KR20150048273A - 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법에 관한 것으로, 냉간 코일스프링의 성형과정에서 코일스프링의 내부에 발생된 인장잔류응력을 열처리 과정에서 대부분 제거하여 코일스프링의 내구수명을 향상시킬 수 있도록 하는 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 냉간 성형된 코일스프링을 템퍼링 설비에 투입하여 열처리하되, 템퍼링 과정에서 코일스프링을 압축된 상태로 유지하면서 열처리하는 단계(S10); 및 상기 템퍼링 설비로부터 나오는 코일스프링의 압축을 해제한 후, 공기중에서 자연 냉각하는 단계(S20)로 구성된 것을 특징으로 하는 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법을 제공한다.

Description

냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법{Cold coil spring heat treatment method for improvement of inner side residual stress and fatigue life}

본 발명은 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉간 성형된 코일스프링을 압축시킨 상태로 열처리 설비에 투입하여 템퍼링을 실시하고, 템퍼링 직후 코일스프링의 압축을 해제하여 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력을 개선하는 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 스프링은 강선재(鋼線材)의 탄성력을 이용하여 에너지를 흡수, 축척시켜서 완충의 목적을 달성하거나, 압축 후 반발하는 복귀탄성을 이용하여 여러가지 기계요소의 운동기능을 확보하는 용도로 사용되고 있다.

한편, 가장 일반적인 형태의 스프링은 강선재를 나선형으로 감아 놓은 것으로 이루어진 코일스프링으로, 이러한 코일스프링은 제조방법에 따라 열간 코일스프링과 냉각 코일스프링으로 구분될 수 있다.

상기 열간 코일스프링은 강선재를 가열한 상태에서 코일링한 후 열처리 하여 제작된 스프링이고, 상기 냉간 코일스프링은 열처리한 강선재를 코일링 함으로써 제작되는 스프링이다.

도 1은 종래 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력을 개선하기 위한 처리공정을 나타낸 공정도이다.

냉간 성형된 코일스프링의 내측에는 인장잔류응력(성형 가공응력)이 존재하며, 이를 제거하기 위하여 템퍼링(Tempering)을 실시하고 있으며, 코일스프링의 표면부 압축잔류응력을 높이기 위하여 쇼트 피닝(Shot-peening)을 실시하고 있다.

그러나, 종래의 템퍼링 공정만으로는 코일스프링 내부의 인장잔류응력이 완전히 제거되지 못하여 인장응력이 남아있게 되며, 이후 이루어지는 쇼트 피닝 공정에서 코일스프링의 표면부로부터 약 0.3㎜~0.4㎜의 깊이까지는 압축응력이 생성되지만, 그 이상의 깊이에는 여전히 인장응력이 남아 있다.

이처럼 인장응력이 남이 있는 경우, 인장응력이 남아 있는 부분에서 코일스프링의 피로에 의한 절손이 쉽게 시작되고, 특히 비금속 개재물에 의한 민감도가 증가하여 코일스프링이 더욱 쉽게 피로절손 되므로, 결국 코일스프링의 내구수명이 감소되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0051604호 (2013.05.21.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 냉간 코일스프링의 성형과정에서 코일스프링의 내부에 발생된 인장잔류응력을 열처리 과정에서 대부분 제거하여 코일스프링의 내구수명을 향상시킬 수 있도록 하는 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 냉간 성형된 코일스프링을 템퍼링 설비에 투입하여 열처리하되, 템퍼링 과정에서 코일스프링을 압축된 상태로 유지하면서 열처리하는 단계(S10); 및 상기 템퍼링 설비로부터 나오는 코일스프링의 압축을 해제한 후, 공기중에서 자연 냉각하는 단계(S20)로 구성된 것을 특징으로 하는 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법을 제공한다.

한편, 상기 단계(S10)는, 냉간 성형된 코일스프링을 압축한 상태로 고정하는 단계(S11); 및 압축된 상태로 고정된 코일스프링을 템퍼링 설비에 투입하여 열처리하는 단계(S12)로 구성될 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 냉간 코일스프링의 성형 후 이루어지는 템퍼링 과정에서 인장잔류응력의 대부분을 압축잔류응력을 전환시킬 수 있으므로, 코일스프링의 내구수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존의 열처리 설비를 그대로 이용할 수 있으므로, 설비의 구성에 요구되는 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 종래 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력을 개선하기 위한 처리공정을 나타낸 공정도,
도 2 는 본 발명에 따른 열처리방법이 적용된 냉간 코일스프링의 제작공정도,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리방법의 공정도,
도 4 는 본 발명에 따른 압축지그에 의하여 냉간 코일스프링이 압축된 상태를 보인 단면도,
도 5 는 열처리 및 쇼트 피닝 후 코일스프링 내부응력의 상태를 나타낸 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.

도 2는 본 발명에 따른 열처리방법이 적용된 냉간 코일스프링의 제작공정도를, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리방법의 공정도를, 도 4는 본 발명에 따른 압축지그에 의하여 냉간 코일스프링이 압축된 상태를 보인 단면도를 도시하고 있다.

본 발명에 따른 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법은 냉간 성형과정에서 코일스프링의 내부에 발생된 인장응력을 제거하기 위한 템퍼링 과정에서 코일스프링에 압축응력을 가하여 코일스프링의 내측 압축잔류응력을 개선할 수 있도록 한 것으로, 냉간 성형된 코일스프링(10)을 템퍼링 설비(20)에 투입하여 열처리하되, 템퍼링 과정에서 코일스프링(10)을 압축된 상태로 유지하면서 열처리하는 단계(S10); 및 상기 템퍼링 설비(20)로부터 나오는 코일스프링의 압축을 해제한 후, 공기중에서 자연 냉각하는 단계(S20)로 구성된다. 한편, 상기 언급된 코일스프링의 내측은 도 2에 표시된 A영역으로 코일스프링의 안쪽을 의미한다.

상기 S10 단계는 냉간 성형된 코일스프링을 템퍼링 설비(20)에 투입하여 냉간 성형시 발생된 응력을 제거하는 단계로써, 템퍼링 온도 및 시간은 종래와 동일한 조건으로 실시될 수 있으나, 템퍼링 과정에서 코일스프링에 압축응력을 가한 상태를 유지하도록 한 점에 있어서 종래의 템퍼링 공정과 차이가 있다.

이처럼 템퍼링 과정에서 코일스프링에 압축응력이 가해질 수 있도록 하기 위하여 템퍼링 설비의 내부에 코일스프링의 양단부를 가압하여 압축하는 설비를 추가할 수도 있으나, 이러한 경우 템퍼링 설비를 전반적으로 다시 설계하고 제작해야만 한다.

따라서, 기존의 템퍼링 설비를 그대로 이용하고자 하는 경우, 상기 S10 단계는 냉간 성형된 코일스프링을 압축한 상태로 고정하는 단계(S11); 및 압축된 상태로 고정된 코일스프링을 템퍼링 설비에 투입하여 열처리하는 단계(S12)로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 S11 단계는 별도의 압축지그(30)를 이용하여 코일스프링(10)을 압축하는 것으로 이루어질 수 있다. 이때 상기 압축지그(30)는 코일스프링(10)과 함께 운반할 수 있으며, 운반 및 열처리 과정에서 코일스프링의 압축상태를 그대로 유지할 수 있는 조건을 만족한다면 그 구성은 특별히 제한되지 않는다.

이러한 압축지그의 일례가 도 4에 도시되어 있다.

참고로, 도 4에 도시된 압축지그(30)는 코일스프링의 양단에 위치하도록 상호 소정 거리 이격된 두 가압판(31,32)과, 상기 두 가압판(31,32) 중 어느 한 가압판(31)에 일체형의 구조로 고정되게 설치되고 나머지 한 가압판(32)을 관통하는 구조를 갖는 체결축(33)과, 상기 체결축(33)에 나사결합되어 가압판(31)을 고정하는 고정너트(34)로 구성될 수 있다.

이와 같은 압축지그(30)를 이용하여 코일스프링(10)을 압축 고정하기 위해서는 먼저, 체결축(33)과 일체형의 구조를 갖는 가압판(31)을 코일스프링(10)의 일측단에 위치하도록 배치한다. 이때 체결축(33)은 코일스프링의 중앙부를 관통하여 돌출된다.

코일스프링(10)을 관통하여 돌추뢴 체결축(33)에 나머지 하나의 가압판(32)을 끼우고, 체결축(33)에 고정너트(34)를 체결하여 가압판(32)의 이탈을 방지한다.

이후 체결축(33)에 나사결합된 고정너트(34)를 조이게 되면, 가압판(32)이 코일스프링(10)을 압축하는 방향으로 이동하게 되므로, 고정너트(34)를 이용하여 코일스프링이 압축되는 정도를 조절할 수 있게 된다.

상기 S12 단계는 압축지그(30)에 의하여 압축된 상태로 고정된 코일스프링(10)을 템퍼링 설비(20)에 투입하여 열처리 과정을 거치도록 하는 단계이다.

한편, 템퍼링 설비는 화석연료의 연소시 발생되는 열을 이용하여 코일스프링을 가열하는 가열로나, 전기의 저항열을 이용하여 코일스프링을 가열하는 가열로가 이용될 수 있다.

상기 S20 단계는 코일스프링의 템퍼링 공정이 완료된 후, 코일스프링의 압축을 해제하여 코일스프링의 가해진 압축응력을 해소한 상태에서 자연 냉각시키는 것으로 이루어지게 된다.

도 5는 열처리 및 쇼트 피닝 후 코일스프링 내부응력의 상태를 나타낸 그래프로서, 종래의 방법에 따른 열처리와 쇼트 피닝 후 코일스프링의 내부응력 상태 및 본 발명의 열처리방법에 따른 열처리와 쇼트 피닝 후 코일스프링의 내부응력 상태를 비교하여 나타낸 것이다.

열처리 즉, 템퍼링 조건은 380℃의 온도로 1시간 동안 동일하게 실시하였으며, 쇼트 피닝은 0.87㎜ 쇼트볼을 이용한 1차 열간피닝을 실시한 뒤, 0.6㎜의 쇼트볼을 이용하여 2차 냉간피닝을 동일하게 실시하였다.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 방법에 따른 템퍼링 공정이 이루어진 후, 코일스프링의 내부에는 인장응력이 여전히 남아 있음을 확인할 수 있다.

반면, 본 발명에 따른 템퍼링 공정을 거친 코일스프링의 경우, 내부 인장응력이 제거되고 압축응력이 깊이에 상관없이 비교적 균일하여 발생된 것으로 확인할 수 있다.

한편, 종래의 템퍼링 공정을 거친 코일스프링의 쇼트 피닝 후, 표면부로부터 약 0.35㎜까지는 쇼트 피닝의 영향으로 압축응력이 발생되나, 0.35㎜ 보다 깊은 위치에서는 여전히 인장응력이 남아 있을 확인할 수 있으며, 이러한 경우, 발명의 배경이 되는 기술에서 이미 설명된 바와 같이, 코일스프링의 반복된 압축으로 인하여 인장응력이 남아 있는 부분에서 피로절손이 발생될 확률이 높아지게 된다.

반면, 본 발명에 따른 탬퍼링 공정을 거친 코일스프링의 경우, 표면부로부터 0.35㎜의 깊이까지는 종래와 유사한 잔류응력 분포를 보이지만, 0.35㎜ 보다 깊은 위치에서도 압축응력이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 템퍼링 공정에서 코일스프링 내부의 인장응력이 대부분이 압축응력으로 전환되었기 때문이다.

이처럼 본 발명에 따른 열처리방법에 의하면, 냉간 코일스프링 내부의 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 전환시킬 수 있으며, 하기 [표 1]에서 볼 수 있는 바와 같이 코일스프링의 내구수명을 현저하게 상승시킬 수 있게 된다.

참고로, 상기 내구시험에 사용된 스프링의 재원 및 시험조건은 하기 [표 2]와 같다.

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.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 코일스프링
20: 템퍼링 설비
30: 압축지그

Claims (2)

1. 냉간 성형된 코일스프링을 템퍼링 설비에 투입하여 열처리하되, 템퍼링 과정에서 코일스프링을 압축된 상태로 유지하면서 열처리하는 단계(S10); 및
   상기 템퍼링 설비로부터 나오는 코일스프링의 압축을 해제한 후, 공기중에서 자연 냉각하는 단계(S20)로 구성된 것을 특징으로 하는 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계(S10)는, 냉간 성형된 코일스프링을 압축한 상태로 고정하는 단계(S11); 및
   압축된 상태로 고정된 코일스프링을 템퍼링 설비에 투입하여 열처리하는 단계(S12)로 구성된 것을 특징으로 하는 냉간 코일스프링의 내측 압축잔류응력 개선 및 내구수명 향상을 위한 열처리방법.

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