KR20170127299A - 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법 - Google Patents

경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법에 관한 것으로서, 제조 공정에 개별 유압 프레스를 이용한 펀칭 단계가 추가 도입되어, 경량화 및 정밀 성형이 가능하고 내구성이 향상된 크랭크샤프트의 제조 방법에 관한 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 봉강을 가열하는 가열 단계; 상기 가열된 봉강을 상형 및 하형으로 구성되는 금형 캐비티 내에 배치하여 봉강과 크랭크샤프트의 제1차 중간 형상을 만들기 위한 버스터 단계; 상기 제1차 중간 형상이 제2차 중간 형상으로 제조되기 위한 브로커 단계; 상기 브로커 단계를 거친 제2차 중간 형상이 제3차 중간 형상으로 제조되는 피니셔 단계; 상기 피니셔 단계를 거친 제3차 중간 형상이 크랭크샤프트 형상 이외 부분이 절단되어 크랭크샤프트의 완성 형상이 형성되는 트리밍 단계; 및 상기 트리밍 단계를 거친 크랭크샤프트의 완성 형상에 홀이 생성되는 펀칭 단계;를 포함하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법을 제공한다.

Description

경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법{Method of Manufacturing Crankshaft Having Lightweight Forged Holes}
본 발명은 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법에 관한 것으로서, 제조 공정에 개별 유압 프레스를 이용한 펀칭 단계가 추가 도입되어, 경량화 및 정밀 성형이 가능하고 내구성이 향상된 크랭크샤프트의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 업계에서는 현재 연비 향상의 중요성 및 공해 방지대책이 점차 강화되고 있다. 자동차의 연비개선 및 이산화탄소 배출량을 감소시키는 대책으로는 대체연료 개발, 엔진효율 향상, 디자인 개선 등의 방법이 있다. 이 중에서 가장 효과적인 방안은 차량의 경량화이다. 차량 무게가 가벼워지면 연비 효율 및 가속성능이 증대되고, 이산화탄소 배출량은 감소하며, 샤시와 타이어 내구 수명은 향상된다.
이에 따라, 자동차 업계에서는 연료비 향상을 위해서 수많은 부품으로 조합된 엔진의 경량화가 요구되고 있다. 엔진의 본체는 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크샤프트가 장착 되어있는 크랭크케이스(Crankcase), 피스톤이 왕복하는 실린더(원통)를 하나로 모은 실린더 블록(Cylinder Block), 인간의 머리에 해당하는 실린더 헤드(Cylinder Head)로 구성되어 있다. 이 실린더 속에서 움직이는 부품 즉, 피스톤, 크랭크샤프트, 커넥팅 로드 등을 합하여 주요운동부품이라고 한다.
이 중, 크랭크샤프트는 피스톤에서 전달된 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 핵심 부품으로써, 엔진 출력 및 효율이 증가할수록 더 큰 하중을 받으며 회전하게 된다. 따라서, 상기의 큰 하중을 견디기 위하여 강성 및 내구성 확보가 필요하므로 엔진 주요운동부품 중에서 크랭크샤프트는 중량이 가장 무겁고 부피가 큰 부품이다. 따라서, 크랭크샤프트의 크기 및 질량을 최소화하는 것은 엔진의 사이즈 및 질량을 감소시켜서, 차량의 전체 크기, 질량 및 연비 효율에 복합적인 영향을 미친다.
이처럼, 연비효율에 큰 영향을 미치는 크랭크샤프트는 저널축부, 핀부, 암부, 웨이트부로 구성되어 있다. 저널축부에는 이것과 평행한 크랭크 핀부가 크랭크암에 의해 연결되어 있고 암부에는 카운터 웨이트부가 위치해 있다. 카운터 웨이트부의 저널축부에 대한 형성 위치는 크랭크 핀부의 접속 부분의 반대 측이다.
종래기술은 이러한 크랭크샤프트의 크랭크 핀부에 중공형 구멍부분을 형성하여 경량화를 도모하는 기술이 있다. 이처럼 크랭크 핀부에 구멍부분을 형성한 경우에, 크랭크샤프트의 강성에는 영향이 적기 때문에 크랭크 핀부에 구멍부분을 형성하는 것은 적합하다고 볼 수 있다.
그러나 종래기술은 핀부 구멍부분을 형성할 경우, 각각의 핀부에 생긴 구멍부분이 상이한 문제점이 있다. 이러한 품질 편차 및 불량율을 최소화하기 위해, 각각의 유압 프레스에 설정된 변위량 및 하중을 제어하여 정밀 성형의 실시가 필요하다.
이에, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 크랭크샤프트의 경량화 및 정밀 성형을 위하여 개발된 것이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 크랭크샤프트의 경량화를 확보하는 동시에 제조 시, 품질 편차 및 불량률을 최소화하기 위한 정밀 성형을 실시한 것으로 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조방법을 통해 자동차 엔진의 중량 감소, 나아가 자동차의 내구성 증가와 경량화를 가능하게 하여 연비 효율의 증대 및 환경오염을 방지하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 봉강을 가열하는 가열 단계; 상기 가열된 봉강을 상형 및 하형으로 구성되는 금형 캐비티 내에 배치하여 봉강과 크랭크샤프트의 제1차 중간 형상을 만들기 위한 버스터 단계; 상기 제1차 중간 형상이 제2차 중간 형상으로 제조되기 위한 브로커 단계; 상기 브로커 단계를 거친 제2차 중간 형상이 제3차 중간 형상으로 제조되는 피니셔 단계; 상기 피니셔 단계를 거친 제3차 중간 형상이 크랭크샤프트 형상 이외 부분이 절단되어 크랭크샤프트의 완성 형상이 형성되는 트리밍 단계; 및 상기 트리밍 단계를 거친 크랭크샤프트의 완성 형상에 홀이 생성되는 펀칭 단계;를 포함하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서의 상기 펀칭 단계는 상기 크랭크 샤프트의 완성 형상의 양측의 핀 웹부에 유압 프레스로 홀이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 상기 유압프레스는 상기 양측의 핀 웹부에 개별적으로 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 상기 유압프레스는 일측에 위치한 크랭크 핀의 웹부 양측과 타측에 위치한 크랭크 핀의 웹부 양측에 동시에 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 상기 유압프레스는 상기 핀의 웹부 양측에 대각선 방향으로 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 상기 트리밍 단계를 거친 가열 상태의 크랭크샤프트의 완성 형상에 홀이 생성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 크랭크샤프트 제조 방법에 의하면 크랭크샤프트의 경량화를 확보하는 동시에 제조 시, 품질 편차 및 불량률을 최소화하기 위한 정밀 성형을 실시한 것으로 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 크랭크샤프트 제조 방법에 의하면 자동차 엔진의 중량 감소, 나아가 자동차의 내구성 증가 및 경량화를 가능하게 하여 연비 효율을 증대시키고 환경오염을 방지하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 크랭크샤프트의 단조 공정의 단계별 구성도.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 크랭크샤프트의 제조 방법 순서도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 크랭크샤프트의 트리밍 단계 후에 펀칭 단계가 추가된 본 발명의 크랭크샤프트 구성도.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 크랭크샤프트의 핀 웹부에 개별적으로 유압 프레스가 사용되어 1차 성형 단계 및 2차 성형 단계를 포함하는 크랭크샤프트의 구성도.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 크랭크샤프트의 핀 웹부에 경량 단조 홀이 형성된 형상을 나타낸 구성도.
도 6은 종래 기술에 따른 크랭크샤프트와 본 발명에 따른 크랭크샤프트의 경량 단조 홀 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법에 관한 것으로, 일 관점에서 본 발명은 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트에 관한 것이다.
도1은 종래기술에 따른 크랭크샤프트의 단조 공정의 단계별 구성도이다. 봉강이 1200~1250 도로 가열된 후, 상기 가열된 봉강은 열간 단조 공정을 지나게 된다. 열간 단조 공정은 버스터 단계(S11), 브로커 단계(S13), 피니셔 단계(S15), 트리밍 단계(S17)로 나뉜다.
우선, 상기 가열된 봉강은 상형 및 하형으로 구성되는 금형 캐비티 내에 배치되어 소재의 강도와 변형율을 고려하여 단조 공정으로 성형 가능한 범위에서 설정되도록 하며 제1차 중간 형상에 대응하는 버스터 단계(S11)를 거치게 된다. 상기 제1차 중간 형상이 소재의 강도와 변형율을 고려한 단조 공정으로 성형 가능한 범위에서 설정되며 상기 제1차 중간 형상에서 제2차 중간 형상으로 제조되는 브로커 단계(S13)를 지나, 상기 브로커 단계(S13)를 거친 제2차 중간 형상이 크랭크샤프트의 완성 형상에 대응하여 제3차 중간 형상으로 제조되는 피니셔 단계(S15)까지 지나면, 상기 피니셔 단계(S15)를 거친 제3차 중간 형상은 크랭크샤프트 형상 이외 부분이 절단되어 크랭크샤프트의 완성 형상이 형성되는 트리밍 단계(S17)를 거친다.
도2은 본 발명의 일실시예에 따른 크랭크샤프트의 제조 방법 순서도이며, 본 발명의 크랭크샤프트 제조 방법에는 상기 트리밍 단계를 거친 크랭크샤프트의 완성 형상에 홀이 생성될 수 있도록 펀칭 단계(S109)까지 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 최종 형상은 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트이다.
보다 더 구체적으로, 가열된 봉강은 상형 및 하형으로 구성되는 금형 캐비티 내에 배치되어 소재의 강도와 변형율을 고려하여 단조 공정으로 성형 가능한 범위에서 설정되도록 하며 제1차 중간 형상에 대응하는 버스터 단계(S101)를 거치게 된다. 상기 제1차 중간 형상이 소재의 강도와 변형율을 고려한 단조 공정으로 성형 가능한 범위에서 설정되며 상기 제1차 중간 형상에서 제2차 중간 형상으로 제조되는 브로커 단계(S103)를 지나, 상기 브로커 단계(S103)를 거친 제2차 중간 형상이 크랭크샤프트의 완성 형상에 대응하여 제3차 중간 형상으로 제조되는 피니셔 단계(S105)까지 지나면, 상기 피니셔 단계(S105)를 거친 제3차 중간 형상은 크랭크샤프트 형상 이외 부분이 절단되어 크랭크샤프트의 완성 형상이 형성되는 트리밍 단계(S107)를 거친다. 이후에, 본 발명의 크랭크샤프트 제조 방법에는 상기 트리밍 단계(S107)를 거친 크랭크샤프트의 완성 형상에 홀이 생성될 수 있도록 펀칭 단계(S109)까지 포함한다. 따라서, 상기 단계들에 따라 본 발명의 최종 형상은 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트가 완성된다.
더불어, 도5는 본 발명에 따른 크랭크샤프트의 핀 웹부에 경량 단조 홀이 형성된 형상을 나타낸 구성도이다. 보다 더 구체적으로, 핀 웹부는 전체적으로 부채꼴 형상을 가지며 핀 웹부의 하측보다 상대적으로 폭이 좁은 상측에 경량 단조 홀이 형성된다. 이 형상을 측면에서 보았을 때에도 핀 웹부 상측에 홀이 생긴 것을 확인할 수 있다.
도3는 본 발명에 따른 크랭크샤프트의 트리밍 단계 후에 펀칭 단계가 추가된 본 발명의 크랭크샤프트 구성도이다. 본 발명에서의 상기 펀칭 단계(S109)는 상기 크랭크샤프트의 완성 형상의 양측의 핀 웹부에 유압 프레스가 사용되어 홀이 형성되는 것이다.
상기 트리밍 단계(S107)를 거친 후, 펀칭 단계(S109)를 지나는 상기 크랭크샤프트의 조건은 가열 상태의 완성 형상에 홀이 생성되어야 한다는 것이다. 또한, 상기 도3에서의 유압 프레스는 각각의 핀 웹부에 개별적으로 사용되며, 대각선 방향으로 핀 웹부에 가해지는 것을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 도3는 실린더가 4개인 4기통 엔진의 크랭크샤프트 구성도이며, 이에 따라 크랭크샤프트의 핀 또한 4개임을 알 수 있다. 또한, 상기 핀 웹부는 크랭크 핀의 양측에 위치해 있으며 총 8부분임을 확인할 수 있고, 상기 4개의 핀과 상기 8개의 핀 웹부는 크랭크샤프트 축의 수직방향에 위치해 있다.
나아가, 도4은 본 발명에 따른 핀 웹부에 개별적으로 유압 프레스가 사용되어 1차 성형 단계 및 2차 성형 단계를 포함하는 크랭크샤프트의 구성도이다. 상기 도4은 상기 도3에서 명시한 것처럼, 크랭크샤프트는 4개의 핀과 8개의 핀 웹부로 이루어져 있다. 좌측에서부터 차례대로 핀1(101), 핀2(102), 핀3(103), 핀4(104)이며, 핀1(101)의 양측에 핀 웹부1(111), 핀 웹부2(112)가 위치해 있고, 핀2(102)의 양측에는 핀 웹부3(113)와 핀 웹부4(114), 핀3(103)의 양측에는 핀 웹부5(115), 핀 웹부6(116), 핀4(104)의 양측에는 핀 웹부7(117), 핀 웹부8(118)로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 1차 성형 단계 및 2차 성형 단계를 자세히 상술하자면, 상기 1차 성형 단계에서는 상기 핀1(101)의 핀 웹부1(111)과 핀 웹부2(112), 상기 핀3(103)의 핀 웹부5(115)와 핀 웹부6(116)에 개별 유압 프레스를 이용하여 펀칭용 금형에 의해 홀이 생성되는 것이다. 상기 1차 성형 단계 후, 상기 2차 성형 단계에서는 상기 핀2의 핀 웹부3과 핀 웹부4, 상기 핀4의 핀 웹부7와 핀 웹부8에 각각 개별 유압 프레스를 이용하여 펀칭용 금형에 의해 홀이 생성된다.
이처럼, 1차 성형 단계 및 2차 성형 단계에서의 상기 개별 유압프레스는 각각 일측에 위치한 크랭크 핀의 웹부 양측과 타측에 위치한 크랭크 핀의 웹부 양측에 동시에 적용되는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 총 2회에 걸친 성형 단계를 거칠 경우, 성형 싸이클 타임(Cycle Time)은 종래기술과 대비하여 늘어나지 않고, 오히려 개별 유압 프레스 사용으로 인한 정밀 성형이 가능해져 최적의 품질 확보가 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 크랭크샤프트는 트리밍 단계(S107) 후에 1차 성형 단계 및 2차 성형 단계를 포함하는 펀칭 단계(S109)가 추가된 본 발명의 크랭크샤프트의 완성 형상의 양측의 핀 웹부에 유압 프레스가 사용되어 홀이 형성되는 것이다. 이 때의 유압 프레스는 각각의 핀 웹부에 개별적으로 사용되며, 대각선 방향으로 핀 웹부에 가해진다. 또한, 상기 트리밍 단계(S107)를 거친 후, 펀칭 단계(S109)를 지나는 상기 크랭크샤프트의 조건은 가열 상태의 완성 형상에 홀이 생성되어야 한다는 것이다.
상기 펀칭 단계(S109)에서처럼, 각각의 핀 웹부에 개별적으로 유압프레스를 이용할 경우 설정된 변위량 및 하중으로 제어가 가능하여 정밀 성형을 실시할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, 크랭크샤프트의 품질 편차 및 불량율 또한 최소화할 수 있다.
추가적으로, 도6는 종래 기술에 따른 크랭크샤프트와 본 발명에 따른 크랭크샤프트의 경량 단조 홀 구성도이다. 종래기술에 따른 크랭크샤프트의 홀은 4개이고, 본 발명에 따른 크랭크샤프트의 홀은 총 8부분임을 알 수 있다. 이와 같이 크랭크샤프트를 제조할 경우, 종래기술에 따른 크랭크샤프트의 중량은 9.522kg이고 본 발명에 따른 크랭크샤프트의 중량은 약 9.0kg이다.
이처럼 종래기술 대비 크랭크샤프트의 경량화가 가능하여 차량을 제조할 때에도 큰 경량화 효과를 기대할 수 있다. 또한, 차량 경량화에 따른 연비 향상도 추가적으로 얻을 수 있다. 더불어 종래 기술에 따른 크랭크샤프트의 절삭 가공 대비 제조비 절감이 가능하며, 더 나은 피로 강도의 확보 또한 가능한 것으로 보여진다.
따라서 본 발명의 크랭크샤프트 제조 방법에 의하면 크랭크샤프트의 경량화를 확보하는 동시에 제조 시, 품질 편차 및 불량률을 최소화하기 위한 정밀 성형을 실시한 것으로 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법이다.
일반적으로 크랭크샤프트는 피스톤에서 전달된 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 핵심 부품으로, 엔진 출력 및 효율이 증가할 경우 더 큰 하중을 견뎌내며 회전하기 때문에, 소재의 강성 및 내구성이 크게 요구된다. 이에, 본 발명에 따른 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트 및 이의 제조방법은 상기와 같은 모든 요구 조건을 만족시키는 바이다.
또한, 자동차 엔진의 중량 감소, 나아가 자동차의 내구성 증가 및 경량화를 가능하게 하여 연비 효율을 증대시키고 환경오염을 방지하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법이다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
S11 : 버스터 단계
S13 : 브로커 단계
S15 : 피니셔 단계
S17 : 트리밍 단계
S101 : 버스터 단계
S103 : 브로커 단계
S105 : 피니셔 단계
S107 : 트리밍 단계
S109 : 펀칭 단계
101 : 핀1
102 : 핀2
103 : 핀3
104 : 핀4
111 : 핀 웹부1
112 : 핀 웹부2
113 : 핀 웹부3
114 : 핀 웹부4
115 : 핀 웹부5
116 : 핀 웹부6
117 : 핀 웹부7
118 : 핀 웹부8

Claims (6)

  1. 봉강을 가열하는 가열 단계;
    상기 가열된 봉강을 상형 및 하형으로 구성되는 금형 캐비티 내에 배치하여 봉강과 크랭크샤프트의 제1차 중간 형상을 만들기 위한 버스터 단계;
    상기 제1차 중간 형상이 제2차 중간 형상으로 제조되기 위한 브로커 단계;
    상기 브로커 단계를 거친 제2차 중간 형상이 제3차 중간 형상으로 제조되는 피니셔 단계;
    상기 피니셔 단계를 거친 제3차 중간 형상이 크랭크샤프트 형상 이외 부분이 절단되어 크랭크샤프트의 완성 형상이 형성되는 트리밍 단계; 및
    상기 트리밍 단계를 거친 크랭크샤프트의 완성 형상에 홀이 생성되는 펀칭 단계;를 포함하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펀칭 단계는 상기 크랭크 샤프트의 완성 형상의 양측의 핀 웹부에 유압 프레스로 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크 샤프트의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유압프레스는 상기 양측의 핀 웹부에 개별적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유압프레스는 일측에 위치한 크랭크 핀의 웹부 양측과 타측에 위치한 크랭크 핀의 웹부 양측에 동시에 적용되는 것을 특징으로 하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유압프레스는 상기 핀의 웹부 양측에 대각선 방향으로 적용되는 것을 특징으로 하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 트리밍 단계를 거친 가열 상태의 크랭크샤프트의 완성 형상에 홀이 생성되는 것을 특징으로 하는 경량 단조 홀이 형성된 크랭크샤프트의 제조 방법.


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