KR20030025053A - 반 밀폐 냉간 단조와 3차원 개폐를 이용한 자동차용양두형 풀리의 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풀리(10)를 제조하는 방법에 있어서: 반 밀폐식 금형세트를 이용하여 1차 성형품(10′)을 생성하는 단계; 및 3차원 개폐식 금형세트를 이용하여 2차 성형품(10″)을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 반 밀폐식 금형세트는 스프링의 장력 조절 및 리미트 블록의 높이 조절을 통하여 풀리(10)의 외경의 사이즈와 내경쪽 충진율을 적절히 제어 가능하고, 상기 3차원 개폐식 금형세트는 분할된 인써트(11)가 홀더(12)와 연동하면서 하강시 모아지고 상승시 벌어져 풀리(10) 성형의 지지 및 취출 동작이 가능하다.

이에 따라, 메탈 플로우의 개선으로 인하여 인장강도, 내마모등의 기계적 성질이 향상되고, 높은 소재 수율과 제조 공법의 단순화로 대량 생산시에 생산성이 향상된다.

Description

반 밀폐 냉간 단조와 3차원 개폐를 이용한 자동차용 양두형 풀리의 성형 방법 {Method for Manufacturing Double-Headed Pulley of Motors by Using Flashless Forging and 3-D Ejection}

본 발명은 풀리의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용ADS(Accessory Drive System)을 구성하는 요소 중 필수적인 부품인 벨트 걸이용 양두 일체형 풀리를 냉간 단조공법을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

자동차 ADS 구성요소 중 풀리 특히 양두 일체형 풀리는 아이들(Idler) 풀리로 통용되고 있으며, 주 벨트(Main Belt)의 회전 접촉율을 증가시키고, 벨트의 이탈을 방지하여 주행시 정숙성 및 ADS 구성 부품의 수명 향상에 영향을 미친다.

양두 일체형 풀리를 제조하기 위한 종래의 기술을 살피면 크게 환봉 절삭 제조 방법 및 단두형 제품 용접 방법 등 2가지 형태의 제조 방법이 사용된다. 전자는 쾌삭재질의 강 환봉(還奉)을 충분한 절삭량을 덧붙인 크기로 절단하여 절삭 가공에 의존하여 생산하거나, 절삭량을 다소 줄인 단순한 중공(中空)형태의 열간 단조품을 절삭 가공하는 방법이다. 후자는 철판을 이용하여 블랭킹, 드로잉, 피어싱 공정을 거친 단두형 제품 2개를 Spot용접으로 붙인 후 부분적 절삭 가공을 하여 생산하는 방법이 있다.

전자의 환봉 절삭 제조 방법의 경우 환봉절단(Φ90) or 열간단조 → 내경 드릴링 → 1차 선삭가공 → 2차 선삭가공 → 3차 선삭가공으로 이루어지며 소재 수율은 10~30% 수준이며, 사용장비는 열간 단조기, 대형 CNC선반 등이다.

환봉절삭 제조 방법의 경우 Φ90 이상의 쾌삭 강재를 Band Saw를 이용하여 약 2Kg의 중량으로 절단한 후 절삭 가공에 의해 만들어진다. 최종 제품의 소재 중량이 200g임을 감안할 때 소재 수율은 10%에 불과하며 후 가공 또한 많은 절삭 여유와 다공정 투입으로 인해 생산성 및 경쟁력 측면에서 현저히 떨어진다. 특히 전용장비에서 생산시 개당 생산 시간은 15분 정도 소요되며 일일 생산량이 100개 정도로 자동차 부품의 소요량으로는 공급이 불가능하다. 소재 수율 또한 10%내외로 불필요한 소재의 손실(Loss)이 큰 편이다.

이러한 문제점으로 인해 자동차용 부품 생산 방법으로는 철판을 이용하여 만든 드로잉 제품 2개를 용접한 후 일부 가공하는 방법이 있다.

이와 같은 단두형 제품 용접 제조 방법의 경우는 철판 Shearing → Blanking → Drawing → Piercing의 공정을 거친 제품 2EA를 Spot 용접하여 이음한 후 정밀 공차 구간만 절삭 가공하는 방법으로 사용 장비는 200Ton 프레스, Sharing M/C, Spot 용접기, CNC선반 등이다.

두께 7mm 가량의 철판을 Shearing, Blanking, Drawing, Piercing을 거쳐 만든 단두형의 제품 2개를 Spot용접하고 최종 CNC선반에서 가공하여 완성한다. 품질면에서는 용접한 이음매가 외관으로 드러나기 때문에 벨트의 마모 심화에 영향을 줄수 있고 용접시 발생하는 상·하 Miss Match로 인하여 정숙 주행에 악영향을 미칠 수 있다. 내구성 또한 용접품이기 때문에 충격 및 용접 정도에 따라 분리 파손의 위험이 뒤따른다.

이는 소재 수율 또한 30% 내외로 손실(Loss)이 많은 편이며 프레스 공정 과다로 인하여 가격 경쟁력 면에서 뒤떨어진다.

그러므로 본 발명의 목적은 종래의 두가지 형태의 제조 방법으로는 해결하기 힘든 양두 형태의 제품을 냉간단조 공법을 적용하여 제조하는 목적으로서, 반밀폐 금형 세트와 3차원 개폐식 금형을 설계 및 제작하여 개발 단계 뿐 아니라 대량 생산체제 적용 가능토록 금형 수명 및 단조 공수 최소화를 도모하는 반 밀폐 냉간 단조와 3차원 개폐를 이용한 자동차용 양두형 풀리의 성형 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 풀리의 성형과정을 나타내는 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 풀리의 1차 성형공정을 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 풀리의 2차 성형공정을 나타내는 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 풀리의 완성공정을 나타내는 구성도,

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 2차 공정에 사용되는 금형의 주요부를 나타내는 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 풀리10′: 1차 성형품

10″: 2차 성형품11: 인써트

12: 홀더

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 풀리(10)를 제조하는 방법에 있어서: 반 밀폐식 금형세트를 이용하여 1차 성형품(10′)을 생성하는 단계; 및 3차원 개폐식 금형세트를 이용하여 2차 성형품(10″)을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 반 밀폐식 금형세트는 스프링의 장력 조절 및 리미트 블록의 높이 조절을 통하여 풀리(10)의 외경의 사이즈와 내경쪽 충진율을 적절히 제어 가능하다.

상기 3차원 개폐식 금형세트는 분할된 인써트(11)가 홀더(12)와 연동하면서 하강시 모아지고 상승시 벌어져 풀리(10) 성형의 지지 및 취출 동작이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 종래의 상하 왕복식 냉간 단조 금형 구조로는 양두 일체형상의 제품을 제조 할 수가 없어 반 밀폐 금형세트와 3차원 개폐방식을 이용한 금형 구조를 설계하여 기존 단조공법의 한계를 극복하고 원가절감, 정도 향상, 대량생산 체제 구축 등을 목표로 하는 신 냉간 단조 공법이라 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 풀리의 성형과정을 나타내는 예시도, 도 2는 본 발명에 따른 풀리의 1차 성형공정을 나타내는 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 풀리의 2차 성형공정을 나타내는 구성도, 도 4는 본 발명에 따른 풀리의 완성공정을 나타내는 구성도이다.

본 기술의 핵심은 반 밀폐식 금형 세트와 3차원 개폐식 금형세트의 설계와 제작에 있다.

도 2에서, 반 밀폐식 금형 세트는 냉간 단조 2회 완성 중 1차 단조시 사용되는 금형 세트이다. 1차 단조시 사용되는 반밀폐식 금형세트는 제품의 플랜지 외경의 크기와 내경쪽 스톱퍼의 충진율을 결정하는 중요한 요소이다.

상형 : 인써트, 멘드렐, 홀더

하형 : 인써트1, 인써트2, 이젝터 링, 카운터 펀치, 리미트 블록5, 장력조절 스프링5, 스프링 시트, 하형 홀더, 하형 클램프, 앤빌, 카운터 핀4, 블록1

위와 같은 구조로 이루어진 금형에 의해 양단면의 플랜지(양두)중 한쪽 단면의 플랜지를 성형하고 내경 스톱퍼 위치의 결육을 막아준다.

도 3 및 도 4에서, 3차원 개폐식 금형세트는 냉간 단조 2차 단조(완성)에 사용되는 금형 세트이다. 1차 단조에서 성형된 플랜지 반대쪽 단면의 플랜지를 성형하고 금형으로부터 취출될 수 있도록 설계된 3차원 개폐방식 구조이다.

상형 : 인써트, 홀더

하형 : 5-piece 인써트, 테이퍼 슬라이딩 홀더, 멘드렐, 이젝터 링, 카운터 펀치, 카운터 핀4, 블록1, 앤빌

이와 같이 본 발명은 상기한 2Set의 금형 세트에 의해 1차 단조, 2차 단조 완성의 공정이 수행된다.

본 발명의 핵심인 반 밀폐식 금형 세트를 이용한 냉간 단조 1차 프로세서와3차원 개폐식 금형세트를 이용한 냉간 단조 2차(완성) 프로세서의 메카니즘을 별도로 기술한다.

본 발명의 양두 일체형 풀리의 소재는 STKM11A 재질의 외경 Φ68.4, 두께 4t의 PIPE를 절단하여 사용한다. 단조 1차에서의 성형 범위는 파이프의 양쪽 절단면 중 한쪽 단면을 가압하여 Φ80의 플랜지를 만들고, 더 이상 플랜지 외경이 커지지 않는 상태로 유지하면서 내경쪽 돌기(베어링 스톱퍼) 성형을 시켜야 한다. 종래의 고정식 금형 구조에서는 내·외경의 치수가 관리되지 않는다. 즉 외경이 관리 치수보다 커지고 내경에 결육이 발생하거나, 외경이 작고 내경에 과부하가 걸려 금형의 파손이 발생하게 된다. 이를 제어하기 위해 스프링의 장력을 이용하여 내·외경 치수 정도를 정확히 유지시켜야 할 필요가 있다.

본 발명의 첫 번째 단계로, 단조 프레스에서 가압시 1차 성형품(10′)이 생성되는 현상을 단계적으로 나타내면

- 상형이 하강하면서 소재(PIPE 절단품)의 위쪽 단면의 플랜지를 먼저 성형시킨다. 이때는 스프링의 장력보다 성형 하중이 적으므로 스프링은 변형되지 않는다.

- 플랜지 외경이 Φ80으로 성형이 되면 이때부터는 성형 하중이 스프링의 장력보다 커지므로 Φ80은 유지되면서 스프링이 작동되어 하형 인써트는 유동하기 시작한다.

- 즉 먼저 성형된 플랜지는 Φ80로 유지되면서 내경부 돌기부(베어링 스톱퍼)는 살이 차기 시작한다.

- 내경 돌기부가 Φ54로 완전히 살이 차고 나면 스프링 장력에 의해 지지되며 유동하던 인써트는 리미트 블록에 닿게 되고 이점이 단조 행정중의 하사점이라 할 수 있다.

- 하사점을 지나 상형이 위로 상승하면서 하형 인써트는 스프링의 반발력에 의해 위로 유동되어 원 위치로 돌아간다.

- 금형과 접촉되어 있던 단조 1차 제품은 이젝터 링에 의해 금형으로부터 분리된다.

본 발명의 두 번째 단계로, 냉간 단조 2차에서 3차원 개폐식 금형세트를 이용하여 2차 성형품(10″)을 완성한다.

전술한 바와 같이 단조 1차 공정에서 만들어진 공정품은 단조 2차 공정을 거쳐 완성된다. 단조 1차 공정에서 성형된 플랜지의 반대쪽 단면의 플랜지를 성형하는 공정이다. 기존의 수직 왕복식의 금형 구조로는 성형 불가능한 이유로는

첫째, 단조 1차에서 성형된 한쪽 플랜지의 외경(Φ80)이 금형의 소재 투입구(Φ69)보다 크기 때문에 금형에 재료 투입이 곤란하다.

둘째, 단조 2차 형상으로 성형이 완료되더라도 금형 내부쪽의 플랜지 외경(Φ80)이 금형 인써트(11)의 내경(Φ69)보다 크기 때문에 금형 밖으로 제품 취출이 곤란하다.

이러한 이유로 인하여 기존의 수직 왕복식 금형 구조를 개선하여 금형 인써트(11)를 다섯조각으로 분할하여 15°각도의 사선방향으로 움직이며 단조 성형하고, 제품 취출할 수 있도록 설계한다.

도 3 및 도 4에서 부호 12는 홀더, 13은 멘드렐, 14는 이젝터 링, 15는 카운터 펀치, 16은 카운터 핀, 17은 블록, 18은 앤빌을 나타낸다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 2차 공정에 사용되는 금형의 주요부를 나타내는 구성도가 도시된다.

본 기술의 핵심은 다섯 조각의 금형 인써트(11)가 15°각도의 테이퍼로 가공되어진 금형 홀더(12)의 내측 슬라이딩 면을 타고 상하로 움직이면, 이젝터 핀에 의해 위로 올라 왔을 때는 인써트(11)의 입구가 Φ90으로 벌어지고 단조 행정에 의해 하사점 방향으로 내려 왔을 때는 다시 원위치 상태 Φ69로 줄어드는 원리를 이용한다. 이때 금형 인써트(11)의 벌어지는 량은 이젝터 핀의 길이로써 조절이 가능하다.

만일 이젝터 길이가 40mm로서 작동되면 벌어진 입구내경 Φ

벌어진 입구내경(φ) = 69 + 2 X (Tan15°X 40) = φ90.4

관계식에 의해 구해진 Φ90.4로 벌어진 금형의 소재 투입구에 Φ80의 단조 1차 제공품의 투입이 가능해지며 또한 단조 2차 성형 후 제품의 취출도 가능해 진다.

단조 2차 공정에서 발생되는 현상을 단계별로 나타내면

- 금형 홀더(12) 슬라이드의 상사점에 정지되어 입구가 Φ90.4로 벌어진 소재 투입구에 1차 단조 제품의 Φ80부위가 밑으로 내려가도록 하여 투입한다.

- 상형이 단조 행정에 의해 내려와 소재에 닿기 시작하고, 하사점 방향으로 더 하강하면 분할된 5 조각의 인써트(11)는 홀더(12) 내측 슬라이딩 면을 타고 15°방향으로 내려오며 줄어들기 시작한다.

- 상형이 하사점 직전까지 하강했을 때 인써트(11) 조각은 완전히 줄어들어 Φ69로 되고 금형 홀더(12)에 간섭을 받아 더 이상 움직이지 않는다.

- 상형이 하사점에 도달했을 때 남은 한쪽면의 플랜지가 Φ80으로 성형 완료된다.

- 단조 행정에 의하여 상형이 먼저 위로 올라가고 이젝터 핀과 링에 의해 금형 인써트(11) 또한 상승하기 시작한다.

- 금형 홀더(12)의 15°슬라이딩 면을 타고 상승하면서 인써트(11)의 5조각은 벌어지고 상사점에 도달하면 ψ90.4로 완전히 벌어진다.

- 이때 단조 완성품은 벌어진 입구를 통해 밖으로 취출되고 이젝터 핀이 원위치로 내려가더라도 금형 인써트(11)는 볼 플랜저에 의해 벌어진 상태로 유지하게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명을 적용했을 때 크게 세가지 면에서 유용하다고 할 수 있다.

첫째, 열간 단조품이나 절삭 가공품에 비하여 냉간 단조품의 장점인 내구성의 향상을 들 수 있다. 메탈 플로우의 개선으로 인하여 인장강도, 내마모등의 기계적 성질이 향상된다.

둘째, 소재 수율 60% 이상, 제조 공법 단순화, 후 가공량 최소화 등으로 인해 제조원가를 50%이상 낮출 수 있고 대량 생산 체제 구축이 가능해 진다. 개당 생산 속도는 라인당 500EA/1h 정도이며 전 제조 공정의 자동 라인화가 가능해 진다.

셋째, 본 기술 내용에서 언급한 자동차용 풀리 이외의 유사 형태 제품의 냉간 단조 제조가 가능하여 적용 범위가 매우 넓다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

1. 풀리(10)를 제조하는 방법에 있어서:

   반 밀폐식 금형세트를 이용하여 1차 성형품(10′)을 생성하는 단계; 및

   3차원 개폐식 금형세트를 이용하여 2차 성형품(10″)을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반 밀폐 냉간 단조와 3차원 개폐를 이용한 자동차용 양두형 풀리의 성형 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반 밀폐식 금형세트는 스프링의 장력 조절 및 리미트 블록의 높이 조절을 통하여 풀리(10)의 외경의 사이즈와 내경쪽 충진율을 적절히 제어 가능한 것을 특징으로 하는 반 밀폐 냉간 단조와 3차원 개폐를 이용한 자동차용 양두형 풀리의 성형 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 3차원 개폐식 금형세트는 분할된 인써트(11)가 홀더(12)와 연동하면서 하강시 모아지고 상승시 벌어져 풀리(10) 성형의 지지 및 취출 동작이 가능한 것을 특징으로 하는 반 밀폐 냉간 단조와 3차원 개폐를 이용한 자동차용 양두형 풀리의 성형 방법.