KR20090071684A - 볼 조인트 일체형 너클 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 볼 조인트의 제작 공정을 간소화할 수 있는 볼 조인트와 일체로 제작되는 너클 및 그 제조방법에 관한 것으로, 알루미늄 합금으로 볼 조인트 소켓의 예비 성형체를 주조공정으로 제작하는 단계, 상기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 가열하는 단계, 가열된 상기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 단조 가공하는 단계, 단조 가공된 상기 볼 조인트의 소켓 부분을 볼 조인트 일체형 너클의 주조틀 안에 넣고 용융 스틸재를 상기 주조틀 안에 넣어 볼 조인트 일체형 너클을 주조하는 단계를 포함하는 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 볼 조인트 소켓은 알루미늄 합금으로 구성되어 코킹부의 연신율이 20%~40% 이며, 스틸재로 구성된 너클의 연신율은 5%~10% 이므로, 코킹이 용이하며 코킹부의 갈라짐 현상을 제거할 수 있고, 너클의 강성 및 안정성을 확보할 수 있다.
볼 조인트 일체형 너클, 금형 단조, 저압 주조, 연신율

Description

볼 조인트 일체형 너클 및 그의 제조방법{A knuckle with a ball joint socket and manufacturing method thereof}
본 발명은 자동차의 조향장치로 사용되는 볼 조인트와 볼 조인트가 조립되는 너클 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 자동차용 볼 조인트의 제작 공정을 간소화할 수 있는 볼 조인트와 일체로 제작되는 너클 및 그 제조방법에 관한 것이다.
볼 조인트는 구관절(球關節)의 기능을 갖는 이음 수단으로 널리 이용되고 있다. 특히 자동차용 볼 조인트와 너클은 조향장치 또는 현가장치의 부품으로 사용된다.
일반적으로 볼 조인트는 구관절의 역할을 하는 볼 스터드(ball stud), 볼 스터드를 감싸 볼 스터드를 보호하고 볼 스터드와 소켓(socket) 사이에 작용하는 마찰력을 조절하는 볼 시이트(ball seat), 볼 스터드와 볼 시이트를 안착(安着)시키는 소켓, 볼 스터드가 인장하중에 의해 소켓의 개구부 방향으로 빠지지 않도록 볼 스터드를 밀봉하는 플러그(plug) 및 볼 스터드에 먼지가 들어가지 않도록 소켓의 상부를 덮는 더스트 커버(dust cover)를 포함하며 이러한 볼 조인트는 너클 또는 컨트롤암(control arm)에 조립된다.
종래에는 볼 조인트 어셈블리와 너클은 별도로 제작하여 볼 조인트 어셈블리를 너클에 결합시키기 위하여 볼트로 조립하거나 압력을 가하여 강제 압입하여 조립하였다.
도 1은 종래 기술에 따라 볼 조인트와 너클을 별도로 제작하여 볼트로 양자를 체결시킨 볼 조인트와 너클의 결합을 보여주는 사시도이고 도 2는 그의 단면도이다.
볼 조인트는 볼 스터드(10), 볼 시이트(20), 플러그(30), 소켓(40), 더스트 커버(60)로 구성되어 있고, 볼 조인트와 별도로 제작된 너클(70)과 볼트(81, 82)에 의해 결합 되어있다.
상기와 같은 종래의 볼 조인트와 너클의 결합방식에 있어서, 볼트에 의한 체결의 경우 볼트를 준비하여야 하며 또한 체결을 위한 구멍을 가공하여야 하므로 부품이 많이 필요하고, 조립공정이 복잡하다. 뿐만 아니라 볼 조인트의 구동으로 볼트에 의한 체결 상태가 헐거워지면 다시 볼트를 조여줄 필요가 있다. 볼 조인트의 강제 압입의 경우는 압입 과정에서 볼 조인트의 소켓이 깨어지거나 볼 조인트의 토오크를 상승시키는 문제가 발생하였다.
따라서 볼 조인트의 소켓이 너클과 함께 일체로 제작된다면 볼 조인트의 조립공정을 간소화할 수 있고 볼 조인트의 조립에 필요한 부품도 절감할 수 있게 되며 볼 조인트의 체결 상태가 헐거워지는 문제도 없어지고 볼 조인트의 압입 과정에서 발생하는 토오크의 상승 문제도 해결된다. 이러한 이유로 볼 조인트와 너클이 일체로 제작된 볼 조인트 일체형 너클이 출시되고 있다.
이와 같은 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 종래의 제조방법은 다음과 같다.
(1) 주조에 의한 제조
알루미늄 합금 또는 스틸(steel)을 저압주조하여 볼 조인트 일체형 너클을 제작할 수 있다.
이와 같은 저압주조방법은 제조 비용이 낮고 재료 회수율이 높으며, 1회 성형으로 최종 제품의 형상의 제조가 가능하다는 장점이 있다.
그러나 저압주조에 의해 제조된 제품은 그 연신율이 대부분 7% 이하로, 낮은 연신율로 인하여 볼 조인트 소켓의 코킹부에 결함이 발생하게 된다.
특히 스틸 주조에 의한 경우, 그 연신율이 매우 낮아 볼 조인트 소켓의 코킹 자체가 어려우며 코킹부의 결함이 심각해진다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 볼 조인트 소켓의 코킹부를 내부의 볼 스터드 또는 볼 시이트가 이탈되는 것을 방지하기 위하여 코킹작업을 수행할 경우 코킹부의 소재 표면이 갈라지는 문제가 발생하게 된다.
따라서 주조에 의한 제조방법은 그 경제적 이점에도 불구하고 품질 문제로 인하여 볼 조인트 일체형 알루미늄 너클의 상업적 제조방법으로 채택할 수 없었다.
(2) 단조 및 주조단조법
볼 조인트 일체형 알루미늄 너클을 제조하기 위하여는 볼 조인트 소켓의 코킹부의 연신율이 대단히 중요하며, 이러한 품질적인 문제를 해결하기 위하여 일반 적으로 알루미늄 열간단조공법이 적용되고 있다.
그러나 일반적인 단조공법은 공정단계가 너무 많고 재료 회수율이 낮아 제조비용이 상승한다는 문제가 있다.
이러한 일반적인 열간단조를 개선하기 위하여 주조단조(Casting & Forging, Cobapress)법이 개발되었다.
이 방법은 알루미늄 합금 재료를 주조가공을 통하여 예비 성형체를 제조하고, 이후 단조가공을 위하여 예비 성형체를 전면에 걸쳐 1시간 가량 재가열한 후, 2000톤 이상의 대용량 프레스에 의하여 예비 성형체 전체를 다시 단조 가공을 수행하고, 이후 트리밍 공정에 의하여 불필요한 부분들을 제거하도록 한 것이다.
이 방법은 기존의 단조 가공과 비교할 때 재료 회수율을 높일 수 있다는 장점이 있지만, 예비 성형체 전체를 다시 가열하여 예비 성형체 전체를 열간단조가공하여야 하므로, 중량이 많이 나가는 물품을 단조 가공에 의하여 최종 형상으로 성형하기 위해서는 약 2000톤 이상의 대용량 프레스가 필요하게 된다. 따라서 이 방법은 이와 같은 고가의 대용량 설비를 필요로 하게 되어 초기 투자 비용이 높아지게 되며, 결과적으로 여전히 일반적인 주조에 비하여는 전체적인 제조비용이 매우 높아지게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 너클에 조립되는 볼 조인트의 제작에 있어 부품을 단순화하여 재료비를 절감하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 볼 조인트와 너클의 결합에 있어서 볼트에 의한 체결 과정을 거치지 않고도 볼 조인트가 너클에 조립될 수 있는 볼 조인트를 제공하여 조립 공정을 간소화시키고 그에 따른 볼 조인트의 제작비용 및 노력을 절감하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 알루미늄 합금이나 스틸 주조에 의한 일체형 너클의 경우 볼 조인트 소켓의 코킹부의 연신율과 너클의 강성을 모두 만족시킬 수 없다는 문제점을 해결한 새로운 볼 조인트 일체형 너클 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 볼 조인트를 볼트를 이용하여 너클에 조립할 경우 발생할 수 있는 볼트의 헐거워짐으로 인한 볼 조인트 기능 저하를 제거하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 볼 조인트를 너클에 강제압입할 경우 발생할 수 있는 볼 조인트의 토오크 상승을 제거하는 것이다.
본 발명은 알루미늄 합금으로 볼 조인트 소켓의 예비 성형체를 주조공정으로 제작하는 단계, 상기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 가열하는 단계, 가열된 상 기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 단조 가공하는 단계, 단조 가공된 상기 볼 조인트의 소켓 부분을 볼 조인트 일체형 너클의 주조틀 안에 넣고 용융 스틸재를 상기 주조틀 안에 넣어 볼 조인트 일체형 너클을 주조하는 단계를 포함하는 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 단조 가공하는 단계는 비플래시 금형 단조인 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 볼 조인트 일체형 너클의 주조 단계는 저압주조인 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 볼 조인트 소켓은 코킹부의 연신율이 20%~40% 이 되도록 알루미늄 합금으로 구성되고, 너클은 연신율이 5%~10% 가 되도록 스틸재로 구성되는 볼 조인트 일체형 너클을 제공한다.
본 발명은 상기 볼 조인트 소켓의 하단부가 너클로부터 볼 축부 방향으로 빠져나오지 않도록 단을 구비하는 볼 조인트 일체형 너클을 제공한다.
본 발명에 따르면, 너클에 조립되는 볼 조인트의 제작에 있어 부품을 단순화하여 재료비를 절감할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 볼 조인트와 너클의 결합에 있어서 볼트에 의한 체결 과정을 거치지 않고도 볼 조인트가 너클에 조립될 수 있으므로 볼 조인트 조립 공정을 간소화시키고 그에 따른 볼 조인트의 제작비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 볼 조인트 소켓을 너클에 강제압입하는 공정을 거치 지 않으므로 강제압입 과정에서 볼 조인트의 토오크가 증가하거나 소켓이 깨지는 현상을 피할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 볼 조인트를 너클에 결합시키는 볼트를 채용할 필요가 없어 볼 조인트 구동으로 인한 볼트의 체결이 헐거워지는 문제가 발생하지 않는다.
또한 본 발명에 따르면, 볼 조인트 소켓 부분은 알루미늄 합금의 단조가공으로 성형되어 코킹부의 연신율이 20% 이상 되므로 코킹공정이 용이하며 코킹 후 코킹부의 갈라짐 현상이 나타나지 않고, 너클은 스틸 주조에 의해 제작되므로 너클의 연신율은 10% 이하로 외력에 대해 안정성을 가지며 우수한 강성을 가질 수 있다는 만족을 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 일반적인 단조 또는 주조단조법에 비하여 매우 경제적이며, 단조를 위한 가열공정은 볼 조인트 소켓 부분에만 적용되므로 제품생산설비를 간소화할 수 있어 비용을 절감할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하에서 실시단계를 도 4의 플로우 챠트(flow chart)를 참조하여 설명한다.
먼저, 볼 조인트 소켓 부분의 예비 성형체를 알루미늄 합금으로 주조한다. 상기 예비 성형체는 최종 성형품의 볼 조인트 소켓보다 약간 큰 정도로만 성형한다(S 1). 이러한 크기의 예비 성형체는 다음 공정인 단조 공정에서 거의 플래시(flash)를 발생시키지 않아 재료 회수율이 높다.
본 실시예에 사용되는 알루미늄 합금은 6000계 열간단조용 알루미늄 합금으로서, 중량%로 Si:0.85-1.0%, Fe:0.2% 이하, Cu:0.25-0.35%, Mn:0.3-0.4%, Mg:0.7-1.0%, Cr:0.2-0.4%, Zn:0.01% 이하, Ti:0.01-0.02% 및 잔부 Al로 조성된 열간단조용 고강도 알루미늄 합금이다.
상기 알루미늄 합금은 연신율이 우수하며, 인장강도 380~383MPa, 항복강도 346~350MPa의 특성이 있다.
주조 공정을 실시할 때 최종 제품의 물성을 확보하기 위하여, 주조 금형 내에 공기 또는 공기와 물을 이용한 냉각라인을 설치하여 지향성 응고 및 빠른 용탕의 냉각을 유도하는 것이 바람직하다.
또한, 볼 조인트 소켓의 예비 성형체는 다음 공정인 단조공정에서 연신율 증가를 위하여 코킹부의 변형율이 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상이 될 수 있도록 볼 조인트 소켓의 형상을 설계한다.
주조된 볼 조인트 소켓의 예비 성형체는 탕구를 절단하여 X-선 비파괴 검사를 통하여 내부 결함의 존재를 확인한다(S 2).
주조 성형된 상기 볼 조인트 소켓의 예비 성형체를 최종 성형체로 단조가공하기 위해 고주파 유도가열장치를 이용하여 400~550℃로 1분 이내로 가열한다(S 3).
이러한 가열 시간은 볼 조인트 소켓과 너클 모두를 가열할 때에 비해 매우 짧은 것이다. 즉, 너클을 포함하여 가열할 경우는 약 1시간의 가열을 요하기 때문에 본 실시예의 경우 단조 가공을 위한 가열공정의 간소화는 에너지 절약 및 비용절감 효과를 창출한다.
다음, 가열된 볼 조인트 소켓의 예비 성형체를 단조용 프레스로 이송한다.
본 실시예에서는 볼 조인트 소켓의 예비 성형체를 가압 성형하여 최종 성형체로 제작하는 금형 단조를 이용한다(S 4). 금형 단조 중 플래시(flash) 단조(개방형 금형)나 비플래시 단조(밀폐형 금형) 어느 경우나 적용될 수 있지만, 플래시 단조는 추후 플래시 제거 작업이 필요하므로 가급적 비플래시 단조를 채택하는 것이 바람직하다.
볼 조인트 소켓의 최종 성형체는 도 5에 도시된 바와 같이 소켓(740)의 하단부에 돌출된 단(745)을 형성하여 이후 단계에서 소켓의 최종 성형체가 너클과 일체로 주조된 후 볼 스터드의 축부 방향으로 빠지지 않도록 한다.
볼 조인트 소켓의 최종 성형체가 제작되면, 이것을 저압 주조 장비의 주조틀의 소켓 형성 부위에 안착시키고 스틸 용융재를 너클 형성 부위에 채워넣어 볼 조인트 일체형 너클을 저압 주조 공정으로 제작한다(S 5).
완성된 볼 조인트 일체형 너클을 검사하여(S 6), 조립공정에 들어간다(S 7).
이하, 도 5를 참조하여 볼 조인트 조립공정을 설명한다.
너클(770)과 소켓(740)이 일체로 제작되고나면, 볼 조인트의 조립은 상기 소 켓(740) 안에서 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이 너클(770)과 일체로 제작된 볼 조인트의 소켓(740) 내부에 볼 시이트(720)를 넣어 소켓(740) 내부의 구벽면을 덮는다. 그리고나서 볼 시이트(720)가 볼 스터드와 접하게 되는 내면에 그리스(grease) 등의 윤활제를 주입 및 도포한다. 그 다음 볼 스터드(710)를 볼 시이트(720)가 깔린 소켓(740)에 내장시킨다. 그 다음 볼 스터드(710)와 볼 축부(715)가 연접한 부분에 볼 축부(715)를 통과시켜 소켓(740)의 개구 상단부 안쪽에 고리형 플러그(730)를 압입한다. 이 고리형 플러그(730)는 볼 스터드(710)가 인장하중에 의해 볼 조인트 소켓(740)으로부터 이탈되는 것을 방지하고, 볼 스터드(710)가 있는 곳으로 먼지나 물 등의 이물질이 침투하지 못하도록 볼 조인트 내부를 밀폐하기 위한 것이다. 상기 고리형 플러그(730) 위로 소켓(740)의 상단부인 코킹부(750)를 구부려 볼 조인트를 코킹한다. 추가로 코킹부(750)를 더스트 커버로 덮어 씌울 수 있다. 이렇게 하여 볼 조인트의 어셈블리 공정이 완성된다.
코킹부(750)는 알루미늄 합금을 단조 가공한 것이기 때문에 연신율이 20%~40% 이고 스틸재로 주조한 너클의 연신율은 10% 이하로 소켓(740)과 너클(770)을 단일소재로 만든 것에 비해 코킹이 용이하고 견고하면서도 너클(770)의 강성과 안정성을 갖출 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 볼 조인트와 너클을 별도로 제작하여 볼트로 양자를 체결시킨 볼 조인트와 너클의 결합을 보여주는 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따라 볼 조인트와 너클을 별도로 제작하여 볼트로 양자를 체결시킨 볼 조인트와 너클의 결합을 보여주는 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따라 제조된 볼 조인트 일체형 너클에서 코킹 작업 후 코킹부의 표면이 갈라진 상태의 사진이다.
도 4는 본 발명의 볼 조인트 일체형 너클의 제조 공정을 순서대로 설명한 플로우 챠트이다.
도 5는 본 발명에 따른 볼 조인트의 소켓과 너클이 일체로 형성된 볼 조인트의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 볼 조인트의 소켓과 너클이 일체로 형성된 볼 조인트의 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 710: 볼 스터드 15, 715: 볼 축부
20, 720: 볼 시이트 30, 730: 플러그
40, 740: 소켓 70, 770: 너클
700: 너클 일체형 볼 조인트
745: 단 750: 코킹부

Claims (5)

  1. 알루미늄 합금으로 볼 조인트 소켓의 예비 성형체를 주조공정으로 제작하는 단계;
    상기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 가열하는 단계;
    가열된 상기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 단조 가공하는 단계;및
    단조 가공된 상기 볼 조인트의 소켓 부분을 볼 조인트 일체형 너클의 주조틀 안에 넣고 용융 스틸재를 상기 주조틀 안에 넣어 볼 조인트 일체형 너클을 주조하는 단계를 포함하는 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 볼 조인트의 소켓의 예비 성형체를 단조 가공하는 단계는 비플래시 금형 단조인 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 볼 조인트 일체형 너클의 주조 단계는 저압주조인 볼 조인트 일체형 너클을 제조하는 방법.
  4. 볼 조인트 소켓은 코킹부의 연신율이 20%~40% 이 되도록 알루미늄 합금으로 구성되고, 너클은 연신율이 5%~10% 가 되도록 스틸재로 구성되는 볼 조인트 일체형 너클.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 볼 조인트 소켓의 하단부는 너클로부터 볼 축부 방향으로 빠져나오지 않도록 단을 구비하는 볼 조인트 일체형 너클.
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