KR102562703B1 - 부싱 제조용 펀치 핀 및 부싱 제조방법 - Google Patents

부싱 제조용 펀치 핀 및 부싱 제조방법 Download PDF

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KR102562703B1
KR102562703B1 KR1020210082512A KR20210082512A KR102562703B1 KR 102562703 B1 KR102562703 B1 KR 102562703B1 KR 1020210082512 A KR1020210082512 A KR 1020210082512A KR 20210082512 A KR20210082512 A KR 20210082512A KR 102562703 B1 KR102562703 B1 KR 102562703B1
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정동찬
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정원금속 주식회사
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Abstract

본 발명은 부싱 제조용 펀치 핀 및 부싱 제조방법에 관한 것으로: 선단으로부터 후단으로의 길이방향으로 연장되는 원통형으로 구성되고, 선단과 인접한 외주면에 길이방향으로 형성된 적어도 하나의 제1에어 벤트용 홈을 포함하는 부싱 제조용 펀치 핀; 및 이를 이용한 부싱 제조방법을 제공한다.

Description

부싱 제조용 펀치 핀 및 부싱 제조방법{Punch pin for producing bushing and method for producing bushing}
본 발명은 부싱 제조용 펀치 핀 및 부싱 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 부싱을 단조 공정으로 제조하는데 사용되는 펀치 핀 및 이를 이용하여 부싱을 제조하는 방법에 관한 것이다..
부싱(bushing)은 자동차 부품 등에 사용되는 것으로, 원통형으로 이루어지되, 속이 비어 있어서, 실질적으로 파이프와 동일한 구조로 구성될 수 있다.
이러한 부싱은 단조 공정으로 제조될 수 있는데, 부싱의 내부 홀(hole)을 형성하기 위해 펀치 핀(punch pin)이 사용될 수 있다.
그러나, 기존 펀치 핀을 이용한 단조 공정에서는, 부싱 소재가 성형됨에 따라 제거되는 내경 소재가 밀려 나와 에어 배출을 막게 됨으로써, 제품 동심도 및 수명(대략 1만개 가공)이 저하되는 문제가 발생하였다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[과제고유번호] D202050
[과제번호]
[부처명] 경기도
[과제관리(전문)기관명] (재)경기도경제과학진흥원
[연구사업명] 경기도기술개발사업
[연구과제명] 항복비제어강(YRCS80)을 적용한 친환경공법의 자동차 부품 BUSHING 개발
[기여율] 1/1
[과제수행기관명] 정원금속주식회사
[연구기간] 2020.03.01 ~ 2021.02.28
따라서, 본 발명의 목적은 펀치 핀의 품질 및 수명을 향상시킬 수 있고, 부싱의 성형이 용이하도록 하는 부싱 제조용 펀치 핀 및 이를 이용하여 부싱을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해: 선단으로부터 후단으로의 길이방향으로 연장되는 원통형으로 구성되고, 선단과 인접한 외주면에 길이방향으로 형성된 적어도 하나의 제1에어 벤트(air vent)용 홈을 포함하는 부싱 제조용 펀치 핀을 제공한다.
본 발명에서 n개의 제1에어 벤트용 홈이 둘레 방향을 따라 360/n 간격으로 배치될 수 있다.
본 발명에서 펀치 핀은 선단으로부터 후단으로 순차적으로 배치되는 베어링(bearing)부, 가공부, 몸체부 및 체결부로 구성될 수 있다.
본 발명에서 제1에어 벤트용 홈은 가공부에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 펀치 핀은 베어링부의 선단 표면에 반경 방향으로 형성된 적어도 하나의 제2에어 벤트용 홈을 포함할 수 있다.
본 발명에서 n개의 제2에어 벤트용 홈이 둘레 방향을 따라 360/n 간격으로 배치될 수 있다.
본 발명에서 제1에어 벤트용 홈과 제2에어 벤트용 홈은 동일 위치로 정렬되도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 펀치 핀은 베어링부의 선단 표면의 중앙에 형성되고, n개의 제2에어 벤트용 홈과 연결되는 제3에어 벤트용 홈을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 부싱 소재를 준비하는 단계; 및 준비된 부싱 소재로부터 단조 공정을 통해 부싱 형상으로 성형하는 단계를 포함하고, 단조 공정에서 상술한 펀치 핀을 이용하여 부싱의 홀을 형성하는 부싱 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 부싱 소재는 항복비(항복강도/인장강도)가 0.4 내지 0.7인 저항복비강일 수 있다.
본 발명에 따른 펀치 핀을 사용함으로써, 부싱의 홀 성형 시 에어 영향을 최소화시켜 고가의 장비인 펀치 핀의 품질 및 수명을 향상시킬 수 있고, 또한 에어 벤트용 홈에 윤활유가 작동하여 부싱의 성형이 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 펀치 핀의 전체 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 펀치 핀의 선단 표면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 펀치 핀의 선단 부위를 확대하여 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1 내지 3을 참고하면, 본 발명에 따른 펀치 핀(100)은 체결부(110), 몸체부(120), 가공부(130), 베어링부(140), 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154), 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164), 제3에어 벤트용 홈(170) 등으로 구성될 수 있다.
펀치 핀(100)은 선단으로부터 후단으로의 길이방향으로 연장되는 원통형으로 구성될 수 있고, 다만 길이방향으로 직경이 상이할 수 있다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 펀치 핀(100)은 후단(우측)부터 선단(좌측) 쪽으로 순차적으로 배치되는 체결부(110), 몸체부(120), 가공부(130), 베어링부(140)로 구성될 수 있고, 이들은 공구강(탄소강 등) 등을 이용하여 일체형으로 제작될 수 있다.
체결부(110)는 펀치 핀(100)의 후단 쪽에 배치되어 펀치 핀(100)을 단조 장치(프레스 등)에 체결하기 위한 부위로서, 상대적으로 짧은 길이 및 상대적으로 큰 직경을 가질 수 있다.
몸체부(120)는 펀치 핀(100)의 대부분을 차지하는 몸체를 이루는 부위로서, 몸체부(120)의 길이는 펀치 핀(100)의 전체 길이 중 50 내지 80%를 차지할 수 있고, 몸체부(120)의 직경은 체결부(110)보다 약간 작을 수 있다. 체결부(110)와 몸체부(120) 사이에는 직경이 몸체부(120) 쪽으로 점차 감소하는 전이구간이 형성될 수 있다.
가공부(130)는 부싱의 가공에 사용되는 부위로서, 가공부(130)의 길이는 체결부(110)보다 길고 몸체부(120)보다 짧을 수 있으며, 가공부(130)의 직경은 몸체부(120)보다 약간 작을 수 있다. 몸체부(120)와 가공부(130) 사이에는 직경이 가공부(130) 쪽으로 점차 감소하는 전이구간이 형성될 수 있다.
베어링부(140)는 펀치 핀(100)의 선단 쪽에 배치되어 부싱의 홀(내경) 가공을 실질적으로 담당하는 부위로서, 베어링부(140)의 길이는 체결부(110)보다 짧을 수 있으며, 베어링부(140)의 직경은 가공부(130)보다 약간 클 수 있다. 가공부(130)와 베어링부(140) 사이에는 직경이 베어링부(140) 쪽으로 점차 증가하는 전이구간이 형성될 수 있다.
베어링부(140)의 선단 부위는 원활하고 효율적인 홀 가공을 위해 납작한 원뿔형(측면에서 보면 납작한 삼각형)으로 구성될 수 있다. 즉, 중앙에서 가장 많이 돌출되고 둘레 쪽으로 갈수록 돌출 정도가 점점 감소할 수 있다. 측면에서 볼 때, 삼각형의 중앙 꼭지점과 양단 꼭지점을 잇는 빗변 및 밑변이 이루는 각도는 예를 들어 2 내지 10도, 3 내지 9도, 4 내지 8도, 5 내지 7도, 또는 약 6도일 수 있다.
제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)은 펀치 핀(100)의 선단과 인접한 외주면에 길이방향으로 형성될 수 있다. 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)은 부싱의 홀 성형 시 에어 영향을 최소화시켜 고가의 장비인 펀치 핀의 품질 및 수명을 향상시킬 수 있고, 또한 에어 벤트용 홈(150, 152, 154)에 윤활유가 작동하여 부싱의 성형이 용이할 수 있다. 이와 같이, 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)은 부싱의 내경 홀 작업 시 윤활 작용으로 품질을 개선하고 수명을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.
제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)은 적어도 하나 이상, 바람직하게는 복수 개로 형성될 수 있고, 각각 동일 간격으로 배치될 수 있다. 구체적으로, n개의 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)이 둘레 방향을 따라 360/n 간격으로 배치될 수 있다. n 값은 예를 들어 2 내지 10개, 2 내지 8개, 2 내지 6개, 2 내지 4개, 2 내지 3개, 3 내지 5개, 3 내지 4개, 또는 3개일 수 있다. 도 2에는 3개의 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)이 둘레 방향을 따라 120도 간격으로 배치되어 있으나, 이에 제한되지 않고 적절하게 변경될 수 있다.
제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)은 가공부(130)의 외주면에 형성될 수 있는데, 도시된 바와 같이 가공부(130)의 전체 길이에 걸쳐 형성될 수 있고, 또한 일부에만 부분적으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)의 길이는 가공부(130)의 길이 대비 50 내지 100%, 60 내지 100%, 70 내지 100%, 80 내지 100%, 또는 90 내지 100%일 수 있다. 또한, 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)의 길이는 가공하려는 부싱의 길이보다 예를 들어 1 내지 10 mm 정도 길 수 있다. 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)의 선단 부위는 삼각형 형태로 뾰족할 수 있다.
제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)의 형상은 폭 방향 단면을 기준으로 반원형, 반타원형, 호형, 다각형(삼각형, 사각형 등) 등으로 구성될 수 있다. 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)의 폭은 가공부(130)의 직경 대비 1 내지 30%, 5 내지 25%, 10 내지 20%, 또는 13 내지 17%일 수 있다. 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)의 깊이는 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)의 폭 대비 1 내지 100%, 10 내지 90%, 20 내지 80%, 30 내지 70%, 또는 40 내지 60%일 수 있다.
제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)은 부싱 소재와 직접 접촉하게 되는 베어링부(140)의 선단 표면에 반경 방향으로 형성될 수 있다. 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)은 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)과 동일하거나 유사한 역할을 한다.
제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)은 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154)과 마찬가지로, 적어도 하나 이상, 바람직하게는 복수 개로 형성될 수 있고, 각각 동일 간격으로 배치될 수 있다. 구체적으로, n개의 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)이 둘레 방향을 따라 360/n 간격으로 배치될 수 있다. n 값은 예를 들어 2 내지 10개, 2 내지 8개, 2 내지 6개, 2 내지 4개, 2 내지 3개, 3 내지 5개, 3 내지 4개, 또는 3개일 수 있다. 도 2에는 3개의 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)이 둘레 방향을 따라 120도 간격으로 배치되어 있으나, 이에 제한되지 않고 적절하게 변경될 수 있다.
제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)은 베어링부(140)의 선단 표면의 중심으로부터 둘레 부위까지 반경 방향으로 형성될 수 있는데, 도시된 바와 같이 선단 표면의 반경 전체에 걸쳐 형성될 수 있고, 또한 일부에만 부분적으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)의 길이는 선단 표면의 반경 대비 50 내지 100%, 60 내지 100%, 70 내지 100%, 80 내지 100%, 또는 90 내지 100%일 수 있다.
제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)의 형상은 길이 방향 단면을 기준으로 반원형, 반타원형, 호형, 다각형(삼각형, 사각형 등) 등으로 구성될 수 있다. 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)의 폭은 선단 표면의 직경 대비 0.1 내지 20%, 0.2 내지 16%, 0.3 내지 12%, 0.4 내지 8%, 또는 0.5 내지 5%일 수 있다. 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)의 깊이는 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)의 폭 대비 1 내지 100%, 10 내지 90%, 20 내지 80%, 30 내지 70%, 또는 40 내지 60%일 수 있다.
제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154) 및 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)은 동일 위치로 정렬되도록 배치될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 두 홈의 위치가 둘레 방향에서 동일할 수 있다. 이러한 구성에 의해 에어 벤트 효과가 베어링부(140)의 선단 표면으로부터 가공부(130) 쪽으로 원활하게 이어질 수 있다.
제3에어 벤트용 홈(170)은 베어링부(140)의 선단 표면의 중앙에 형성될 수 있고, n개의 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)과 연결될 수 있다. 즉, 선단 표면의 중앙에 형성된 제3에어 벤트용 홈(170)으로부터 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)이 반경 방향으로 연장되는 구조일 수 있다.
제3에어 벤트용 홈(170)은 제1에어 벤트용 홈(150, 152, 154) 및 제2에어 벤트용 홈(160, 162, 164)과 동일하거나 유사한 역할을 한다. 제3에어 벤트용 홈(170)의 형상은 폭 방향 단면을 기준으로 원형, 타원형, 다각형(삼각형, 사각형 등) 등으로 구성될 있고, 길이 방향 단면을 기준으로는 반원형, 반타원형, 호형, 다각형(삼각형, 사각형 등) 등으로 구성될 수 있다.
제3에어 벤트용 홈(170)의 직경은 선단 표면의 직경 대비 1 내지 30%, 5 내지 25%, 10 내지 20%, 또는 13 내지 17%일 수 있다. 제3에어 벤트용 홈(170)의 깊이는 제3에어 벤트용 홈(170)의 직경 대비 1 내지 100%, 10 내지 90%, 20 내지 80%, 30 내지 70%, 또는 40 내지 60%일 수 있다.
또한, 본 발명은 부싱 소재를 준비하는 단계; 및 준비된 부싱 소재로부터 단조 공정을 통해 부싱 형상으로 성형하는 단계를 포함하고, 단조 공정에서 상술한 펀치 핀을 이용하여 부싱의 홀을 형성하는 부싱 제조방법을 제공한다.
먼저, 부싱 소재를 준비한다. 부싱 소재는 직접 제조하거나 타 업체로부터 구입할 수 있다. 부싱 소재는 항복비(항복강도/인장강도)가 0.4 내지 0.7 또는 0.5 내지 0.6인 저항복비강일 수 있다. 이러한 저항복비강은 하기 단계들에 의해 제조될 수 있다.
탄소(C) 0.10 내지 0.40 중량%, 망간(Mn) 0.90 내지 1.50 중량%, 규소(Si) 0.50 내지 2.50 중량%, 알루미늄(Al) 0 중량% 초과 0.060 중량% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 합금강을 압연 또는 신선하여 소재(원하는 크기의 봉재)를 제조하는 단계;
제조된 소재를 가열해서 Ac1 변태점과 Ac3 변태점을 기준으로 하여 Ac1 이상 (Ac1 + Ac3)/2 이하의 온도에서 일정 시간 유지하는 1차 열처리 단계; 및
1차 열처리된 소재를 마르텐사이트 변태개시점(Ms)을 기준으로 하여 (25℃ + Ms)/2 이상 Ms 이하의 온도까지 냉각하고 그 온도에서 일정 시간 유지하는 2차 열처리 단계.
예를 들어, 1차 열처리 온도는 800±50℃, 2차 열처리 온도는 400±50℃ 또는 300±50℃일 수 있다. 1차 및 2차 열처리 시간은 각각 독립적으로 10분 내지 60분 또는 20분 내지 40분일 수 있다. 냉각 단계는 공냉 또는 수냉에 의해 수행될 수 있다.
제조된 소재는 인장강도 60 내지 140 kgf/㎟급 이상의 냉간 단조용 비조질강으로서 사용 가능하고, 페라이트 기반의 망상 조직을 가질 수 있다.
이와 같은 제조방법에 의해 합금강을 열처리하여 조직을 제어함으로써, 항복비가 낮은 저항복비강을 제조 가능하고, 저항복비강은 상온 냉간 단조용 소재로서 활용 가능하다. 또한, 낮은 항복강도를 이용하면 소성 변형이 용이함과 함께, 필요 시 제어된 가공 경화성을 이용함으로써 높은 인장강도를 얻을 수 있으므로, 단조후 열처리를 하지 않고도 원하는 강도를 갖는 제품을 제조할 수 있다.
또한, 후열처리 공정을 제거할 수 있고, 단순 전처리 공정으로 제조단가를 대폭 절감할 수 있으며, 성형성 및 가공성을 향상시킬 수 있고, 단조 하중을 감소시킬 수 있다.
다음, 준비된 부싱 소재로부터 단조 공정을 통해 부싱 형상으로 성형한다. 단조 공정에서는 상술한 본 발명에 따른 펀치 핀을 이용하여 부싱의 홀을 형성할 수 있다.
단조 공정은 상온에서 수행되는 냉간 단조 공정일 수 있다. 냉간 단조는 가열이 필요한 온간 단조 또는 열간 단조에 비해 가열 비용 및 생산성 측면에서 유리하다. 냉간 단조 공정은 통상적인 냉각 단조 공정을 이용할 수 있다.
단조 장치도 통상적인 냉각 단조 장치를 이용할 수 있고, 다만 펀치 핀은 본 발명에 따른 펀치 핀을 사용한다. 단조 장치는 금형(다이) 및 펀치 핀 등으로 구성될 수 있다. 금형은 복수의 금형(예를 들어, 상부 금형과 하부 금형 및/또는 좌측 금형과 우측 금형)으로 구성될 수 있고, 이들의 결합으로 부싱에 대응하는 형상의 캐비티가 형성될 수 있다. 펀치 핀은 1개 또는 2개 이상(예를 들어, 상부 펀치 핀 및 하부 펀치 핀) 사용할 수 있다.
일정 크기로 절단된 원통형 부싱 소재를 금형의 캐비티에 장착한 후, 본 발명에 따른 펀치 핀을 이용하여 부싱 소재를 반복적으로 타격하거나 가압함으로써 부싱의 홀을 형성할 수 있다. 펀치 핀을 이용한 펀칭 과정은 다-단계(예를 들어, 1 내지 5단계)에 걸쳐 수행될 수 있다. 펀칭 과정에서는 윤활 및 냉각을 위한 윤활유가 통상적으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 펀치 핀의 에어 벤트 홈은 부싱의 홀 성형 시 공기 등을 외부로 배출하여, 압력과 응력의 분산, 에어 포켓 등의 제거, 열팽창 억제 등의 역할을 수행함으로써, 고가의 장비인 펀치 핀의 품질 및 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 에어 벤트용 홈에 윤활유가 작동하여 부싱의 성형이 용이할 수 있다.
100: 펀치 핀, 110: 체결부, 120: 몸체부, 130: 가공부, 140: 베어링부, 150, 152, 154: 제1에어 벤트용 홈, 160, 162, 164: 제2에어 벤트용 홈, 170: 제3에어 벤트용 홈

Claims (10)

  1. 선단으로부터 후단으로의 길이방향으로 연장되는 원통형으로 구성되고,
    선단으로부터 후단으로 순차적으로 배치되는 베어링부, 가공부, 몸체부 및 체결부로 구성되며,
    선단과 인접한 외주면에 길이방향으로 형성된 적어도 하나의 제1에어 벤트용 홈, 및
    베어링부의 선단 표면에 반경 방향으로 형성된 적어도 하나의 제2에어 벤트용 홈을 포함하는 부싱 제조용 펀치 핀.
  2. 제1항에 있어서,
    n개의 제1에어 벤트용 홈이 둘레 방향을 따라 360/n 간격으로 배치되는 부싱 제조용 펀치 핀.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    제1에어 벤트용 홈은 가공부에 형성되는 부싱 제조용 펀치 핀.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    n개의 제2에어 벤트용 홈이 둘레 방향을 따라 360/n 간격으로 배치되는 부싱 제조용 펀치 핀.
  7. 제6항에 있어서,
    제1에어 벤트용 홈과 제2에어 벤트용 홈은 동일 위치로 정렬되도록 배치되는 부싱 제조용 펀치 핀.
  8. 제6항에 있어서,
    베어링부의 선단 표면의 중앙에 형성되고, n개의 제2에어 벤트용 홈과 연결되는 제3에어 벤트용 홈을 포함하는 부싱 제조용 펀치 핀.
  9. 부싱 소재를 준비하는 단계; 및
    준비된 부싱 소재로부터 단조 공정을 통해 부싱 형상으로 성형하는 단계를 포함하고,
    단조 공정에서 제1항에 따른 펀치 핀을 이용하여 부싱의 홀을 형성하는 부싱 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    부싱 소재는 항복비(항복강도/인장강도)가 0.4 내지 0.7인 저항복비강인 부싱 제조방법.
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