KR19980076824A - 자동차용 캠 샤프트 제조방법 - Google Patents

자동차용 캠 샤프트 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소실 모형주조법을 이용하여 내부에 중공을 지닌 캠 샤프트를 제조함으로써, 제품의 경량화 및 대량생산을 가능케 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 캠 샤프트 제조방법은 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)을 제작하는 단계(S1)와, 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)사이에 중공 파이프(36)를 삽입하는 단계(S2)와, 중공 파이프(36)가 삽입된 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)을 합형한 다음에 비드 주입구(34)를 통해 PMMA비드를 투입하는 단계(S3)와, 스팀 공급파이프(30, 50)를 통해 주입된 스팀에 의해 PMMA비드를 팽창시켜 융착하여 PMMA모형(10a10d)을 성형하는 단계(S4)와, 주형틀(60)내에 다수의 PMMA모형(10a10d)을 설치한 다음 무점결사를 주입하는 단계(S5)와, 탕구(64) 및 탕도(66), (70)를 통해 주형틀(60)내에 설치된 PMMA모형(10a10d)에 용탕을 주입하는 단계(S6)와, 용탕 주입단계(S7)에서 성형된 캠 샤프트(10)의 캠(14)표면을 재용융처리하여 경화시키는 단계(S8)로 구성된다.

Description

자동차용 캠 샤프트 제조방법
본 발명은 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소실 모형주조법을 이용하여 캠 샤프트의 내부에 중공을 형성함으로써, 전체적인 무게를 줄이고 제품을 대량으로 생산하여 생산성을 향상시킬 수 있는 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 관한 것이다.
자동차용 엔진의 실린더 헤드에 설치되는 캠 샤프트는 일체로 형성된 다수의 캠을 이용하여 흡기밸브와 배기밸브를 개폐함으로써, 흡입공기를 연소실 내로 공급하거나 연소된 배기가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 이러한 기능을 지닌 캠 샤프트는 고온의 열에 견딜 수 있는 내열성 및 높은 내마모성과 경도를 지녀야 하며 경량인 것이 요구된다.
도 1은 종래 기술에 의해 제조된 자동차용 캠 샤프트의 구성을 보인 사시도이다. 캠 샤프트(2)에는 흡기밸브와 배기밸브를 개폐하기 위한 다수의 캠(4)이 일체로 형성되어 있으며, 베어링 저널(6)을 통해 실린더 헤드에 회전 가능하게 장착된다. 이러한 구성의 캠 샤프트(2)를 제조하기 위한 종래의 제조방법으로는 사형주조나 셀주조(shell mold)에 냉금을 부착하여 캠의 표면을 냉경하는 방법과, 상기의 주조법을 냉금없이 주조한 다음, 티그(tig) 또는 플라즈마에 의해 표면 재용융처리 과정을 거쳐 캠의 내마모성을 증대시키는 방법이 있다.
이러한 종래의 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 의해 성형된 캠 샤프트(2)는 주조과정에서 내부가 꽉찬 중실축(solid shaft)으로 제조되기 때문에, 전체적으로 무거우며, 셀주조법으로는 하나의 주형에서 2개의 제품밖에 생산할 수 없기 때문에 생산성이 저하되는 문제점을 지니고 있다. 또한, 종래와 같이 중실축으로 캠 샤프트를 제조하는 경우에는 주물사의 하중에 의한 압력이 작용하기 때문에 캠 샤프트에 휨이 발생하여 변형되는 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 본 발명은 중공 파이프에 의해 캠 샤프트의 내부를 중공으로 형성하여 전체적인 무게를 줄일 수 있으며, 소실 모형주조법을 이용하여 대량생산을 가능케함으로써, 생산성을 향상시킬 수 있는 자동차용 캠 샤프트 제조방법를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 의해 제조된 자동차용 캠 샤프트의 구성을 보인 사시도
도 2는 본 발명에 의해 제조된 자동차용 캠 샤프트의 구성을 보인 사시도
도 3은 본 발명에 따른 상부금형과 하부금형의 분리상태를 보인 단면도
도 4는 본 발명에 따른 상부금형과 하부금형의 결합상태를 보인 단면도
도 5는 본 발명에 따라 제조된 캠 샤프트 EPC모형을 보인 단면도
도 6은 본 발명에 따른 주형틀의 구성을 보인 단면도
도 7은 본 발명에 따라 캠 샤프트를 제조하는 과정을 도시한 공정도
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10:캠 샤프트10a10d:제 1제 4캠 샤프트 EPC모형
12:중공14:캠
16:베어링 저널20, 40:상부, 하부금형틀
22, 42:상부상자24, 44:상부, 하부EPC금형
28, 48:냉각수 공급파이프30, 50:스팀 공급파이프
32, 52:드레인 파이프34:비드 주입구
36:중공 파이프60:주형틀
62:무점결사64:탕구
66, 70:탕도
상술한 본 발명의 목적은 상부 EPC금형과 하부 EPC금형을 제작하는 단계와, 상부 EPC금형과 하부 EPC금형 사이에 중공 파이프를 삽입하는 단계와, 중공 파이프가 삽입된 상부 EPC금형과 하부 EPC금형을 합형한 다음에 비드 주입구를 통해 PMMA비드를 투입하는 단계와, 스팀 공급파이프를 통해 주입된 스팀에 의해 PMMA비드를 팽창시켜 융착하여 PMMA모형을 성형하는 단계와, 주형틀내에 다수의 PMMA모형을 설치한 다음 무점결사를 주입하는 단계와, 탕구 및 탕도를 통해 주형틀내에 설치된 PMMA모형에 용탕을 주입하는 단계와, 용탕 주입단계에서 성형된 캠 샤프트의 캠 표면을 재용융처리하여 경화시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 의해 달성된다.
이하, 첨부한 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 2는 본 발명에 의해 제조된 자동차용 캠 샤프트의 구성을 보인 사시도로, 여기에 도시한 바와 같이, 본 발명의 소실 모형주조법에 의해 제조된 캠 샤프트(10)의 내부에는 중공(12)이 형성되어 있으며, 외주부에는 종래와 마찬가지로, 다수의 캠(14) 및 베어링 저널(16)이 형성되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 캠 샤프트(10)를 내부에 중공(12)이 형성된 중공축(hollow shaft)으로 구성하여 무게를 줄일 수 있다.
본 발명에서 채용한 소실 모형주조(evaporation pattern casting; 이하, EPC라 칭함)법은 스티로폴을 만드는데 사용하는 폴리메틸렌 메타크릴산(polymethylene methacrylate; 이하, PMMA라 칭함)비드를 주물의 형상으로 공급하여 모형을 제작한 후에, 이 PMMA모형을 점결력이 없는 무점결사속에 조형하여 용탕을 주입하면, 용탕열에 의해 PMMA모형이 기화되면서 주위의 무점결사속으로 배출됨과 동시에, 그 공간에 용탕이 충만되면서 소정의 형상을 지닌 주물을 얻는 주조방법이다. 이를 이용하여 본 발명의 캠 샤프트를 제조하는 과정을 다음의 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 상부금형과 하부금형의 분리상태를 보인 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 상부금형과 하부금형의 결합상태를 보인 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따라 제조된 캠 샤프트 EPC모형을 보인 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 주형틀의 구성을 보인 단면도이며, 도 7은 본 발명에 따라 캠 샤프트를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상부 금형틀(20)과 하부 금형틀(40)에는 각각 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)이 설치되어 있으며, 상부 EPC금형(24)에는 PMMA비드 주입구(34)가 연결되어 있다. 또한, 이들 금형틀(20, 40)에는 냉경을 위해 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급파이프(28, 48)가 설치되어 있으며, 스팀을 주입하기 위한 스팀 공급파이프(30, 50)가 부착되어 있다. 공급된 스팀은 드레인 파이프(32, 52)를 통해 배출된다. 중공축을 만들기 위해 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)에는 중공 파이프(36)를 배치한다.
여기에서 중공 파이프(36)는 두께가 약 1㎜이고, 외경이 1015㎜인 스테인레스 파이프를 이용하는 것이 바람직하다. 상부 EPC금형(24)의 중앙 지점에는 PMMA비드 주입구(34)가 설치되는 연결부(24a)가 형성되어 있으며, 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)에 의해 제공되는 공간부(26), (46)에는 PMMA비드 주입구(34)를 통해 주입된 PMMA비드가 충진된다. 이와 같은 형태로 상부 금형틀(20)과 하부 금형틀(40)을 합형한 다음, PMMA비드를 주입하여 PMMA모형을 성형하는 과정을 다음의 도 4에 도시하였다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상부 금형틀(20)과 하부 금형틀(40)을 합형한 상태에서 PMMA비드 주입구(34)를 통해 PMMA비드를 주입하게 되면, 주입된 PMMA비드는 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)내부의 공간부(26), (46)로 흘러 들어간다. 이와 동시에 스팀 공급파이프(30, 50)를 통해 스팀을 공급하게 되면, 스팀에 의해 PMMA비드가 팽창되면서 공간부(26, 46)내에 충진됨으로써, 도 5에 도시한 바와 같은 PMMA모형(10')이 성형된다.
도 5는 성형된 PMMA모형(10')을 단면하여 도시한 것으로, 내부에는 중공 파이프(36)가 끼워져 있으며, 외주부에는 캠부(14')와 베어링 저널부(16')가 형성되어 있다. 따라서, 주조시에는 중공 파이프(36)에 의해 캠 샤프트(10)내부에 중공(12)이 형성됨과 동시에, 캠부(14')와 베어링 저널부(16')에 충진되는 용탕에 의해 도 2에서 설명한 캠(14) 및 베어링 저널(16)이 형성된다.
도 6은 본 발명에 따른 주형틀의 구성을 보인 단면도이다. 용융된 주물을 주입하여 캠 샤프트 소재를 주조하기 위한 주형틀(60)내에 하부 탕도(70)와 상부 탕도(66) 및 탕구(64)를 설치한 상태에서 무점결사(62)를 채운다. 이때, 하부 탕도(70)상에는 성형된 다수(본 실시에서는 4개)의 PMMA모형(10a10d)이 배치되어 있으며, 무점결사(62)를 주입하는 과정에서, PMMA모형(10a10d)내부에는 각각 중공 파이프(36)가 끼워져 있기 때문에, 이 중공 파이프(36)내에도 무점결사(62)가 충진된다. 주형틀(60)의 상부까지 무점결사(62)를 충진하여 조형을 완료한다.
조형이 끝난 상태에서 탕구(64)를 통해 주철 성분의 용탕을 주입하면, 고온의 용탕은 상기한 바와 같이 PMMA비드를 기화시키면서 중공의 캠 샤프트 소재를 만들게 된다. 다음에 캠 샤프트 소재의 캠부 표면에 티그 재용융처리를하여 경화시킴으로써 내마모성을 증대시킨다.
지금까지 설명한 본 발명의 캠 샤프트 제조과정을 도 7에 표로 나타내었다. 이를 요약하여 설명하면, 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형을 제작하는 단계(S1)와, 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)사이에 중공 파이프(36)를 삽입하는 단계(S2)와, 중공 파이프(36)가 삽입된 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)을 합형한 다음에, 비드 주입구(34)를 통해 PMMA비드를 투입하는 단계(S3)와, 스팀 공급파이프(30, 50)를 통해 주입된 스팀에 의해 PMMA비드를 팽창시켜 융착하여 PMMA모형(10')을 성형하는 단계(S4)와, 주형틀(60)내에 다수의 PMMA모형(10')을 설치한 다음 무점결사를 주입하는 단계(S5)와, 탕구(64) 및 탕도(66), (70)를 통해 주형틀(60)내에 설치된 PMMA모형(10a10d)에 용탕을 주입하는 단계(S6)와, 용탕 주입단계(S6)에서 성형된 캠 샤프트(10)의 캠(14)표면을 재용융처리하여 경화시키는 단계(S7)로 이루어져 있음을 알 수 있다.
중공 파이프(36)를 주입하여 합형한 다음에, PMMA비드를 주입하여 PMMA모형을 성형하는 소실 모형주조법은 이미 도 3 내지 도 6에서 설명하였으며, 캠(14)표면을 재용융처리하여 경화시키는 단계(S7)의 작업은 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 주지의 기술이므로, 그에 대한 설명은 생략한다.
이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 캠 샤프트의 내부에 중공을 형성하여 캠 샤프트의 무게를 줄일 수 있으며 대량 생산을 통해 제품의 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 캠 샤프트의 내부에 형성된 중공에 의해 전체적인 강도를 증대시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

  1. 상부 EPC(evaporation pattern casting)금형(24)과 하부 EPC금형(44)을 제작하는 단계(S1)와,
    상기 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)사이에 중공 파이프(36)를 삽입하는 단계(S2)와,
    중공 파이프(36)가 삽입된 상기 상부 EPC금형(24)과 하부 EPC금형(44)을 합형한 다음에 비드 주입구(34)를 통해 PMMA(polymethylene methacrylate)비드를 투입하는 단계(S3)와,
    스팀 공급파이프(30, 50)를 통해 주입된 스팀에 의해 상기 PMMA비드를 팽창시켜 융착하여 PMMA모형(10a10d)을 성형하는 단계(S4)와,
    주형틀(60)내에 다수의 상기 PMMA모형(10a10d)을 설치한 다음 무점결사를 주입하는 단계(S5)와,
    탕구(64) 및 탕도(66, 70)를 통해 상기 주형틀(60)내에 설치된 PMMA모형(10a10d)에 용탕을 주입하는 단계(S6)와,
    상기 용탕 주입단계(S6)에서 성형된 캠 샤프트(10)의 캠(14)표면을 재용융처리하여 경화시키는 단계(S7)로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중공 파이프(36)는 두께가 약 1㎜이고, 외경이 1015㎜인 스테인레스 파이프인 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
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