KR20140132411A - 워크피스의 파열 분리를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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호르스트 쇨함머
마티아스 드링크만
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마우저-베르케 오베른도르프 마쉬넨바우 게엠베하
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Abstract

워크피스의 파열 분리를 위한 방법과 장치, 및 본 발명에 따른 방법에 의해 또는 본 발명에 따른 장치로 파열 분리된 워크피스가 개시된다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 파열 안내 노치가 파열 분리 노치로부터 소정의 거리에 형성되고, 이 파열 안내 노치는 파열 분리 평면이 따르는 경로를 결정하는 역할을 한다. 워크피스를 파열 분리하기 위한 장치는 파열 분리 노치를 형성하기 위한 레이저 유닛 및 파열 안내 노치를 형성하기 위한 기계적 머시닝 유닛을 가진다.

Description

워크피스의 파열 분리를 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR THE FRACTURE SEPARATION OF A WORKPIECE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 워크피스의 파열 분리를 위한 방법, 워크피스의 파열 분리를 위한 장치, 및 이러한 방법에 따라 또는 이러한 장치를 이용하여 파열 분리된 워크피스에 관한 것이다.
본 출원인의 EP 0 808 228 B2는 파열 분리될 베어링 아이, 예컨대 커넥팅 로드 아이에서, 파열 분리 평면을 정의하는 노치가 레이저 에너지를 이용해 형성되는 일반적인 파열 분리 방법을 설명하고 있다. 이러한 노치는 복수의 노치 섹션으로 이루어지고, 노치 섹션의 거리는 본질적으로 커넥팅 로드 아이와 관련된 레이저의 펄스 레이트와 레이저 빔의 피드 레이트로부터 비롯된다. 이러한 노치 섹션에 의해 노치 인자가 전체 길이의 노치에 대해 상당히 증가될 수 있어서, 노치의 형성 및 최적화된 파열 분리 평면이 상대적으로 낮은 레이저 파워로 만들어질 수 있다는 것이 판명되었다. 낮은 레이저 파워와 이에 따른 워크피스에 가해진 적은 양의 열을 이용하여, 바람직하지 않은 노치 영역에서의 깊은 미세구조 변화가 방지되고, 노치의 특정 에지는 마이크로구조 변형을 겪게 됨으로써, 파열 분리 거동을 개선시킨다.
본 출원인의 DE 2005 031 335 A1은 노치가 직선으로 형성되는 것이 아니라, 직선 단부 섹션을 가진 대략 사인곡선 형상으로 형성되는 개선된 방법을 설명하고 있다. 놀랍게도, 노치의 이러한 구조에 의해 파열 분리 방법이 더욱 개선될 수 있음이 판명되었다.
본 출원인의 DE 10 2010 014 085 A1은 레이저 타입, 펄스 레이트, 워크피스 재질, 및 레이저 파워가 동기화되어, 전술한 노치부의 거리가, 피드 레이트, 상대 운동 및 레이저의 펄스 레이트로부터 비롯된 계산된 거리보다 상당히 큰 방법을 설명하고 있다. 이러한 거동은 예컨대 파이버 레이저(fiber laser)를 이용하여 설정될 수 있다. 이러한 파이버 레이저는 기본적으로 다이오드 포인트 고체 레이저일 수 있고, 유리 섬유의 코어는 능동 매질을 형성한다. 커플링을 통해서 고체 레이저의 방사선은 실제 레이저 게인(gain)이 발생하는 섬유 내로 유입된다. 레이저 빔의 특성과 질은 섬유의 기하형상을 통해 조절될 수 있어서, 대체로 레이저는 외부의 영향에 대해 독립적으로 유지되고 매우 간단한 구조를 나타낸다.
전술한 능동 섬유를 빠져나간 이후, 레이저 빔은 유리 섬유 내로 유입되고, 유리 섬유를 통해 빔은 실제 레이저 헤드로 인도되고, 광학적 포커싱 유닛을 통해 기계가공될 워크피스로 지향된다. 이러한 파이버 레이저는 매우 컴팩트한 구조에서 매우 높은 전자-광학 효율 및 우수한 빔의 질을 특징으로 하여, 설치 공간이 거의 없어도 종래의 레이저에 비해 더욱 저렴한 솔루션을 제공할 수 있다.
전술한 방법과 장치는 스틸 합금으로 만들어진 가장 다양한 워크피스의 파열 분리에 매우 성공적으로 사용된다.
특히 자동차 산업에서, 연료 소비뿐만 아니라 차량의 동력/무게 비율을 감소시키기 위하여 가벼운 구조적 부품을 사용하도록 노력한다. 또한, 엔진 구조에서 가벼운 금속 합금이 사용된다. 따라서, 알루미늄과 티타늄 커넥팅 로드가 내연기관에 사용되도록 의도된다.
전술한 베어링 쉘 내의 커넥팅 로드 아이와 커넥팅 로드 측부의 파열 분리를 위한 방법은 잘 제어할 수 있는 기술과 상대적으로 낮은 투자 비용 때문에 엔진 제조에서 용인되어 왔기 때문에, 이 방법은 또한 그러한 가벼운 금속 구조 커넥팅 로드를 위해 사용되는 것이다. 그러나, 종래의 방법은 원하는 정밀도로 예컨대 알루미늄 커넥팅 로드를 파열 분리하는데 적합하지 않은 것으로 판명되었는데, 그 이유는 예비 테스트가 파열 분리 평면이 미리 정해진 영역에서가 아니라, 이를 벗어나서 파열 분리 평면이 커넥팅 로드의 볼트 또는 스크류 홀을 향해 지나가는 소위 컵-앤드-콘 파열(cup-and-cone fracture)이 나타나서, 볼트 또는 스크류 홀의 영역에서 원뿔형 벌지가 하나의 파열 분리된 부분과 다른 파열 분리된 부분에서 대응하는 원뿔형 깔때기 또는 컵이 발생하기 때문이다. 그러나, 이러한 컵-앤드-콘 파열은 파열 분리된 부분들의 결합 거동이 불충분하기 때문에 절대 용인될 수 없다. 이러한 파열 거동은 단조 알루미늄 커넥팅 로드의 경우에 특히 관측되었는데, 그 이유는 이러한 커넥팅 로드는 일반적으로 매우 낮은 실리콘 함량을 가지기 때문이다. 주조 알루미늄 커넥팅 로드의 경우에, 이러한 바람직하지 않은 파열 거동은 실리콘 함량이 더 높을수록 더 작은 정도로 발생한다. 유사한 문제점이 티타늄 커넥팅 로드에서 관측된다.
이에 반해, 본 발명은, 예컨대 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금과 같은 경량 금속 구조 재질, 파열에 강한 재질을 사용함에 있어서, 또는 종래의 파열 분리 방법에서 파열 거동에 악영향을 주는 표면 처리에서도 개선된 파열 거동을 보장하는, 워크피스의 파열 분리를 위한 방법 및 장치와 워크피스를 제공하는 목적을 기초로 한다.
이러한 목적은 청구항 제1항의 특징 조합에 의한 방법과 관련하여, 및 독립한 제13항의 특징 조합에 의한 장치와 관련하여, 또한 독립한 제10항에 따른 특징 조합에 의한 워크피스와 관련하여 해결된다.
본 발명의 추가적인 유리한 특징은 종속항에서 다루어진다.
본 발명에 따른 방법은, 베어링 아이를 따라 워크피스를 파열 분리하기 위한 것인데, 직경방향으로 서로 반대편에 배치된 파열 분리 노치가 파열 분리 평면을 대략 정의하고, 외주벽에서 베어링 아이 상에서 형성된다. 베어링 아이에 삽입되고 베어링 아이에 파열 분리 힘을 가하여 위하여 반경 방향으로 확장되는 크랙 맨드릴(crack mandrel)을 이용하여 파열 분리가 수행된다. 본 발명에 따르면, 파열 분리 노치로부터 소정의 거리에서, 적어도 하나의 파열 안내 노치가 형성되고, 이것은 파열 분리 평면에 의해 따르는 경로를 결정하는 역할을 한다. 본 발명에 따르면, 파열 안내 노치는 파열 분리 평면이 미리 정해진 영역에 있도록 형성되어서, 컵-앤드-콘 파열 등의 발생이 경량 금속 합금과 같은 파열에 강한 재질에서도 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 파열 안내 노치는 잘못된 방향의 파열에 대한 우수한 보호를 제공한다. 이러한 잘못된 방향의 파열은 예컨대 나사산이 있는 홀을 가진 워크피스에서 발생할 수 있다. 나사산이 있는 홀이 관통 홀로서 형성되고, 나사산이 원하는 파열 분리 평면에 상대적으로 가까이 있는 경우, 파열은 나사산의 방향으로 진행되어, 미리 정해진 경로로 나타내지 않는다. 나사산의 손상이 발생하기 때문에, 워크피스는 사용할 수 없게 된다. 탭이 형성된 블라인드 홀을 가진 워크피스에서, 소위 후퇴 마크(retraction mark)가 나사산을 커팅하는 동안 발생될 수 있다. 이러한 워크피스의 파열 분리에서, 파열 분리 평면이 그러한 후퇴 마크로 인해 잘못된 방향으로 안내되는 경우가 마찬가지로 발생될 수 있다. 이러한 모든 잘못된 방향 안내는 파열 안내 노치를 이용하여 회피될 수 있다.
특히 단조 스킨이 예컨대 샷 피닝(shot peening)에 의해 냉간 경화되는 단조 워크피스에서, 외주 상의 파열 분리 노치는 잘못된 방향으로 안내되는 것에 대한 보호를 제공한다. 냉간 경화된 단조 스킨을 가진 이러한 단조 커넥팅 로드는 예컨대 고성능 엔진에서 사용된다. 이러한 파열 분리/파열 안내 노치가 없다면, 이러한 워크피스에서 스트레인 경화 단조 스킨의 영역에서 파열 분리 평면은 원하는 경로로부터 벗어날 것이다(잘못된 방향으로 안내됨).
본 발명에 따른 워크피스는 이러한 방법을 사용하여 제조된다. 특히 이러한 방법을 수행하기 위한 장치는 파열 분리 노치를 형성하기 위한 레이저 유닛, 크랙 유닛, 및 적어도 하나의 파열 안내 노치를 형성하기 위한 머시닝 유닛을 가지고, 머시닝 유닛은 바람직하게는 기계적 머시닝 유닛이다.
일실시예에서, 파열 안내 노치는 커팅 방식으로 형성된다. 대안적으로, 파열 안내 노치는 당연히 예컨대 레이저 파워 또는 변형, 단조에 의해 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 단조 공정에서, 워크피스는 원하는 영역에서 압축되어, 파열 안내 노치가 형성된다. 파열 안내 노치는 또한 전기 화학적으로 형성(전기 화학 머시닝)될 수 있다. 이러한 공정에서, 전극과 워크피스는 전해질에 의해 수용된다. 전압을 가함에 있어서 워크피스는 국지적으로 스킴(skim)되고, 스킴의 기하형상은 전극의 기하형상에 따른다. 전압은 정밀도를 향상시키기 위하여 직접 전압 또는 펄스로서 가해질 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 특히 예컨대 예상되는 파열 분리 평면의 영역에서 파열 안내 노치가 형성되는 외주 상에 개구를 가지는 나사산이 있는 홀에서 워크피스에 사용된다.
바람직하게는 파열 분리 노치가 레이저 에너지에 의해, 바람직하게는 파이버 레이저를 이용하여 전술한 방식으로 만들어진다.
파열 분리 거동은 파열 분리 노치가 베어링 아이의 둘레에 형성될 때 더욱 개선될 수 있다.
둘레 방향 형성을 위하여, 레이저 및/또는 워크피스가 피벗축에 대하여 회전될 수 있다.
일실시예에서, 파열 분리 노치를 형성하도록 서로에 대해 상보적인 복수의 노치 섹션에 의해 파열 분리 노치 및/또는 파열 안내 노치 각각을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 수정예에서, 워크피스는 커넥팅 로드 아이가 베어링 쉘과 커넥팅 로드 측부로 파열 분리되는 커넥팅 로드이다. 그렇게 함에 있어서, 베어링 아이의 외주벽 상에, 파열 분리 노치가 직경 방향으로 서로 반대편에 형성되고, 파열 안내 노치가 커넥팅 로드의 볼트/스크류 홀 각각에 형성된다. 그러나, 본 발명은 결코 커넥팅 로드에서의 적용예에 한정되는 것이 아니라, 예컨대 베어링 캡이 블록 등으로부터 분리되는, 파열 분리될 다른 워크피스에서도 사용될 수 있다. 그러한 유형의 작업은 예컨대 크랭크 케이스, 캠 샤프트 케이스 등이 있다.
파열 거동은 실제 파열 분리 이전에 워크피스가 적어도 부분적으로 파열 분리 노치 및/또는 파열 안내 노치의 영역에서 열적으로 처리된다면 더욱 개선될 수 있다.
종래의 방식에서, 파열 분리는 소위 쇼크 또는 임팩트 크래킹에 의해 수행될 수 있고, 파열 분리 힘은 크래킹을 시작하는데 충분한 확장 맨드릴에 가해진다. 대안적으로, 소위 피로 크래킹 또는 크랙 전파 크래킹 또한 수행될 수 있고, 여기에서 교변하는 동적 힘이 파열 분리 힘을 덮는 또는 파열 분리 힘 이전에 있는 확장 맨드릴에 가해져서, 피로 크랙이 형성된다. 이러한 방법은 특히 매우 미세한 표면 구조에서 유리하다. 본 방법의 자세한 사항은 본 출원인의 DE 10 137 975 A1에 개시되어 있다.
더욱이, 파열 분리 거동은 파열 분리 노치 및/또는 파열 안내 노치가 대략 직선 방식으로 수행되는 것이 아니라, 종축 방향을 가로질러 기울어진 섹션(벌지)을 가지도록 수행되어, 제1 근사치에서 사인곡선 또는 지그재그 형상의 파열 분리 노치 형상이 형성된다는 점에서, 개선될 수 있다. 이로 인해, 웨이브형 크랙 시작 영역이 파열 분리 동안 형성되고, 이것은 예컨대 이후 단계에서 볼팅 또는 스크류잉하는 동안 워크피스의 파열 분리된 부분을 신뢰할 수 있게 예비 센터링할 수 있게 해준다.
이러한 레이저 노치의 형성은 예컨대 본 출원인의 DE 10 2005 031 335 A1에 개시되어 있다.
알루미늄 합금을 사용함에 있어서, 열처리는 워크피스를 가열함으로써 이루어진다. 가열은 예컨대 레이저 에너지에 의해 및/또는 적절한 방법, 예컨대 유도 가열(induction)을 통해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 워크피스를 위한 터닝 테이블을 가지도록 구성될 수 있고, 관련 레이저 자체는 피벗축을 가지고 작업될 수 있다.
사이클 시간은 워크피스가 2개의 레이저 유닛으로 머시닝될 때 감소될 수 있다.
이미 지적된 바와 같이, 파열 안내 노치와 파열 분리 노치의 조합은, 특정 재질(Ti, Al 합금과 같은 경량 금속 합금, 파열에 강한 재질, 냉간 경화된 외부 스킨을 가진 재질) 및/또는 재질, 표면 처리 또는 기하형상, 예컨대 파열 분리 평면을 가로지르는 나사산이 있는 홀을 통해 잘못된 방향 안내의 위험을 가지는 워크피스에서 유리하다.
본 발명의 바람직한 실시예는 이하 개략적 도면에 의해 좀더 상세하게 설명된다.
도 1은 단조 알루미늄 커넥팅 로드의 3차원 대표도를 도시하고 있다.
도 2는 도 1에 도시된 커넥팅 로드의 단면도를 도시하고 있다.
도 3은 도 1에 따른 워크피스의 파열 분리 이후 파열 분리 평면의 경로를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 레이저 유닛의 개략도로서, 이 장치를 이용하여 도 1의 커넥팅 로드에서 2개의 파열 분리 노치가 형성된다.
도 5는 도 4의 장치의 수정예이다.
도 6 및 7은 레이저 형성 노치를 가진 커넥팅 로드의 실시예를 구성한다.
도 1에 도시된 내연 엔진의 커넥팅 로드(1)는 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 이 알루미늄 합금은 예컨대 무게당 0.3 내지 2 퍼센트의 상대적으로 높은 실리콘 비율을 가져서, 서론에서 설명한 바와 같이 컵-앤드-콘 파열이 발생할 수 있는 것과 같은 종래의 크래킹에서 어려움을 유발한다.
스틸 커넥팅 로드와 유사하게, 알루미늄 커넥팅 로드(1)는 대형 커넥팅 로드 아이(2) 및 소형 커넥팅 로드 아이(4)를 가지고, 이들 사이에서 커넥팅 로드(6)가 연장된다. 이하 설명되는 파열 분리 과정(크래킹)을 통해, 커넥팅 로드는 대형 커넥팅 로드 아이(2)의 영역에서 커넥팅 로드 측부(8)와 베어링 쉘(10)로 파열 분리된다. 파열 분리 이후, 2개의 요소는 다시 결합되고 2개의 볼트/스크류(12)를 이용해 체결되는데, 2개의 볼트/스크류 중에서 오직 1개만 도 1에 따른 대표도에서 도시되어 있다. 볼트/스크류(12)는 종래의 스틸 볼트/스크류일 수 있다. 종래의 방법에서와 같이, 파열 분리 평면은 대형 커넥팅 로드 아이(2)의 외주벽(14)에서 직경 방향으로 반대편에 배치된 파열 분리 노치에 의해 정의된다. 그러나, 종래의 솔루션에 비해, 파열 분리 노치(16, 18)는 외주벽(14)의 영역에서 형성될 뿐만 아니라, 외주 방향으로 형성되는데, 즉 파열 분리 노치(16, 18)가 외주벽(14) 및 인접한 전면(20)을 따라서 연장되어서(각각의 측면(22)와 후방 단부면은 도 1에 도시되어 있지 않음), 커넥팅 로드 아이의 각각의 웹의 전체 외주면이 둘러싸여 있다. 그러나, 예비 테스트는 이러한 외주 파열 분리 노치가 컵-앤드-콘 파열의 발생을 방지하기에 항상 충분하지는 않다는 것을 보여주었다. 상대적으로, 본 발명에 따르면 파열 안내 노치(24)가 각각의 외주 파열 분리 노치(16, 18)로부터 소정의 거리에 형성된다. 이러한 파열 안내 노치는 도 2의 단면도에 도시되어 있고, 이것은 도 1에서 대형 커넥팅 로드 아이(2)의 좌측부의 수직 단면을 도시하고 있다. 이러한 부분 단면도에서, 볼트/스크류(12)에 의해 채워진 볼트/스크류 홀(26)이 나타나는데, 볼트/스크류는 도 2에서 볼트/스크류 홀(26)의 단면도의 영역에서 생략되어 있다. 일점쇄선으로 표시된 파열 분리 평면(28)에 놓인 외주 파열 분리 노치(18)에 의해 정의된 평면에서, 파열 안내 노치(24)가 형성되어 있다. 따라서, 파열 안내 노치는 볼트/스크류 홀(26)에서 외주 리세스를 형성한다. 이러한 리세스는 바람직하게는 예컨대 리세싱 공구를 이용하여 원형 리세싱/터닝에 의해 기계적으로 형성된다. 볼트/스크류(26)의 외주벽에 대한 리세싱 공구의 커팅 에지의 각도는 대략 60도 내지 90도일 수 있다.
이러한 기계적 머시닝을 위해, 4개의 스핀들을 가진 머시닝 유닛이 제공될 수 있고, 예컨대 이 머시닝 유닛을 가지고 수개의 커넥팅 로드 및/또는 볼트/스크류 홀 양자 모두를 머시닝하는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 머시닝 유닛은 역 구조 방법을 사용하여 구성되는 것이 바람직한데, 워크피스가 머시닝을 위해 필요한 스핀들에 대한 상대 운동을 수행하는 동안 스핀들은 제자리에 고정되어 위치한다.
본 발명에 따르면, 파열 안내 노치(24)는 의도된 파열 분리 평면(28)의 영역에서, 파열 분리 노치(16, 18)로부터 소정의 거리에 형성되어서, 컵-앤드-콘 파열의 발생이 신뢰성 있게 방지될 수 있다. 본 발명에 따른 일실시예에서, 파열 분리 노치(16, 18)는 예컨대, 상세한 설명의 초반부에서 설명한 방법에 따라 레이저 에너지에 의해, 바람직하게는 파이버 레이저를 이용하여 형성되어서, 마이크로 구조에서 열적 스트레인과 변형이 파열 분리 노치의 영역에서 최소한으로 유지된다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 적용할 때 생기는 파열 평면에 의해 따르는 전형적인 경로를 도시하고 있다. 도시된 것은 예컨대 도 2에 도시된 베어링 쉘(10)의 커넥팅 로드 아이의 웹의 영역에서의 파열 평면이다. 볼트/스크류 홀(26) 및 볼트/스크류 홀(26)의 외주에 형성된 파열 안내 노치(24)의 베어링 쉘-측부가 나타나 있는데, 파열 안내 노치는 파열 분리 이후에 일종의 챔퍼를 형성한다. 또한, 분명히 도시된 것은 파이버 레이저를 이용하여 제조된 외주 파열 분리 노치(18)이다. 초반부에 설명한 바와 같이, 파열 분리 노치(18)는 서로 이격된 복수의 노치 섹션(30)으로 이루어져 있다. 도시된 실시예에서, 레이저 빔은 30도의 각도로 커플링되어 있는데, 즉 외주 평면에 대해 비스듬하게 커플링되어 있다. 당연히, 다른 커플링 각도 또한 구현될 수 있다.
실제의 파열 분리 평면(32)이 외주 파열 분리 노치(18)로부터 내부 파열 안내 노치(24)까지 매우 부드럽게 이어지는 것이 도시되어 있는데, 컵-앤드-콘 파열의 시작도 결정되지 않았다.
원칙적으로, 파열 안내 노치(24)의 형성은 레이저 에너지에 의해 또는 다른 방식으로 수행될 수 있다. 예컨대, 이러한 영역에서 재료를 특정 부분 압축하여, 파열 안내 노치(24)가 압축에 의해 형성된 볼트/스크류 홀의 영역에서 오목면을 이용하여 사실상 발생하는 것을 생각해 볼 수 있다. 이러한 압축 공정은 예컨대 DE 43 03 592에 설명되어 있다.
파열 분리의 과정과 파열 분리 평면의 품질은, 파열 분리 이전에 커넥팅 로드가 의도된 파열 분리 평면(28)의 영역에서 적어도 부분적으로 가열된다면 더욱 개선될 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 파열 인성(fracture toughness)이 온도가 증가함에 따라 감소하는 일부 알루미늄 합금의 특정 특징이 이용된다. 스틸 합금은 정반대의 거동을 나타내는데, 이러한 합금에서 파열 인성은 온도가 증가함에 따라 증가한다. 가열은 예컨대 유도 가열로 수행될 수 있다. 원칙적으로, 추가적으로 또는 레이저를 이용하여 대안적으로 가열을 수행하는 것도 가능하다.
이에 대응하여, 다른 합금에서 파열 인성이 각각의 워크피스가 부분적으로 냉각되는 점에서 감소될 수 있다.
커넥팅 로드의 파열 분리는 본 발명에 따른 장치를 이용하여 수행될 수 있는데, 이 장치는 서로로부터 국지적으로 이격되거나 또는 1개의 시스템으로 통합될 수 있는 복수의 머시닝 유닛을 포함할 수 있다. 기본적으로 요구되는 것은 파열 분리 노치(16, 18)의 삽입을 위한 레이저 유닛, 파열 분리를 위한 크랙 유닛, 및 파열 분리 동안 커넥팅 로드에 남을 수 있는 볼트/스크류(12)를 삽입하거나 조임으로써 파열 분리된 요소를 결합하기 위한 결합 유닛이다. 추가적으로 요구되는 것은 파열 안내 노치(24)를 형성하기 위한 기계적 머시닝 유닛이고, 이러한 머시닝 유닛은 바람직하게는 실제 파열 분리 유닛에 통합되는 것이 아니라, 역 기계 등으로서 수행된다. 이 기계에서 또한 오일 홀(33)(도 1 참조)이 소형 커넥팅 로드 아이에 형성될 수 있다.
도 4에 따르면, 실제 레이저 유닛은 포커싱 광학부품이 위치하는 레이저 헤드(34)에서 전술한 구조 유형의 파이버 레이저를 포함하여, 레이저 빔(36)이 머시닝된 표면에 대해 미리 정해진 각도로 커플링된다. 도시된 실시예에서, 이 각도는 대략 30도이다.
레이저 헤드는 수직 축(a) 주위로 회전될 수 있다(도 4에서 대시선으로 도시됨). 더욱이, 레이저 헤드(34)는 x 및 y 방향으로 이동가능한 가이드 상에 위치한다. 대형 커넥팅 로드 아이(2)의 단면만을 볼 수 있는 커넥팅 로드는 도시된 실시예에서 터닝 테이블에 위치하고, 터닝 테이블은 축(b) 주위로 회전될 수 있고, 이 피벗축은 도면상의 평면에 대해 수직하다. 예컨대, 도 4는 외주 파열 분리 노치(16, 18)의 형성을 위한 복수의 가능성 중 하나의 가능성을 도시하고 있다. 머시닝 과정의 초기에 레이저 헤드(34)는 도 4에 도시된 "1" 위치에 놓여진 다음, y축을 따라서 이동하여, 외주면(14)에 놓이는 파열 분리 노치의 섹션이 형성된다. 그런 다음, 레이저 헤드(34)는 초기 위치로 다시 이동하고, x방향으로 "2"로 표시된 위치로 이동하여, 도 4에서 오른쪽 상부 영역에 도시된 다른 파열 분리 노치(16)의 외주 섹션을 형성한다. 이러한 단계 이후에, 레이저 헤드(34)는 대시선으로 표시된 위치로 이동되고, 축 주위로 180도 만큼 회전되어, 외주면(14)에 놓이는 파열 분리 노치(16)의 섹션이 형성되는데("4"), 이것은 견인 방식으로 또는 위에서 아래로 리세싱함으로써 도 4에 따른 화살표 방향으로 수행될 수 있다. 후속적으로, 레이저 헤드(34)는 x, y 가이드를 따라 왼쪽으로 이동되고, "5"를 따라 다른 파열 분리 노치(18)의 상부 외주 섹션이 형성된다.
후속 단계 "6"에서, 커넥팅 로드는 축(b) 주위로 180도 만큼 회전되고, 도 4에서 터닝 테이블의 회전 이후에 상부 왼쪽 외주 섹션이 되는 파열 분리 노치(16)의 하부 외주 섹션이 형성되고, 파열 분리 노치(16)가 완성된다. 단계 "7" 이후에 레이저 헤드(34)는 원래 위치로 다시 회전되고(단계 "8"), 도 4에 도시된 터닝 테이블의 전술한 피벗 위치에서 최상부 오른쪽 위치에 있는 파열 분리 노치(18)의 나머지 표면 섹션이 머시닝된다. 이 단계는 도 4에서 "9"로 표시되어 있다. 이것은, 단지 커넥팅 로드와 레이저를 회전함에 의해서 2개의 외주 파열 분리 노치(16, 18)가 상대적으로 신속히 형성될 수 있다는 것을 의미한다. 당연히, 다른 작업 과정도 구현될 수 있다.
도 5는 파열 분리 노치(16, 18)의 형성이 상당히 신속하게 수행될 수 있는 대안예를 도시하고 있다. 본 대안예에서, 레이저 헤드(34)를 가진 하나의 레이저에 더하여, 레이저 헤드(38)를 가진 추가 레이저 유닛이 구비된다. 전술한 실시예와 유사하게, 레이저는 수직 축(a2) 주위로 회전될 수 있고, x2, y2방향으로 이동될 수 있다. 이러한 배치로서, 예컨대 각각의 레이저 노치(16, 18)의 2개의 외주 섹션 각각을 동시에 형성하는 것이 가능하다. 도 5의 레이저 헤드(34, 38)의 상대 위치에서, 파열 분리 노치(18)의 상부 왼쪽 위치는 레이저 헤드(34)를 통해 형성되고, 레이저 헤드(38)는 외주면(14)에 놓이는 레이저 노치(18)의 영역을 형성한다. 물론, 이 구성은 하나의 레이저 헤드(34)가 하나의 파열 분리 노치(18)를 머시닝하고, 다른 레이저 헤드(38)가 다른 파열 분리 노치(16)를 머시닝하도록 제어될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법과 장치(레이저 유닛, 파열 안내 노치(24)를 위한 기계적 머시닝 유닛)는, 개구 등이 파열 분리 노치로부터 소정의 거리에서 파열 분리 평면의 영역에 형성되는 다른 워크피스를 머시닝하기 위해서도 사용될 수 있고, 이러한 개구는 파열 분리 노치로부터 소정의 거리에서 파열 안내 노치를 형성하는 것을 가능하게 한다. 또한, 워크피스는 x, y 가이드를 따라 장착되어 회전될 수 있다.
또한, 파열 평면의 설정 거동은 부분적 레이저 방사에 의해 개선될 수 있다.
종래에는 파열 분리가, 확장 맨드릴에 가해지는 파열 분리 힘이 크랙이 발생할 때까지 증가되는 소위 쇼크 또는 임팩트 크래킹에 의해 수행될 수 있었다. 초반부에 설명된 바와 같이, DE 10 137 975 A1에서 설명된 소위 피로 크래킹이 사용된다면 매우 미세한 구조물에서 특히 유리한데, 여기에서 파열 분리 힘을 덮거나 또는 파열 분리 힘의 이전에 있는 교번하는 동적 힘이 진동 시스템을 통해 확장 맨드릴에 가해져서, 워크피스의 파열 분리 영역이 진동하게 되고, 피로 크랙(fatigue crack)의 형성으로 이어진다.
커넥팅 로드 또는 유사한 워크피스의 파열 분리에서, 파열 분리된 부분들은 파열 분리 이후에 스크류 또는 볼트로 서로 체결된다. 이러한 체결은 파열 분리 노치가 웨이브형 또는 지그재그형 방식으로 형성되어, 나타낸 섹션이 파열 분리 노치의 종축에 대해 횡방향인 경우 상당히 단순화될 수 있다. 이러한 사인곡선 또는 웨이브형상은 다소 직선 방식인 파열 분리 노치로부터 떨어져서 파열 분리 평면에서 벗어나고, 파열 분리된 부분들의 예비 센터링을 가능하게 한다. 미세한 센터링은 마이크로 구조에 의해 미리 정해진 파열 분리 평면에서의 불규칙성을 이용하여 수행된다.
도 6은 커넥팅 로드의 파열 분리를 위해 형성된 이러한 "형성 레이저 노치"를 도시하고 있다. 도 6에 따르면 파열 분리 노치는 도 1에 따른 실시예에서와 같이 직선 외주 방식으로 형성되는 것이 아니라, 둘레에 형성되는 웨이브형 구조를 가진다. 도시된 실시예에서, 약간의 사인형상이 각각의 벽 영역(내부 외주벽, 전면 영역, 및 외부 외주벽)에서 선택되고, 아래위로 각각 굽어진 웨이브(40)이 형성되어 있다. 본 발명에 따르면, 이로 인해 이러한 웨이브(40)이, 제1 근사치에서 직선 파열 분리 노치 기하형상에서 형성될 파열 분리 평면에 놓이는 직선 섹션(42)에서 빠져나가는 것이 바람직하다. 상응하게, 코너 영역에서, 즉 외주벽 또는 외부 외주벽으로부터 전방 단부벽 영역까지 전이 영역에서 파열 분리 노치는 또한 직선으로 형성될 수 있다. 내부 외주면(14)과 외부 측면/외부 외주면의 영역에서, 이러한 직선 섹션(42)은 베어링 축에 대략 평행하게 뻗어나간다. 원칙적으로, 외주 파열 분리 노치(14, 16)의 각각의 외주 섹션에서, 도 6의 도시에서 아래 또는 위로 연장되는 단지 하나의 벌지(웨이브(42))가 형성된다면 충분하다.
도 7은 웨이브형과 아래 및/또는 위로 연장되는 벌지를 가진 형성 레이저 노치가 내부 외주면(14)의 영역에만 형성되는 일실시예를 도시하고 있다. 도 1의 실시예에 따른 2개의 전면(20과 외부 측면(22) 상의 파열 분리 노치의 영역은 직선으로 형성되어 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 전술한 대략 사인형 벌지(40) 대신에, 다른 노치 기하형상이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 또는 본 발명에 따른 장치를 이용하여 워크피스의 파열 분리와 파열 분리된 워크피스를 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 본 발명에 따라, 파열 분리 노치로부터 소정의 거리에 적어도 하나의 파열 안내 노치가 형성되고, 이것은 파열 분리 평면이 따르는 경로를 정하는데 일정한 역할을 한다. 워크피스의 파열 분리를 위한 장치는, 파열 분리 노치를 형성하기 위한 레이저 유닛 및 파열 안내 노치를 형성하기 위한 기계적 머시닝 유닛을 가진다.
1 커넥팅 로드
2 대형 커넥팅 로드 아이(large connecting rod eye)
4 소형 커넥팅 로드 아이(small connecting rod eye)
6 커넥팅 로드
8 커넥팅 로드 측부
10 베어링 쉘
12 볼트/스크류
14 외주면
16 파열 분리 노치(fracture separating notch)
18 파열 분리 노치
20 전면(front surface)
22 측면
24 파열 안내 노치(fracture directing notch)
26 볼트/스크류 홀
28 파열 분리 평면
30 노치 섹션
32 파열 평면
33 오일 홀
34 레이저 헤드
36 레이저 빔
38 레이저 헤드
40 웨이브
42 직선 섹션

Claims (16)

  1. 베어링 아이(bearing eye)를 따라 워크피스를 파열 분리(fracture separation)하기 위한 방법으로서,
    직경방향으로 서로 반대편에 배치된 파열 분리 노치(16, 18)가 외주벽(14)에 형성되고, 상기 파열 분리 노치(16, 18)는 파열 분리 평면(28)을 대략 정의하고, 크랙 맨드릴(crack mandrel)이 파열 분리 힘을 베어링에 가하기 위해 사용되고,
    상기 파열 분리 평면(28)에 놓이는 적어도 하나의 파열 안내 노치(24)가 상기 파열 분리 노치(16, 18)로부터 소정의 거리에 형성되는,
    워크피스의 파열 분리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파열 안내 노치(24)는 커팅 공구로 머시닝되어 또는 전기화학적으로 또는 변형에 의해 형성되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 파열 분리 평면(28)의 영역에서 상기 워크피스는 외주벽에 적어도 하나의 개구를 가지고, 상기 파열 안내 노치(24)는 상기 개구로 형성되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파열 분리 노치(16, 18)는 레이저 에너지를 이용하여, 바람직하게는 파이버 레이저(fiber laser)를 이용하여 형성되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파열 분리 노치(16, 18)는 외주방향으로 형성되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    레이저 유닛 또는 상기 워크피스가 각각의 다른 요소들에 대해 회전가능하게 배치되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워크피스는 상기 파열 분리 평면(28)의 영역에서 파열 분리되기 이전에 부분적으로 가열 또는 냉각되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    피로 크랙(fatigue crack)을 형성함으로써 분리가 수행되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파열 분리 노치(16, 18) 및/또는 상기 파열 안내 노치(24)는 대략 웨이브형 또는 지그재그형 섹션을 가지도록 형성되는, 워크피스의 파열 분리 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 생산된 워크피스로서,
    바람직하게는 파열에 강한 재질, 바람직하게는 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금으로 이루어지고, 및/또는 냉간 경화된 또는 아니면 예비 처리된 표면을 포함하는, 워크피스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 워크피스는 커넥팅 로드(1)이고, 상기 커넥팅 로드의 대형 커넥팅 로드 아이(2)는 베어링 쉘(10)과 커넥팅 로드 측부(8)로 파열 분리되고,
    파열 분리 노치(16, 18)가 외주벽(14) 상에서 직경방향으로 서로 반대편에 형성되고, 각각의 파열 안내 노치(24)가 볼트/스크류 홀(26)에 형성되는, 워크피스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파열 분리 노치(16, 18)는 외주방향으로 형성되는, 워크피스.
  13. 워크피스의 파열 분리를 위한 장치로서,
    파열 분리 노치(16, 18)를 형성하기 위한 레이저 유닛; 및
    파열 안내 노치(24)를 형성하기 위한 기계적 머시닝 유닛
    을 포함하는, 파열 분리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 워크피스는 터닝 테이블 상에 위치되고,
    레이저 헤드(34, 38)가 상기 워크피스에 대해 회전가능 및/또는 이동가능하고/이동가능하거나, 상기 워크피스는 상기 레이저 헤드(34, 38)에 대해 회전가능 및/또는 이동가능한, 파열 분리 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    파열 분리하는 동안 교번하는 동적 힘을 확장 맨드릴에 가하기 위한 진동 시스템을 포함하는, 파열 분리 장치.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    파열 분리 평면의 영역을 가열 또는 냉각하기 위한 유닛을 포함하는, 파열 분리 장치.
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