KR102529463B1 - 등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치 - Google Patents

등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 허브부를 중심으로 외측에 복수개의 저널부가 구비된 트러니언을 제조하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법에 있어서, 상기 트러니언을 제조하는 제1단계; 상기 저널부의 둥근 외주면을 열처리 하는 제2단계; 및 상기 저널부와 허브부 사이에 배치되고, 상기 저널부 보다 작은 직경으로 이루어진 연결부를 열처리하는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법을 제공한다.

Description

등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치{A manufacturing method of a trunnion for tripod constant velocity joint and the trunnion manufactured by the method and a heat treatment device of the trunnion}
본 발명은 등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 트러니언의 열처리 공정을 개선한 등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치에 대한 것이다.
일반적으로, 트라이포드 등속조인트(10)(Tripod Constant Velocity Joint)는 도 1에 도시한 바와 같이, 주동축(3) 에 일체로 연결된 하우징(1)과, 하우징(1)의 내부에 형성된 트랙(2)에 삽입되고 피동축에 스플라인 결합되어 동력을 전달하는 트러니언(110)(trunnion)과, 트러니언의 3개의 저널부(120)에 삽입되어 하우징(1)의 트랙(2)과 트러니언(110)의 저널부(120) 사이에서 발생하는 상대운동을 흡수하기 위한 롤러 어셈블리(200)로 구성된다.
상기 트라이포드 등속조인트의 주동축(3)과 피동축이 서로 꺾이도록 결합된 경우에는 하우징(1)의 트랙(2), 트러니언(110) 및 롤러 어셈블리(200) 사이에서 상대 운동이 발생하고, 이 상대 운동으로 인해 형성된 마찰력은 피동축의 축방향으로 축력을 발생시키며, 등속조인트의 1회전시마다 축력이 3회 최대값을 갖는다.
상기의 트러니언과 롤러 어셈블리의 상대운동에서 발생되는 마찰은 트러니언 저널부의 마모를 야기시킬 수 있으며, 주동축에서 전달되는 구동력은 트러이언의 변형이나 파손을 야기시킬 수 있다.
상기와 같은 축력은 차량의 급출발 시와 같이 등속조인트에 작용하는 부하가 크거나, 조인트각이 큰 경우에 더욱 크게 발생하며, 차량의 횡방향 진동을 발생시킨다.
따라서, 저널부의 마모 및 트러니언의 변형이나 파손을 보완하기 위해서는 저탄소 합금강의 트러니언을 단조 및 선삭 가공한 후, 복수개의 트러니언을 하나의 챔버에 저장하여 침탄 열처리 공정을 통하여 내마모 성능 및 강도를 향상할 수 있다.
그러나, 침탄 열처리 공정을 수행한 트러니언(110)은 내경 스플라인의 열변형 및 소재 묶음(Lot) 간 변형량의 편차 등으로 피동축에 조립 시 유격량이 커지거나 조립이 되지 않는 문제점이 발생되고 있다.
또한, 트러니언의 내경 스플라인은 열처리 전 브로칭 공정으로 제작되는데, 열변형 편차에 대비하여 다양한 종류와 크기의 브로칭 툴이 필요하다.
1. 한국등록특허 제10-1836610호
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 트러니언의 고주파 유도가열을 통해 저널부를 부분적으로 열처리 할 수 있도록 열처리 공정을 개선함으로써, 부품 내에서 내마모 및 강도성능이 필요한 부분에 한하여 선택적으로 열처리를 수행하고, 불필요한 부분의 열처리는 회피하여 열변형을 방지할 수 있는 등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치를 제공하는데 목적이 있다.
게다가, 본 발명은 등속조인트를 중탄소 합금강으로 제조함으로써 저탄소 합금강으로 제조한 후 침탄 열처리 공정이 수반되어야 하는 번거로움을 해소할 수 있는 등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 허브부를 중심으로 외측에 복수개의 저널부가 구비된 트러니언을 제조하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법에 있어서, 상기 트러니언을 제조하는 제1단계; 상기 저널부의 둥근 외주면을 열처리 하는 제2단계; 및 상기 저널부와 허브부 사이에 배치되고, 상기 저널부 보다 작은 직경으로 이루어진 연결부를 열처리하는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법을 제공한다.
상기 제2단계 또는 제3단계는 상기 허브부의 내주면에 마련된 스플라인 영역을 제외하고, 상기 저널부와 연결부의 외부 표면으로부터 5.0~8.0mm 범위 깊이까지 열처리가 이루어질 수 있다.
상기 제2단계 또는 제3단계를 통해 열처리된 영역은 상기 저널부와 연결부의 외부 표면으로부터 적어도 2mm 깊이까지 경도 HV560 이상을 유지할 수 있다.
상기 제2단계 또는 제3단계는 고주파 유도가열장치를 통하여, 64~68KW 범위의 출력으로 1.5~2.8초 범위로 가열되는 가열단계와, 0.05~0.15초 범위의 시간차를 두는 지연단계와, 4.5~5.5초 범위로 냉각시키는 냉각단계를 포함할 수 있다.
상기 제2단계 또는 제3단계는 입력 전류가 150~159A 범위이고, 양극 전압이 5.6~6.2KV이며, 양극 전류가 4.5~5.0A 범위로 이루어질 수 있다.
상기 제2단계 또는 제3단계는 150~170℃ 온도 범위에서 100~140분 범위로 템퍼링이 이루어지는 템퍼링 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2단계 및 제3단계가 완료되면, 상기 저널부와 연결부의 외부 경도는 HRC 58~63 범위로 형성될 수 있다.
상기 제1단계는 상기 트러니언이 전체 중량 대비 0.2~0.5 중량% 범위의 탄소를 함유하는 중탄소강(S50C~S55C)으로 이루어지고, C : 0.47~0.58 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 0.60~0.90 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 초과), S : 0.035 중량% 이하(0 초과)를 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 상기 트러니언에 Mn, Cr, Ni, Mo, B 합금 원소 중 적어도 어느 하나 또는 복수개를 추가할 수 있다.
상기 등속조인트용 트러니언의 제조방법은 하나의 상기 저널부의 열처리(상기 제2단계 또는 제3단계)가 완료되면 다른 하나의 저널부의 열처리를 위해서 상기 허브부를 설정된 각도로 회전하는 제4단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 청구항에 기재된 등속조인트의 제조방법을 통해서 제조되는 트러니언을 제공한다.
또한, 본 발명은 트러니언을 공급 및 반출하는 이재기; 상기 이재기로부터 트러니언을 공급 받아 거치하는 거치대; 상기 거치대에 장착된 트러니언의 저널부 또는 연결부를 가열하는 고주파 유도가열 방식의 가열부; 상기 가열부를 통해 가열된 영역을 냉각하는 냉각부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러니언의 열처리 장치를 제공한다.
상기 거치대는 상기 트러니언의 허브부 중심에 삽입되어 상기 트러니언을 고정하는 고정부재와, 상기 고정부재 또는 거치대를 설정된 각도로 회전시키는 회전수단과, 상기 트러니언의 장착 방향이나 각도를 제어하는 얼라인부재를 포함할 수 있다.
상기 가열부는 상기 저널부의 외부 표면을 가열하는 원형 가열링과, 상기 연결부의 외부 표면을 가열하는 반원형 가열링을 포함할 수 있다.
상기 냉각부는 상기 트러니언을 냉각하는 제1냉각부재와, 상기 가열부를 냉각하는 제2냉각부재를 포함할 수 있다.
상기 가열부는 상기 허브부 내주면에 마련된 스플라인 영역을 제외하고, 상기 저널부와 연결부의 외부 표면으로부터 5.0~8.0mm 범위 깊이까지 열처리할 수 있다.
상기 회전수단은 상기 고정부재에 장착된 상기 트러니언의 일 측 저널부가 가열 또는 냉각된 후 타 측 저널부가 상기 가열부의 가열 위치에 오도록 회전시키는 제1회전부재와, 상기 가열부의 가열 공정 중에 상기 거치대가 상기 저널부의 중심을 회전축으로 회전시키는 제2회전부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 등속조인트용 트러니언의 제조방법 및 이를 통해 제조된 트러니언 및 트러니언의 열처리 장치는,
첫째, 트러니언의 저널부를 부분적으로 열처리 할 수 있기 때문에 스플라인과 같은 불필요한 부분이 열처리로 인해 변형이 생기는 것을 방지할 수 있고,
둘째, 스플라인의 열처리에 의한 열변형이 방지되어, 피동축(샤프트)과의 유격에 의한 래쉬, 과다 압입에 의한 트러니언 손상 및 조립 불량을 방지하여 품질 문제를 개선할 수 있으며,
셋째, 열처리에 의한 열변형이 없어 스플라인 형상 제작을 위한 브로칭 툴이 단순화되고 선행 공정이 줄어들어 제조 원가를 절감할 수 있고,
넷째, 트러니언의 저널부 형상에 따라서 저널부의 상단부 또는 회전링부와 인접한 저널부의 연결부를 동시 또는 선택적으로 열처리 할 수 있으며,
다섯째, 침탄 열처리 공정과 달리 고주파 유도가열을 통해 열처리를 함으로써 설정 구간(깊이)까지 경도를 일정하게 유지할 수 있으며, 또한 후처리 가공이 필요하더라도 표면 가공에 따른 경도나 내마모성이 떨어지는 것을 방지할 수 있으며,
여섯째, 침탄 열처리 공정에서 불량 발생 시 챔버 내 다량의 제품을 전수 폐기해야 하는 것과 달리, 고주파 유도가열을 통한 열처리 후에 각 트러니언을 개별적으로 또는 사전검사를 통해서 불량률을 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 등속조인트를 분해하여 도시하는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 등속조인트용 트러니언을 분리하여 도시하는 분리사시도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 등속조인트용 트러니언을 확대하여 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 트러니언의 정면을 도시하는 정면도이다.
도 5는 도 3에 나타낸 트러니언의 일 측면을 도시하는 측면도이다.
도 6는 도 5에 나타낸 트러니언의 내부를 확대하여 도시하는 부분 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 등속조인트용 트러니언의 제조방법을 도시하는 플로우차트이다.
도 8은 도 7에 나타낸 등속조인트용 트러니언의 제조방법과, 종래 침탄 열처리를 통해 열처리 방법 대비 변형량을 도시하는 그래프이다.
도 9는 도 7에 나타낸 등속조인트용 트러니언의 제조방법과, 종래 침탄 열처리를 통해 열처리 방법 대비 표면으로부터 깊이별로 경도(HV)를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 트러니언 열처리 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 10에 나타낸 트러니언 열처리 장치의 제1실시예에 따른 가열부를 도시하는 참고도이다.
도 12는 도 10에 나타낸 트러니언 열처리 장치의 제2실시예에 따른 가열부를 도시하는 참고도이다.
도 13은 본 발명의 트러니언 열처리 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소 들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 등속조인트용 트러니언의 구조에 대해서 먼저 설명한다.
등속 조인트(10)는 엔진과 연결되는 주동축(3)이 연결되며 내면에 트랙(2)이 형성되는 하우징(1)과, 하우징(1) 내부에 수용되어 왕복 이송되는 트러니언(110)과, 트러니언(110)의 저널부(120)에 회전 가능하게 삽입되는 롤러 어셈블리(200)를 포함한다.
트러니언(110)은 내부 중심홀(111)에 피동축(4)이 삽입되면서 결합되는 허브부(112)와, 허브부(112) 외주면으로부터 3개가 등각으로 돌출되는 저널부(120) 및 허브부(112)와 저널부(120) 사이에 구비된 연결부(130)를 포함한다. 다만, 저널부(120)의 개수는 이에 한정되지 않고, 본 실시예에서는 3개의 저널부(120)를 기준으로 설명한다.
트러니언(110)은 기계 구조용 탄소 강재인 S50C~S55C를 기준 소재로 사용하며, 열처리를 통하여 경도 HRC 58~63을 구현할 수 있다. 트러니언의 상세한 제조방법은 후기한다.
롤러 어셈블리(200)는 저널부(120) 상에 결합되는 조립체로써, 아우터 롤러(210)와, 아우터 롤러(210) 내부에 배치되는 이너 롤러(220)와, 아우터 롤러(210)와 이너 롤러(220) 사이에 개재되는 니들 베어링(211)과, 아우터 롤러(220)의 상면과 하면에서 니들 베어링(211)의 양 단부에 배치되는 리테이너 링(212)을 포함한다.
롤러 어셈블리(200)는 각각의 저널부(120)에 대응하여 3개가 마련되고, 각 롤러 어셈블리(200)는 하우징(1)에 형성되는 트랙(2)에 배치된다. 트랙(2)에 배치되는 롤러 어셈블리(200)는 구름운동을 하면서 트랙(2)을 따라서 슬라이드 운동을 할 수 있다. 트러니언(110)의 중심홀(111)에는 피동축(4)이 결합된다. 따라서, 주동축(3)이 회전하면, 아우터 롤러(210), 니들 베어링(211), 이너 롤러(220), 트러니언(110) 순으로 동력이 전달되어 피동축(4)이 회전을 할 수 있다.
주동축(3)에 대해서 피동축(4)이 절각을 하면, 그 절각 상태에 따라서 롤러 어셈블리(200)가 트랙(2)을 따라서 이동을 하고, 이에 따라서 주동축(3)과 피동축(4)의 합산 길이가 늘어나거나 줄어든다.
이와 같이, 롤러 어셈블리(200)가 이동하면서 동력 전달 거리(즉, 주동축과 피동축의 합산 길이)가 조정되는 것을 플런징(Plunging)이라고 한다.
주동축(3)에 대해서 피동축(4)이 최대로 절각되려면, 롤러 어셈블리(30) 및 트러니언(110)이 하우징(1)의 개방된 부분에 인접하게 위치해야 한다. 이 경우, 롤러 어셈블리(200) 및 트러니언(110)는 그 위치를 유지하되, 조인트 하우징(1)으로부터 이탈되는 것이 방지되어야 한다. 이를 위해서 하우징 (1)내부에 고정링(미도시)이 구비되어 일종의 걸림턱 역할을 수행할 수 있다.
또한, 주동축(3)에 대해서 피동축(4)이 최대로 절각되면, 트러니언(110)이 하우징(1) 내부에서 다소 기울어지도록 배치되는데, 기울어진 상태에서 트러니언(110)이 하우징(1)과 접촉하는 것을 방지하기 위해서는 트러니언(110)의 허브부와 저널부(120) 사이에 지름이 작은 연결부(130)가 구비되어야 할 필요가 있다. 이로써, 연결부(130)를 통하여 트러니언(110)이 롤러 어셈블리(200)와 간섭을 방지함과 동시에 보다 높은 절각을 구현할 수 있는 이점이 있다.
그리고, 트러니언(110)은 저널부(120)와 연결부(130)의 외주면과 롤러 어셈블리(200)가 플런징 과정에서 변형이나 파손을 방지할 수 있도록 열처리가 이루어진다.
트러니언(110)의 허브부(112)의 중심홀(111)에는 피동축(4)과 치합되는 스플라인(113)이 마련된다. 중심홀(111) 내주면에는 스플라인(113)이 서로 등각 또는 등간격으로 복수개 배치되는데, 도 6에 도시된 바와 같이 피동축(4)이 결합되는 입구측에는 스플라인(113)의 높이가 일부 낮게 형성된 안내 영역(114)이 마련될 수 있다. 이러한 안내 영역(114)는 피동축(4)의 외주면에 형성된 스플라인이 트러니언(110)의 스플라인(113)과 결합될 때, 높이차(Δh)를 통해서 결합 용이성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 전기한 트러니언의 열처리 방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이하, 전기한 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다(도 1 내지 도 6 참조).
도 7을 참조하면, 본 발명의 등속조인트용 트러니언의 제조방법(S100)은 제1단계(S110) 내지 제4단계(S140)를 포함한다.
먼저, 제1단계(S110)는 트러니언을 제조하는 단계이다. 트러니언은 전체 중량 대비 0.2~0.5 중량% 범위의 탄소를 함유하는 중탄소강으로 (S50C~S55C)으로 이루어진다. 이때, 트러니언은 전체 중량 대비 C : 0.47~0.58 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 0.60~0.90 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 초과), S : 0.035 중량% 이하(0 초과)를 포함한다.
이는, 종래 저탄소강을 이용하여 단조 가공을 통해 트러니언을 제조하고, 이후 침탄 열처리 공정을 통해 경도를 향상시키는 공법에 비하여 상대적으로 경도가 우수하고, 비용이 절감되는 효과가 있다.
제1단계(S110)는 경화능(硬化能, hardenability)을 향상시킬 수 있도록 경우에 따라서 트러니언의 전체 중량 대비 Mn, Cr, Ni, Mo, B 합금 원소 중 적어도 어느 하나 또는 복수개를 추가적으로 첨가할 수 있다.
다음으로, 제2단계(S120)는 저널부의 외주면을 열처리하는 단계이다.
그리고, 제3단계(S130)는 저널부와 허브부 사이의 연결부를 열처리하는 단계이다. 제2단계(S120)와 제3단계(S130)는 열처리하는 부분의 위치에 차이가 있을 뿐, 열처리 공정은 동일하므로 함께 설명한다.
저널부를 열처리하는 제2단계(S120)와 연결부를 열처리하는 제3단계(S130) (이하, 열처리 단계로 기재함)는 허브부의 스플라인(113)을 제외하고, 저널부와 연결부의 외부 표면을 열처리 한다. 열처리는 고주파 유도가열 장치를 이용하여 부분적으로 열처리가 이루어진다.
즉, 열처리 단계(S120, S130)는 스플라인(113)의 영역을 열처리 하지 않는다. 예컨대, 스플라인(113) 영역을 열처리하게 되면, 열처리 과정에서 변형이 발생하면서 후처리 과정을 거치거나, 변형의 발생을 예상하여 변형될 크기에 대응하여 전처리 과정을 거치는데, 스플라인(113) 영역의 열처리를 제거함으로써 전처리 또는 후처리 과정을 삭제할 수 있어 제조비용 및 제조기간을 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 8을 참조하면, 침탄 열처리와 고주파 열처리 시, 변형량에 대한 차이를 확인할 수 있다.
즉, 도 8의 변형량을 살펴보면, 침탄 열처리를 한 소재A는 약 100㎛를 초과하였고, 소재B 역시 90㎛에 근접한 변형량을 나타냈으나, 고주파 열처리를 한 소재A는 약 4㎛의 변형량을 나타냈고, 소재B는 약 5㎛의 변형량을 나타내어, 고주파 열처리 공법이 침탄 열처리에 비하여 변형량이 현저리 감소한 것을 확인할 수 있다. 게다가, 침탄 열처리 공법의 경우, 트러니언 전체를 고온의 로 안에 복수개 저장하여 열처리가 이루어지기 때문에, 트러니언 하나하나를 부분적으로 열처리하는 고주파 열처리 공법에 비하여 변형이 크게 발생하고, 이에 따른 불량률이 증가할 수 밖에 없는 것이다.
열처리 단계(S120, S130)는 저널부와 연결부의 외부 표면으로부터 약 5.0~8.0mm 범위 깊이까지 열처리가 이루어질 수 있다. 단, 열처리 단계에서 최대 깊이로 열처리가 이루어지더라도 스플라인(113) 영역은 열처리가 되지 않도록 조절할 수 있다.
도 9를 참조하면, 고주파 유도가열장치를 이용한 열처리 방법은 표면에서의 깊이가 2mm까지 약 HV500 후반에서 HV700를 꾸준히 유지하고 있는 반면에, 침탄 열처리를 이용한 방법은 표면에서의 경도는 유사하지만 표면에서 2mm 깊이로 들어갈수록 경도가 약 HV400까지 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 열처리 공정을 통해 요구되는 최소 경도는 약 HV513 정도일 수 있다면, 종래 침탄 열처리를 이용한 방법으로는 표면으로부터 깊이 약 1.2mm 전후에서 변형이나 파손의 우려가 발생할 수 있는 것이다.
따라서, 고주파 유도가열장치를 이용한 본 발명의 열처리 방법이 종래 침탄 열처리 방법에 비하여 표면에 인접한 깊이 영역에서 상대적으로 높은 경도를 유지할 수 있고, 또한 침탄 열처리 후 연삭과 같은 후처리 공정이 필요치 않기 때문에 이에 따른 비용과 시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이를 위해, 본 발명의 열처리 단계(S120, S130)는 가열단계(S121)와, 지연단계(S122) 및 냉각단계(S123)를 포함한다.
가열단계(S121)는 고주파 유도가열 장치를 통하여 약 64~68KW 범위의 출력으로 약 1.5~2.8초 범위로 저널부 또는 연결부를 가열한다.
이때, 가열단계(S121)는 입력 전류가 150~159A이고, 양극 전압이 5.6~6.2KV이며, 양극 전류가 약 4.5~5.0A로 이루어질 수 있다. 보다 바람직하게는 가열단계에서 저널부와 연결부를 동시 가열하는 경우 출력은 67.5KW, 가열시간은 2.7초, 입력전류는 152.0A, 양극 전압은 5.9KV, 양극 전류는 4.6A가 인가되고, 저널부만 가열하는 경우 출력은 64.5KW, 가열시간은 1.6ch, 입력전류는 158.5A, 양극 전압은 5.8KV, 양극 전류는 4.8A가 인가된다.
지연단계(S122)는 가열단계(S121)와 냉각단계(S123) 사이에서 모드가 전환되는데 걸리는 시간일 수 있고, 최소한의 자연 냉각 시간을 부여할 수 있다. 물론, 경우에 따라서는 지연단계를 생략하고, 가열단계(S121)가 끝남과 동시에 냉각단계(S123)가 진행될 수도 있다.
지연단계(S122)는 약 0.05~0.15초 범위의 시간차를 제공하여 가열과 냉각 사이에 모드가 급격하게 전환되면서 발생되는 문제를 해결할 수 있고, 가장 바람직하게는 0.1초의 지연시간을 제공한다.
냉각단계(S123)는 약 4.5~5.5초 범위에서 냉각수를 공급한다. 보다 바람직하게는 5초간 냉각수를 공급한다.
열처리 단계(S120, S130)는 150~170℃ 온도 범위에서 100~140분 범위로 템퍼링이 이루어지는 템퍼링 단계(S124)를 포함한다. 템퍼링 단계(S124)는 열처리 과정에서 경도는 높아지는 반면 재질이 여리게 되므로, 이하의 온도로 재가열 하여 다시 경도를 낮추고, 점성을 높일 수 있다. 보다 바람직하게는, 160℃ 온도로 120분 간 템퍼링 단계(S124)를 수행한다.
제2단계(S120)와 제3단계(S130)는 선택적으로 우선순위를 정할 수 있고, 제2단계(S120)와 제3단계(S130)가 모두 필요한 경우, 제2단계(S120)와 제3단계(S130)를 동시 진행할 수도 있다. 제2단계(S120)와 제3단계(S130)를 동시 진행하는 구조는 후기할 등속조인트용 트러니언의 열처리 장치의 설명에서 기술한다.
제2단계(S120) 및 제3단계(S130)가 완료되면, 저널부와 연결부의 외부 경도가 HRC 58~63에 도달할 수 있다.
마지막으로, 제4단계(S140)는 트러니언을 거치대 상에서 회전시키는 단계이다.
트러니언은 허브부를 중심으로 3개의 저널부가 구비되는데, 열처리 단계는 하나의 저널부를 열처리 하는 것을 일 예로 설명하기 때문에 다른 하나의 저널부를 열처리 하기 위해서 트러니언을 회전시키는 제4단계(S140)가 이루어진다. 제4단계(S140)의 구조는 후기할 등속조인트용 트러니언의 열처리 장치의 설명에서 기술한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 등속조인트용 트러니언의 제조방법에 따르면, 트러니언의 저널부 형상에 따라서 저널부의 상단부 또는 회전링부와 인접한 저널부의 연결부를 동시 또는 선택적으로 열처리 할 수 있고, 침탄 열처리 공정과 달리 고주파 유도가열을 통해 열처리를 함으로써 설정 구간(깊이)까지 경도를 일정하게 유지할 수 있으며, 또한 후처리 가공이 필요하더라도 표면 가공에 따른 경도나 내마모성이 떨어지는 것을 방지할 수 있으며, 침탄 열처리 공정에서 불량 발생 시 챔버 내 다량의 트러니언을 전수 폐기해야 하는 것과 달리, 고주파 유도가열을 통한 열처리 후에 각 트러니언을 개별적으로 또는 사전검사를 통해서 불량률을 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 등속조인트용 트러니언의 열처리 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 트러니언의 열처리 장치는 이재기(도 13 참조, 310), 거치대(320), 가열부(330) 및 냉각부(340)를 포함한다.
이재기(310)는 트러니언(110)을 파지하고 거치대(320) 상에 장착하거나, 열처리가 완료된 트러니언(110)을 탈거하여 반출하는 예컨대 로봇 암을 구성한다. 도면에 도시하지는 않았지만, 이재기(310)는 거치대(320) 상에 결합된 트러니언(110)의 위치 정렬 기능을 수반할 수 있고, 열처리가 완료된 트러니언(110)을 분류하여 반출할 수도 있다.
거치대(320)는 고정부재(321)와, 회전수단(322) 및 얼라인부재(323)를 포함한다.
고정부재(321)는 트러니언(110)의 허브부(112) 중심에 삽입되어 트러니언(110)을 고정하는 기능을 제공한다. 이때, 트러니언(110)은 고정부재(321) 상에 이재기(310)를 통해 장착과 탈거가 이루어질 수 있다. 고정부재(321)는 허브부(112)의 중심홀(111)에 대응하는 형상으로 이루어진다.
회전수단(322a, 322b)은 제1회전부재(322a)와 제2회전부재(322b)를 포함한다.
제1회전부재(322a)는 고정부재(321)에 장착된 트러니언(110)의 어느 하나의 저널부(120)가 가열 또는 냉각된 후 다른 하나의 저널부를 가열부(330)의 가열 위치에 오도록 회전시키는 기능을 제공한다. 물론, 가열부(330)가 각각의 저널부(120) 또는 연결부(130)를 가열할 수 있는 구조인 경우에는 제1회전부재(322a)가 생략될 수 있다.
제2회전부재(322b)는 가열부(330)의 가열공정 중에 거치대(320)가 저널부(120)의 중심을 회전축으로 하여 회전시키는 기능을 제공한다. 물론, 트러니언(110)이 회전하지 않고도 저널부(120) 또는 연결부(130)를 고주파 유도가열 장치로 가열할 수 있는 구조에서는 제2회전부재(322b)가 생략될 수도 있다. 제2회전부재(322b)는 후기할 반원형 가열링을 통해 가열이 이루어지는 경우, 트러니언(110)의 회전이 필요하기 때문에 작동될 수 있다.
얼라인부재(323)는 거치대(320)의 상부 또는 측부에서 트러니언(110)을 촬영하는 이미지센서(미도시)와, 이미지 센서를 통해 촬영된 이미지와 정위치에 장착된 트러니언(110)의 이미지를 비교하여 트러니언(110)의 위치 또는 각도 조절이 필요한 경우를 판단할 수 있다.
가열부(330)는 원형 가열링(331)과 반원형 가열링(332)을 포함한다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 원형 가열링(331)은 저널부(120)의 외부 표면을 가열하여 열처리를 할 수 있다. 원형 가열링(331)은 고주파 전류가 인가된 코일(333)이 원형으로 권취된 구조를 가지고, 내부에 피열물인 저널부(120)가 소정의 간격을 두고 배치되어 저널부(120)의 표면 가까이에서 와전류가 발생하면서 손실열에 의해 가열이 이루어진다.
반원형 가열링(332)은 연결부(130)의 외부 표면을 가열할 수 있다. 반원형 가열링(332)은 고주파 전류가 인가된 코일(333)이 반원형으로 권취된 구조를 가진다. 반원형 가열링(332)은 연결부(130)의 예컨대 반쪽에만 가열이 이루어지기 때문에 전기한 제2회전부재(322b)가 거치대(320)를 회전하여 반원형 가열링(332) 주변에서 연결부(130)의 전체 외주면에 가열이 이루어질 수 있다. 물론, 도면에 도시하지는 않았지만 반원형 가열링(332)을 연결부(130)를 중심으로 서로 마주하도록 배치하여 제2회전부재(322b)의 회전 구동 없이도 가열이 이루어질 수 있다.
또한, 가열부(330)는 원형 가열링(331)과 반원형 가열링(332)이 일체로 형성된 복합 가열링(미도시)을 구비할 수도 있다. 복합 가열링은 저널부(120)와 연결부(130)의 외부 측면을 동시에 가열할 수 있다. 이렇게 가열되어 열처리가 이루어지면, 도 12(c)와 같이 저널부(120) 측면과 연결부(130)부 측면이 동시에 열처리 될 수 있다.
또한, 가열부(330)는 원형 가열링(331) 또는 반원형 가열링(332)이 가열 위치에 배치된 저널부(120)의 수직방향을 따라서 높이 조절이 가능하도록 배치된다. 즉, 가열될 저널부(120) 또는 연결부(130)가 정위치 한 상태에서 원형 가열링(331) 또는 반원형 가열링(332)이 하강하여 가열 위치에 대응하도록 정지하고, 가열이 완료된 후 다시 상승하여 원위치로 이동할 수 있다.
가열부(330)는 코일부(333)와 지지바(334)로 구성되는데, 코일부(333)는 원형 또는 반원형의 형상으로 구성될 수 있고, 지지바(334)는 내부에 코일과 연결된 전원선과, 코일부를 냉각하는 냉각수 라인 등이 배치될 수 있다.
냉각부(340)는 제1냉각부재(341)와 제2냉각부재(342)를 포함한다.
제1냉각부재(341)는 트러니언(110)에 직접 냉각수를 공급하여 냉각시킨다. 도면에 도시하지는 않았지만, 제1냉각부재(341)의 작동 과정에서 제2회전부재(341)의 구동이 이루어질 수도 있다. 그러면, 저널부(120) 또는 연결부(130)가 회전의 중심이 되기 때문에 냉각수와 접촉하는 면적을 늘일 수 있고, 또한 냉각속도를 증대시킬 수 있다.
제2냉각부재(342)는 가열부(330) 내부를 순환하는 냉각수를 공급한다. 가열부(330)는 유도 가열방식의 장치이기 때문에 직접 열을 제공하지는 않지만, 피열물의 급격한 온도 상승으로 인해 냉각이 필요하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 등속조인트용 트러니언의 열처리 장치에 따르면, 종래 침탄 열처리 방식에 비하여 불량률을 현저히 줄일 수 있고, 트러니언의 내경에 위치한 스플라인에 열처리가 되지 않기 때문에 변형에 따른 전처리 공정이 줄어들어 제조 원가를 절감할 수 있다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
10 : 등속조인트
100 : 트러니언
200 : 롤러 어셈블리
300 : 트러니언의 열처리 장치

Claims (17)

  1. 허브부와 상기 허브부 외주면으로부터 복수개가 등각으로 돌출되는 저널부를 포함하는 트러니언을 제조하는 제1단계;
    상기 저널부의 둥근 외주면을 열처리 하는 제2단계; 및
    상기 저널부와 상기 허브부 사이에 배치되고, 상기 저널부 보다 작은 직경으로 이루어진 연결부를 열처리하는 제3단계; 를 포함하며
    상기 제2단계 또는 제3단계는,
    고주파 유도가열장치를 통하여,
    64~68KW 범위의 출력으로 1.5~2.8초 범위로 가열되는 가열단계와,
    4.5~5.5초 범위로 냉각시키는 냉각단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계 또는 제3단계는,
    상기 허브부의 내주면에 마련된 스플라인 영역을 제외하고, 상기 저널부와 연결부의 외부 표면으로부터 5.0~8.0mm 범위 깊이까지 열처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2단계 또는 제3단계를 통해 열처리된 영역은,
    상기 저널부와 연결부의 외부 표면으로부터 적어도 2mm 깊이까지 경도 HV 560 이상을 유지하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계 또는 제3단계는,
    상기 가열단계와 상기 냉각단계 사이에 0.05~0.15초 범위의 시간차를 두는 지연단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2단계 또는 제3단계는,
    입력 전류가 150~159A 범위이고,
    양극 전압이 5.6~6.2KV이며,
    양극 전류가 4.5~5.0A 범위로 이루어지는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2단계 또는 제3단계는,
    150~170℃ 온도 범위에서 100~140분 범위로 템퍼링이 이루어지는 템퍼링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계 및 제3단계가 완료되면, 상기 저널부와 연결부의 외부 경도가 HRC 58~63 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계는,
    상기 트러니언이 전체 중량 대비 0.2~0.5 중량% 범위의 탄소를 함유하는 중탄소강(S50C~S55C)으로 이루어지고,
    C : 0.47~0.58 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 0.60~0.90 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 초과), S : 0.035 중량% 이하(0 초과)를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1단계는,
    상기 트러니언에 Mn, Cr, Ni, Mo, B 합금 원소 중 적어도 어느 하나 또는 복수개를 추가하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    하나의 상기 저널부의 열처리(상기 제2단계 또는 제3단계)가 완료되면 다른 하나의 저널부의 열처리를 위해서 상기 허브부를 설정된 각도로 회전하는 제4단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 트러니언의 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 청구항에 기재된 등속조인트용 트러니언의 제조방법을 통해서 제조되는 트러니언.
  12. 트러니언을 공급 및 반출하는 이재기;
    상기 이재기로부터 트러니언을 공급 받아 거치하는 거치대;
    상기 거치대에 장착된 트러니언의 저널부 또는 연결부를 가열하는 고주파 유도가열 방식의 가열부;
    상기 가열부를 통해 가열된 영역을 냉각하는 냉각부; 를 포함하며
    상기 거치대는,
    상기 트러니언의 허브부 중심에 삽입되어 상기 트러니언을 고정하는 고정부재와,
    상기 고정부재 또는 거치대를 설정된 각도로 회전시키는 회전수단을 포함하고
    상기 회전수단은,
    상기 고정부재에 장착된 상기 트러니언의 일 측 저널부가 가열 또는 냉각된 후 타 측 저널부가 상기 가열부의 가열 위치에 오도록 회전시키는 제1회전부재와,
    상기 가열부의 가열 공정 중에 상기 거치대가 상기 저널부의 중심을 회전축으로 회전시키는 제2회전부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러니언의 열처리 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 거치대는,
    상기 트러니언의 장착 방향이나 각도를 제어하는 얼라인부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트러니언의 열처리 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 저널부의 외부 표면을 가열하는 원형 가열링과,
    상기 연결부의 외부 표면을 가열하는 반원형 가열링을 포함하는 것을 특징으로 하는 트러니언의 열처리 장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 트러니언을 냉각하는 제1냉각부재와,
    상기 가열부를 냉각하는 제2냉각부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러니언의 열처리 장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 트러니언의 허브부 내주면에 마련된 스플라인 영역을 제외하고, 상기 저널부와 연결부의 외부 표면으로부터 5.0~8.0mm 범위 깊이까지 열처리하는 것을 특징으로 하는 트러니언의 열처리 장치.
  17. 삭제
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