KR20200141491A - 스프링의 제조 방법 및 스프링 - Google Patents

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Abstract

하중이 부하된 스프링의 응력 분포를 확인하는 스프링의 제조 방법을 제공한다. 스프링 (1) 의 제조 방법은, 스프링 (1) 에 하중을 부하하는 공정과, 하중이 부하된 스프링의 응력을 측정하는 공정과, 스프링 (1) 에 부하된 하중을 해방시키는 공정을 포함하고, 스프링 (1) 의 응력의 측정은, cosα 법에 의한 X 선 회절을 사용하여 스프링 (1) 의 유효부의 표면의 응력을 측정하고, 측정된 스프링 (1) 의 응력의 크기가 기준을 만족시키는가의 여부를 판정하는 공정을 추가로 포함해도 된다.

Description

스프링의 제조 방법 및 스프링
본 발명은 코일 스프링 등의 스프링의 제조 방법 및 스프링에 관한 것이다.
종래, 코일 스프링 등의 자동차 부품에 사용되는 스프링에 있어서는, 경량화의 관점에서, 하중이 부하된 사용시에 스프링의 일부에 응력이 집중되지 않는 제품이 요청되고 있었다. 스프링의 설계는, 유한 요소법에 의해서, 형상에서 기인하는 응력의 분포가 설정된 하중 부하시에 최적이 되도록 진행되지만, 하중 부하시의 실제품의 응력 분포를 확인하는 것은 어려웠다. 실제로 스프링의 응력은 스프링의 형상에서 기인하는 응력과 쇼트 피닝에 의해서 부여된 잔류 응력의 양방을 고려하여 평가할 필요가 있다.
현 상황에서는, 스프링의 형상에서 기인하는 응력은, 스프링의 외형을 계측하고, 상정 하중 (想定荷重) 을 부하한 유한 요소법의 해석에 의한 시뮬레이션을 실시하여 확인하고 있다. 또, 쇼트 피닝 후의 잔류 응력에 대해서는, 파괴 검사에 의해서, 따라서 하중이 부하되지 않은 상태에서 확인하고 있다. 특허문헌 1 에는, 쇼트 피닝 후의 제품에 대해서, 1 품 1 품 (1品1品) 비파괴 검사에 의해서 잔류 응력을 측정하는 방법이 제시되어 있다.
국제공개 제2017/199959호
특허문헌 1 은 쇼트 피닝 공정만의 효과를 확인하는 발명인 것에 비해서, 실제품으로서의 스프링은 전(前) 공정의 영향이 있고, 또한 하중의 부하에 의해서 형상이 변화됨과 함께, 응력의 분포도 크게 변화된다. 요컨대, 특허문헌 1 은 제품으로서의 스프링 평가에는 불충분하다. 따라서, 하중이 부하된 상태에서 스프링의 응력 분포를 확인하는 스프링의 제조 방법 및 스프링이 요청되고 있다.
본 실시형태는 상기 서술한 실정을 감안하여 제안되는 것으로서, 하중 부하시의 스프링의 응력 분포를 확인하는 스프링의 제조 방법 및 스프링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관련된 스프링의 제조 방법은, 스프링에 하중을 부하하는 공정과, 하중이 부하된 상태에서 스프링의 응력을 측정하는 공정과, 스프링에 부하된 하중을 해방시키는 공정을 포함하고 있다. 스프링의 응력의 측정은, cosα 법에 의한 X 선 회절을 이용하여 스프링의 유효부의 표면의 응력을 측정해도 된다. 스프링에 하중을 부하하는 공정은, 지그에 의해서 하중을 유지해도 된다. 부하하는 하중은 0 부터 사용시의 최대 하중이 있을 수 있다. 또 하중의 부하는 스프링이 설치된 레이아웃이나 목적에 따른 거는법이 상정된다.
본 발명에 관련된 스프링의 제조 방법은, 측정된 스프링의 응력의 크기가 기준을 만족시키는가의 여부를 판정하는 공정을 포함해도 된다. 판정하는 공정에서 기준을 만족시키지 않는다고 판정되었을 때에는 NG 로서 배제한다.
스프링은 코일 스프링, 판 스프링, 스태빌라이저, 토션 바, 접시 스프링이어도 되지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 관련된 스프링은 상기 서술한 제조 방법에 의해서 제조된 것이다.
본 발명에 의하면, 하중 부하시의 응력 분포를 확인한 스프링을 제조할 수 있고, 경량화를 도모하여 설계한 스프링을 안정적으로 공급할 수 있다.
도 1 은, 본 실시형태의 스프링의 제조 방법의 일련의 공정을 나타내는 플로 차트이다.
도 2 는, 본 실시형태의 스프링의 제조 방법의 하중 부하시에 응력 분포를 측정하는 공정을 나타내는 플로 차트이다.
도 3 은, 지그에 의해서 하중을 부가한 스프링을 나타내는 정면도이다.
도 4 는, cosα 법에 의한 X 선 회절을 이용한 응력의 측정을 설명하는 개관 도이다.
도 5 는, 스프링에 있어서 응력을 측정하는 방향을 나타내는 일부 확대 정면도이다.
도 6 은, 유한 요소법에 의해서 계산한 스프링의 형상의 변화에 의한 응력의 분포를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 하중 부하시와 무부하시의 응력 측정치의 차분과 유한 요소법에 의한 해석치를 비교한 그래프이다.
도 8 은, 냉간 제법 (製法) 에 적용한 본 실시형태의 스프링의 제조 방법의 일련의 공정을 나타내는 플로 차트이다.
이하, 본 실시형태의 스프링의 제조 방법 및 스프링에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시형태에서는, 스프링으로서, 재료의 직경 (d) 13 ㎜, 코일 평균 직경 (D) 112 ㎜, 자유 높이 (H) 326 ㎜, 유효 권수 (Ne) 4.1, 총권수 (Nt) 5.5, 재질 SUP12 의 코일 스프링을 열간 제법에 의해서 제조하는 것을 상정하고 있지만, 이것에 한정되지 않고 다른 코일 스프링에 적용해도 되고, 코일 스프링에 한정되지 않고 다른 종류의 스프링에 적용해도 되며, 냉간 제법에 적용해도 된다.
도 1 은, 본 실시형태의 스프링의 제조 방법의 일련의 공정을 나타내는 플로 차트이다. 본 실시형태에 있어서는, 스텝 S11 에서는 봉재를 가열하고, 스텝 S12 에서는 봉재를 코일상의 스프링으로 성형하며, 스텝 S13 에서는 스프링에 ??칭을 실시하고, 스텝 S14 에서 템퍼링, 스텝 S15 에서는 핫세팅을 실시하고 있다. 핫세팅은, 가열한 상태에서 스프링에 과하중을 부하하여, 미리 소성 변형시킴으로써, 사용시의 소성 변형을 완화하고 있다. 스텝 S16 에서는 스프링에 쇼트 피닝을 실시하고 있다. 쇼트 피닝에 의해서, 스프링의 표면에는 소정의 압축 잔류 응력이 부여된다. 스텝 S17 에서는 스프링에 도장을 위한 전처리를 실시하고, 스텝 S18 에서는 스프링에 도장을 하고 있다. 스텝 S19 에서는 스프링에 실온에서 과하중을 부하하여, 미리 소성 변형시키는 세팅을 실시함으로써, 사용시의 소성 변형을 완화하고 있다.
도 2 는, 하중 부하시에 응력 분포를 측정하는 공정을 나타내는 플로 차트이다. 스텝 S21 에 있어서, 스프링에 소정의 하중이 부하된다. 도 3 은, 지그 (10) 에 의해서 하중이 부하된 스프링 (1) 을 나타내는 정면도이다.
도 3 에 있어서, 코일상의 스프링 (1) 은, 하측의 좌권부 (1a) 가 지그 (10) 의 하측 지지부 (10a) 에 의해서 지지되고, 상측의 좌권부 (1b) 가 지그 (10) 의 상측 지지부 (10b) 에 의해서 지지되어 있다. 하측 지지부 (10a) 와 상측 지지부 (10b) 의 간격은, 하측 지지부 (10a) 와 상측 지지부 (10b) 를 연결하고 있는 샤프트 (10c) 를 따라서 변경할 수 있고, 스프링 (1) 에 소정의 하중이 작용하도록 설정되어 있다. 본 실시형태에서는, 7,200 N 의 하중을 부하하여 압축하는 것으로 한다.
스텝 S22 에서는, 스프링의 응력을 측정한다. 본 실시형태에 있어서는, 스프링 (1) 의 응력을 cosα 법에 의한 X 선 회절을 이용하여 측정한다.
도 4 는, cosα 법에 의한 X 선 회절을 이용한 응력의 측정을 설명하는 개관도이다. 본 실시형태의 스프링의 제조 방법에 있어서는, cosα 법에 의해서 응력을 측정하는 X 선 회절 응력 측정 장치를 사용하고 있다. X 선 회절 응력 측정 장치는, 시료 (30) 의 원하는 위치에 X 선 (31) 을 조사하고, X 선 회절 응력 측정 장치의 검출면 (21) 에 있어서 회절 X 선 (32) 에 의한 데바이 고리 (33) 를 전체 둘레에서 검출함으로써, 단일한 조사로 응력을 측정할 수 있다.
도 5 는, 스프링에 있어서 응력을 측정하는 방향을 나타내는 일부 확대 정면도이다. 본 실시형태에서는, 스프링 (1) 의 하측의 좌권부 (1a) 및 상측의 좌권부 (1b) 를 제외한 유효부 (1c) 의 외측의 표면에 있어서, 비틀림 전단 응력을 측정하였다. 도면 중의 화살표 35 로 나타내는 바와 같이, 스프링 (1) 의 선재가 연장되는 방향에 대해서 대략 45 도의 방향으로 응력을 측정하였다.
표 1 은 X 선 회절 응력 측정 장치에 의한 응력의 측정 결과를 나타내고 있다. 응력의 단위는 ㎫ 이다. 응력은 스프링 (1) 에 있어서, 하측을 기준으로 하여 위치 P1 내지 위치 P7 의 7 개 지점에서 3 회씩 측정하고, 그 평균을 취하였다. 또한, 위치 P1 내지 위치 P7 은, 도 6 에 나타내는 유한 요소법에 의한 해석 결과로부터 응력이 극대와 극소가 되는 산과 골로 설정하였다.
Figure pct00001
여기서, 무부하시의 하중은 0 N (뉴턴, 이하 동일), 부하시의 하중은 7,200 N 으로 하여 응력을 측정하였다. 이들 측정치의 차분을 계산치로 하여, 유한 요소법에 의한 해석치와 비교하였다. 표 1 에 나타내는 바와 같이, 계산치와 해석치의 괴리가 확인되기 때문에, 하중 부하 상태에서의 응력 측정이 스프링 제품의 평가를 위해서는 필요한 것을 알 수 있다. 도 7 은 하중 부하시와 무부하시의 응력 측정치의 차분과, 유한 요소법에 의한 해석치를 비교한 그래프이다. 표 1 의 결과와 마찬가지로, 응력의 측정치와 유한 요소법에 의한 해석치 사이에 괴리가 확인된다.
도 2 의 스텝 S23 에 있어서는, 스프링 (1) 의 하중을 해방시킨다. 스텝 S22 에 있어서의 하중을 부가한 상태에서의 응력의 측정을 종료했기 때문에, 스프링 (1) 을 지그 (10) 로부터 떼어낸다. 이로써, 스프링 (1) 은 하중으로부터 해방된다.
스텝 S24 에 있어서, 스텝 S22 에서 측정한 응력이 기준을 만족시키고 있는가의 여부를 판정한다. 예를 들어, 측정된 응력이 기준을 만족시킬 때에는 OK 로 판단하고, 기준을 만족시키지 않을 때에는 NG 로 판단한다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 지그 (10) 로 하중을 부하한 스프링 (1) 을 가대 (架臺) 의 상면에 재치 (載置) 하여 X 선 회절 응력 측정 장치에 의해서 개별적으로 측정했지만, 이 대신에, 라인을 흐르는 복수의 스프링 (1) 의 전체 수에 대해서 응력을 측정해도 된다. 그러기 위해서는, 미리 라인을 흐르는 스프링 (1) 에 지그 (10) 등에 의해서 하중을 부하시키고, 스프링 (1) 의 소정 위치를 1 대 또는 복수 대의 X 선 회절 응력 측정 장치에 의해서 측정해도 된다.
도 8 은, 냉간 제법에 적용한 본 실시형태의 스프링의 제조 방법의 일련의 공정을 나타내는 플로 차트이다. 냉간 제법에 의한 경우에는, 스텝 S31 에서는 릴재를 상온에서 코일상의 스프링으로 성형하고, 스텝 S32 에서는 스프링에 템퍼 처리를 실시하며, 스텝 S33 에서는 스프링에 핫세팅을 실시하고, 스텝 S34 에서는 스프링에 쇼트 피닝을 실시하고, 스텝 S35 에서는 스프링에 도장을 위한 전처리를 실시하고, 스텝 S36 에서는 스프링에 도장을 실시하고 있다. 스텝 S37 에서는 스프링에 실온에서 과하중을 부하하여, 미리 소성 변형시키는 세팅을 실시함으로써, 사용시의 소성 변형을 완화하고 있다. 냉간 제법의 경우에도, 도 2 에 나타낸 일련의 공정이 실시되는 점에서 동일하다.
본 실시형태의 스프링의 제조 방법에서는, 하중 부하시의 스프링의 응력 분포를 cosα 법에 의한 X 선 회절 응력 측정 장치를 사용하여 직접 측정하였다. 따라서, 하중을 부하한 스프링의 정확한 응력 분포의 확인이 가능해지고, 나아가서는 경량화를 도모하여 설계한 스프링을 안정적으로 공급할 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명은 코일 스프링 등의 스프링의 제조 방법 및 스프링에 적용할 수 있다.
1 : 스프링
10 : 지그

Claims (6)

  1. 스프링의 제조 방법으로서,
    스프링에 하중을 부하하는 공정과,
    상기 하중이 부하된 상태에서 스프링의 응력을 측정하는 공정과,
    상기 스프링에 부하된 하중을 해방시키는 공정을 포함하는 스프링의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링의 응력의 측정은, cosα 법에 의한 X 선 회절을 이용하여 상기 스프링의 유효부의 표면의 응력을 측정하는 스프링의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 측정된 스프링의 응력의 크기가 기준을 만족시키는가의 여부를 판정하는 공정을 추가로 포함하는 스프링의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링에 하중을 부하하는 공정은, 지그에 의해서 하중을 유지하는 스프링의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링은, 코일 스프링인 스프링의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 스프링의 제조 방법에 의해서 제조된 스프링.
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