KR20120133479A - 열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법에 관한 것으로, 그 목적은 엔진 밸브 스프링을 제작함에 있어서, 선재를 코일링한 후 열처리 공정을 수행하도록 함으로서, 엔진 밸브 스프링의 인장 잔류응력을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이로 인해 엔진 밸브 스프링의 피로 수명을 향상시킬 수 있는 열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명의 엔진 밸브 스프링의 제작방법은 선재를 코일링하는 단계(S110); 상기 S110 단계를 통해 제작된 스프링을 A3 변태점 이상으로 가열한 후, 염욕에 침적시킨 다음 조직의 마르텐사이트 변태를 위하여 공랭하는 단계(S120); 상기 S120 단계 후, 스프링을 200~500℃의 온도로 가열한 다음 공랭하는 단계(S130); 및 상기 S130 단계 후, 좌면 연마(S140-1)와, 스프링의 표면처리를 위한 쇼트피닝(S140-2) 및 연마와 쇼트피닝으로 인하여 발생되는 잔류응력의 해소를 위한 탬퍼링(S140-3) 그리고 핫세칭(S140-4)을 포함하는 후처리 단계(S140) 단계로 이루어져 있다.

Description

열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법{Method of engine valve spring manufacturing by Heat treatment utilization}

본 발명은 엔진 밸브 스프링의 제작방법에 관한 것으로, 특히 엔진 밸브 스프링의 제작 공정을 개선하여 엔진 밸브 스프링의 피로 수명을 향상시킬 수 있도록 하는 엔진 밸브 스프링의 제작방법에 관한 것이다.

엔진 밸브 스프링은 엔진 밸브에 장착되어 연료의 흡기와 폭발 후 연소 가스의 배기 시 완충 역할을 하는 것으로, 엔진의 작동과정에서 인장과 압축이 수없이 반복되므로 엔진 밸브 스프링은 높은 피로 수명을 구비해야만 한다.

도 1은 종래 엔진 밸브 스프링의 제작공정을 나타낸 공정도를 도시하고 있다.

종래의 엔진 밸브 스프링의 제작공정은 준비된 선재를 열처리하는 단계(S1) → 열처리된 선재를 코일링하는 단계(S2) → 코일링된 스프링을 템퍼링하여 열처리와 코일링 시 발생된 스프링의 내의 인장 잔류응력을 제거하는 단계(S3) → 좌면연마단계(S4) → 스프링의 표면처리를 위한 쇼트피닝 단계(S5) → 가공으로 인해 발생되는 잔류응력을 제거를 위한 탬퍼링 단계(S6) → 스프링에 강제적으로 열을 가한 상태에서 스프링을 일정한 높이까지 셋칭(Setting)하여 영구변형을 개선하는 핫세칭 단계(S7)로 이루어져 있다.

위와 같은 공정을 통해 엔진 밸브 스프링을 제작한 경우, 엔진 밸브 스프링에 고응력이 작용하였을 때, 피로수명이 저하하며, 절손 기점은 주로 스프링 내측 표면으로부터 약 0.2㎜ 정도 깊이에 위치하게 된다. 이는 냉간 가공시에 스프링 내측에 형성되는 인장 잔류응력에 기인하는 것으로 보여진다.

한편 냉간 코일링된 스프링의 내측 인장 잔류응력은 엔진 밸브 스프링의 작동 시, 작용 응력에 합산되어 엔진 밸브 스프링의 피로수명에 악 영향을 미치기 때문에 냉간 가공 이후에 응력 제거 소둔(S3 단계)으로 완전히 제거를 해야 되나, 응력 제거 소둔을 하여도 엔진 밸브 스프링의 내측에는 코일링 시의 인장 잔류응력 보다는 작지만 여전히 인장 잔류응력이 존재하여 엔진 밸브 스프링의 피로수명에 악 영향을 미치게 된다.

한편 현가 스프링과 같은 일반적인 스프링은 앞서 설명된 엔진 밸브 스프링의 공정과 다르게 코일링 후에 열처리를 하기 때문에 스프링 가공에 상관없이 열처리 시 탬퍼링 온도 조절로 강도를 높일 수 있고, 또한 코일링 시에 스프링 내측에 형성된 인장 잔류응력을 완전히 제거시킬 수 있다.

그러나 위와 같은 현가 스프링의 제작공정은 오일 퀀칭(Quenching) 시에 약간은 변형으로 인하여 높은 정밀도가 요구되는 엔진 밸브 스프링의 제작공정에는 적용이 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 엔진 밸브 스프링을 제작함에 있어서, 선재를 코일링한 후 열처리 공정을 수행하도록 함으로서, 엔진 밸브 스프링의 인장 잔류응력을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이로 인해 엔진 밸브 스프링의 피로 수명을 향상시킬 수 있는 엔진 밸브스프링의 제작방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 코일링 후 열처리 공정을 수행함에 있어서, 스프링의 변형을 최소화하여 엔진 밸브 스프링으로서 요구되는 정밀도를 만족시킬 수 있게 하는 엔진 밸브 스프링의 제작방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 엔진 밸브 스프링의 제작방법은 도 2와 같이 선재를 코일링하는 단계(S110); 상기 S110 단계를 통해 제작된 스프링을 A3 변태점 이상으로 가열한 후, 염욕에 침적시킨 다음 조직의 마르텐사이트 변태를 위하여 공랭하는 단계(S120); 상기 S120 단계 후, 스프링을 200~500℃의 온도로 가열한 다음 공랭하는 단계(S130); 및 상기 S130 단계 후, 좌면 연마(S140-1)와, 스프링의 표면처리를 위한 쇼트피닝(S140-2) 및 연마와 쇼트피닝으로 인하여 발생되는 잔류응력의 해소를 위한 탬퍼링(S140-3) 그리고 핫세칭(S140-4)을 포함하는 후처리 단계(S140) 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

한편 상기 선재는 Si-Cr가 포함된 강선이며, 상기 S120 단계는 스프링을 700~1000℃의 온도로 가열한 후, 염욕에 30~60분 동안 침적시키는 것을 특징으로 한다.

상기 S140-2 단계는 서로 다른 크기의 쇼트볼을 이용하여 2회 실시하되, 상대적으로 크기가 큰 쇼트볼을 이용하여 쇼트피닝을 실시한 뒤, 상대적으로 크기가 작은 쇼트볼을 이용하여 쇼트피닝을 실시하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 선재를 코일링한 후 열처리 공정을 수행함으로서, 엔진 밸브 스프링의 인장 잔류응력을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이로 인해 엔진 밸브 스프링의 피로 수명을 향상시킬 수 있게 되었다.

또한 상기 열처리 공정은 마르퀀칭 공정(S120 단계)과 탬퍼링 공정(S130 단계)으로 구분하여 순차적으로 수행됨으로써, 열처리 시 발생되는 스프링의 변형을 최소화할 수 있게 되었다.

도 1 은 종래 엔진 밸브 스프링의 제작공정을 나타낸 공정도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제작공정을 나타낸 공정도,
도 3 은 압축잔류응력의 비교실험에 사용된 장비의 사진,
도 4 는 피로시험 비교실험에 사용된 장비의 사진,
도 5 는 본 발명의 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링과 종래 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링의 압축잔류응력을 비교하여 나타낸 그래프,
도 6 은 본 발명의 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링과 종래 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링의 피로시험 결과 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 엔진 밸브 스프링을 제작함에 있어서, 선재를 코일링하여 스프링을 형성한 후, 열처리 공정을 실시하도록 제작공정을 개선함으로써, 엔진 밸브 스프링의 인장 잔류응력을 효과적으로 제거하고, 이를 통해 엔진 밸브 스프링의 피로 수명을 향상시킬 수 있도록 한 특징을 갖는 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제작공정을 나타낸 공정도를 도시하고 있다.

본 발명에 따른 엔진 밸브 스프링의 제작방법은 선재를 코일링하는 단계(S110); 상기 S110 단계를 통해 제작된 스프링을 A3 변태점 이상으로 가열한 후, 염욕에 침적시킨 다음 조직의 마르텐사이트 변태를 위하여 공랭하는 단계(S120); 상기 S120 단계 후, 스프링을 200~500℃의 온도로 가열한 다음 공랭하는 단계(S130); 및 상기 S130 단계 후, 좌면 연마(S140-1)와, 스프링의 표면처리를 위한 쇼트피닝(S140-2) 및 연마와 쇼트피닝으로 인하여 발생되는 잔류응력의 해소를 위한 탬퍼링(S140-3) 그리고 핫세칭(S140-4)을 포함하는 후처리 단계(S140) 단계로 이루어져 있다.

이때 상기 후처리 단계(S140)에 속하는 좌면 연마(S140-1), 쇼트피닝(S140-2), 탬퍼링(S140-3), 핫세칭(S140-4)은 종래의 엔진 밸브 스프링의 제작 시 사용되고 있는 주지 관용된 기술이며, 본 발명의 후처리 단계(S140)는 주지 관용된 종래의 좌면 연마, 쇼트프링, 탬퍼링, 핫세칭 공정을 동일하게 수행함으로서 구현될 수 있는 것이므로, 후처리 단계(S140)에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상기 S110 단계는 준비된 선재를 코일링하여 요구되는 구조를 갖는 스프링을 제작하는 단계이다. 이때 선재는 Si-Cr가 포함된 강선으로 구성되며, 보다 구체적으로는 C 0.56 wt%, Si 1.32 wt%, Mn 0.72 wt%, P 0.017wt%, S 0.01 wt%, Cr 0.73 wt%, 나머지는 Fe로 구성된다.

상기 S120 단계와 S130 단계는 코일링된 스프링을 열처리하여 잔류응력을 해소하고 요구되는 강도를 갖도록 처리하는 단계로서, 열처리 과정에서 발생되는 변형을 최소화할 수 있도록 마르퀀칭과 탬퍼링을 순차적으로 실시하는 단계이다.

보다 구체적으로, 상기 S120 단계는 스프링을 A3 변태점 이상의 온도로 가열한 후, 염욕에 일정시간 침적시키고, 이어서 공랭시키는 것으로 이루어진다.

한편 본 발명에서 상기 스프링을 구성하는 선재는 Si-Cr 강선으로 구성되므로, S120 단계는 스프링을 700~1000℃의 온도로 가열한 후, 냉각 시에 발생하는 변형을 방지하기 위하여 염욕에 30~60분 동안 염욕에 침전시킨 다음, 마르텐사이트 변태를 시키기 위하여 공랭시키게 된다.

이때 스프링의 바람직한 가열 온도는 700℃ 이상이며, 너무 높은 온도로 가열할 경우, 불필요한 에너지의 소모를 초래하므로 1000℃ 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 S120 단계에 의하면, 스프링은 마르텐사이트로 변태되기 시작 하는 온도점 바로 위의 온도에서 일정 시간 유지하여 표면부와 중심부 온도가 같아지게 되므로, 냉각 시 발생되는 변형을 최소화하여 요구되는 정밀도를 갖는 엔진 밸브 스프링의 제작이 가능하게 된다.

상기 S130 단계는 S120 단계를 거친 스프링이 적정한 강도를 가질 수 있도록 템퍼링하는 단계이다. 이러한 S130 단계는 스프링을 200~500℃로 가열한 다음 공랭시키는 것으로 진행된다.

상기와 같은 열처리 공정을 거친 스프링은 후처리 단계(S140)의 좌면 연마(S140-1), 쇼트피닝(S140-2), 탬퍼링(S140-3), 핫세칭(S140-4)을 순차적으로 거침으로서 엔진 밸브 스프링으로 제작된다.

한편 상기 S140-2 단계는 서로 다른 크기의 쇼트볼을 이용하여 2회 실시함으로써 엔진 밸브 스프링의 내 피로성을 더욱 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로는 상대적으로 큰 크기를 갖는 쇼트볼을 이용하여 엔진 밸브 스프링에 대한 쇼트피닝을 실시한 뒤, 다시 상대적으로 작은 크기의 쇼트볼을 이용하여 엔진 밸브 스프링에 대한 쇼트피닝을 실시하게 된다.

도 3은 압축잔류응력의 비교실험에 사용된 장비의 사진을, 도 4는 피로시험 비교실험에 사용된 장비의 사진을, 도 5는 본 발명의 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링과 종래 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링의 압축잔류응력을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링과 종래 제작방법에 따라 제작된 엔진 밸브스프링의 피로시험 결과 그래프를 도시하고 있다.

상기 압축잔류응력의 비교는 도 3과 같이 X선 회절을 이용한 응력측정으로 금속 결정체에 X선을 조사하여 이때에 회절 되어 나오는 X선의 강도를 측정함으로써 재료 내부의 응력(잔류응력)을 조사하였으며, 상기 피로시험은 도 4와 같이 피로시험편을 제작하여 스프링을 장착시 및 최대시 높이에서 피로시험을 하는 조건으로 실시되었다. 그에 대한 시허면의 선경은 3.7㎜로 하였으며 장착시 하중은 39.9N 최대시 하중은 652.4N의 조건으로 피로시험을 실시하였다.

한편 상기 도 5 및 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 제작방법에 의해 제작된 엔진 밸브 스프링의 경우, 절손 기점이 되는 0.2㎜(표면으로부터의 깊이)의 부근에서의 압축잔류응력을 현저히 낮출 수 있고, 이로 인해 엔진 밸브 스프링의 피로수명을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법에서 쇼트피닝을 1회(쇼트볼이 큰 SIZE)만 실시하는 것 보다 2회(쇼트볼이 큰 것 다음 작은 것)를 실시함에 따라 표면의 압축잔류응력을 극대화함으로써 내 피로성이 약 2배 증가됨을 도 6에서 알 수 있다

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (3)

1. 선재를 코일링하는 단계(S110);
   상기 S110 단계를 통해 제작된 스프링을 A3 변태점 이상으로 가열한 후, 염욕에 침적시킨 다음 조직의 마르텐사이트 변태를 위하여 공랭하는 단계(S120);
   상기 S120 단계 후, 스프링을 200~500℃의 온도로 가열한 다음 공랭하는 단계(S130); 및
   상기 S130 단계 후, 좌면 연마(S140-1)와, 스프링의 표면처리를 위한 쇼트피닝(S140-2) 및 연마와 쇼트피닝으로 인하여 발생되는 잔류응력의 해소를 위한 탬퍼링(S140-3) 그리고 핫세칭(S140-4)을 포함하는 후처리 단계(S140) 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 선재는 Si-Cr가 포함된 강선으로 구성되며,
   상기 S120 단계는 스프링을 700~1000℃의 온도로 가열한 후, 염욕에 30~60분 동안 침적시키는 것을 특징으로 하는 열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 S140-2 단계는 서로 다른 크기의 쇼트볼을 이용하여 2회 실시하되,
   상대적으로 크기가 큰 쇼트볼을 이용하여 쇼트피닝을 실시한 뒤, 상대적으로 크기가 작은 쇼트볼을 이용하여 쇼트피닝을 실시하는 것을 특징으로 하는 열처리 공법을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제작방법.

Images