기 밸브를 순차 개폐시키도록 결합되어 있다.
그리고, 일반적으로 캠 샤프트의 끝단부에는 엔진의 요구사항에 따라서 캠 스프로켓, 기어, 오일 컨트롤 밸브 등이 조립되게 되는데, 이러한 부품들이 샤프트에 직접 연결될 수 없기 때문에 엔드피스틀 통해서 샤프트에 장착된다.
캠 샤프트의 끝단에 결합되는 종래의 엔드피스(Endpiece)는 강재(S45C)를 원소재로 하여 최종 형상을 갖기까지 40~60%의 원소재를 가공하여 사용하고, 샤프트에 압접 결합함으로써 제작되었다.
그리고, 엔드피스의 높은 기장으로 인해 이는 분말야금 기술에 의한 성형이 어려웠으며, 엔드피스와 샤프트를 접합하는 브레이징과 마찰 압접 공법 적용을 위해 엔드피스와 샤프트 간의 접합부는 동일한 소재를 선택할 필요가 있었다.
이러한 이유로 인해 엔드피스의 제조를 위한 재료비가 상승하게 되고, 저온의 무윤활 상태에서의 엔진 부하시 캠 샤프트가 고착되는 문제 또한 발생하였다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
한국공개실용신안공보 제20-2010-0010947호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 강재로만 제조되지 않아 재료비 상 유리하면서도 샤프트와의 접합부에 문제가 발생하지 않으며, 성형 공정이 보다 효율적인 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법 및 그에 의해 제조되는 캠 샤프트용 엔드피스를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법은, Net-Shape 방식으로 강재와 분말을 압축 성형시키고 가조립된 강재와 분말 성형체를 소결(sintering)하여, 캠 샤프트에 접합시킬 엔드피스의 형상을 제조하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 드로잉홀이 형성된 다이(DIE)와, 상기 드로잉홀 하측으로 삽입되는 하램 펀치와, 상기 드로잉홀 상측에 상램 펀치를 배치시키는 단계 및 상기 드로잉홀에 상기 강재를 투입하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 상램 펀치는 상기 강재의 외경에 대응되는 내경을 가지고, 상기 하램 펀치는 상기 강재의 직경에 대응되는 하램과, 상기 강재의 직경에 대응되는 하램보다 큰 직경을 가지는 하램의 이중적인 구조로 마련되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 하램 펀치는 하램 IN, 하램 MID, 하램 OUT의 삼중 구조이고, 상기 하램 IN 외측의 하램 MID의 끝단이 상기 하램 IN의 끝단보다 높게 배치되며, 상기 강재는 상기 하램 IN의 끝단에 안착 투입되는 것을 특징으로 한다.
그런 다음, 상기 드로잉 홀에 상기 분말을 충진하는 단계를 더 포함한다.
이러한 상기 상램 펀치는 상램 IN, 상램 OUT의 이중 구조이고, 상기 상램 IN을 상기 강재 상측에 접촉시키는 단계를 더 포함한다.
그리고, 상기 상램 OUT이 상기 드로잉홀 내에 충진된 상기 분말을 가압하여 압축시킨다.
이 때, 상기 분말은 밀도가 6.6g/cc 이상이 되도록 가압하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 압축 성형된 가조립체를 소결한 후 상기 분말 성형체에 윤활을 위한 기공을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 강재의 상기 분말 성형체와의 결합 부위는 양각 또는 음각이 형성된 것일 수 있다.
다음으로, 본 발명에 의한 캠 샤프트용 엔드피스는, 캠 샤프트와 접합되는 강재와, 상기 강재의 후단부 둘레에 결합되는 분말 성형체로 구성된다.
상기 분말 성형체는 다이 상에서 펀치에 의해 압축 성형되어 상기 강재에 가조립되고, 가조립된 상기 강재와 상기 분말 성형체는 소결(sintering)에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 분말 성형체는 분말의 밀도가 6.6g/cc 이상으로 가압되어 가조립되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 분말은 철(Fe) 분말 성분에 흑연 및 동(Cu) 분말 성분이 첨가되고, 금형의 윤활을 위한 윤활제가 혼합된 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 분말에는 인(P) 분말 성분이 더 추가될 수 있다.
한편, 상기 강재의 상기 분말 성형체와의 결합 부위는 양각 또는 음각이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법에 의해 제조되는 엔드피스는 강재로만 이루어지지 않고 분말과 함께 이종 재질로서 제조됨에 따라 재료비의 절감이 가능하다.
그리고, 이종 재질을 분말야금 기술의 Net-Shape 성형이 가능하므로 원소재에 가까운 형상을 가지며, 성형 공정이 보다 효율적이다.
이와 같이 이종 재질로 제조됨에도 불구하고 샤프트와의 접합은 강재 부위에서 이루어지므로, 샤프트와의 결합이 문제되지 않는다.
또한, 분말체 상에 윤활을 위한 기공이 별도 공정 없이 형성됨으로써 윤활 작용에 보다 유리하다.
도 1 내지 도 7은 본 발명에 의한 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법을 공정 순서에 따라 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 의해 제조되는 엔드피스의 강재 부분의 응용 예이며, 도 9는 도 8의 강재 부분이 적용된 엔드피스를 도시한 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
본 발명에 의한 캠 샤프트용 엔드피스는 강재(S45C)만으로 기존의 성형법에 의해서 제조하는 것이 아닌, 강재와 분말의 이종 재질로 엔드피스를 제작하여 공정 및 재료비에 유리한 제조공정을 제안한다.
이를 위한 본 발명에 의한 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법은 분말야금 기술에 의한 Net-Shape 성형에 의해 일반 성형 공정 대신 최종 제품에 가까운 형상을 직접 제조하게 되는 것으로, 분말을 압축 성형(compacting)한 후 용융온도 이하에서 소결(sintering)하여 제조하게 된다.
즉, 다이의 드로잉홀 상의 하램에 강재를 위치시킨 후 분말을 드로잉홀에 투입시키고, 상램과 하램의 조합에 의해서 분말을 압축 성형시킴으로써 강재와 분말의 이종 재질을 성형시켜 제조하는 것이다.
이는 제조할 엔드피스의 형상은 다양하게 구현이 가능하고, 그에 따라 상램과 하램을 각각 단일 구성으로 구성하거나, 이중적 또는 삼중적으로 구성할 수 있다.
상램은 강재의 외경에 대응하는 내경을 가지는 단일 구성으로 마련되어 분말을 압축시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
다만, 하램의 경우에는 제조할 엔드피스에 형성되는 센터홀의 내측에 강재와 분말 부분이 층을 달리하여 구분될 수 있도록 둘 이상으로 분할 형성되는 것이 바람직하다.
결국, 본 발명에서는 상램과 하램 및 다이의 구성 및 형태는 제조할 엔드피스의 형상에 따라 달리 구현 가능하되, 강재와 분말의 이종 재질을 Net-Shape 방식으로 압축 성형시킨 후 압축에 의해 가조립된 강재와 분말성형체를 소결하여 엔드피스를 제조함으로써 샤프트와의 접합상 문제가 없으면서도 재료비를 절감시킬 수 있도록 한다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 보다 구체적인 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 7에서는 이중적인 상램과 삼중적인 하램에 의해 엔드피스를 제조하는 본 발명의 제조방법을 예로 들었다.
우선, 도 1과 같이 제조할 엔드피스의 외경에 맞는 내경을 가지는 다이(30, DIE)와 하램 펀치 및 상램 펀치를 위치시킨다.
상램 펀치는 상램 IN(11)과 상램 OUT(12)이 이중적으로 구비되고, 상램 IN(11)은 제조할 엔드피스에 형성시킬 센터홀의 직경에 대응하고 상램 OUT(12)은 상램 IN(11)이 삽입되고 다이(30)의 내경에 대응하는 크기를 가진다.
상램 OUT만으로도 본 발명의 목적이 달성될 수 있으나, 상램 IN이 부가되면 강재의 고정 상 유리할 수 있다.
하램 펀치는 하램 IN(21), 하램 MID(22) 및 하램 OUT(23)이 삼중적으로 구비되고, 하램 OUT(23)에 하램 MID(22)가 삽입되고, 하램 MID(22)에 하램 IN(21)이 삽입되는 형태로 마련된다.
하램 MID와 하램 IN의 이중적인 구성에 의해서도 상램과의 조합에 의해 본 발명의 목적은 달성될 수가 있으나, 하램 OUT이 부가되는 삼중적인 구조는 분말 압축에 보다 유리하다.
하램 IN(21)은 강재(110)의 직경에 대응하고, 하램 MID(22)는 엔드피스에 형성시킬 센터홀에 대응하는 직경을 가지며, 하램 OUT(23)은 다이(30)의 내경에 대응하는 크기를 가진다.
도시와 같이, 하램 펀치의 하램 MID(22)와 하램 IN(21)은 일부가 다이(30)의 드로잉홀에 일부 삽입되어 마련된다.
도 1의 도시와 같이, 삽입된 하램 IN(21)의 높이가 하램 MID(22)의 높이보다 낮은 상태에서, 하램 MID(22)의 내측으로 도 2와 같이 강재(110)가 삽입된다.
그리고, 분말(120)을 드로잉홀에 충진하면, 도 3과 같이 드로잉홀 상에 다이(30)의 내경과 강재(110) 및 하램 MID(22) 사이 공간에 분말(120)이 채워진다.
분말(120)은 철(Fe) 또는 용융 및 접합 합금화되어 있는 철 분말 성분에 흑연, 동(Cu) 분말을 첨가하고, 금형 윤활을 위한 윤활제를 혼합하여 제조할 수 있다.
또한, 인(P)을 더 첨가할 수 있는데, 인(P)이 첨가되면 소결시 액상화됨으로써 강재(110)와의 결합력을 보다 향상시킬 수 있다.
이러한 상태에서 상램 펀치의 투입을 위해 도 4와 같이 하램 IN(21)을 일부 상향시키고, 상램 IN(11)의 끝단의 높이가 상램 OUT(12)의 끝단의 높이보다 높도록 상램 IN(11)을 후퇴시킨 다음 상램 OUT(12)의 내측으로 강재(110)가 삽입될 수 있게 위치시킨다.
상램 IN(11)이 강재(110)와 충돌되는 것을 방지하기 위해 상램 IN(11)의 단부에는 테이퍼부가 형성되거나 R, C 형상 등이 형성될 수 있다.
그런 다음, 도 5와 같이 상램 IN(11)을 하향시켜서 펀칭하여 성형을 위해 분말(120)을 이동시키고, 그에 따라 하램 IN(21)과 하램 MID(22)가 그만큼 하향하게 된다.
이 상태에서 도 6에서와 같이 상램 OUT(12)을 펀칭하면 도시와 같이 분말(120)이 압축 성형되어 가압되는 분말은 수평 방향으로 압력을 형성하여 분말 성형체(121)로 압축 성형되게 된다.
압축 성형은 분말의 밀도가 6.6g/cc 이상이 되도록 가압되는 것이 바람직하다.
이와 같이 압축 성형 후, 도 7과 같이 상램 펀치를 제거하고, 하램 OUT(23)을 상향시켜서 엔드피스(100)를 취출하면, 분말이 가압되어 강재와 가조립 상태로 이종재질의 엔드피스가 형성된다.
이 후, 소결 공정(sintering)에 의해 소결 확산 접합과 분말 간 Necking 현상에 의한 (-) 치수 변화율로 엔드피스 몸통 부분이 강재와의 가조립부를 죔 효과에 의해서 접합이 이루어진다.
그리고, 분말간 입자결합이 형성됨에 따라 금형 윤활을 위해 첨가된 윤활제가 제거되면서 기공이 별도의 공정 없이 형성될 수 있고, 그에 따라 제조된 엔드피스는 적용시 기공에 의해서 윤활에도 도움이 된다.
그런데, 이와 같이 강재와 분말성형체가 수평방향 압력으로 가조립된 상태에서 소결 이전 단계에서 처리시 강재와 분말성형체가 분리되는 경우가 발생할 수 있다. 즉, 강재와 분말성형체의 가조립체는 소결 공정의 화학적 결합이 이루어지기 전까지는 성형된 정위치를 유지하기 어렵다.
이를 위한 응용 예를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
도 8의 도시와 같이 가조립 상태의 강재와 분말성형체의 결합 위치를 고정시키고 접합 면적을 증대시켜 두 재질 간 결합력을 향상시키기 위해 강재(111, 112)의 분말성형체(121)와 접합 부분에 양각이나 음각을 형성시킨다.
강재를 이와 같은 형상으로 구현시 이를 이에 대응하는 분말 성형체와 결합하는 것에 의해서는 제조가 불가능하나, 앞선 설명과 같이 분말을 압축 성형하는 것에 의해서는 가능하고, 도 9와 같이 분말성형체(122, 123)와 가조립된 엔드피스는 이종 재질 간 조립 결합력이 증대된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 캠 샤프트용 엔드피스 제조방법은 엔드피스를 이종재질에 의해서 제조 가능하게 구현되고, 이에 의해서도 캠 샤프트와 강재에서 접하므로 샤프트와의 결합에 문제되지 않으며, 이러한 방법에 의해 구현됨으로써 공정 및 제조 원가 상 유리한 점을 가지게 된다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
11 : 상램 IN
12 : 상램 OUT
21 : 하램 IN
22 : 하램 MID
23 : 하램 OUT
30 : 다이
100 : 엔드피스
110, 111, 112 : 강재
120 : 분말
121, 122, 123 : 분말 성형체

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. Net-Shape 방식으로 강재와 분말을 압축 성형시키고 가조립된 강재와 분말 성형체를 소결(sintering)하여, 캠 샤프트에 접합시킬 엔드피스의 형상을 제조하는 것을 특징으로 하고,
    드로잉홀이 형성된 다이(DIE)와, 상기 드로잉홀 하측으로 삽입되는 하램 펀치와, 상기 드로잉홀 상측에 상램 펀치를 배치시키는 단계; 및
    상기 드로잉홀에 상기 강재를 투입하는 단계를 포함하며,
    상기 상램 펀치는 상기 강재의 외경에 대응되는 내경을 가지고,
    상기 하램 펀치는 상기 강재의 직경에 대응되는 하램과, 상기 강재의 직경에 대응되는 하램보다 큰 직경을 가지는 하램의 이중적인 구조로 마련되는 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스 제조방법.
  4. Net-Shape 방식으로 강재와 분말을 압축 성형시키고 가조립된 강재와 분말 성형체를 소결(sintering)하여, 캠 샤프트에 접합시킬 엔드피스의 형상을 제조하는 것을 특징으로 하고,
    드로잉홀이 형성된 다이(DIE)와, 상기 드로잉홀 하측으로 삽입되는 하램 펀치와, 상기 드로잉홀 상측에 상램 펀치를 배치시키는 단계; 및
    상기 드로잉홀에 상기 강재를 투입하는 단계를 포함하며,
    상기 하램 펀치는 하램 IN, 하램 MID, 하램 OUT의 삼중 구조이고,
    상기 하램 IN 외측의 하램 MID의 끝단이 상기 하램 IN의 끝단보다 높게 배치되며,
    상기 강재는 상기 하램 IN의 끝단에 안착 투입되는 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 드로잉 홀에 상기 분말을 충진하는 단계를 더 포함하는,
    캠 샤프트용 엔드피스 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 상램 펀치는 상램 IN, 상램 OUT의 이중 구조이고,
    상기 상램 IN을 상기 강재 상측에 접촉시키는 단계를 더 포함하는,
    캠 샤프트용 엔드피스 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 상램 OUT이 상기 드로잉홀 내에 충진된 상기 분말을 가압하여 압축시키는 단계를 더 포함하는,
    캠 샤프트용 엔드피스 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 분말은 밀도가 6.6g/cc 이상이 되도록 가압하는 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스 제조방법.
  9. Net-Shape 방식으로 강재와 분말을 압축 성형시키고 가조립된 강재와 분말 성형체를 소결(sintering)하여, 캠 샤프트에 접합시킬 엔드피스의 형상을 제조하는 것을 특징으로 하고,
    드로잉홀이 형성된 다이(DIE)와, 상기 드로잉홀 하측으로 삽입되는 하램 펀치와, 상기 드로잉홀 상측에 상램 펀치를 배치시키는 단계; 및
    상기 드로잉홀에 상기 강재를 투입하는 단계를 포함하며,
    상기 강재의 상기 분말 성형체와의 결합 부위는 양각 또는 음각이 형성된 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스 제조방법.
  10. 캠 샤프트와 접합되는 강재와, 상기 강재의 후단부 둘레에 결합되는 분말 성형체로 구성되는,
    캠 샤프트용 엔드피스.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 분말 성형체는 다이 상에서 펀치에 의해 압축 성형되어 상기 강재에 가조립되고, 가조립된 상기 강재와 상기 분말 성형체는 소결(sintering)에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 분말 성형체는 분말의 밀도가 6.6g/cc 이상으로 가압되어 가조립되는 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 분말은 철(Fe) 분말 성분에 흑연 및 동(Cu) 분말 성분이 첨가되고, 금형의 윤활을 위한 윤활제가 혼합된 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 분말에는 인(P) 분말 성분이 더 추가되는 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 강재의 상기 분말 성형체와의 결합 부위는 양각 또는 음각이 형성된 것을 특징으로 하는,
    캠 샤프트용 엔드피스.
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