KR20010096047A - 고강성 중공캠샤프트의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브를 이용하여 고강성(High Stiffness)을 달성할 수 있는 것과 동시에 무게를 가볍게 할 수 있는 내부가 빈 캠샤프트(Hollow Cam Shaft)의 제조법에 관한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 캠샤프트(Cam Shaft) 요소 중 샤프트를 구성하는 튜브(Tube)를 기존의 방법에 의해 미리 제작된 캠(Cam) 및 베어링저널(Bearing Journal)속으로 삽입한 다음 금형내부의 빈 공간으로 튜브를 확관(Expanding)함으로써 튜브가 캠 및 베어링저널과 단단하게 결속되고 확관된 튜브는 소성변형(Plastic Deformation)에 의해 가공경화(Work Hardening)됨으로써 강성(Stiffness)이 높아지는 원리로 구성된다.

상기의 원리에 의해 대폭적인 경량화 달성이 가능할 뿐 아니라 동시에 고강성(High Stiffness)을 실현할 수 있으며 원소재의 치수 부정확을 성형 후 제거할 수 있게 된다.

Description

고강성 중공캠샤프트의 제작 방법{Method of Producing High Stiffness Hollow Cam Shaft}

본 발명은 튜브(tube)를 사용한 중공캠샤프트(hollow cam shaft)의 제조법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 샤프트(shaft)를 구성하기 위한 튜브를 기존의 방법에 의해 미리 제작된 캠(cam) 및 베어링저널(bearing journal)내부로 삽입한 다음 금형내부의 빈 공간으로 튜브를 확관(expanding)함으로써 캠샤프트(cam shaft)를 제작하는 방법에 관한 것이다.

종래에는 주로 주조(casting) 또는 단조(forging)로 캠, 베어링저널 및 샤프트가 일체로 제작된 다음 절삭공정 및 캠부의 표면경화 열처리를 하고 난 후 사상공정을 거쳐 완제품으로 제조하였다. 또한 근래에는 기술이 발전하여 캠 및 베어링저널을 금속분말(metal powder)을 이용하여 예비성형체(preform)을 만든 다음 이것을 금형에 위치시킨 다음 튜브를 캠 및 베어링저널 내부로 삽입한 후 고온의 가열로에서 소결(sintering)을 함으로써 중공 캠샤프트를 제조하는 원리로 이루어져 있다.

그러나 주조 및 단조법으로 캠샤프트를 제작하게 되면 중량이 크기 때문에 차량의 중량을 감소시켜 일정거리를 달리는데 소비되는 연료소모량을 줄이려는 근래의 엔진개발 개념에 위배될 뿐 아니라 엔진의 응답성 등 동특성 개선을 할 수 없게 된다. 소결법에서는 주지하는 대로 원료분말의 가격이 높을 뿐 아니라 소결공정이 복잡하기 때문에 부품의 제조가격이 높게 되고 또한 튜브의 원래상태로 완제품이 되기 때문에 캠샤프트가 요구하는 고강성(high stiffness)을 달성하기 위해서는 벽두께가 두꺼운 튜브를 사용하거나 고강도(high strength)의 소재를 사용해야 함으로써 가격상승의 원인이 된다.

따라서 종래의 방법에서는 경량화를 달성하기가 어려울 뿐 아니라 비교적 낮은 비용으로 중공캠샤프트(hollow cam shaft)를 제조하기는 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 캠은 기존의 방법인 주조,단조 또는 소결 등의 방법으로 제작하고 샤프트는 튜브재를 이용하여 캠샤프트를 제작함으로써 경량화를 통한 엔진의 동특성을 기존제품에 비해 크게 향상시킬 수 있고 비교적 낮은 가격으로 캠샤프트를 제작함에 그 목적이 있다.

도 1는 본 발명에 의해 제조된 중공캠샤프트의 외관도

도 2는 본 발명에 따른 하부금형에 캠, 베어링저널을 위치시키고 이들 사이로 튜브를 삽입한 상태의 단면도

도 3은 본 발명에 따른 성형이 완료된 캠샤프트의 단면도

도 4, 도 5, 도 6은 본 발명에 따른 도 3의 단면 A-A, B-B 및 C-C를 따른 단면도

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 캠샤프트 제작법은 캠샤프트의 완제품 형상대로 제작된 상.하형의 금형속에 기존의 방법대로 제작된 캠(Cam) 및 베어링저널(Bearing Journal)을 넣은 후 튜브를 캠속으로 삽입한 다음 튜브속에 유체에 고압을 가함으로써 튜브를 확관하는 공정으로 이루어져 있다

이하 본 발명에 의한 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따라 제작된 캠샤프트의 외관을 나타낸 것이다. 속이 빈 튜브(1)의 길이방향에 대해 일정한 간격으로 배열된 캠(2) 및 실린더헤더(cylinder head)에 부착되어 마찰방지 및 균형(balancing)을 위한 베어링저널(3)로 구성되어 있다. 캠(2)은 샤프트의 길이방향에 대해서 미리 정해진 위치에서 샤프트와 결속되며 또한 밸브축과 닿는 캠 역시 각각 미리 정해진 방향으로 배열되어 조립된다.

도 2는 액압을 통하여 완제품 형태로 만들기 전의 금형내에 놓여 있는 캠(2), 베어링저널(3) 및 튜브(1)의 단면을 나타낸 것이다. 먼저 하부금형(5) 위에캠(2) 및 베어링저널(3)을 위치시킨 다음 튜브(1)를 캠 및 베어링저널의 구멍속으로 삽입한 다음 상부금형을 닫게 된다. 이때 그림에서 표시한 대로 금형, 캠 및 베어링저널의 내경과 튜브의 외경은 간격(5)을 가지고 위치해야 한다. 이것은 유체에 의해 튜브가 팽창될 때 캠 및 베어링저널부에 있는 튜브뿐만 아니라 다른 위치에 있는 튜브도 팽창되도록 하기 위한 것이다. 즉 튜브의 모든 부위가 소성변형됨으로써 캠샤프트의 강성(stiffness)을 높여주기 위한 것 등 다음에서 설명할 여러 가지 목적을 위한 것이다. 캠 및 베어링저널이 놓이는 위치에서의 튜브는 이들과의 단단한 결합을 위해서 이들이 놓이지 않는 다른 위치에 비해 확관이 많이 되도록 금형의 내부공간 직경에 비해 캠 및 베어링저널의 내경을 크게 하였다.

도 3은 튜브의 양단을 실링(sealing)한 후 유체의 압력을 높여 튜브를 확관하여 성형이 완료된 캠샤프트의 단면을 나타낸 그림으로 확관에 의하여 캠, 베어링저널과 튜브가 서로 단단하게 결합되어 있는 것을 나타내었다. 즉 캠 및 베어링저널이 놓이는 위치뿐만 아니라 나머지 부분도 소성변형(plastic deformation)되어 소재의 강도(strength)가 높아짐으로써 캠샤프트가 요구하는 고강성(high stiffness)을 실현할 수 있다. 유체에 가하는 압력은 튜브는 소성변형이 일어나 확관이 되고 외부에 위치한 캠 및 베어링저널은 탄성범위에서 결합이 되도록 조절하여야 한다.

도 4, 5, 6은 도 3의 A-A, B-B, C-C단면을 따른 단면도이다. 도 4와 6에서 캠,베어링저널과 내부 튜브와의 결합부가 실제 작동 시 미끄러짐을 방지하기 위하여 단면이 6각형으로 되어 있으나 이것은 쐐기모양, 요철모양 등 여러 가지로 할수 있다.

이렇게 해서 제작된 캠샤프트는 캠 및 베어링저널의 표면부의 사상가공 및 표면경화 공정을 거쳐 완제품으로 제조 된다.

이상에서 기술한 본 발명에 의해 의해 제작된 캠샤프트는 속이 비어 있기 때문에 기존의 주조 및 단조에 의해 제작된 경우의 내부가 채워진 샤프트에 비해서 대폭적인 경량화 달성(20% 이상)이 가능하다. 또한 기존의 소결법에서 경량화 달성은 가능하지만 높은 원가의 원료분말로 인해 제품 단가가 높을 뿐 아니라 공정이 매우 복잡함에 비해 본 발명에서는 비교적 간단한 튜브확관공정만으로 제조하기 때문에 낮은 가격으로 경량화의 목적을 달성할 수 있으며 소결법에서는 샤프트의 강성확보를 위해 본 발명에 비해 두꺼운 튜브를 사용하거나 고강도의 재질을 사용해야 하지만 본 발명에서는 일반적으로 사용되는 재질인 기계구조용 강관(예, STKM 11A 등)을 사용하여 전 부위를 확관함으로써 강도를 높일 수 있다. 따라서 저급의 재질을 사용해도 부품이 요구하는 강성을 확보할 수 있게 된다. 또한 튜브전체를 확관함으로써 성형전에 존재하는 튜브소재의 치수 부정확을 제거할 수 있다.

Claims (1)

1. 고강성의 중공캠샤프트의 제작방법에 있어서 구멍이 튜브의 외경에 비해 크도록 미리 제작된 캠 및 베어링저널을 하부금형에 위치시킨 다음 이들사이로 튜브를 삽입한 후 상부금형을 닫고 튜브속의 유체에 압력을 가하여 튜브를 확관시킴으로써 캠, 저널과 튜브를 결합시켜 고강성의 캠샤프트를 제작하는 방법.