KR20210103692A

KR20210103692A - 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치

Info

Publication number: KR20210103692A
Application number: KR1020200018157A
Authority: KR
Inventors: 최갑승; 박종규
Original assignee: 동명대학교산학협력단; (주)대성종합열처리
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-08-24
Also published as: KR102342809B1

Abstract

본 발명은 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치에 관한 것으로, 구동수단을 갖는 베이스와; 상기 베이스의 상부에 구비되어 구동수단에 의해 수평 회전 작동되며, 수직으로 거치되는 크랭크샤프트를 수평으로 회전시키는 회전체와; 상기 베이스의 상부 일측에 상부로 연장 구비되는 거치대와; 상기 거치대에 구비되어 상기 크랭크샤프트의 핀축을 고주파 열처리하는 열처리지그으로 구성되며, 상기 회전체의 회전에 대응하여 상기 크랭크샤프트의 핀축을 중심으로 크랭크샤프트가 회전될 수 있도록 상기 회전체와 크랭크샤프트의 사이에 연결 구비되는 편심회전지그를 포함하는 구성으로, 크랭크샤프트의 핀축을 중심으로 회전시켜 불필요한 운동 없이 핀축에 대해 고주파 열처리를 효과적으로 수행하여 대량생산 능령이 향상되고, 기존에 비해 설비 비용을 절감할 수 있는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치에 관한 것이다.

Description

크랭크샤프트 고주파 열처리 장치{Crankshaft High Frequency Heat Treatment Equipment}

본 발명은 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 크랭크샤프트의 핀축을 중심으로 회전시켜 불필요한 운동 없이 핀축에 대해 고주파 열처리를 효과적으로 수행하여 대량생산 능령이 향상되고, 기존에 비해 설비 비용을 절감할 수 있는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 메이커에서 한 대의 완성차를 생산하기 위해서는 소재의 선택에서부터 제품 양산까지 수많은 공정을 거친다.

이중에서 크랭크샤프트, 캠샤프트 등과 같은 엔진 가공물은 엔진 가공 라인에서 일체 단조 또는 주조 공정을 통하여 샤프트 몸체를 제작한 후, 그 샤프트 몸체의 여러 가지 가공 공정을 거쳐 완성품으로 만들어지고 있다.

여기서, 크랭크샤프트는 크랭크실 내에서 저널베어링에 지지되며, 각 실린더의 동력 행정에서 얻어진 피스톤의 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 엔진의 출력을 외부에 전달하는 기능을 한다. 이러한 크랭크샤프트는 편심축에 형성되는 저널부와, 커넥팅로드에 연결되는 핀축으로 이루어진다.

한편, 크랭크샤프트를 가공하는 공정에서는 피스톤의 왕복 수직 운동을 회전운동으로 변환하는 저널부와 핀축의 마찰 및 마모에 의한 파손을 방지하기 위해 크랭크샤프트에 열처리를 수행하고 있다.

크랭크샤프트 열처리 방법으로는 일 예로서, 크랭크샤프트의 저널부와 핀축의 외경에 전용 코일을 설치하고, 전용 코일에 전원을 인가함으로써 고주파 유도 가열을 이용하여 크랭크샤프트의 저널부와 핀축을 열처리하는 고주파 방식의 열처리기를 사용하고 있다.

즉, 상기와 같은 고주파 방식의 열처리기는 전용 코일이 크랭크샤프트의 핀축에 맞물려 그 핀축의 편심 회전에 따라 회전하며 전용 코일에 의한 고주파 유도 가열 방식으로 핀축의 열처리를 실시한다.

그러나, 이와 같은 고주파 유도 가열 방식의 크랭크샤프트 열처리 방식은 고가의 고주파 열처리기를 사용하므로 설비 투자비가 증가되는 문제점이 있다.

특허문헌 1은 레이저발진기를 이용해 핀축 및 저널부에 직접적으로 레이저를 조사하여 열처리할 수 있으나, 수평으로 배치된 크랭크샤프트를 레이저발지기의 위치에 맞게 승강시켜는 1축 이동과 레이저발지기를 수평 이송시키는 2축 이동을 모두 수행해야 하는 구조로 작동이 복잡하고 미세 컨트롤이 필요하므로 기존에 고주파 열처리에 비해 구조적인 제작비용을 절감할 수 있지만, 열처리을 위한 생비용이 증가되며 생산 효율이 저하되는 문제점이 있다.

KR 10-1461883 B1

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 크랭크샤프트를 수직으로 거치하여 핀축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 편심되어 회전을 보조하는 지그를 구성하여 크랭크샤프트에 대해 전자적인 제어 없이 기계적으로 단순하게 열처리 작업을 수행할 수 있어 기존에 비해 대량생산이 가능하여 생산 효율이 증가되며, 레이저열처리에 비해 설비 비용을 절감할 수 있는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 구동수단을 갖는 베이스와; 상기 베이스의 상부에 구비되어 구동수단에 의해 수평 회전 작동되며, 수직으로 거치되는 크랭크샤프트를 수평으로 회전시키는 회전체와; 상기 베이스의 상부 일측에 상부로 연장 구비되는 거치대와; 상기 거치대에 구비되어 상기 크랭크샤프트의 핀축을 고주파 열처리하는 열처리지그으로 구성되며, 상기 회전체의 회전에 대응하여 상기 크랭크샤프트의 핀축을 중심으로 크랭크샤프트가 회전될 수 있도록 상기 회전체와 크랭크샤프트의 사이에 연결 구비되는 편심회전지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치를 제공한다.

여기서, 상기 편심회전지그는 상기 회전체의 거치소켓에 연결 결합되는 연결축을 갖는 회전몸체와; 상기 회전몸체의 상부에 편심 위치되며, 상면에 크랭크샤프트의 중심축이 끼움 거치되는 편심소켓을 갖는 편심몸체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 연결축과 편심소켓의 축간 거리는 상기 크랭크샤프트의 중심축과 핀축의 축간 거리와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 열처리지그은 상기 거치대의 일측에 결합되는 지지브라켓과; 상기 지지브라켓에 수평으로 연장되는 지지바와; 상기 핀축의 둘레에 대응하여 밀접하게 접근할 수 있도록 상기 지지바의 단부에 호 형상으로 돌출 형성되며, 직접적으로 발열되어 핀축에 복사열을 전달하는 열처리바와; 상기 열처리바의 상부에 구비되어 상기 핀축에 고주파를 조사하는 고주파발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 고주파발생부의 주파수는 12kHz이고, 고주파 용량은 100 kW으로 가열시간을 6초로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 크랭크샤프트에 대해 전자적인 제어 없이 기계적으로 단순하게 열처리 작업을 수행할 수 있어 기존에 비해 대량생산이 가능하여 생산 효율이 증가되며, 레이저열처리에 비해 설비 비용을 절감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치에서 편심지그를 나타내는 구성도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치에서 열처리수단의 상세 구성을 나타내는 구성도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 구동수단(110)을 갖는 베이스(100), 구동수단(110)에 의해 회전되는 회전체(200), 베이스(100)에 수직 설치되는 거치대(120), 거치대(120)에 수평 설치되는 열처리지그(300)가 기본적으로 구성된다.

즉, 크랭크샤프트(10)를 회전체(200)에 수직으로 거치하고, 거치대(120)의 연장된 열처리지그(300)가 크랭크샤프트(10)의 취약부분을 열처리할 수 있다.

이때, 크랭크샤프트(10)의 취약부분을 핀축(11)과 저널(13)의 모서리부분, 중심축(12)부분에 크랙이 빈번하게 발생할 수 있다.

상기 회전체(200)는 상기 구동수단(110)에 의해 수평 회전 작동되며, 상기 베이스(100)의 상부에 구비된다.

그리고, 수직으로 거치되는 크랭크샤프트(10)를 수평으로 회전시킬 수 있다.

이때, 상기 거치대(120)는 상기 베이스(100)의 상부 일측에 상측으로 연장 구비된다.

그리고, 상기 열처리지그(300)는 상기 크랭크샤프트(10)의 핀축(11) 또는 중심축(12)에 고주파 열처리할 수 있도록 상기 거치대(120)의 일측에 구비된다.

한편, 상기 크랭크샤프트(10)를 수직으로 거치하되, 상기 회전체(200)의 회전에 의해 수평으로 회전시킬 수 있다.

여기서, 상기 회전체(200)의 상부에는 중심회전지그 및 편심회전지그(400)가 각각 교체 가능하게 구비되어 열처리 부위에 따라 선택적으로 교체하여 열처리 작업을 수행할 수 있다.

우선, 중심회전지그에 경우 크랭크샤프트(10)의 중심축(12)을 기준으로 크랭크샤프트(10)를 회전시킬 수 있도록 중심축(12)을 파지할 수 있으며, 회전체(200)에 안착 또는 착탈 가능하게 소켓을 갖는 일반적인 구조로 설명에서 제외한다.

그리고, 편심회전지그(400)에 경우 크랭크샤프트(10)의 핀축(11)을 기준으로 크랭크샤프트(10)를 회진시킬 수 있도록 편심되어 중심축(12)을 파지할 수 있으며, 회전체(200)에 안착 또는 착탈 가능하게 구비될 수 있다.

따라서, 상기 크랭크샤프트(10)를 수직으로 거치하고, 크랭크샤프트(10)의 핀축(11)이 중심축(12)의 회전에 의해 왕복운동을 하지 않고, 핀축(11)을 중심으로 수평 회전될 수 있어 핀축(11)이 유동되지 않는 상태에서 거치대(120)에 수평 연장된 열처리지그(300)가 상기 핀축(11)에 용이하게 접근할 수 있다.

한편, 상기 편심회전지그(400)는 상기 회전체(200)에 결합이 용이한 회전몸체(410)와 크랭크샤프트(10)의 거치를 위한 편심몸체(430)가 한 몸으로 이루어진다.

상기 회전몸체(410)는 상기 회전체(200)의 거치소켓(210)에 연결 결합되는 연결축(420)을 갖는다.

즉, 상기 연결축(420)이 거치소켓(210)에 결합되어 회전체(200)의 회전과 함께 회전몸체(410)가 함께 회전할 수 있다.

그리고, 상기 편심몸체(430)는 상기 회전몸체(410)의 상부에 편심 위치되며, 상면에 크랭크샤프트(10)의 중심축(12)이 끼움 거치되는 편심소켓(440)을 갖는다.

상기 연결축(420)과 편심소켓(440)의 축간 거리는 상기 크랭크샤프트(10)의 중심축(12)과 핀축(11)의 축간 거리와 동일하게 형성될 수 있다.

즉, 상기 크랭크샤프트(10)의 크기 또는 규격에 따라 상기 편심회전지그(400)의 회전몸체(410)와 편심몸체(430)의 축간 거리가 변경된 규격된 편심회전지그(400)를 제공하거나, 편심몸체(430)가 회전몸체(410)가 이동 가능하게 구성하여 축간 거리를 변경할 수 있는 구조로 제공할 수 있다.

또한, 상기 열처리지그(300)는 상기 거치대(120)에 거치되어 거치대(120)의 수직 길리를 따라 승강 가능하게 구비되거나, 핀축(11) 방향으로 길이 신장이 가능하게 구비될 수 있다.

상기 열처리지그(300)는 우선, 상기 거치대(120)의 일측에 지지브라켓(310)이 승강 가능하게 설치되고, 상기 지지브라켓(310)에 수평으로 지지바(320)가 연장 설치된다.

상기 핀축(11)의 둘레에 대응하여 밀접하게 접근할 수 있도록 상기 지지바(320)의 단부에 호 형상으로 돌출 형성되며, 직접적으로 발열되어 핀축(11)에 복사열을 전달하는 열처리바(330)가 구비될 수 있다.

상기 열처리바(330)의 상부에는 상기 핀축(11)에 고주파를 조사하는 고주파발생부(340)를 포함하여 구비되는 것이 바람직히다.

한편, 상기 고주파발생부(340)의 주파수는 12kHz이고, 고주파 용량은 100 kW으로 가열시간을 6초로 이루어지는 것이 가장 적합하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 대해 세가지 계산을 통해 더욱 정교하고 정확한 열처리를 수행할 수 있다.

(1) 가열중량 계산

[수식 1]

(2) 크랭크샤프트(10)의 핀축(11) 고주파열처리 이론적 소요전력 계산

[수식 2]

이와 같이, 크랭크샤프트(10)의 핀축(11)의 고주파 열처리에 필요한 이론적 전력은 전경화 깊이를 5mm, 가열시간을 6Sec로 할 경우 22.32kW가 필요하며, 열손실, 전도도 등을 감안하여 실제 필요한 소요 전력은 이론치의 5배 정도 필요함으로 22.32×5=111.6kW용량이 필요하다.

결국, 고주파 출력은 100단계로 조정가능 함으로 150kW로 결정할 수 있다.

(3) 크랭크샤프트(10)의 핀축(11) 고주파열처리 이론적 주파수 계산

[수식 3]

따라서, 고주파 주파수는 유효 경화층 깊이를 깊게 고주파 열처리 할 경우, 주파수를 낮게하고, 유효 경화층 깊이를 얇게 고주파 열처리 할 경우, 주파수를 높게 설정하여 주파수가 유효경화층 깊이에 미치는 영향이 지대함으로 세심한 주위를 필요로 한다.

즉, 주파수를 12kHz를 설정하여 이상의 검토결과를 근거로 고주파 용량, 주파수, 출력, 가열지연시간, 가열시간을 아래와 [표 1]과 같이 설정한다.

[표 1]

크랭크샤프트(10)의 핀축(11) 냉각 제어조건 설정에 대해서

냉각제 PVA(polyvinyl alcohol)농도가 8∼12%일 때, 균열을 방지하고 할 수 있다고 보고된 바에 따라 예비실험 데이터와 경험적 데이터를 근거로 아래 [표 2]와 같은 냉각 제어 조건을 설정한다.

[표 2]

한편, 크랭크샤프트(10)의 핀축(11) 고주파 열처리 표준작업조건은 아래 [표 3]과 같다.

[표 3]

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 크랭크샤프트(10)에 대해 전자적인 제어 없이 기계적으로 단순하게 열처리 작업을 수행할 수 있어 기존에 비해 대량생산이 가능하여 생산 효율이 증가되며, 레이저열처리에 비해 설비 비용을 절감하는 효과가 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 크랭크샤프트(10)에 대해 전자적인 제어 없이 기계적으로 단순하게 열처리 작업을 수행할 수 있어 기존에 비해 대량생산이 가능하여 생산 효율이 증가되며, 레이저열처리에 비해 설비 비용을 절감할 수 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 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 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10: 크랭크샤프트
11: 핀축
12: 중심축
100: 베이스
110: 구동수단
120: 거치대
200: 회전체
210: 거치소켓
300: 열처리지그
310: 지지브라켓
320: 지지바
330: 열처리바
340: 고주파발생부
400: 편심회전지그
410: 회전몸체
420: 연결축
430: 편심몸체
440: 편심소켓

Claims

구동수단(110)을 갖는 베이스(100)와;
상기 베이스(100)의 상부에 구비되어 구동수단(110)에 의해 수평 회전 작동되며, 수직으로 거치되는 크랭크샤프트(10)를 수평으로 회전시키는 회전체(200)와;
상기 베이스(100)의 상부 일측에 상부로 연장 구비되는 거치대(120)와;
상기 거치대(120)에 구비되어 상기 크랭크샤프트(10)의 핀축(11)을 고주파 열처리하는 열처리지그(300)으로 구성되며,
상기 회전체(200)의 상부에는, 크랭크샤프트(10)의 중심축(12)을 기준으로 크랭크샤프트(10)를 회전시킬 수 있도록 중심축(12)을 파지하는 중심회전지그와, 크랭크샤프트(10)의 핀축(11)을 기준으로 크랭크샤프트(10)를 회진시킬 수 있도록 편심되어 중심축(12)을 파지하는 편심회전지그(400)가 상호 교체 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 편심회전지그(400)는,
상기 회전체(200)의 거치소켓(210)에 연결 결합되는 연결축(420)을 갖는 회전몸체(410)와;
상기 회전몸체(410)의 상부에 편심 위치되며, 상면에 크랭크샤프트(10)의 중심축(12)이 끼움 거치되는 편심소켓(440)을 갖는 편심몸체(430)로 이루어진 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 연결축(420)과 편심소켓(440)의 축간 거리는 상기 크랭크샤프트(10)의 중심축(12)과 핀축(11)의 축간 거리와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 열처리지그(300)는,
상기 거치대(120)의 일측에 결합되는 지지브라켓(310)과;
상기 지지브라켓(310)에 수평으로 연장되는 지지바(320)와;
상기 핀축(11)의 둘레에 대응하여 밀접하게 접근할 수 있도록 상기 지지바(320)의 단부에 호 형상으로 돌출 형성되며, 직접적으로 발열되어 핀축(11)에 복사열을 전달하는 열처리바(330)와;
상기 열처리바(330)의 상부에 구비되어 상기 핀축(11)에 고주파를 조사하는 고주파발생부(340)를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 고주파발생부(340)의 주파수는 12kHz이고, 고주파 용량은 100 kW으로 가열시간을 6초로 이루어지는 것을 특징으로 하는 크랭크샤프트 고주파 열처리 장치.