KR20040029296A - 가공물의 파단 분리용 장치 및 방법 - Google Patents

가공물의 파단 분리용 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 가공물 파단부를 분리하기 위한 장치는 파단 분리용 베어링 보어 내에 삽입되고 파단부를 분리하는 힘을 가하기 위해 반경 방향으로 연장될 수 있는 스프레더 맨드릴, 및 상기 베어링 보어에 진동을 발생시키기 위해 상기 파단부를 분리하는 힘과 동시 또는 먼저 교호하는 동적 힘을 상기 스프레더 맨드릴에 가할 수 있는 진동 수단을 포함한다.

Description

가공물의 파단 분리용 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR FRACTURE-SEPARATING WORKPIECES}
가공물의 파단 분리는 예를 들어 분할 베어링 보어의 제조에 이용된다. 이러한 공정에서, 베어링 보어의 내주면에는 축 방향의 노치가 대향된 형태를 갖는 2개의 소정의 파단부가 형성된다. 파단 분리를 위한 힘을 가함으로써 베어링 보어는 소정의 파단부에서 베어링 캡 및 베어링 베이스로 분리된다.
파단 분리의 장점은 베어링 캡과 베어링 베이스 사이의 파단 분리면에 소형 및 대형 덴티큘레이션(denticulation)을 형성하여 끼워맞춤 조립을 정확하게 할 수 있도록 함으로써 복잡한 후속 공정 단계를 피하도록 하는 것이다.
소정의 파단부 형성은 일반적으로 기계적 브로칭(broaching) 공정 또는 레이저 에너지에 의해 이루어진다.
파단 분리에서의 단점은 고강도 소재의 경우에는 파단부의 분리를 위해 강한 힘이 가해져야 한다는 것이다. 그러나 베어링 보어가 상기 소정의 파단부와 직각으로 작용하는 사전 응력(pre-stress)을 미리 받는 동시에 상기 베어링 보어가 바람직하게 조화 진동(harmonic oscillation)을 받으면 파단 분리를 위한 힘이 감소될 수 있다. 소정의 파단부에서의 가공물의 명백한 피로에 의해 소정의 파단부의 바닥으로부터 깊이 방향으로 전파되는 균열이 형성되므로, 이에 따라 파단부의 분리를 위해 가해지는 힘이 감소될 수 있다.
가공물, 바람직하게는 커넥팅 로드의 파단 분리를 위한 상기 공정은 CA 2,287,140에 공지되어 있다. 커넥팅 로드는 가공물 조(jaw)의 접촉에 의해 외측면 상에 유지되고, 소정의 파단부와 직각으로 사전 응력을 가하는 힘은 제2 고정 툴 조에 대하여 베어링 보어의 내주면 상에 대향하여 배열되는 이동식 툴 조에 의해 소정의 베어링 캡에 가해진다. 소정의 파단부와 평행하게 사전 응력을 가하는 제2의 힘은 파단 분리 평면의 2개의 접촉면을 통해 생성된다. 그리고 이러한 접촉은 각각 반대 방향으로의 교호 이동을 일으켜서 2개의 조화력이 가해지도록 한다.
그 결과, 각각의 소정의 파단부의 바닥에는 차례로 전파되는 각각의 균열이 형성된다. 최종적으로, 이동식 가공물 조에 의해 동적 강제 펄스(dynamic force pulse)가 가해져서 베어링 캡이 분리된다.
이러한 공정에서는 파단 분리를 위한 힘이 파단 분리 평면과 평행한 사전 응력이나 진동을 가하기 위한 조화력이 아닌 다른 수단에 의해 가해진다는 것이다. 이로 인해 다수의 수단이 필요하여 장치의 구조가 복잡해진다.
본 발명의 목적은 가공물의 파단 분리용 장치 및 상기 단점을 제거한 방법을 제공함으로써 본질적으로 단순화되고 경제적인 장치 및 방법이 되도록 하는 것이다.
본 발명은 청구범위 제1항에 따른 가공물의 파단 분리용 장치, 및 제8항에 따른 가공물의 파단 분리용 방법에 관한 것이다.
도 1은 가공물의 파단부를 분리하기 위한 장치에서 커넥팅 로드의 바람직한 배열을 나타내는 도면이다.
도 2는 베어링 보어 내에 삽입된 스프레더 맨드릴을 구비한 커넥팅 로드를 나타내는 평면도이다.
도 3은 커넥팅 로드의 베어링 보어 내에 삽입된 바람직한 스프레더 맨드릴을 나타내는 평면도이다.
상기 목적은 청구범위 제1항의 특징을 갖는 장치 및 제8항의 특징을 갖는 방법을 통해 달성된다.
가공물의 파단부를 분리하기 위한 본 발명의 장치는 진동을 발생하기 위한 교호 동적 힘(alternating dynamic force) 및 베어링 보어 내에 축 방향으로 삽입되는 스프레더 맨드릴에 의한 파단 분리를 위한 힘 모두를 가하도록 한다.
스프레더 맨드릴은 최소한 하나의 스프레더 조를 통해 반경 방향으로 이동 가능하고 외부 진동 수단과 연결된다. 상기 최소한 하나의 스프레더 조는 진동 수단에 의해 반경 방향으로 교호 이동하여 베어링 보어 상에 소정의 파단면과 직경 방향 및 직각 방향으로 정적 사전 응력뿐 아니라 동적 힘을 가함으로써, 노치 바닥의 영역에 동적 변형을 일으킨다. 그 결과, 노치 영역에 피로 파괴가 일어나서, 파단부의 분리에 요구되는 힘은 매우 작다.
바람직한 실시예의 장점은 진동 발생을 포함한 파단 분리에 필요한 모든 힘은 하나의 수단, 즉 스프레더 맨드릴에 의해 가해진다는 것이다. 그러므로 단지 하나의 작용 수단만을 사용할 수 있어서 보다 콤팩트한 설계의 일체형 파단 분리 장치가 가능하고, 이러한 기계의 제조 비용을 경감할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 가공물, 예를 들면 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트 케이스의 베어링 보어의 파단 분리에서는, 동적 힘이 파단부의 분리를 위한 힘보다 우선하거나 동적 힘과 파단 분리를 위한 힘이 동시에 가해지도록 선택적으로 진동 수단이 구동된다. 여기서 스프레더 맨드릴은 소정의 베어링 캡이 분리되도록 베어링보어 내에 삽입된다.
동적 힘을 생성하기 위한 진동 장치의 구동은 전기동력학적(electrodynamic), 전기유체역학적(electrohydraulic), 압전(piezoelectric), 및 전자기학적(electromagnetic) 구동 수단을 통해 이루어질 수 있다. 본 명세서에서는 가해진 진동의 진동수가 가공물의 고유 진동수보다 바람직하게 작다.
일 실시예에 따르면, 스프레더 맨드릴은 하나의 고정된 스프레더 조 및 하나의 반경 방향으로 이동 가능한 스프레더 조를 포함하며, 상기 이동 가능한 스프레더 조는 쐐기 또는 다른 제어 표면에 의해 동작된다. 그러나 스프레더 맨드릴은 반경 방향으로 조정 가능한 복수의 스프레더 조를 포함할 수도 있다.
파단면이 서로 비스듬하게 연장하는 것을 방지하기 위해서는 스프레더 조가 파단 분리 평면을 미리 설정하는 노치의 영역에서만 효력을 나타내는 스프레더 맨드릴을 사용하는 것이 유리하다.
추가의 바람직한 실시예는 청구범위 종속항에 기재된 것과 관련된다.
바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 가공물의 파단부를 분리하기 위한 장치(4)에서의 커넥팅 로드(2)의 배열을 나타낸다. 커넥팅 로드(2)에는 2개의 대향하는 노치 또는 내주면(8)에서 축 방향으로 연장하는 소정의 파단부(10)를 구비한 베어링 보어(6)가 제공되어, 베어링 보어(6)는 파단부가 분리되는 동안에 베어링 베이스(12) 및 베어링 캡(14)으로 분할된다. 고정식 스프레더 조(18) 및 이동식 스프레더 조(20)를 갖는 스프레더 맨드릴(16)은 베어링 보어(6) 내에 축 방향으로 삽입된다. 이동식 스프레더 조(20)는 2개의 스프레더 조(18, 20) 사이에 축 방향으로 놓일 수 있고 제어 표면으로서 작용하는 쐐기(22)에 의해 반경 방향으로 이동될 수 있다. 스프레더 조(18, 20)는 파단부를 분리하는 힘 FB가 소정의 파단부(10)에 직각으로 가해지도록 베어링 보어(6) 내에 위치되어 파단부가 분리되는 단계에서 베어링 캡(14)이 균열되어 떨어진다. 즉, 고정 스프레더 조(18)는 베어링 베이스(12)와 접촉하고, 이동 스프레더 조(20)는 베어링 캡(14)과 접촉한다. 파단부가 분리되는 동안에 소성 변형 및 강력한 탄성 변형을 방지하기 위해서, 베어링 캡(14)은 파단부를 분리하는 힘 FB와 직교하는 방향의 카운터 부재(24)에 의해 지지된다. 쐐기(22)는 진동 수단(26)을 통해 구동되고 축 방향으로 변위되어, 이동식 스프레더 조(20)는 반경 방향으로 변위 가능하게 된다. 구동은 전기동력학적, 전기유체역학적, 압전, 및 전자기학적 구동 수단을 통해 이루어질 수 있다.
그러나 반경 방향으로 이동 가능한 콘(cone)에 의해 반경 방향으로 이동 가능한 복수의 스프레더 조를 갖는 스프레더 맨드릴의 사용 또한 고려될 수 있다.
또한 유압에 의해 스프레더 조가 반경 방향으로 이동 가능한 스프레더 맨드릴의 사용을 고려할 수 있다.
도 2는 베어링 보어(6) 내에 삽입된 스프레더 맨드릴(16)을 구비한 커넥팅 로드(2)의 평면도이다. 여기서 정적 사전 응력을 가하는 힘 FV, 진동을 발생시키기 위한 동적 힘 FD, 및 파단부를 분리하는 펄스형의 힘 FB는 스프레더 맨드릴(16)에 의해 가해진다. 이들 힘 모두는 내측으로부터 반경 방향으로 베어링 캡(14)에 가해지고, 파단 분리 평면(28)에 직각으로 가해지며, 이들은 서로 동시에 가해지고, 파단부를 분리하는 힘 FB는 선택적으로 나중에 가해질 수도 있다.
소정의 파단부(10)에서 보다 신속하고 효과적인 파단부의 분리가 일어나도록 사전 응력을 가하는 힘 FV를 동적 힘 FD와 동시에 가함으로써, 파단부를 분리하는 힘 FB은 종래의 방법에 비해 감소된다. 교호하는 동적 힘 FD의 진동이 사전 응력을 가하는 힘 FV와 함께 가해짐으로써, 소정의 파단부(10)의 바닥(30)에는 반경 방향으로 연장하는 균열이 형성된다. 가공물의 소재 특성을 떠나, 균열의 전파는 가해지는 진동의 진동수 및 사전 응력을 가하는 힘 FV의 크기에 좌우된다. 준 정적 범위의 진동수, 즉 클램프된 커넥팅 로드의 고유 진동수 근처에서 균열의 전파가 양호한 공진 조건이 형성되는 것을 확인하였다. 여기서, 균열의 선단(34)에서의 소성 범위는 균열의 크기에 비해 작다는 것에 유의하여야 한다.
파단부를 분리하는 힘 FB는 사전 응력을 가하는 힘 FV 및 동적 힘 FD에 따라축 방향으로 변위하는 쐐기를 통해 가해진다. 사전 응력을 가하는 힘이 파단부를 분리하는 펄스 방식의 힘으로 지속되기 때문에, 파단부를 분리하는 힘은 사전 응력을 가하는 힘의 최대값으로 고려될 수 있다. 파단부를 분리하는 힘은 진동 발생을 위한 동적 힘 FD와 동시에 가해지거나 나중에 가해진다. 파단부를 분리하는 힘 FB의 크기는 소재의 특성 및 이미 전파된 균열(32)에 따라 선택된다.
도 3은 커넥팅 로드(2)의 베어링 보어(6) 내에 삽입된 바람직한 스프레더 맨드릴(16)의 평면도이다. 이러한 스프레더 맨드릴(16)의 경우에, 스프레더 조(18, 20)는 소정의 파단부(노치)(10) 영역에 접촉하도록 형성되는 한편, 중간 영역에서는 가공물과 스프레더 조(18, 20) 사이에 공동(38)이 형성된다. 즉, 스프레더 맨드릴은 필수적으로 노치(10)의 영역에서만 가공물과 접촉하고, 중간 영역에서는 후퇴되어 있다. 이러한 공동(38)은 소정의 파단부(10) 근처에서 베어링 캡(14)이 FB, FD, FV의 힘을 받도록 하는 효과를 가져서 베어링 캡(14)의 탄성 변형으로 인한 "흔들림(swinging away)"이 방지되도록 한다. 상당히 감소된 탄성 변형에 따라, 압도적인 FB, FD, FV의 힘이 파단 분리 평면(28)과 직각으로 가해져서 파단면(40)이 파단 분리 평면(28)에서 형성되도록 한다.
힘이 가해지는 위치를 의도적으로 선택함으로써, 파단면(40)은 소정의 파단 분리 평면(28)에 비스듬하게 형성되지 않아서, 서로 비스듬하게 되지 않고 파단 분리 평면(28)과 정렬을 이룬다. 그러므로 베어링 보어(6)의 조립 중이나 조립 후에 고정 작업이 불필요하게 되어, 후속 작업에 특히 유리한 효과를 갖는다.
가공물의 파단부를 분리하는 바람직한 방법은 내주면 상에 대향하여 축 방향으로 연장하는 베어링 보어 상의 2개의 소정의 파단부를 제공하여 베어링 베이스 및 베어링 캡이 미리 정해지도록 하기 위한 것이다. 이러한 작업은 기계적 브로칭(broaching) 공정 및 레이저 에너지 모두를 통해 이루어질 수 있다. 베어링 보어 내에는 스프레더 맨드릴이 삽입되며, 스프레더 조를 구비한 상기 스프레더 맨드릴은 반경 방향의 파단 분리 평면에 파단 분리를 위한 힘을 가함으로써 베어링 캡이 떨어져 나가도록 정렬된다. 스프레더 맨드릴은 베어링 보어 상에 사전 응력을 가하는 힘을 동적 힘과 동시에 가함으로써 소정의 파단부 영역이 피로에 의해 파괴되도록 구동된다. 상기 동적 힘의 진동수는 커넥팅 로드의 시스템의 고유 진동수보다 약간 낮은 것이 바람직하다. 그 후, 파단부를 분리하는 힘이 가해져서 베어링 보어를 베어링 베이스 및 베어링 캡으로 분할한다. 파단부를 분리하는 힘은 선택적으로 동적 힘과 동시에 가해지거나 나중에 가해질 수 있다.
사전 스트레스를 가하는 힘은 감소하는 힘, 일정한 힘, 및 증가하는 힘으로 설정될 수 있다. 감소하는 힘은 균열의 전파를 지속하면서 응력을 가하는 힘이 감소되는 것을 의미하고, 일정한 힘은 균열의 전파와 관계없이 사전 응력을 가하는 힘이 소정의 크기로 유지되는 것을 의미하며, 증가하는 힘은 균열의 전파를 지속하면서 사전 응력을 가하는 힘이 증가되는 것을 의미한다.
본 발명의 가공물 파단부를 분리하기 위한 장치는 파단 분리용 베어링 보어 내에 삽입되고 파단부를 분리하는 힘을 가하기 위해 반경 방향으로 연장될 수 있는 스프레더 맨드릴, 및 상기 베어링 보어에 진동을 발생시키기 위해 상기 파단부를 분리하는 힘과 동시 또는 먼저 교호하는 동적 힘을 상기 스프레더 맨드릴에 가할수 있는 진동 수단을 포함한다.
참조 부호 색인
2커넥팅 로드
4가공물의 파단부를 분리하기 위한 장치
6베어링 보어
8내주면
10소정의 파단부
12베어링 베이스
14베어링 캡
16스프레더 맨드릴
18고정식 스프레더 조
20이동식 스프레더 조
22쐐기
24카운터 부재
26진동 수단
28파단 분리 평면
30소정의 파단부 바닥
32균열
34균열의 선단
36지지면
38공동
40파단면

Claims (10)

  1. 파단 분리를 위한 베어링 보어(6) 내에 삽입될 수 있고, 반경 방향으로 파단 분리를 위한 힘을 가하기 위해 확장될 수 있는 스프레더 맨드릴(16)을 포함하는 가공물의 파단 분리용 장치로서,
    진동 수단(26)을 포함하고, 상기 진동 수단(26)은 상기 베어링 보어(6)에 진동을 발생시키도록 상기 스프레더 맨드릴(16)에 교호하는 동적 힘(alternating dynamic force)을 가할 수 있고, 상기 교호하는 동적 힘은 상기 파단 분리를 위한 힘과 동시에 가해지거나 또는 앞서 가해지도록 설정되는 파단 분리용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동 수단(26)은 클램프된 상기 가공물의 고유 진동수보다 낮은 진동수를 갖는 동적 힘이 상기 가공물에 가해지도록 형성되는 파단 분리용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 진동 수단(26)은 상기 스프레더 맨드릴(16)을 구동하기 위해 전기동력학적(electrodynamic) 부재, 전기유체역학적(electrohydraulic) 부재, 압전(piezoelectric) 부재, 및 전자기학적(electromagnetic) 부재를 포함하는 파단 분리용 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프레더 맨드릴(16)은 고정식 스프레더 조(jaw)(18) 및 이동식 스프레더 조(20)를 포함하고, 상기 이동식 스프레더 조(20)는 쐐기(22) 또는 소정의 다른 제어 표면에 의해 동작되는 파단 분리용 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프레더 맨드릴(16)은 반경 방향으로 이동 가능한 복수의 스프레더 조(20)를 포함하는 파단 분리용 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 스프레더 맨드릴(16)은 상기 파단 평면의 영역에서 상기 가공물(2)과 접촉하고, 상기 가공물의 인접한 내주 측부로부터 중간 영역이 이격되는 파단 분리용 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공물은 커넥팅 로드(4) 또는 크랭크샤프트 케이스인 파단 분리용 장치.
  8. 가공물의 베어링 보어(6)에 파단 분리 평면을 미리 결정하기 위해 2개의 소정 파단부(10)를 형성하는 단계,
    상기 노치가 형성된 베어링 보어(6) 내에 스프레더 맨드릴(16)을 삽입하는 단계, 및
    상기 스프레더 맨드릴(16)을 반경 방향으로 확장함으로써 파단부를 분리하는 힘을 가하여 상기 가공물을 파단 분리하는 단계
    를 포함하는 가공물의 파단 분리용 방법으로서,
    상기 스프레더 맨드릴의 확장 움직임은 파단부를 분리하는 힘을 가하는 동안 또는 그 전에, 상기 소정의 파단부(10) 범위 내에서 피로 파괴를 일으키는 최소한의 교호하는 동적 힘이 상기 가공물에 가해지도록 제어되는 파단 분리용 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 동적 힘의 진동수는 상기 가공물의 고유 진동수보다 낮은 파단 분리용 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 노치는 기계적 브로칭(broaching)법 또는 레이저 에너지에 의해 형성되는 파단 분리용 방법.
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