KR20180002446A - 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법 - Google Patents

측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법 Download PDF

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문호근
김정구
장성민
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한호산업(주)
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Abstract

본 발명은 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법에 관한 것으로서, 환봉 형상의 봉재를 일정 길이로 절단하여 소재를 형성하는 소재 절단 공정; 금형을 매개로 상기 소재의 일부를 가압하여 풀리부에 성형돌출부 및 측면치형 형성이 가능한 일정한 두께를 갖는 풀리부를 형성하는 예비 성형을 수행하는 단계; 및 상기 풀리부에 상방으로 돌출된 성형돌출부를 성형하고, 상기 성형돌출부의 외측 둘레면에 기어이와 치홈이 반복적으로 형성된 측면치형을 가지는 예비 성형품을 성형하는 단계를 포함하는 열간 단조 공정; 상기 소재의 나머지 부분에 원주 방향으로 4개의 금형을 배치하고, 배열된 4개의 금형이 동시에 연속적으로 소재를 가압하여 상하 및 좌우의 4방향에서 동시에 성형하여 소정길이 및 소정직경 만큼 연장 성형하여 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정; 및, 상기 열간 단조공정에 의해 형성된 풀리부의 측면치형을 정치수로 정밀하게 단조 가공하는 냉간 교정 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.

Description

측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF LONG SHAFT TYPE PULLY SHAFT HAVING SIDE TOOTH}
본 발명은 풀리 샤프트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트를 열간 단조를 이용하여 제조하되, 제조 비용을 줄여 생산성을 향상시킬 수 있는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량이 주행하는데 필요로 하는 구동력은 주행환경에 의해 크게 변하므로 이에 대응하기 위하여 엔진과 구동바퀴 사이에서 토크를 변화시키는 변속기가 차량에 구비된다.
이러한 변속기로는, 운전자가 직접 엔진의 회전수, 차량 속도, 차량 소음 발생 정도에 따라 변속단수를 결정하는 수동 변속기와, 차량의 주행 조건에 따라 자동으로 변속이 이루어지는 자동 변속기와, 각 변속단 사이에 특정한 변속 영역이 없이 무단으로 연속적으로 변속이 이루어지는 CVT(Continuously Variable Transmission: 이하, '무단 변속기'라 함)로 대별된다.
상기한 변속기의 종류 중 무단 변속기는 엔진의 구동에 의해 발생된 유압의 공급에 따라 직경이 가변되면서 변속비를 제어하는 프라이머리 풀리(Primary pully)와, 상기 프라이머리 풀리와 벨트로 연결되어 프라이머리 풀리와 상반된 작동으로 직경이 가변되면서 벨트의 장력을 조절하는 세컨들리 풀리(Secondary pully)로 이루어져 있다.
여기서, 상기 세컨들리 풀리는 프라이머리 풀리의 샤프트부보다 얇고 긴 장축의 샤프트부와, 상기 샤프트부의 외주측에 플랜지 형태로 형성되는 풀리부로 이루어진 풀리 샤프트(Pully Shaft)로서, 상기 풀리부에는 상방으로 돌출된 성형돌출부가 형성되고, 상기 성형돌출부의 외측 둘레면에는 기어이와 치홈이 반복적으로 형성된 복잡한 형태의 측면치형이 구비된다.
따라서, 종래 열간 단조방법을 이용하여 풀리부와 샤프트부를 일체로 성형하여 풀리 샤프트를 제조함에 있어서, 상기 풀리 샤프트의 열간 단조 성형 시 플랜지를 가지는 풀리부를 성형하고, 그 뒤 풀리부의 성형돌출부 외주면측에 복수의 측면치형을 순차적으로 성형하는 방법이 알려져 있다.
그런데, 이러한 풀리 샤프트의 열간 단조 성형 시 성형돌출부에 형성된 측면치형의 살두께가 너무 얇아 상기 측면치형의 성형이 이루어지기 전에 샤프트부가 먼저 성형이 완료되므로 피니셔 공정에서 정밀하게 성형되어야 할 측면치형에서 소재가 치밀하게 충전되지 않아 성형이 완전히 이루어지지 못하는 결육이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 문제점을 방지하기 위해, 종래 열간 단조방법은 상기 측면치형 영역과 샤프트영역의 살두께를 조금이라도 더 확보하기 위하여 소재를 추가하여 열간 단조함으로써, 이러한 결육 문제를 해결하게 된다.
그러나, 상기와 같은 방법에 따른 풀리 샤프트의 제조방식은 원재료의 불필요한 낭비와 공정 추가로 인한 가공비의 증가로 인해 제품 생산 효율을 저하시키는 단점이 있었다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 종래의 열간 단조 공정 이후 측면치형을 냉간 단조 공정을 통하여 성형함으로써 이러한 문제를 해결하게 된다.
그러나, 상기와 같은 방법은 냉간 단조 공정 전 열처리와 가공공정이 필요하고, 냉간 단조 공정후 트리밍 공정과 내부응력제거 열처리 공정의 추가로 인한 가공비의 증가시키는 단점이 있었다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 풀리부와 샤프트부를 별도로 제조한 후 서로 용접하여 하나의 풀리 샤프트를 제조할 수도 있으나, 용접 공정을 추가할 경우 이 또한 비용이 소요되어 생산 원가의 상승 요인이 되며, 용접 부위에서 금속의 흐름이 단절되어 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.
일본등록특허공보 제5704966호(2015.3.6)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 열간 단조 공정 및 반경 단조 공정을 통해 일체로 성형되는 장축형 풀리 샤프트에 있어서, 풀리부의 측면치형의 살두께와, 장축형 샤프트부의 길이와 직경을 최적 설계함으로써, 열간 단조 공정에서 성형이 완전히 이루어지지 못하는 미성형(결육)을 방지하면서 원재료의 불필요한 낭비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 공정 추가로 인한 가공비의 증가에 따른 제품 생산 효율의 저하를 방지할 수 있는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법은, 환봉 형상의 봉재를 일정 길이로 절단하여 소재를형성하는 소재 절단 공정; 금형을 매개로 상기 봉재의 일부를 가압하여 일정한 두께를 가지는 풀리부를 형성하는 단계; 및 상기 풀리부에 상방으로 돌출된 성형돌출부를 형성하고, 상기 성형돌출부의 외측 둘레면에 기어이와 치홈이 반복적으로 형성된 측면치형을 가지는 예비 성형품을 형성하는 단계를 포함하는 열간 단조 공정; 상기 예비 성형품의 샤프트 부분을 소정길이 및 소정직경 만큼 연장 성형하여 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정; 및, 상기 열간 단조 공정에 의해 형성된 풀리부의 측면치형을 정치수로 정밀하게 냉간 가공하는 냉간 교정 공정을 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정은, 상기 예비 성형품의 샤프트부에 원주 방향으로 4개의 금형을 배치하고, 배열된 4개의 금형이 동시에 연속적으로 소재의 샤프트부를 가압하여 상하 및 좌우의 4방향에서 동시에 성형하는 공정으로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 상기 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정은, 상부에 대경부가 형성되고, 하부에 소경부가 형성되어 대경부와 소경부 사이에 단차가 형성되는 공정이다.
본 발명에 의하면, 상기 샤프트부를 형성하는 단계는 롤링 공정, 스피닝 공정, 냉간 단조 공정 중 어느 하나로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 상기 풀리부의 직경 대비 샤프트부의 길이의 비는 5 : 7로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 상기 샤프트부는 그 길이가 150mm ~ 350mm이고, 대경부의 직경은 45mm ~ 60mm이며, 소경부의 직경은 25mm ~ 40mm로 이루어진다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법에 의하면, 열간 단조 공정에서 풀리부의 성형돌출부 외측면에 측면치형을 성형하고, 샤프트부를 반경단조 등의 제조 공정을 통해 장축형 풀리 샤프트를 제조함으로써, 열간 단조 공정에서의 결육 발생을 최소화하는 동시에 재료의 손실을 줄일 뿐만 아니라, 불필요한 가공 비용을 줄여 생산 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트 제조 공정을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트 제조 공정을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 반경단조 공정을 나타내는 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
설명에 앞서 본 발명에 따른 열간 단조 및 반경 단조 방법은 구체적으로 자동차의 무단 변속기에 장착되는 풀리 샤프트의 제조를 위한 최적의 설계 수치 및 기술 구성을 제시하나, 그 적용 대상을 반드시 무단 변속기용 풀리 샤프트에 한정하지는 않는다. 즉, 다른 종류의 풀리 샤프트라 하더라도 상기 무단 변속기용 풀리 샤프트와 동일한 형상과 구조를 가진다면 모두 포함함을 밝혀둔다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트는, 프라이머리 풀리의 샤프트부보다 얇고 긴 장축의 샤프트부(120)와, 상기 샤프트부(120)의 외측에 형성되는 풀리부(110)로 이루어진 무단 변속기용 풀리 샤프트로서, 상기 풀리부(110)에는 상방으로 돌출된 성형돌출부(111)가 형성되고, 상기 성형돌출부(111)의 외측 둘레면에는 기어이와 치홈이 반복적으로 형성된 측면치형(112)이 성형된다.
상기 샤프트부(120)는 대경부(121)와 대경부(121)보다 직경이 상대적으로 짧은 소경부(122)로 이루어지며, 대경부(121)와 소경부(122) 사이에 단차가 형성된다.
여기서, 상기 샤프트부(120)의 길이는 150mm ~ 350mm이고, 대경부(121)의 직경은 45mm ~ 60mm이며, 소경부(122)의 직경은 25mm ~ 40mm로 이루어진다.
이와 같이 구성된 풀리 샤프트는 풀리부(110)의 직경 대비 샤프트부(120)의 길이의 비가 대략 5 : 7 정도인데, 이와 같은 규격의 풀리 샤프트는 종래의 일반적인 열간 단조공정에서 정밀하게 성형되어야 할 측면치형(112)에서 소재가 치밀하게 충전되지 않아 성형이 완전히 이루어지지 못하는 결육이 발생하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법을 나타내는 구성도로서, 상기와 같이 구성되는 장축형 풀리 샤프트를 제조하기 위해서는, 먼저 환봉 형상의 봉재를 일정 길이로 절단하여 소재(100)를 형성하는 소재 절단 공정(S100)과, 금형을 매개로 상기 소재(100)를 가압하여 풀리 샤프트의 예비 성형품을 성형하는 열간 단조 공정(S200)과, 상기 예비 성형품의 샤프트 부분을 소정길이 및 소정직경 만큼 연장 성형하여 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정(S300)과, 상기 열간 단조 공정(S200) 및 반경 단조 공정(S300)에 의해 형성된 풀리 샤프트의 예비 성형품은 열처리 공정(S400), 쇼트 및 윤활공정(S500)을 거치며, 저온 상태에서 금형으로 가압하여 제품을 완성하는 냉간 교정 공정(S600)을 포함하여 구성된다.
상기 소재 절단 공정(S100)은, 단조 가공에 투입되는 소재를 만드는 과정으로, 소정의 길이를 가지는 환봉을 일정 길이로 절단하여 단조 성형에 적합한 소재(100)를 형성하게 된다.
예를 들어, 환봉을 길이, 외경, 중량을 요구하는 설계 조건에 맞도록 소정길이로 절단하여 단조 가공에 투입되는 소재(100)로 형성하는 것이다.
이와 같이 소재 절단 공정(S100)이 완료되면, 금형을 이용하여 열간 단조로 가공하는 열간 단조공정(S200)을 진행하게 된다.
상기 열간 단조 공정(S200)은 고온(1100℃~1250℃)으로 소재를 가열하고 변형 저항을 작게 하여 적은 힘으로 큰 변형을 주어 성형을 쉽게 할 수 있도록 하는 것과 단련 효과를 더해 재질의 개선 강화를 도모하는 특징을 가지는 단조방법으로서, 작업속도의 향상 및 품질의 향상, 그리고 작업방법의 개선 등이 진전된다.
상기 열간 단조 공정(S200)은 상기 소재 절단 공정(S100)을 거친 소재(100)를 하부금형(미도시)의 상면에 올려놓고, 상부금형(미도시)을 상측으로부터 프레스로 압력을 가하게 되면, 소재(100)가 상하로 압축되어 제품의 개략적인 골격을 형성하는 예비 성형품이 성형된다.
즉, 하부금형과 상부금형에 구비된 프레스를 이용하여 소재(100)의 일부를 상하로 압축하게 되면 일정한 두께를 가지는 원형 평판인 풀리부(110)가 형성되고, 그 위에 성형돌출부(111) 및 측면치형(112)과 유사한 골격을 형성하도록 예비 성형을 수행하게 된다.
즉, 열간 단조에 의해 측면치형(112)이 성형되는 부위를 최종적인 제품으로서의 측면치형(112)의 형상에 근접하도록 치형을 예비 성형하게 된다. 이때의 예비 성형에 의한 치형의 형상은, 성형하는 측면치형(112)의 형상에 가공 여유를 더한 형상으로 설정할 수 있다.
다음으로, 이와 같이 열간 단조공정(S200)에서 형성된 예비 성형품은 장축형 샤프트부(120)를 성형하게 된다.
이때, 상기 소재(100)의 나머지 부분은 소재 절단 공정(S100)에서 만들어진 형상 그대로 단면이 원형인 환봉 형상으로 이루어지며, 그 직경과 길이는 후공정에 의해 만들어지는 샤프트부(120)보다 길이가 짧다.
이와 같은 풀리 샤프트의 예비 성형품을 반경 단조용 금형다이에 장착하되, 상기 예비 성형품의 풀리부(110)가 고정된 것과 함께 상기 소재(100)가 축방향으로 연장 형성되면서 동시에 풀리 샤프트가 회전하게 된다.
상기 소재(100)의 원주 방향으로 4개의 금형을 배치하고, 배열된 4개의 금형이 동시에 연속적으로 소재(100)를 가압하여 상하 및 좌우의 4방향에서 동시에 성형하는 반경 단조 공정(S300)을 수행하게 된다.
이와 같은 반경 단조 공정(S300)에 의해 샤프트부(120)의 정밀한 치수 제어가 가능하게 되고, 고강도 및 고품질의 기계적 성질을 확보하게 된다.
상기 소재(100)의 반경 단조 공정(S300)에 의해 만들어지는 샤프트부(120)는 상부에 대경부(121)가 형성되고, 하부에 소경부(122)가 형성되며, 대경부(121)와 소경부(122) 사이에 단차가 형성된다.
상기 샤프트부(120)의 길이는 소재(100)의 최초 길이 보다 소정길이가 늘어나게 된다.
따라서, 상기 샤프트부(120)의 반경 단조 공정(S300)에 의해 재료의 손실 없이 소재(100)가 소정의 외경과 길이의 치수를 갖도록 성형 가능하다.
또한, 불필요한 가공 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 풀리부(110)의 결육 발생을 미연에 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기 샤프트부(120)가 반경 단조 공정(S300)에 의해 성형되었으나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 롤링공정, 스피닝공정, 냉간 단조공정에 의해 구현이 가능하다.
하지만, 반경 단조 공정(S300)을 이용하여 샤프트부(120)를 성형 시 가공 비용이 저렴하고, 우수한 생산성 등의 장점이 있으므로 샤프트부(120)의 성형 공정은 반경 단조 공정(S300)에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 열간 단조 공정(S200) 및 반경 단조 공정(S300)을 거친 예비 성형품은 소재의 경도 및 조직개선을 위해 열처리공정(S400), 냉간 교정 공정(S600) 작업을 원활하게 하기 위한 쇼트 및 윤활공정(S500)을 거친다.
상기 측면치형(112)의 치형 정밀도를 향상시키기 위해 수행되는 냉간 교정 공정(S600)은, 열간 단조 공정(S200) 및 반경 단조 공정(S300)이 진행된 풀리 샤프트의 예비 성형품을 다시 상온의 상태에서 더욱 정밀한 성형품을 만들기 위한 정밀 교정 과정으로, 냉간 교정시에 극히 높은 가공 압력을 받기 때문에 파손, 마모에 잘 견딜 수 있는 재질로 금형이 이루어져야 한다.
이러한 냉간 교정 공정(S600)은 적절한 소재의 선정, 합리적인 금형의 설계, 제작이 무엇보다도 중요하며, 사상 치수 정밀도가 우수하여 후공정의 기계 가공 공수가 대폭으로 저감되는 제품의 치수 정밀도가 우수한 가공 공정이다.
따라서, 상기 냉간 교정 공정(S600)은 상기 열간 단조 공정(S200)에서 성형된 풀리 샤프트의 예비 성형품의 측면치형(112)의 정치수를 완성하는 냉간 사이징(sizing) 공정을 통해 교정용 금형을 사용하여 측면치형(112)을 정밀하게 교정하기 위한 과정이다. 즉, 고 정밀도를 가지는 금형을 사용하여 상기 풀리부(110)에 형성된 측면치형(112)을 정치수로 정밀하게 교정가공하기 위한 공정이다.
상기 냉간 교정 공정(S600)에서는 각각의 금형 사이에 풀리 샤프트의 예비 성형품이 장착되어 정밀한 냉간 사이징 작업이 수행된다. 냉간 교정시 재료는 상온에서 단조작업을 하므로 표면이 산화되거나 탈탄되지 않는 우수한 표면을 얻을 수 있으며, 특히 냉간 단조 공정에서 발생하는 내부응력 제거를 위한 추가 열처리공정이 불필요하다.
이와 같이 본 발명에 따른 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법은, 열간 단조 공정 및 반경 단조 공정을 통해 성형되는 플랜지의 측면치형(112)의 살두께와, 장축형 샤프트부(120)의 길이와 직경을 최적 설계함으로써, 열간 단조공정에서의 결육 발생을 방지하면서 원재료의 불필요한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 공정 추가로 인한 불필요한 가공 비용을 줄여 제품 생산 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 봉재 110 : 풀리부
111 : 성형돌출부 112 : 측면치형
120 : 샤프트부 121 : 대경부
122 : 소경부

Claims (6)

  1. 환봉 형상의 봉재를 일정 길이로 절단하여 소재를형성하는 소재 절단 공정; 금형을 매개로 상기 봉재의 일부를 가압하여 일정한 두께를 가지는 풀리부를 형성하는 단계; 및 상기 풀리부에 상방으로 돌출된 성형돌출부를 형성하고, 상기 성형돌출부의 외측 둘레면에 기어이와 치홈이 반복적으로 형성된 측면치형을 가지는 예비 성형품을 형성하는 단계를 포함하는 열간 단조 공정; 상기 예비 성형품의 샤프트 부분을 소정길이 및 소정직경 만큼 연장 성형하여 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정; 및, 상기 열간 단조 공정에 의해 형성된 풀리부의 측면치형을 정치수로 정밀하게 냉간 가공하는 냉간 교정 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정은, 상기 예비 성형품의 샤프트부에 원주 방향으로 4개의 금형을 배치하고, 배열된 4개의 금형이 동시에 연속적으로 소재의 샤프트부를 가압하여 상하 및 좌우의 4방향에서 동시에 성형하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트부를 형성하는 반경 단조 공정은, 상부에 대경부가 형성되고, 하부에 소경부가 형성되어 대경부와 소경부 사이에 단차가 형성되는 공정인 것을 특징으로 하는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트부를 형성하는 단계는,
    롤링 공정, 스피닝 공정, 냉간 단조 공정 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 풀리부의 직경 대비 샤프트부의 길이의 비는 5 : 7로 이루어진 것을 특징으로 하는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 샤프트부는 그 길이가 150mm ~ 350mm이고, 대경부의 직경은 45mm ~ 60mm이며, 소경부의 직경은 25mm ~ 40mm로 이루어진 것을 특징으로 하는 측면치형을 가지는 장축형 풀리 샤프트의 제조방법.
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