KR20200089918A - 차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공의 파이프 소재를 차량용 샤프트로 성형하기 위하여 사방향에서 서모모터을 이용하여 성형툴의 타발 속도와 타발 스트로크를 조절할 수 있는 기계방식의 단조하우징과 소재의 스텝거리와 스텝회전각을 조정하고 후진방지 기능을 구비한 스핀들유니트와 소재를 클램핑하는 척이 설치된 소재 회전공급장치에 의해 성형할 수 있게 한 차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법에 관한 것으로 중공의 파이프 소재를 소정의 길이로 절단하여 중공 파이프 소재를 준비하는 소재 준비단계,상기 소재를 고주파 가열로에서 유도가열시간을 55초로 1,000℃까지 가열시키는 소재 가열단계,상기 가열된 소재를 성형하기 위하여 로봇을 이용하여 성형장치인 회전공급장치로 공급하는 소재 공급단계,상기 소재를 척으로 공급받아 클램핑 후 타발 성형부로 이동시키고 점진적으로 서보모터 작동에 의해 스핀들 유니트를 5mm씩의 스텝거리로 전진시킴과 동시에 스핀들 유니트의 후단 로터리실린더로 33.5°씩의 회전시키면서 소재를 절입시키는 소재 절입단계,상기 소재 절입단계에서 소재를 성형부로 이동과 동시에 소재의 외주연 사방향에서 성형툴을 서보모터의 작동으로 2열 스크류 샤프트를 정역회전시켜 선단에 성형툴이 장착된 램을 20mm의 타발스트로크와 분당 70회의 타발속도로 전,후진작동시켜 소재를 타발시키는 소재 타발단계 및 상기 소재 절입단계와 소재 타발단계를 통하여 단조성형된 중공 샤프트를 로봇으로 제품 적재대에 배출시키는 소재 배출단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법{Mechanical molding method of hollow shaft for automobile}

본 발명은 중공의 파이프 소재를 차량용 샤프트로 성형하기 위하여 사방향에서 서모모터을 이용하여 성형툴의 타발 속도와 타발 스트로크를 조절할 수 있는 기계방식의 단조하우징과 소재의 스텝거리와 스텝회전각을 조정하고 후진방지 기능을 구비한 스핀들유니트와 소재를 클램핑하는 척이 설치된 소재 회전공급장치에 의해 성형할 수 있게 한 차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로 외력을 가하면 변형이 되는 성질(소성변형)을 이용하여 가공하는 소성가공 중에서 단조(Forging)가공은 고체인 금속재료를 가압 및 타발시켜 일정한 형상으로 성형시키는 것으로 소재의 손실을 최소화하면서 요구하는 형상의 제품을 성형하는 가공방법으로 자동차,선박,항공기 등과 같은 산업의 기초 핵심부품을 대량생산 할 수 있어 그 적용범위가 다양화되고 있다.

상기 소성가공산업은 제품품질의 고급화가 가능하고 다른 제조공정으로 대체가 어려운 고기능,고품질의 부품을 제조하기 위한 최적의 공정으로 공정의 고도화와 복합화 가공기술 및 신기술분야와의 융합에 따른 제품의 고기능화와 고부가가치화의 추세에 따라 기술개발 및 실용화가 급속히 확산되고 있는 실정이다.

상기 단조공정은 제조공법과 설비 등에 따라 열간,온간,냉간단조 등으로 구분할 수 있고 열간단조는 금속의 유동성 향상과 작은 힘으로 큰 변형을 주어 조형을 용이하게 할 수 있는 장점으로 인하여 통상적으로 많이 사용되고 있고 냉간단조는 정형(Net Shape)성형이 가능하여 재료 이용률의 대폭적인 향상을 도모하고 후절삭 가공의 배제 및 절감을 이룩하여 자원과 에너지절감을 실현시킬 수 있는 장점이 있으며 그리고 소재 가열에 따른 환경 유해적인 요소의 발생을 억제할 수 있어 친환경적인 공정으로 자동차 부품의 경우 고정밀도 부품의 생산이 가능한 장점이 있어 다품종 소량생산이 주를 이루고 있다.

그러나 일부부품의 경우에는 특별한 형상 특성에 의해 어느 하나의 통상적인 단조공법만으로는 생산이 불가능하여 단조가공과 기계가공 등을 병행하는 복합적인 방법으로 부품을 제조하기도 한다.

종래의 중공파이프 소재로 차량의 샤프트를 제조 및 성형하는 방법에 관한 선행기술로는 등록특허공보 제10-1664682호(자동차용 중공 드라이브 샤프트 및 이의 제조방법)과 등록특허공보 제10-1199767호(드라이브 샤프트의 제조방법) 등이 제시되었다.

상기 전자의 등록특허는 동일 직경을 갖는 제1중공 튜브와 제2중공 튜브 중 어느 하나의 중공튜브를 스웨이징 가공을 하여 다른 하나의 중공튜브의 내경 이하로 외경을 감소시키는 과정,외경을 감소시킨 어느 하나의 중공튜브를 다른 하나의 중공튜브 내측에 조립하여 중공 샤프트를 형성하는 과정,중공 샤프트의 양측에 각각 제1스템부와 제2그템부를 접합하는 과정을 포함하는 제조방법이다.

상기 후자의 등록특허는 제1강도를 갖는 금속관의 일측을 축관시켜 제1샤프트를 형성하는 단계,제1샤프트부와 일체로 형성된 금속관의 중앙부를 인발하여 중앙부의 두께를 감소시키는 인발단계,금속관의 일측과 대향하는 타측의 내측면을 일정길이로 열처리하여 금속관의 타측의 내측면에 제1강도보다 낮은 제2강도를 갖는 강도 감소부를 형성하는 단계 및 강도 감소부가 형성된 금속관을 축관시켜 중앙부의 형상 변형없이 제2샤프트부를 형성하는 단계를 포함하는제조방법이다.

상기 전자의 등록특허는 2개의 중공튜브를 조립한 중공 샤프트의 양측에 중실의 제1,2스템부를 가공하여 상기 중공 샤프트의 양단에 각각 제1스템부와 제2스템부를 배치하여 중공 샤프트와 각 스템부가 접합하는 부위네 마찰용접을 통하여 일체형의 드라이브 샤프트를 제조하여 일부 중량을 감소시키는 효과는 있으나 2곳의 마찰용접 부위에 결함이 발생할 수 있고 잔류응력과 응력집중 형상 등으로 수명이 단축되는 문제가 있었다.

상기 후자의 등록특허는 금속관의 일측 선단을 포밍하고 직경이 점차 작아지는 다수개의 축관형틀을 단계적으로 소성가공하여 내경과 외경이 감소된 제1샤프트를 형성하고 상기 금속관의 중앙부는 그 내경으로 순차적인 맨드릴을 삽입하고 순차적인 인발형틀로 성형하여 두께가 제1샤프트에 비하여 얇게 인발시킨 중앙부를 형성하며 상기 금속관의 타측 후단은 그 내경으로 고주파 열처리한 후 직경이 점차 작아지는 다수의 축관형틀로 단계적으로 소성가공하여 내,외경이 감소된 제2샤프트를 단일체로 형성하고 단일체로 형성된 샤프트 전체를 고주파 열처리하여 강도를 증대시키고 양측 선,후단에 선삭가공 및 도장공정을 통하여 단일체의 드라이브 샤프트를 제조하는 것으로 소성가공으로 인한 직경이 변경되는 부위에 이음매가 발생하지 않고 동력전달 시 불연속성을 최소화할 수 있는 장점은 있으나 드라이브 샤프트는 금속관의 선단을 포밍하여 시작하고 전단계 성형 후 원위치로 가공하여야 하는 단점과 다수의 축관형틀,인발형틀 및 맨드릴을 순차적으로 압출,인발 및 삽입시켜야 하므로 작업시간이 지연될 뿐만 아니라 금속관의 외주연 피로도가 증대되고 이로 인한 후처리 가공으로 고주파 열처리를 하여야 하는 등의 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로 가공하고자 하는 소재를 준비,가열 및 공급단계를 통하여 열간으로 점진적 단조공정을 수행하기 위하여 스텝거리와 스텝회전각의 제어변수를 설정하여 중공의 파이프 소재를 절입시키는 단계를 수행하고 기존 유압방식보다 효율과 작업성이 우수한 서보모터에 의해 작동하는 램을 이용한 기계식 사방향 단조하우징으로 성형툴의 타발속도와 타발스트로크를 조절하여 사방향 성형툴의 동기화 및 가변화가 가능케 하고 타발단계를 연속적으로 수행하면서 성형불량을 제거하며 정밀성형 및 연속성형이 가능케 한 차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법를 제공할 수 있게 하였다.

본 발명은 중공의 파이프 소재를 소정의 길이로 절단하여 중공 파이프 소재를 준비하는 소재 준비단계,상기 소재를 고주파 가열로에서 유도가열시간을 55초로 1,000℃까지 가열시키는 소재 가열단계,상기 가열된 소재를 성형하기 위하여 로봇을 이용하여 성형장치인 회전공급장치로 공급하는 소재 공급단계,상기 소재를 척으로 공급받아 클램핑 후 타발 성형부로 이동시키고 점진적으로 서보모터 작동에 의해 스핀들 유니트를 5mm씩의 스텝거리로 전진시킴과 동시에 스핀들 유니트의 후단 로터리실린더로 33.5°씩의 회전시키면서 소재를 절입시키는 소재 절입단계,상기 소재 절입단계에서 소재를 성형부로 이동과 동시에 소재의 외주연 사방향에서 성형툴을 서보모터의 작동으로 2열 스크류 샤프트를 정역회전시켜 선단에 성형툴이 장착된 램을 20mm의 타발스트로크와 분당 70회의 타발속도로 전,후진작동시켜 소재를 타발시키는 소재 타발단계 및 상기 소재 절입단계와 소재 타발단계를 통하여 단조성형된 중공 샤프트를 로봇으로 제품 적재대에 배출시키는 소재 배출단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한,소재 타발단계의 사방향에 설치되는 성형툴은 동기화 및 가변화가 가능케 한 것을 특징으로 한다.

그러므로 본 발명은 기존 유압방식의 단조기기를 소재의 스텝거리와 스텝회전각을 설정 및 조정하고 후진방지 기능을 구비한 스핀들유니트와 소재를 클램핑하는 척으로 구성된 회전공급장치에 의한 소재의 절입단계와 타발속도와 타발스트로크를 조절할 수 있는 서보모터 방식의 성형툴에 의한 타발단계의 성형공정으로 기계식 단조방법을 제공하여 중공 샤프트뿐만 아니라 편심샤프트 및 사각샤프트의 단조성형이 가능케 하고 소재의 절입 및 타발단계에서 소재의 가압,타발작동과 회전작동을 일치시켜 소재의 성형불량을 해소시키며 또한 소재의 중간부를 축관할 수 있게 하고 소재의 정밀성형 및 연속성형이 가능케 하여 소재의 가공시간 단축과 제품불량을 최소화할 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.

이하 발명의 요지를 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

중공의 파이프 소재를 차량용 중공 샤프트로 성형하기 위하여 소재를 공급하는 장치와 소재를 타발하는 단조기를 기계방식에 의해 성형하는 차량용 중공 샤프트를 기계식으로 성형함에 있어서,

중공의 파이프 소재를 소정의 길이로 절단하여 중공 파이프 소재를 준비하는 소재 준비단계;

상기 소재를 고주파 가열로에서 유도가열시간을 55초로 1,000℃까지 가열시키는 소재 가열단계;

상기 가열된 소재를 성형하기 위하여 로봇을 이용하여 성형장치인 회전공급장치로 공급하는 소재 공급단계;

상기 소재를 척으로 공급받아 클램핑 후 타발 성형부로 이동시키고 점진적으로 서보모터 작동에 의해 스핀들 유니트를 5mm씩의 스텝거리로 전진시킴과 동시에 스핀들 유니트의 후단 로터리실린더로 33.5°씩의 회전시키면서 소재를 절입시키는 소재 절입단계;

상기 소재 절입단계에서 소재를 성형부로 이동과 동시에 소재의 외주연 사방향에서 성형툴을 서보모터의 작동으로 2열 스크류 샤프트를 정역회전시켜 선단에 성형툴이 장착된 램을 20mm의 타발스트로크와 분당 70회의 타발속도로 전,후진작동시켜 소재를 타발시키는 소재 타발단계 및 상기 소재 절입단계와 소재 타발단계를 통하여 단조성형된 중공 샤프트를 로봇으로 제품 적재대에 배출시키는 소재 배출단계로 이루어진다.

상기 소재 타발단계의 사방향에 설치되는 성형툴은 동기화 및 가변화가 가능케 하였다.

이와같이 된 본 발명은 기존 유압방식의 단조기기에서 압유의 온도 상승시에 발생하는 타발오차와 작업의 연속성을 저해하고 압유온도 저하로 인한 일정 대기시간을 갖는 문제를 해결하며 중공의 파이프 소재를 차량용 샤프트로 단조성형할 수 있게 소재 절입단계와 소재 타발단계의 작동구조 방법을 기계방식으로 제공하고 성형툴의 타발속도와 타발스트로크를 조절하며 성형툴의 동기화 및 가변화가 가능케 하고 타발단계를 연속적으로 수행하면서 성형불량을 제거하며 소재의 스텝거리와 스텝회전각을 설정 및 조정하고 후진방지 기능을 구비한 스핀들유니트와 소재를 클램핑하는 척으로 구성된 회전공급장치에 의한 소재 절입단계로 고주파 가열된 소재를 정밀하게 공급,회전 및 전진작동시키며 사방향 성형툴로 정밀하고 연속성형이 가능케 한 차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 차량용 중공 샤프트를 기계방식으로 성형하기 위하여 소재 준비단계,소재 가열단계,소재 공급단계,소재 절입단계,소재 타발단계 및 소재 배출단계를 통하여 이루어진다.

상기 본 발명의 소재 준비단계는 중공의 파이프 소재를 차량용 중공 샤프트로 성형하기 위한 소정의 길이로 절단시키는 것이다.

상기 소재 가열단계는 소정의 길이로 절단된 소재를 고주파 가열로로 이송시켜 55초의 유도가열시간으로 소재를 1,000℃까지 가열시킨다.

상기 소재 공급단계는 로봇을 이용하여 고주파 가열로에서 1,000℃로 가열된 소재를 클램핑하여 소재 절입단계를 수행하는 회전공급장치의 척에 공급하여 클램핀시켜 단조성형을 수행할 수 있게한 것이다.

상기 소재 공급단계의 로봇은 소재 준비단계에서 소정의 길이로 절단되어 적재대에 안치된 소재를 소재 가열단계의 고주파 가열로의 이송시키는 작업도 수행한다.

상기 소재 절입단계는 고주파 가열로에서 소재를 1,000℃ 이상으로 가열하여 로봇에 의해 회전공급장치의 척으로 공급하여 클램핑되면 서보모터의 작동으로 피드 유니트상에서 스핀들 유니트를 전진시켜 사방향 단조성형부까지 이동시킨다.

이때 서보모터로 스핀들 유니트를 순차적 및 점진적으로 스텝거리 5mm씩 전진작동시키고 로터리실린더로 소재를 33.5°씩 회전작동시키면서 중공의 샤프트를 단조성형하는 것이다.

상기한 소재 절입단계의 상기 작동과 동시에 소재 타발단계를 수행하는 것으로 소재의 사방향 외주연에서 성형툴을 서보모터를 작동시켜 제1스크류 샤프트를 정역회전하여 제2스크류 샤프트가 정역회전하면서 램을 전,후진하여 성형툴로 소재를 타발하는 것이다.

이때 성형툴은 타발스트로크를 20mm로 유지하고 타발속도는 분당 70회로 타발한다.

상기한 타발작동을 수행하면서 회전공급장치의 스핀들 유니트에 설치된 정예압스프링에 의해 소재를 클램핑한 척이 단조성형에 의한 타발작동으로 인하여 소재가 후진하는 것을 방지하면서 단조성형을 수행한다.

상기와 같은 소재 절입단계와 소재 타발단계를 동시에 수행하여 중공의 차량용 샤프트를 단조성형하는 것이다.

상기한 단조성형이 완료되면 수행하는 소재 배출단계는 성형툴은 서보모터의 역회전작동으로 원위치로 복귀하고 회전공급장치의 스핀들 유니트도 서보모터의 후진작동으로 원위치로 복귀한 후 로봇에 의해 단조성형된 제품을 척에서 배출시켜서 배출적재대로 배출시키고 다음작업을 대기한다.

상기와 같은 단조성형을 수행함에 있어 중공의 차량용 샤프트 뿐만 아니라 중공 편심샤프트 및 사각샤프트의 성형과 중공파이트의 중간부 축관단조 성형도 가능케 한 것으로 성형툴은 제1,2스크류 샤프트을 사용하여 타발스트로크를 조정하고 서보모터로 타발속도를 조정하면서 성형툴을 동기화작동시키거나 가변화작동시켜 상기한 단조성형을 할 수 있게 하였다.

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.

Claims (2)

1. 중공의 파이프 소재를 차량용 중공 샤프트로 성형하기 위하여 소재를 공급하는 장치와 소재를 타발하는 단조기를 기계방식에 의해 성형하는 차량용 중공 샤프트를 기계식으로 성형함에 있어서,
   중공의 파이프 소재를 소정의 길이로 절단하여 중공 파이프 소재를 준비하는 소재 준비단계;
   상기 소재를 고주파 가열로에서 유도가열시간을 55초로 1,000℃까지 가열시키는 소재 가열단계;
   상기 가열된 소재를 성형하기 위하여 로봇을 이용하여 성형장치인 회전공급장치로 공급하는 소재 공급단계;
   상기 소재를 척으로 공급받아 클램핑 후 타발 성형부로 이동시키고 점진적으로 서보모터 작동에 의해 스핀들 유니트를 5mm씩의 스텝거리로 전진시킴과 동시에 스핀들 유니트의 후단 로터리실린더로 33.5°씩의 회전시키면서 소재를 절입시키는 소재 절입단계;
   상기 소재 절입단계에서 소재를 성형부로 이동과 동시에 소재의 외주연 사방향에서 성형툴을 서보모터의 작동으로 2열 스크류 샤프트를 정역회전시켜 선단에 성형툴이 장착된 램을 20mm의 타발스트로크와 분당 70회의 타발속도로 전,후진작동시켜 소재를 타발시키는 소재 타발단계 및 상기 소재 절입단계와 소재 타발단계를 통하여 단조성형된 중공 샤프트를 로봇으로 제품 적재대에 배출시키는 소재 배출단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 소재 타발단계의 사방향에 설치되는 성형툴은 동기화 및 가변화가 가능케 한 것을 특징으로 하는 차량용 중공 샤프트의 기계식 성형방법.