KR930006043B1 - 연결부 제조방법 및 이에 사용하기 위한 설계요소 - Google Patents

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연결부 제조방법 및 이에 사용하기 위한 설계요소

본 발명은 조립식 캠 축이나 크랭크축 또는 전동축을 제조하기 위한 연결부 제조 방법 및 이에 사용하기 위한 설계 요소에 관한것이다.

이러한 연결부 제조 방법은 중공축과 이 중공축의 외경에 상당하는 구멍을 갖고 있어 중공축에 미끄럼 끼워 맞춤되는 설계요소를 마련하고 중공축을 유압 팽창시킴으로서 미끄럼 끼워맞춤된 설계 요소의 구멍의 표면층에 소성 변형 및 영구 탄성 프리텐션(pretension)이 생기게 하여 조립식 캠축들이나 크랭크축들 또는 전동축들을 제조하여 왔다.

설계 요소들을 중공 축들과 연결시키기 위한 전술한 형태의 방법은 캠축 분야에 있어서 특히 바람직한 것으로 알려져 있다. 이러한 방법은, 소위 수축 연결 방법에서는 연결부 제조시에 인장력이 재료의 온도 한계값에 의해 제한되지만 이러한 강제 체결 방법에서는 인장력이 온도 한계값에 무관하므로, 토오크의 전달에 있어서 수축 연결 방법에 비하여 유리하다. 특히 용접 연결과 비교할 때, 그 공정이 단순하고 냉간 상태에서 수행할 수 있어서 비용이 절감된다는 점에서 보다 유리하다. 또한, 개개의 부품들을 보다 작은 공차를 갖도록 제조할 수 있다. 이러한 강제 체결 방법은 그 토오크 전달력이 크기는 하지만 일정 크기로 한정되므로, 보다 큰 토오크를 전달하기 위해서는 결합력이 보다 큰 연결부를 제조할 필요성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 설계 요소들과 중공측 사이의 전달가능한 토오크를 보다 크게 하기 위하여 전술한 형태의 방법을 더욱 개선함으로써 연결부 제조시에 강제 체결 방법의 기본적인 장점을 개선함으로써 연결부 제조시에 강제 체결 방법의 기본적인 장점을 해치지 않고 최대 하중들을 받는 조립식 크랭크축들과 같은 부품들을 제조하기 위한 방법 및 이에 사용하기 위한 설계요소를 마련하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적은 중공축을 유압 팽창시킴으로써 설계요소의 구멍의 표면층 재료와 소성 변형된 중공축의 재료 사이에 재료 결합 연결(material-locking connection)이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 방법 및 이에 사용하기 위한 설계 요소를 마련함으로써 성취된다.

본 발명의 방법은, 직접 접촉이 이루어지고 재료 결합 연결이 이루어지는 접착 효과(adhesion effect)가 발생하는 표면적의 비율을 현저하게 증가시킴으로써 성취된다. 이와 같은 방식에 있어서는, 결합 면적(area fit)과 마찰 계수의 적(product)의 함수인 전달가능한 토오크가 크게 증가된다(Mt=μz×Fr). 통상의 강제 체결 연결(force-locking connection)의 경우에 있어서는 실험적으로 측정할 때 저어널 마찰 계수 μz가 0.1 내지 0.65의 범위이나, 본 발명에 따라 제조된 연결부들의 저어널 마찰 계수 μz는 1 이상의 값으로 증가하며 또한 1의 수배에 까지 도달할 수 있다. 본 발명과는 달리, 압입 끼워맞춤(press-fitting connection)방법에서는 표면요철부들 사이의 기계적 치합 효과(toothing effect)가 대응 면들이 최상의 정밀도로 기계 가공될지라도 이론적인 표면들중 작은 부분만이 직접 접촉하므로 비교적 작다고할 수 있다. 본 발명에 의해 제안된 바와 같이, 연결된 면들상의 압력을 재료의 소성 변형점까지 증가시킴으로써, 서로 접촉하고 있는 면적을 최적치까지 증가시킨다.

본 방법에 의하면, 잔류 마찰 계수(remaining friction coefficient)를 결정짓는 압력 인가 시의 압출력은, 팽창 공정의 완료 후에 잔류하는 압출력보다 더 크다. 대체로, 상기와 같은 압력 연결방법으로 얻을 수 있는 모멘트는 최대 압축력이 잔류 압축력인 수축 연결 방법에 의한 모멘트 보다 더 크다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 보다 높은 유압을 가함으로써 중공축의 소성 변형 이외에도 적어도 설계 요소들의 구멍의 표면층 내에서의 소성 변형을 얻는 것도또한 가능하다. 필요로 하는 효과는 서로 직접 접촉하는 양쪽 표면들의 금속 입자(metallic particle)들에 따라 달라진다.

소성적으로 변형되는 구멍층의 범위를 결정하는 벽두께 및 유동한계(flow limit)를 갖는 고 인장 재료(high-tensile material)를 사용하여 설계 요소들을 제조함으로써 최적 연결을 얻을 수 있다. 팽창 공정중에 가해진 면 압력(area pressure)은, 예컨대 관벽 두께 또는 관의 항복점에 의해 제한될 수 있는 잔류 압축력보다 대체로 더크다. 본 방법은 또한, 직경이 크고 벽 두께가 얇아서 외부 압력에 대해 제한된 강도를 갖지만 비틀림 강도는 충분한 관들에 대해 적합하다. 이러한 방법에 의해, 박벽형 관(thin-walled tube)을 갖는 경량 캠축들 및 크랭크 축들을 제조하는 것이 가능하다. 또한 본 발명을 예컨대 저탄성 계수를 갖는 알루미늄 관들 또는 티타늄 관에 적용하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 방법의 제1실시예에서는 압력을 적절히 가함으로써, 연결을 방해하는 산화물층을 팽창공정시에 파괴시킬 정도의 소성 변형을 일으킨다. 물론, 연결된 표면들은 습기 또는 산의 영향과 같이 특정한 불리한 조건들이 없는 정상 분위기(normal atomosphere)내에서 생길 수 있는 것과 얇은 두께의 산화물 층들만을 포함하는 것으로 가정한다.

본 발명에 따른 방법의 제2실시예에서는, 연결부를 제조하기 전에 부품들을 환원성 분위기(reducing atomosphere)내에 위치시키고 연결될 부품들의 표면들을 기계 기공 또는 처리함으로써 금속적으로 세척되도록 마련하며, 이 환원성 또는 불활성 분위기를 연결부가 제조될 때까지 유지시킨다. 제2실시예의 장점은 연결층내에 산화물 내포물(oxide inclusion)들 도는 피막 내포물(coating inclusion)들이 전혀 포함되지 않으므로 제1실시예의 연결부와 비교할때 강성이 보다 향상된 고품질의 여부가 마련된다는 것이다.

본 발명에 따른 방법의 제3실시예에서는, 설계 요소의 구멍 및/또는 중공축의 표면에 상기 형태의 연결부에 대해 특히 적합한 표면층이 마련되며, 이와 같은 작업은 깨끗한 금속 표면을 얻기 위해 예비처리 후에 행하는 것이 바람직하지만, 예비처리 없이 행하는 것도 가능하다. 접착 효과를 향상시키기 위해 인가된 금속층은 단지 2 내지 9Å 두께를 갖는다. 접착 효과는 선택된 재료에 상당한 영향을 받는다. 이러한 경우는 양쪽 대응 면들이 원자 결합 특성이 동일한 경우와, 재료들이 고 표면 에너지 및 경계면 에너지를 갖는 경우와, 특히 재료들이 면심 입방 금속(cubically surface-centered metal)들로 구성된 경우이다. 금속들은 높은 융점을 가져야 하지만, 화학적 환경에 쉽게 영향을 받지 않아야 하는데, 이와 같은 재료는 구리, 은, 순철, 오스테나이트강, 아연 및 니켈 등의 귀금속 및 준귀금속이다.

이와 같은 표면 층들은, 예컨대 회전 와이어 브러시들을 구멍을 통해 안내하여 브러싱(brushing)함으로써 기계적으로 가공할 수 있는데, 이와 같은 가공 공정 동안에 구멍의 금속은 연마되어 표면상에 잔류한다. 바람직한 실시예에 있어서, 피복될 표면상의 기존 산화물 층을 연마하거나 또는 부분적으로 파괴시킬 수 있다. 또한 브러시들은 산화물층의 연마를 향상시키기 위하여 매추 단단한 강모(bristle)들을 약간 가지고 있을 수 있다. 이와 같은 표면들을 작은 두께로 가공하기 위하여 전기 도금 또는 플라즈마 분사 방법(plasma spraying)를 이용하는 것도 또한 가능하다.

표면층을 가공하기 위해 사용된 또 다른 특징은 이 재료가 설계 요소의 기부 재료에 비해 높은 소성 변형성을 갖는다는 것이다. 따라서 본 발명은 구멍내의 피막이 단지 2 내지 9Å의 두께를 갖는 설계 요소에 관한 것으로, 기부 재료에 관한 강도 특성과 부식 및 결합 특성 모두에 관하여 전술한 양호한 장점중 하나 이상의 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 방법의 제4실시예에 있어서는, 접착 효과 뿐만이 아니라 연마효과, 즉 요홈효과(groove effect)도 연결부를 제조하는데 이용한다. 결합하는 과정에서 가해진 압축력에 의해 유효 접촉 면적의 크기가 증가하면, 확실한 고착을 위해서 접착 및 연마 효과들 모두를 이용하는 것이 가능하다. 이 방법에 있어서는, "미세가공(micro-machining)" 또는 "미세결합(micro-joining)"이 이루어지도록 예컨대 광물성 취성 입자들과 같은 연마 작용 입자들을 가장 미세하게 분포되도록 연결될 표면들에 도포시킨다. 양호한 실시예에 있어서, 연마 작용 입자들은 접착 효과를 향상시키기 위해 이미 마련된 금속 또는 화학 피복과 함께 도포한다. 이와 같은 입자들은 매우 미세한 입자로된 다이아몬드, 코런덤 분진(corundum dust) 또는 유사한 경성의 광물질들로써, 접착력을 해치지 않는 성질을 띠며 또한 접착력을 해치지 않도록 인가한다. 입자들이 어떤 산화 효과도 갖지 않아야 하는 것이 중요하다.

접착 효과는 입자들이 압압되는 표면 피막이 높은 강도 또는 경고를 가지고 있는 경우에 증가된다. 만일 접착 작용 층이 매우 얇으면, 입자들은 이와 같은 층을 통해서 연결될 표면의 단단한 기부안으로 압압될 수 있다.

Claims (20)

1. 중공축과 이 중공축에 미끄럼 끼워맞춤되고 중공축의 외경에 상당하는 구멍을 갖는 설계 요소로 구성된 조립식 캠축들, 크랭크축들 또는 전동축들을 제조하기 위하여, 중공축을 유압 팽창시킴으로써 미끄럼 끼워 맞춤된 중공축과 설계 요소의 표면층에 소성 변형 및 영구 탄성 프리텐션이 생기게 하여 중공축과 설계 요소들 사이에 연결부를 제조하는 방법에 있어서, 중공축을 유압 팽창시킴으로써 설계 요소의 구멍의 표면층 재료와 소성 변형된 중공축의 재료 사이에 재료 결합 연결이 이루어 지도록 하는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 유압 팽창시의 중공축과 구멍 사이의 연결 구역 내의 압축력이 팽창 공정 완료후에 잔류하는 압축력 보다 큰 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 중공축과 구멍의 서로 직접 접촉되는 표면적의 비율이 표면들내의 모든 요철부들을 편평하게 함으로써 크게 증가되도록, 유압의 인가중에 중공축의 전체 소성 변성 이외에도 구멍의 표면층을 또한 변형시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 재료 결합 연결을 방해하는 설계 요소의 구멍내의 산화물층 및 중공축 상의 산화물 층들을 유압의 인가중에 구멍의 표면층에서의 소성 변형에 의해 파괴시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 재료 결합 연결을 방해하는 설계 요소의 구멍내의 산화물층 및 중공축 상의 산화물층들을 유압을 인가하기 전에 환원성 분위기가 환원조 내에서 제거시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 재료 결합 연결을 방해하는 설계 요소의 구멍내의 산화물층 및 중공축 상의 산화물층들을 중공축에 유압을 인가하기 전에 기계 가공에 의해 제거시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
7. 제4항에 있어서, 산화물 층들을 제거하기 위한 표면 처리 후에 중공축에 유압을 인가할 때까지 연결된 부품들을 환원성 또는 불활성 분위기내에 계속 유지시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
8. 제3항에 있어서, 설계 요소의 구멍 및 중공축 상에 재료 결합 연결에 유리한 영향을 미치는 표면층을 중공축의 유압 팽창 전에 각 표면들이 적절하게 준비된 후에 도포하는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 표면 층의 재료를 회전 브러시의 연마 강모에 의한 연마를 통해 브러싱함으로써 기계적으로 도포하는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 표면층의 재료를 브러싱함과 동시에, 기존 산화물층을 회전 브러시의 길고 단단한 강모로 기계적으로 파괴시키거나 제거시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
11. 제8항에 있어서, 표면층의 재료를 전기 도금에 의해 도포시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
12. 제8항에 있어서, 정상 분위기에서 부식되지 않는 재료를 도포시키는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
13. 제8항에 있어서, 인가된 재료가 중공축의 재료 및 설계 요소의 재료와 동일한 원자 결합 특성들을 갖는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
14. 제8항에 있어서, 표면 에너지가 높은 재료를 도포하는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
15. 제8항에 있어서, 면심 입방 금속 재료를 도포하는 것을 특징으로 하는 연결부 제조 방법.
16. 제1항 내지 제15항의 방법에 의해 중공축에 연결되기 위한 구멍을 갖는 설계 요소에 있어서, 구멍이 중공축의 재료와 재료 결합 연결되기에 용이하도록 2 내지 9Å의 두께로 된 표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 설계 요소.
17. 제16항에 있어서, 기부 재료가 표면층의 재료에 비해서 높은 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 설계요소.
18. 제16항에 있어서, 표면층의 재료가 구리, 은, 순철, 오스테나이트강, 아연 및 니켈등의 귀금속 및 준귀금속인 것을 특징으로 하는 설계 요소.
19. 제16항에 있어서, 연마재로 작용하는 입자들이 표면층의 재료와 함께 도포되는 것을 특징으로 하는 설계 요소.
20. 제19항에 있어서, 다이아몬드 분진 또는 코런덤과 같은 광물적으로 순수한 비산화성 입자들이 표면층의 재료와 함께 도포되는 것을 특징으로 하는 설계 요소.