KR20120081388A - 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간단한 구조로 이루어진 금형을 이용한 단조에 의해 높은 정밀도의 치형을 갖는 랙바를 제조함과 동시에 금형의 수명을 증대시키고 랙바의 제조 단가를 감소시킬 수 있는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, (a) 원형소재를 소정 온도와 시간 동안 가열하는 단계; (b) 상기 가열처리된 원형소재를 온간 단조용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 가변기어비의 치형이 형성된 기어부와 상기 기어부의 길이방향 양측으로 생크부를 형성함과 동시에 상기 기어부의 반경방향 양측으로 플래쉬를 형성하는 단계; (c) 상기 기어부에서 플래쉬를 제거하는 트리밍 단계; 및 (d) 사이징용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 상기 기어부의 치형을 사이징하는 단계를 포함한다.

Description

가변기어비를 가진 랙바의 제조방법{Manufacturing method of rack bar having variable gear ratio}

본 발명은 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조가 간단한 오픈 금형을 이용한 온간 단조와 사이징 공정을 거쳐 높은 정밀도의 치형을 갖는 랙바를 제조함으로써 금형 구조를 간소화함과 동시에 랙바의 제조 비용을 절감할 수 있는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 조향장치는 자동차의 진행방향을 운전자가 원하는 방향으로 변경할 수 있도록 앞바퀴의 회전축 방향을 변경하는 장치로서, 운전자가 조향 조작을 행할 수 있도록 운전석에 설치되는 조향 휠과, 그 하측에 설치되는 조향 축과, 이 조향 축과 연결되어 동력전달방향을 전환시키는 조향기어 및 이 조향기어를 통해 전달된 힘을 바퀴에 전달하는 타이로드 등으로 구성되어 있다.

상기 조향기어를 구성하는 랙 피니언 조향기구는 조향 축의 외주에 형성된 피니언이 랙바(Rack bar)와 맞물려 조향 축의 회전운동을 직선운동으로 변환시킨 뒤 타이로드를 통해 바퀴에 전달하는 구조로 되어 있다.

상기 랙바는 일면에 상기 피니언과 치합되며 다양한 기어비를 갖는 치형이 형성된 기어부와, 그 기어부의 양측으로 상기 타이로드에 연결되는 생크부로 구성되어 있다.

종래 랙바의 기어부에 치형을 형성하기 위한 가공 방법 중 단조에 의한 제조방법이 알려져 있다.

도 1은 종래 폐쇄 금형을 이용하여 랙바를 제조하는 온간 단조 공법을 보여주는 단면도로서, 등록특허 제10-0287224호에 개시된 스티어링 랙바를 제조하는 장치를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 랙바의 제조장치는, 상하로 이동 가능한 상부 플래튼(16)에 상부 다이부재(18)가 결합되고, 그 하측에는 위치가 고정된 하부 다이부재(19)와 하부 플래튼(17)이 위치한다.

랙바(20)의 가공시, 랙바(20)의 하부는 상기 하부 다이부재(19)에 구비된 하부 톱니형성다이(52)와 그 하부 톱니형성다이(52)의 상부 양측에 수평으로 구비된 플랭크다이(56,57)에 의해 폐쇄되고, 랙바(20)의 상부는 상기 상부 다이부재(18)에 수직으로 구비된 상부다이(55)와 그 상부다이(55)의 양측으로 경사지게 대향 배치된 롤링다이(53,54)에 의해 폐쇄된 상태에서, 상기 상부다이(55)와 롤링다이(53,54)가 유압의 힘에 의해 랙바(20)를 가압하여 기어부의 치형을 형성하도록 구성되어 있다.

이와 같이 폐쇄 금형을 이용한 단조에 의해 랙바를 제조하는 공법에 의하면, 랙바가 다수의 다이에 의해 둘러싸여 형성되는 폐쇄된 공간 내부에서 성형이 이루어지므로 다이의 경계부에 플래쉬를 발생시키지 않고 단조된 랙바의 치형들은 단조한 후에 더 이상의 가공을 요하지 않는 이점이 있다.

그러나 이와 같은 폐쇄 금형을 이용한 온간 단조 공법에 의할 경우, 폐쇄된 공간 내에서 랙바의 성형시 플래쉬를 발생시키지 않도록 랙바의 체적 변화를 고려하여 다수의 금형을 정밀하게 설계해야 하므로 금형의 전체 구조가 복잡해지고 금형의 제조 단가가 높아지는 문제점이 있다.

또한 폐쇄된 공간 내에서 랙바를 가압하여 플래쉬를 발생시키지 않으면서 치형을 가공해야 하므로 금형과 랙바 사이에 작용하는 성형 응력이 과다해지게 되므로 높은 성형 하중에 의한 영향으로 금형의 수명이 짧아져 금형을 자주 교체해야 하는 비경제적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구조로 이루어진 금형을 이용한 단조에 의해 높은 정밀도의 치형을 갖는 랙바를 제조함과 동시에 금형의 수명을 증대시키고 랙바의 제조 단가를 감소시킬 수 있는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법은, (a) 원형소재를 소정 온도와 시간 동안 가열하는 단계; (b) 상기 가열처리된 원형소재를 온간 단조용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 가변기어비의 치형이 형성된 기어부와, 상기 기어부의 길이방향 양측으로 생크부를 형성함과 동시에 상기 기어부의 반경방향 양측으로 플래쉬를 형성하는 단계; (c) 상기 기어부에서 플래쉬를 제거하는 트리밍 단계; 및 (d) 사이징용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 상기 기어부의 치형을 사이징하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법은, (a) 원형소재를 소정 온도와 시간 동안 가열하는 단계; (b) 상기 가열처리된 원형소재를 온간 단조용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 가변기어비의 치형이 형성된 기어부와, 상기 기어부의 길이방향 양측으로 결합부를 형성함과 동시에 상기 기어부의 반경방향 양측으로 플래쉬를 형성하는 단계; (c) 상기 기어부에서 플래쉬를 제거하는 트리밍 단계; 및 (d) 사이징용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 상기 기어부의 치형을 사이징하는 단계; 및 (e) 내부에 중공부가 형성된 관형상의 생크부의 일측단과 상기 결합부를 용접에 의해 결합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법에 의하면, 상부 금형과 하부 금형으로 구성된 간단한 구조의 오픈 금형과 사이징 금형을 이용한 소성 가공에 의해 높은 정밀도의 치형을 갖는 랙바를 제조함과 동시에 성형 응력을 감소시켜 금형의 수명을 증대시키고 랙바의 제조 단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법에 의하면, 내부에 중공부가 형성된 바를 용접하여 결합함으로써 기존 랙바에 비해 30% 이상의 중량 저감 효과를 가져온다.

도 1은 종래 폐쇄 금형을 이용하여 랙바를 제조하는 온간 단조 공법을 보여주는 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 랙바의 제조방법의 공정 순서도,
도 3은 도 2의 각 공정단계별 성형 모습을 보여주는 상태도,
도 4는 도 2의 온간 단조 공정이 수행되는 모습을 보여주는 단면도,
도 5는 도 2의 사이징 공정이 수행되는 모습을 보여주는 단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 랙바의 제조방법을 보여주는 단면도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 랙바의 제조방법의 공정 순서도, 도 3은 도 2의 각 공정단계별 성형 모습을 보여주는 상태도, 도 4는 도 2의 온간 단조 공정이 수행되는 모습을 보여주는 단면도, 도 5는 도 2의 사이징 공정이 수행되는 모습을 보여주는 단면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 랙바의 제조방법은, 도 2에 도시된 바와 같이 소재 가열 단계(S 10), 온간 단조 단계(S 20), 트리밍 단계(S 30) 및 사이징 단계(S 40)로 구성된다.

상기 소재 가열 단계(S 10)는, 도 3의 (a)에 도시된 원기둥 형상의 원형소재(100a)를 소정 온도와 시간 동안 가열처리하는 단계로, 원형소재(100a)의 온도가 700~780℃가 되도록 가열처리한다.

이러한 열처리에 의해 후속하는 온간 단조 공정에서 원형소재(100a)의 열변형을 최소화하고, 유동성을 최대화할 수 있게 된다.

상기 온간 단조 단계(S 20)는, 도 4의 (a)와 A-A 부 단면도인 도 4의 (a')에 도시된 바와 같이, 가열처리된 원형소재(100a)를 온간 단조용 상부 금형(210)과 하부 금형(220) 사이에 위치시키고, 도 4의 (b)와 B-B 부 단면도인 도 4의 (b')에 도시된 바와 같이, 하부 금형(220)은 고정되고 상부 금형(210)이 가압하는 소성 가공에 의해 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 랙바(100b)에 가변기어비를 갖는 치형(112)이 일측면에 형성된 기어부(110)와, 상기 기어부(110)의 길이방향 양측으로 생크부(120a,120b)를 형성함과 동시에 상기 기어부(110)의 반경방향의 양측으로 플래쉬(114)를 형성한다.

상기 상부 금형(210)에는 도 4에 도시된 바와 같이 기어부(110)의 치형(112)이 형성되는 면의 반대측 원형면에 밀착되도록 내측으로 오목한 형상의 제1홈(212)과, 상기 제1홈(212)의 양측으로 생크부(120a,120b)를 형성하기 위한 제2홈(214a,214b)이 형성되어 있다.

그리고 상기 하부 금형(220)에는 기어부(110)의 치형(112)을 형성하기 위해 평면상에 치형(112)에 대응하는 형상의 치형 형성부(222)와, 상기 치형 형성부(222)의 양측으로 생크부(120a,120b)를 형성하기 위해 상기 제2홈(214a,214b)에 대칭되는 형상의 제3홈(224a,224b)이 형성되어 있다.

이와 같이 상부 금형(210)과 하부 금형(220)으로 이루어진 오픈 금형을 이용한 온간 단조 공정의 수행 결과, 상기 상부 금형(210)과 하부 금형(220) 사이에서 원형부재(100a)가 기어부(110)와 생크부(120a,120b)를 갖는 랙바(100b)로 성형되면서, 상부 금형(210)과 하부 금형(220)의 경계부에는 기어부(110)의 반경방향 양측으로 돌출되는 플래쉬(114)가 형성되므로, 종래 다수의 금형(다이)의 조합으로 구성된 폐쇄 금형에 의해 랙바를 제조하는 단조 공법에 비해 성형 하중을 감소시켜 금형의 수명이 감소하는 문제를 방지할 수 있게 된다.

상기 오픈 금형에서의 온간 단조에 의한 소성 가공이 완료되면, 상부 금형(210)과 하부 금형(220)을 서로 이격시킨 후, 랙바(100b)를 외부로 인출하고, 랙바(100b)의 반경방향 양측에 형성된 플래쉬(114)를 절단하여 제거하는 트리밍 공정(S 30)을 수행하여, 도 3의 (c)에서 점선(116)으로 표시된 영역이 제거된 랙바(100c)를 제조한다.

그 후 상기 온간 단조 공정(S 20)과 트리밍 공정(S 30)을 거치면서 발생할 수 있는 치형(112)의 치수 편차를 정밀하게 교정하고 치형(112)의 치면의 기능성을 향상시키기 위하여 치형(112)이 형성된 부분을 국부적으로 사이징하게 된다(S 40).

상기 사이징 공정은 15℃(상온)~300℃의 온도 범위에서 수행되며, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 사이징용 상부 금형(310)과 하부 금형(320) 사이에 트리밍 공정을 거친 랙바(100c)를 위치시키고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 하부 금형(320)은 고정되고 상부 금형(310)이 가압하는 소성 가공에 의해 도 3의 (d)에 도시된 바와 같은 치수 편차가 교정된 랙바(100d)를 완성하게 된다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 사이징용 상부 금형(310) 및 하부 금형(320)에는 온간 단조용 상부 금형(210) 및 하부 금형(220)에 형성된 제1홈(212), 제2홈(214a,214b), 치형 형성부(222), 제3홈(224a,224b)과 동일한 구조 및 작용을 하는 제1홈(312), 제2홈(314a,314b), 치형 형성부(322), 제3홈(324a,324b)이 형성되어 있는 점에서 그 구조가 유사하지만, 사이징 공정에서는 트리밍 공정을 통해 플래쉬(114)가 제거된 상태이므로 사이징용 금형(310,320)에는 온간 단조용 금형(210,220)과 달리 플래쉬(114) 형성을 위한 홈이 없는 점에 차이가 있다.

상기 사이징 공정에서는 기어부(110)에 치형(112)이 형성된 부분만을 국부적으로 가압하게 되므로, 상부 금형(310)과 하부 금형(320)에 작용하는 성형 응력이 작아서 사이징 공정에 의해 상부 금형(310)과 하부 금형(320)의 수명이 저하되는 문제가 발생하지 않는다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 랙바의 제조방법을 보여주는 단면도이다.

본 발명의 다른 실시예는, 상술한 첫번째 실시예에서와 같이 원형소재를 소정 온도와 시간 동안 가열하는 단계와, 상기 가열처리된 원형소재를 온간 단조용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 온간 단조에 의해 가변기어의 치형(412)이 형성된 기어부(410)와, 상기 기어부(410)의 길이방향의 양측으로 결합부(415)를 형성함과 동시에 상기 기어부(410)의 반경방향 양측으로 플래쉬를 형성하는 단계와, 상기 기어부(410)에서 플래쉬를 제거하는 트리밍 단계와, 사이징용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 상기 기어부(410)의 치형(412)을 사이징하는 단계를 순차로 수행하여 기어부(410)를 제조하고, 이와 같이 제조된 기어부(410) 양측의 결합부(415)에는 내부가 중공부(422)인 관형상의 생크부(420)의 일측단을 용접으로 결합하는 단계를 포함하여 구성된다.

이 경우 상기 기어부(410)와 생크부(420) 간의 결합 강도를 높이기 위하여, 상기 온간 단조 공정에서는 기어부(410)와 결합부(415)의 경계에 단차부(413)가 형성되도록 가공하고, 상기 생크부(420)의 일측단이 상기 단차부(413)의 측면에 밀착된 상태에서 그 접합면 둘레를 따라 용접부(416)가 형성되도록 구성함이 바람직하다.

본 실시예에 의하면, 기어부(410)와 생크부(420)를 별도의 부품으로 각각 제작한 후에 기어부(410)에서 연장된 결합부(415)와 중공부(422)가 형성된 생크부(420)를 용접으로 결합시켜 랙바(400)를 제조하게 되므로, 기존 랙바에 비해 30% 이상의 중량 저감 효과를 가져온다.

16 : 상부 플래튼 17 : 하부 플래튼
18 : 상부 다이부재 19 : 하부 다이부재
20 : 랙바 52 : 하부 톱니형성다이
53,54 : 롤링다이 55 : 상부다이
56,57 : 플랭크다이 100a : 원형소재
100b,100c,100d : 랙바 110 : 기어부
112 : 치형 114 : 플래쉬
120a,120b : 생크부 210 : 온간 단조용 상부 금형
212 : 제1홈 214a,214b : 제2홈
220 : 온간 단조용 하부 금형 222 : 치형 형성부
224a,224b : 제3홈 310 : 사이징용 상부 금형
312 : 제1홈 314a,314b : 제2홈
320 : 사이징용 하부 금형 322 : 치형 형성부
324a,324b : 제3홈 400 : 랙바
410 : 기어부 412 : 치형
413 : 단차부 415 : 결합부
416 : 용접부 420 : 생크부
422 : 중공부

Claims (5)

1. (a) 원형소재를 소정 온도와 시간 동안 가열하는 단계;
   (b) 상기 가열처리된 원형소재를 온간 단조용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 가변기어비의 치형이 형성된 기어부와, 상기 기어부의 길이방향 양측으로 생크부를 형성함과 동시에 상기 기어부의 반경방향 양측으로 플래쉬를 형성하는 단계;
   (c) 상기 기어부에서 플래쉬를 제거하는 트리밍 단계; 및
   (d) 사이징용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 상기 기어부의 치형을 사이징하는 단계;
   를 포함하는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (a) 단계는 상기 원형소재의 온도가 700~780℃가 되도록 가열처리하고,
   상기 (b) 단계는 상기 가열처리된 원형소재를 온간 단조에 의해 소성 가공하는 것을 특징으로 하는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 (d) 단계는 15~300℃의 온도 범위에서 수행되는 사이징 공정인 것을 특징으로 하는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법.
4. (a) 원형소재를 소정 온도와 시간 동안 가열하는 단계;
   (b) 상기 가열처리된 원형소재를 온간 단조용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 가변기어비의 치형이 형성된 기어부와, 상기 기어부의 길이방향 양측으로 결합부를 형성함과 동시에 상기 기어부의 반경방향 양측으로 플래쉬를 형성하는 단계;
   (c) 상기 기어부에서 플래쉬를 제거하는 트리밍 단계;
   (d) 사이징용 상부 금형과 하부 금형을 이용한 소성 가공에 의해 상기 기어부의 치형을 사이징하는 단계; 및
   (e) 내부에 중공부가 형성된 관형상의 생크부의 일측단과 상기 결합부를 용접에 의해 결합하는 단계;
   를 포함하는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 (b) 단계에서 상기 기어부와 결합부의 경계에는 단차부가 형성되고,
   상기 (e) 단계에서 생크부의 일측단은 상기 단차부의 측면에 밀착된 상태에서 용접되는 것을 특징으로 하는 가변기어비를 가진 랙바의 제조방법.
   
   
   
   

Images