KR20190126491A - 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법 및 그 풀리에 관한 발명으로, 자유단조에 의한 1차단조공정(S10)과, 열간단조에 의한 2차단조공정(S20)과, 냉간단조에 의한 3차단조공정(S30)과, 피어싱공정(S40), 및 정삭공정(S50)을 포함하고, 2차단조공정(S20)에서는 아웃다이(102)의 후방 내주면과 펀치(103)의 전방 외주면을 각각 이너림(131)과 예비아웃림(132a)에 상응하는 형상으로 요각하고, 열간단조로 소재를 후방밀폐압출하여 이너림(131)과 예비아웃림(132a)을 형성하고, 3차단조공정(S30)에서는 아웃다이(102)의 전방 내주면을 아웃림(132)에 상응하는 형상으로 요각하고 냉간단조로 예비아웃림(132a)을 측면압출하여 아웃림(132)을 형성하도록 구성함에 따라, 높은 생산성을 가지면서 치수정밀도 및 기계적 특성이 우수한 고품질의 풀리를 제조하는 것이 특징이다.

Description

복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법 및 그 풀리{MANUFACTURING METHOD OF PULLEY FOR COMPRESSOR IN VEHICLE USING COMPOSITE FORGING AND ITS PULLEY}

본 발명은 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법 및 그 풀리에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 종래의 자동차 압축기용 풀리의 제조공정을 효율화하면서 소재의 낭비를 최소화하도록 구성하여 생산성을 증대하고 기계적 특성이 우수한 고품질의 풀리를 제조하도록 하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 공조시스템은 차량의 냉난방, 환기를 담당하는 시스템을 총칭한다.

자동차 공조시스템은 차량 외부의 공기를 내부로 유입하고 HVAC(공기조화설비)시스템을 통해 정화하여 차량 내부로 신속하게 재순환하며, 엔진 냉각 시스템의 가열된 냉각제에 연결된 히터 코어에 의해 공기를 가열하거나, 냉각 시스템에 포함된 증발기에 의해 공기를 냉각하여 실내를 쾌적한 공간으로 조성하는 것이 주된 핵심 기능이라 할 수 있다.

자동차 공조시스템은 크게 증발기, 압축기, 컨덴서, 팽창밸브를 포함하여 이루어진다. 증발기는 액체냉매를 이용해 주변 공기의 열을 증발시켜 냉각한다. 압축기는 증발기에 의해 기화하여 저온저압 상태가 된 냉매가스를 순환 및 압축하여 액화에 용이한 고온고압 상태로 재압축한다. 컨덴서는 압축기에 의해 고온고압 상태의 냉매가스를 주변 공기와 열교환하여 저온고압의 액체냉매로 변환한다. 팽창밸브는 컨덴서를 통과한 액체냉매를 팽창하여 기화하기에 적합하도록 압력을 강하시킨다.

특히, 자동차 공조시스템의 압축기는 엔진의 크랭크축과 구동벨트에 의해 압축기의 풀리를 구동하고, 풀리에 전달된 동력은 디스크를 통해 사판(Swash Plate)을 회전하여 피스톤 운동을 유도함으로써 저온저압 상태의 냉매가스를 흡입하고, 고온고압의 과열증기 상태로 재압축하여 응축기로 이송하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기 풀리는 구동벨트의 인장력을 수용할 수 있도록 일반적으로 금속재를 성형하여 제조된다.

통상적인 압축기용 풀리는 주로 열간단조 방식에 의해 제조되는바, 그 개략적인 제조과정을 도 7을 참고하여 살펴보면, 소재를 절단 및 가열하는 단계(S101)와, 열간단조에 의해 마그네틱 클러치가 개재되는 코일부와 샤프트를 관통하기 위한 중공부를 형성하는 단계(S102)와, 펀치에 의해 중공을 천공하는 단계(S103)와, 소재의 외주면을 황삭하여 벨트가 귄취되는 벨트홈을 형성하는 단계(S104)와, 코일부의 슬롯을 천공하는 단계(S105)와, 벨트홈을 정삭하여 요철을 형성하는 단계(S106)를 포함하여 구성한다.

공지된 기술의 일례로서, 한국등록특허 제 10 - 0921443 호의 자동차 에어콘용 압축기 풀리의 제조방법은 강소재를 1300℃에서 열간단조하여 중앙에 환형입구와 중앙관통공을 형성하고 바닥면 외측에는 예비 언더컷을 형성하는 예비성형체를 만들고, 하부 다이에 예비성형체를 위치한 후 원통형 맨드릴 및 원통형 맨드릴의 외면 주위에 일체로 부착된 상부 펀치를 갖춘 상부 다이를 600t의 압력으로 하강하여 가압 성형하도록 구성한다.

다른 예로서, 한국공개특허 제 10 - 2008 - 0088852 호의 자동차용 벨트풀리의 제조방법은 중앙에 원형의 통공이 형성된 소재를 단계별 소성가공을 통하여 자동차용 풀리를 제조하는 방법에 있어서, 준비된 환봉을 절단하여 임의의 두께를 갖고 원형으로 된 소재를 준비하는 소재절단 공정과, 환봉을 적정한 두께와 외형을 만드는 냉간단조에 의해 소재의 업셋팅 공정과, 두께를 줄여 바닥면을 형성하면서 가장자리 부분에 외관체부를 형성하고 중앙에는 축공을 형성하기 위해 아래로 돌출되는 압입부를 형성하는 1차 단조 공정과, 압입부를 관통시키면서 축공과 축공관체부가 완성되도록 하는 피어싱 공정과, 외관체부에 기계적인 절삭가공을 통하여 벨트가이드 및 벨트홈을 형성하는 공정과, 마무리 공정으로 정삭가공, 및 도장을 거쳐 벨트풀리의 제조를 완성하는 공정을 포함하여 구성한다.

한국등록특허 제 10 - 0921443 호 (2009.10.13) 한국공개특허 제 10 - 2008 - 0088852 호 (2008.10.06) 한국등록특허 제 10 - 0316179 호 (2002.04.24) 한국공개특허 제 10 - 2008 - 0101420 호 (2008.11.21)

상기와 같은 종래 기술이 적용되는 자동차 압축기용 풀리의 제조방법은 금속재 소재를 열간단조에 의해 성형하는 방식이 일반적으로 이용된다.

열간단조는 소재를 소성온도에 가까운 고온으로 가열하여 변형 저항을 적게한 다음 영구변형을 줌으로써 에너지를 절감하고 생산성이 우수하며 복잡한 형상의 제품을 쉽게 성형할 수 있는 이점이 있다.

그러나, 열간단조는 1000℃ 이상의 초고온에서 성형이 이루어지므로 탈탄, 표면불량 및 스케일에 의한 결점과 작업환경의 악화를 야기하고, 아울러 상금형과 하금형 사이의 형할선으로 밀려나오는 용융금속을 고려하여 제품 중량의 약 20~30% 여분 소재를 투입하여 플래시를 발생시키므로 소재의 낭비를 초래하는 문제점이 있다.

특히, 열간단조는 고온으로 가열된 제품이 금형에 장시간 머물러 있게 되면 열화로 인해 조기 마모가 초래되는 문제점으로 인해 소재를 후방압출하는 방식에 의해서만 성형이 가능하므로, 이너림 및 아웃림을 구비하는 벨트홈의 형성을 위해서는 형삭단계의 실시가 불가피하고 결국 추가적인 소재의 낭비가 발생게 되는 단점이 있다.

한편, 다른 예로든 종래 기술에서는 냉간단조에 의한 풀리의 제조방법이 공지된바 있다.

냉간단조는 소재를 상온에서 소성가공하여 성형하므로 소성 변형시 가공경화에 의해 열처리를 배제하면서 기계적 특성을 향상할 수 있다. 아울러 열간단조와는 달리 가열에 의한 스케일 손실이 없어 재료회수율이 높고 치수정밀도가 우수하여 후가공을 배제 또는 저감할 수 있으며 전방압출이 가능한 이점이 있다.

다만, 냉간단조는 재료의 변형저항이 크므로 높은 가공압력이 요구되어 에너지 소모가 큰 단점이 있다.

이에 본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서,

자동차 공조시스템의 압축기에 구비하는 풀리 제조방법에 있어서,

원판형 소재를 절단하고 1200±50℃로 가열된 소재를 자유단조하여 직경 110~120mm의 원판형으로 늘리는 1차단조공정(S10)과,

1차단조된 소재(101)를 금형에 투입하여 풀리의 중공부(110)와 코일하우징(120)을 일정 깊이로 요입하고 벨트홈(130)의 이너림(131)을 형성하는 2차단조공정(S20)과,

2차단조된 성형물을 금형에 투입하여 벨트홈(130)의 아웃림(132)을 형성하는 3차단조공정(S30)과,

3차단조된 성형물의 중공부(110) 및 코일하우징(120)에 중공(111) 및 슬롯(121)을 천공하는 피어싱공정(S40)과,

피어싱된 성형물의 벨트홈(130)의 외주면을 링형으로 정삭하여 요철면(133)을 형성하는 정삭공정(S50)을 포함하고;

상기 2차단조공정(S20)에서는,

아웃다이(102)의 후방 내주면과 펀치(103)의 전방 외주면을 각각 이너림(131)과 예비아웃림(132a)에 상응하는 형상으로 요각하고, 열간단조로 소재를 후방밀폐압출하여 이너림(131)과 예비아웃림(132a)을 형성하고,

상기 3차단조공정(S30)에서는,

아웃다이(102)의 전방 내주면을 아웃림(132)에 상응하는 형상으로 요각하고 냉간단조로 예비아웃림(132a)을 측면압출하여 아웃림(132)을 형성하도록 구성함으로써 풀리의 제조공정을 보다 효율화하고 고품질의 풀리를 제조할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 자동차의 공조시스템에 탑재되는 압축용 풀리를 제조함에 있어, 열간단조, 혹은 냉간단조에 의한 종래 기술의 문제점을 개선할 수 있는 이점이 있다.

특히, 본 발명은 종래 기술과 같이 벨트홈의 형성을 위해 황삭공정을 실시하는 것을 배제하여 공정을 효율화하고 소재의 여분 투입 및 황삭으로 인한 낭비를 최소화하여 생산성을 증대하는 효과가 있다.

또한, 열간단조에 의한 후방압출 및 냉간단조에 의한 측방압출에 의해 에너지를 절감하면서도 높은 치수정밀도 및 기계적 특성을 도출함으로써 고품질의 풀리를 제조할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 개략적인 공정 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 공정 도해도.
도 3은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 2차단조공정의 상태를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 3차단조공정의 상태를 도시한 구성도.
도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법에 의해 제조된 풀리의 단면도 및 사시도.
도 7은 종래의 열간단조에 의한 풀리 제조방법의 개략적인 공정 도해도.

이하, 본 발명의 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법 및 그 풀리의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 설명은 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 들어 설명하는 것이므로 본 발명은 하기 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 제공될 수 있음은 당연하다 할 것이다. 아울러 하기의 설명에서 당해 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 개략적인 공정 흐름도, 도 2는 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 공정 도해도, 도 3은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 2차단조공정의 상태를 도시한 구성도, 도 4는 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법의 3차단조공정의 상태를 도시한 구성도, 도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법에 의해 제조된 풀리의 단면도 및 사시도, 도 7은 종래의 열간단조에 의한 풀리 제조방법의 개략적인 공정 도해도.를 도시한 것이다.

본 발명의 기술이 적용되는 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법 및 그 풀리는, 자동차 공조시스템에 탑재하는 압축기용 풀리를 제조함에 있어서, 중공부(110)와 코일하우징(120)을 구비하고 이너림(131)과 아웃림(132)을 구비하는 벨트홈(130)을 형성하는 풀리를 성형하기 위하여 열간단조와 냉간단조 방식을 혼용하는 복합단조에 의한 제조방법을 구성함으로써 에너지 및 소재 낭비를 최소화하면서도 우수한 치수정밀도 및 기계적 특성을 부여하도록 하는 압축기용 풀리의 제조방법 및 그에 따라 제조된 풀리에 관한 것임을 주지한다.

이를 위한 본 발명의 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법은 도 1에 도시한 바와 같이 크게 자유단조에 의한 1차단조공정(S10)과, 열간단조에 의한 2차단조공정(S20)과, 냉간단조에 의한 3차단조공정(S30)과, 피어싱공정(S40), 및 정삭공정(S50)으로 구성하며, 구체적으로는 하기와 같다.

상기 1차단조공정(S10)은 원판형 소재를 절단하고 1200±50℃로 가열된 소재를 자유단조하여 직경 110~120mm의 원판형으로 늘리는 공정이다.

상기 소재는 금속재로 이루어진 원판형으로 구비하여 상기 온도로 가열한 다음 서냉하면서 잔류응력을 제거하고 결정립을 미세화하여 연성을 부여한 상태에서 해머 등으로 두들겨 압축기용 풀리의 일반적인 규격에 적합한 수준으로 직경을 늘려준다.

상기 2차단조공정(S20)은 1차단조된 소재(101)를 금형에 투입하여 풀리의 중공부(110)와 코일하우징(120)을 일정 깊이로 요입하고 벨트홈(130)의 이너림(131)을 형성하는 공정이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조되는 풀리는 압축기의 사판을 회전하는 샤프트가 개재되는 중공(111)을 형성하는 중공부(110)와, 마그네틱 코일이 개재되는 코일하우징(120)을 구비하고, 외주면에는 이너림(131)과 아웃림(132)을 구비하는 벨트홈(130)을 형성하는 형태로 이루어진다.

상기 2차단조공정(S20)에서는 열간단조에 의해 이너림(131)을 형성하면서, 아웃림(132) 형성을 위한 예비아웃림(132a)을 형성한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 2차단조공정(S20)에 사용되는 금형은 풀리의 외형을 형성하는 아웃다이(102)와, 풀리의 중공부(110)를 형성하기 위한 맨드릴(미부호)과, 풀리의 코일하우징(120)을 형성하기 위한 인서트다이(미부호)로 이루어지며, 소재(101)를 가압하는 펀치(103)를 구비한다.

특히, 상기 2차단조공정(S20)에서는 아웃다이(102)의 후방 내주면과 펀치(103)의 전방 외주면을 각각 이너림(131)과 예비아웃림(132a)에 상응하는 형상으로 요각하고, 펀치(103)를 이용해 소재(101)를 가압하여 후방밀폐압출한다.

따라서, 소재(101)의 내측 외주 방향으로는 이너림(131)을 돌출하고, 소재(101)의 외측면상에는 예비아웃림(132a)을 돌출하도록 형성한다.

상기 2차단조공정(S20)에 의한 열간단조시 소재(101)의 온도는 1200℃에 육박하므로 금형의 열화를 방지하기 위해서 후방압출이 이루어질 수밖에 없다. 따라서, 금형의 후방(내)측에서 형성하는 이너림(131)은 밀폐압출에 의해 형성이 가능하나, 전방(외)측에서 형성해야 하는 아웃림(132)은 양측 금형의 형할선으로 고온에서 용융된 금속이 밀려나오게 되어 형성이 어렵다.

상기 3차단조공정(S30)은 2차단조된 성형물을 금형에 투입하여 벨트홈(130)의 아웃림(132)을 형성하는 공정이다.

특히, 상기 3차단조공정(S30)에서는 냉간단조에 의해 아웃림(132)을 형성하여 벨트홈(130)을 완성한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 3차단조공정(S30)에서는 아웃다이(102)의 전방 내주면을 아웃림(132)에 상응하는 형상으로 요각하고, 펀치(103)를 이용해 예비아웃림(132a)을 가압하여 측면압출함에 따라, 이너림(131)과 마찬가지로 외주 방향으로 아웃림(132)을 돌출하도록 형성한다.

상기 3차단조공정(S30)에 의한 냉간단조시 성형물의 온도는 상온에 가깝게 냉각된 상태이므로 열간단조와는 달리 형할선 부근에서도 정확한 치수를 도출하여 아웃림(132)을 형성할 수 있다. 아울러 조직치밀화로 인해 폴리의 경도를 상승하는 등 기계적 특성을 보강하는 효과를 도출한다.

따라서, 본 발명은 상기 2차단조공정(S20) 및 3차단조공정(S30)에 의해 종래 기술과 같이 소재(101)의 낭비를 초래하는 형삭공정을 배제하면서 벨트홈(130)을 형성할 수 있다.

상기 피어싱공정(S40)은 3차단조된 성형물의 중공부(110) 및 코일하우징(120)에 중공(111) 및 슬롯(121)을 천공하는 공정이다.

상기 2차단조공정(S20)에서 형성된 중공부(110) 및 코일하우징(120)을 펀치(103)를 이용해 가압하여 샤프트가 관통하는 중공(111) 및 마그네트클러치를 고정하기 위한 슬롯(121)을 천공하여 형성한다.

상기 정삭공정(S50)에서는 피어싱된 성형물의 벨트홈(130)의 외주면을 링형으로 정삭하여 요철면(133)을 형성하는 공정이다. 상기 요철면(133)은 전술한 이너림(131) 및 아웃림(132)과 함께 벨트홈(130)에 권취된 벨트가 풀리에서 벗어나는 것을 방지하는 기능을 하도록 형성하는 것이다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법에 의해 제조된 풀리는 도 5 내지 도 6에 도시한 바와 같은 구성으로 이루어지며, 공조시스템의 압축기의 일측에 장착하여 엔진의 크랭크축과 구동벨트와 연동하여 압축기의 사판에 동력을 전달하도록 구비된다. 압축기용 풀리의 작동관계는 주지된 기술을 참고하면 될 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법은 낮은 가공압력에 의한 에너지 절감이라는 장점에 비해 재료회수율이 낮고 후방압출만 가능한 단점을 가지는 열간단조 방식과, 치수정밀도가 높고 전방 또는 측방압출이 가능한 장점에 비해 높은 가공압력이 요구되는 단점을 가지는 냉간단조 방식을 혼용하는 풀리 제조방법을 구성한다.

따라서, 도 7에 도시한 바와 같은 종래 기술에서, 특히 풀리의 외주면을 황삭하여 벨트홈(130)을 형성하기 위한 단계(S104)의 실시가 불가피함에 따른 제반 문제점, 예컨대 여분 소재를 투입한 후 황삭 단계를 거침 따른 소재의 낭비 및 가공시간의 지연, 치수정밀도의 저하와 같은 문제점을 배제할 수 있다.

아울러, 종래 기술에서는 중공을 천공하는 단계(S103)를 실시하고 탈형한 후에 벨트홈 황삭 단계(S104) 및 슬롯을 천공하는 단계(S105)를 실시하여 안정적인 가공성 및 치수정밀성을 도출하기 어려운 반면, 본 발명은 1차 내지 3차단조단계(S10~S30)를 거쳐 풀리의 주요 형상 전반을 완성한 후에 후반공정으로써 피어싱공정(S40)에서 중공(111)과 슬롯(121)의 천공을 순차로 실시하도록 구성하므로 높은 치수정밀도 및 가공성을 도출하고 공정 효율화를 구현할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 본 발명의 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법은 높은 생산성을 가지면서 고품질의 풀리를 제조할 수 있는 등의 이점이 있으므로 산업상 이용 가능성이 매우 클 것으로 기대된다.

S10: 1차단조공정 S20: 2차단조공정
S30: 3차단조공정 S40: 피어싱공정
S50: 정삭공정
101: 소재 102: 아웃다이
103: 펀치 110: 중공부
120: 코일하우징 130: 벨트홈
131: 이너림 132: 아웃림
132a: 예비아웃림 133: 요철면

Claims (2)

1. 자동차 공조시스템의 압축기에 구비하는 풀리 제조방법에 있어서,
   원판형 소재를 절단하고 1200±50℃로 가열된 소재를 자유단조하여 직경 110~120mm의 원판형으로 늘리는 1차단조공정(S10)과,
   1차단조된 소재(101)를 금형에 투입하여 풀리의 중공부(110)와 코일하우징(120)을 일정 깊이로 요입하고 벨트홈(130)의 이너림(131)을 형성하는 2차단조공정(S20)과,
   2차단조된 성형물을 금형에 투입하여 벨트홈(130)의 아웃림(132)을 형성하는 3차단조공정(S30)과,
   3차단조된 성형물의 중공부(110) 및 코일하우징(120)에 중공(111) 및 슬롯(121)을 천공하는 피어싱공정(S40)과,
   피어싱된 성형물의 벨트홈(130)의 외주면을 링형으로 정삭하여 요철면(133)을 형성하는 정삭공정(S50)을 포함하고;
   상기 2차단조공정(S20)에서는,
   아웃다이(102)의 후방 내주면과 펀치(103)의 전방 외주면을 각각 이너림(131)과 예비아웃림(132a)에 상응하는 형상으로 요각하고, 열간단조로 소재를 후방밀폐압출하여 이너림(131)과 예비아웃림(132a)을 형성하고,
   상기 3차단조공정(S30)에서는,
   아웃다이(102)의 전방 내주면을 아웃림(132)에 상응하는 형상으로 요각하고 냉간단조로 예비아웃림(132a)을 측면압출하여 아웃림(132)을 형성하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리 제조방법 및 그 풀리.
2. 제 1 항에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 복합단조를 이용한 자동차 압축기용 풀리.

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