WO2018117528A2 - 브레이크 디스크 및 그 제조 방법 - Google Patents

브레이크 디스크 및 그 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a disc brake of a vehicle and a method of manufacturing the same.
  • a brake device of a vehicle is a device used to decelerate or stop a vehicle while driving.
  • the brake disc used in the brake device performs braking of the vehicle by releasing the kinetic energy of the vehicle as thermal energy using a friction force generated through friction with the pressure pad, which is a friction member.
  • the brake disk includes a disk plate in the form of a ring or drum providing a friction surface and a hub joined to the disk plate to couple the disk plate to the axle.
  • Such brake discs are required to be lightweight to improve fuel efficiency of the vehicle, and are required to have light weight, high strength, heat resistance, wear resistance, and durability.
  • the present invention provides a brake disc and a method of manufacturing the same, which are capable of increasing rigidity while being light in weight.
  • the present invention provides a brake disc and a method of manufacturing the same, which minimize the weight and increase the bonding force by applying a high manganese steel to improve the coupling structure between the disc plate and the hub.
  • the present invention provides a brake disc and a method of manufacturing the same, which can increase the productivity and reduce the manufacturing cost by combining the disc plate and the hub with a simpler, easier and more simple.
  • the manufacturing method of the present embodiment is to provide a friction surface and a method for manufacturing a brake disc comprising a disk plate having a hole formed in the center and a hub coupled to the hole formed in the center of the disk plate,
  • the method may include preparing a hub, and bonding the hub to the disc plate.
  • the bonding may include bonding the hub plate by hot stamping the hub.
  • the hot stamping and joining may include disposing a disc plate in a forming machine, heating the hub to a high temperature, placing the heated hub in the disc plate, and pressing and pressing the hub to be bonded to the disc plate hole. Fittingly bonding, and quenching the hub.
  • the bonding may include cold stamping the hub with respect to the disc plate.
  • the cold stamping step may include disposing a disc plate and a hub assembled in a molding machine, and pressing the hub into the holes of the disc plate at room temperature to force-fit the joint.
  • the bonding may include bonding the hub to the disk plate by forming a hub.
  • the step of hydroforming and bonding may include arranging the disk plate and the hub assembled in the molding machine, and applying the hydraulic pressure to the hub to press the hub into the holes of the disk plate to force the hub plate to be fitted by fitting.
  • the disc plate may be made of high manganese steel having a manganese (Mn) of 16 to 20% by weight or more.
  • the disc plate is 0.9 to 1.31% by weight of carbon (C), 16 to 20% by weight of manganese (Mn), 0.01 to 0.03% by weight of silicon (Si), 2.2 to 2.8% by weight of chromium (Cr) and 0.3 to 2.8% by weight of copper (Cu) 0.7% by weight, the balance may include Fe and other unavoidable impurities.
  • the hub may be made of the same material as the disk plate.
  • the hub may be made of a different material from the disk plate.
  • the hub may be made of a boron steel material.
  • the hub may be made of a general structural steel of a different material than the disk plate.
  • the method may further include processing an uneven hole in the center of the disc plate.
  • the method may further include processing the junction of the hub in contact with the inner circumferential surface of the hole into a shape corresponding to the hole of the disc plate.
  • the hub may be heated to a temperature of 900 °C to 950 °C.
  • the pressing force on the hub may be 12 to 22 KN / cm 2.
  • the pressing force on the hub may be 40 to 64 KN / cm 2.
  • the pressing force on the hub may be 60 to 100 KN / cm 2.
  • the brake disk of the present embodiment includes a disk plate having a friction surface and having a hole formed at the center thereof, and a hub coupled to a hole formed at the center of the disk plate, wherein the hub can be press fit to the disk plate. .
  • the hub may be hot stamped and bonded to the disc plate.
  • the hub may be cold stamped and bonded to the disc plate.
  • the hub may be hydroformed and bonded to the disc plate.
  • the disc plate and the hub may be of different materials.
  • the disc plate may be made of high manganese steel having a manganese (Mn) of 16 to 20% by weight or more.
  • the disc plate is 0.9 to 1.31% by weight of carbon (C), 16 to 20% by weight of manganese (Mn), 0.01 to 0.03% by weight of silicon (Si), 2.2 to 2.8% by weight of chromium (Cr) and 0.3 to 2.8% by weight of copper (Cu) 0.7% by weight, the balance may include Fe and other unavoidable impurities.
  • the hub may be made of a boron steel material.
  • the hub may be made of the same material as the disk plate.
  • the hub may be made of a general structural steel of a different material than the disk plate.
  • the hole may be formed in an uneven form.
  • the hub may be formed in a shape in which the surface contacting the hole corresponds to the shape of the unevenness of the hole.
  • the disk plate may be further formed with a cooling hole on the surface.
  • the brake disc may have a solid structure in which the disc plate is in the form of a single plate.
  • it is made of a high manganese steel material can reduce the thickness of the disk plate can be reduced by 30% or more in weight compared to the conventional while ensuring sufficient rigidity.
  • the disk plate and the hub are pressed by a hot stamping process, a cold stamping process, or a hydroforming process to join them in a press fit manner, thereby minimizing the weight of the brake disc by not adding a separate configuration for connecting the two members. can do.
  • the production process can be simplified to increase the productivity of the brake discs and to increase the competitiveness of the brake discs at a lower cost.
  • the bonding force between the disc plate and the hub can be increased, and the rigidity of the hub can be improved.
  • the front wheel brake of the existing mass production model can be manufactured and applied in a solid form of the rear wheel brake.
  • FIG. 1 to 3 schematically illustrate a brake disc manufacturing process according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a hot stamping process or a cold stamping process of a brake disc according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating a brake disc manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 6 illustrates another brake disc manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the results of comparative experiments with a brake disc manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a manufacturing process of a brake disc according to the present embodiment.
  • the disk plate 12 is a circular plate structure that provides a friction surface
  • the hole 13 is formed in the center to the hub 14 is coupled to form a ring.
  • the hole 13 formed in the center of the disc plate may be processed into a concave-convex shape in which recesses and convex portions are repeatedly formed along the inner circumferential surface. As the hole forms irregularities, the coupling force with the hub increases.
  • the disk plate 12 may be made of high manganese steel having a manganese (Mn) of 16 to 20% by weight or more.
  • the disk plate providing the friction surface for braking is formed of high manganese steel with good braking performance and abrasion resistance and low thermal deformation, thereby improving brake disc braking performance and wear resistance, and improving toughness, impact resistance and hot deformation resistance. At the same time improve.
  • the disk plate 12 is 0.9 to 1.31% by weight of carbon (C), 16 to 20% by weight of manganese (Mn), 0.01 to 0.03% by weight of silicon (Si), 2.2 to 2.8 weight of chromium (Cr) %, Copper (Cu) 0.3 to 0.7% by weight, the balance may include Fe and other unavoidable impurities.
  • the brake disc with the high manganese steel disc plate according to the present embodiment has higher friction coefficient and higher thermal conductivity than both brake discs with disc plates made of ordinary carbon steel, thereby improving both braking performance and heat dissipation performance. It could be confirmed.
  • the hub 14 is a structure for coupling to the disc plate 12 to couple the disc plate to the axle of the vehicle body.
  • the hub 14 may be made of a material different from that of the disc plate 12.
  • the hub may be made of a material having excellent moldability at high temperature and rigidity after cooling for hot stamping.
  • the hub may be made of a boron steel material.
  • the hub may be made of various materials in addition to boron steel as long as it can be bonded to the disk plate by hot stamping.
  • the hub 14 is prepared in the form of a circular flat plate.
  • the hub may be prepared by preforming a disc in a desired form by press molding the disc.
  • the flat hub 14 is press-fitted to the holes of the disc plate 12 through a hot stamping process.
  • Hot stamping refers to a process of forming a high-temperature material by pressing and quenching the material, and in this embodiment, the hub is hot-molded and quenched to a high-temperature state with respect to the disc plate, thereby forcing a fit onto the disc plate. Is bonded.
  • the step of hot stamping the hub to the disc plate may include disposing the disc plate in the forming machine, heating the hub to a high temperature, placing the heated hub on the disc plate, and the hub is the disc plate. Press-molding to bond to the hole of the fitting step of fitting fit, and quenching the hub.
  • the hub is press fit to the hole of the disc plate through a hot stamping process.
  • the prepared hub is heated to a high temperature state through a heating furnace, and the heated hub is moved to a mold of a molding machine in which the disk plate is placed, pressed by a punch of the molding machine, and adhered to the hole of the disk plate at high pressure. After being joined, they are quenched.
  • the disk plate 12 and the hot-heated hub 14 are disposed on the upper die 112 and the lower die 110 of the forming machine 100 for hot stamping.
  • the punch 14 presses the hub 14.
  • the hub is in close contact with the disc plate while being plastically deformed by the punch.
  • the hub 14 is pressurized by the punch 120 so as to be press fit with the inner circumferential surface of the hole 13 of the disc plate 12.
  • the plastically deformed hub is rapidly cooled through the disc plate in contact with the die and hub of the forming machine.
  • the bonding surface of the hub to the hole is formed in the shape of the closed cross section of the hole of the disc plate, and is strongly adhered to the hole.
  • the hub when hot stamping the hub to the disc plate, the hub may be heated to a temperature of 900 ° C to 950 ° C.
  • the pressing force on the hub may be 12 to 22 KN / cm 2.
  • the appropriate pressing force due to the softening of the material may be 12 to 22KN / cm2.
  • the pressing force is out of the above range, the plastic deformation amount of the material increases, which increases the risk of deformation.
  • the boron steel hub is hot stamped to the disk plate made of high manganese steel, it is possible to quickly and strongly bond the hub to the disk plate without using a separate fastening mechanism such as a rivet or bolt. This makes it possible to increase the weight of the brake disc.
  • the hub is more simply coupled to the disc plate, it is possible to manufacture a brake disc with high productivity and low cost.
  • the hole 13 of the disc plate 12 is formed in an uneven shape, and in the process of forming the hub 14, the outer circumferential surface of the hub passing through the hole corresponds to the uneven shape of the hole formed in the center of the disc plate. Plastic deformation. Accordingly, the side surface of the hole 13 and the shaped hub 14 of the disk plate is engaged with each other in the form of unevenness, it is possible to further increase the coupling force.
  • FIG. 2 schematically shows a manufacturing process of a brake disc according to another embodiment.
  • the process of manufacturing the brake disc 10 includes preparing a disc plate 12 providing a friction surface and a hub 14 coupled to the disc plate, respectively. Cold stamping the hub to the prepared disk plate to forcefully join the hub plate.
  • the hub 14 is a structure for coupling to the disc plate 12 to couple the disc plate to the axle of the vehicle body.
  • the hub may be made of a material such as a disk plate.
  • the hub 14 may be formed of a material different from that of the disc plate 12.
  • the hub may be made of various materials in addition to high manganese steel if it can be bonded to the disk plate by cold stamping.
  • the hub may be made of a general structural steel.
  • the hub 14 may be prepared by preforming a disc in a desired form by pressing the disc by pressing.
  • the hub may be prepared in the form of a circular flat plate, and formed into a desired shape during cold stamping.
  • the prepared hub 14 is press-fitted to the hole of the disc plate 12 through a cold stamping process.
  • Cold stamping refers to a process of pressing a material in a state of normal temperature and plastically processing it into a desired shape.
  • the hub is cold stamped against the disc plate and pressed into the hole while being deformed to the outside of the disc plate. Joined in a custom structure.
  • the step of cold bonding the hub to the disc plate comprises the steps of arranging the disc plate and the hub assembled in the molding machine, pressurizing the hub such that the hub is pressed into the hole of the disc plate at room temperature to be tailored. Shaping may be included.
  • assembling the disc plate and the hub may mean that the center of the disc plate and the hub are in contact with each other, or the center plate of the hub protrudingly formed into the hole of the disc plate may be coupled to each other.
  • the hub is press fit into the hole of the disc plate through a cold stamping process, it is bonded fit.
  • the disk plate 12 and the hub 14 at room temperature are placed on the upper die 212 and the lower die 210 of the forming machine 200 for cold stamping and punched.
  • the hub 14 is pressurized with 220.
  • the hub is plastically deformed by the pressing force of the punch.
  • the hub 14 is plastically deformed by the punch 220, and the coupling surface closely adheres to the inner circumferential surface of the hole 13 of the disc plate 12.
  • the hub 14 is pressurized by the punch 220 to be press-fitted into the inner circumferential surface of the hole 13 of the disc plate 12. Accordingly, the hub and the disc plate are firmly bonded through cold stamping.
  • the bonding surface of the hub to the hole is formed in the shape of the closed cross section of the hole of the disc plate, and is strongly adhered to the hole.
  • the hub may be plastically deformed so as to maintain the maximum joint rigidity.
  • the room temperature is a temperature of the atmospheric state, it can be understood as a temperature of approximately 25 °C.
  • the pressing force on the hub may be 40 to 64 KN / cm 2.
  • molding proceeds with the concept of deep drawing, and the plastic deformation amount of the material increases when the molding load is out of the above range in consideration of the molding load, and thus there is a high possibility of deformation.
  • the hub is made of a high manganese steel material, tensile strength is 1100Mpa or more, elongation is more than 45%, even if cold stamped as described above does not cause breakage.
  • the hub can be bonded with optimum strength even if it is forcefully fitted into the hole of the disc plate due to the high tensile strength.
  • cold stamping the high-manganese steel hub of 1.5 to 3mm thickness in the present embodiment it is possible to simply and strongly couple the hub to the hole of the disk plate.
  • the braided disc can be manufactured at high productivity and low cost.
  • the hub is cold stamped to the disk plate made of high manganese steel, it is possible to quickly and strongly join the hub to the disk plate without using a separate fastening mechanism such as rivets and bolts, and to reduce the weight of the brake disk. To increase.
  • the hole 13 of the disc plate 12 is formed in an uneven shape, and in the process of forming the hub 14, the outer circumferential surface of the hub passing through the hole corresponds to the uneven shape of the hole formed in the center of the disc plate. Plastic deformation. Accordingly, the side surface of the hole 13 and the shaped hub 14 of the disk plate is engaged with each other in the form of unevenness, it is possible to further increase the coupling force.
  • FIG. 3 schematically illustrates a manufacturing process of a brake disc according to another embodiment.
  • the process of manufacturing the brake disc 10 includes preparing a disc plate 12 providing a friction surface and a hub 14 coupled to the disc plate, respectively. Hydroforming the hub to the prepared disk plate and forcibly bonding the hub plate.
  • the hub 14 is a structure for coupling to the disc plate 12 to couple the disc plate to the axle of the vehicle body.
  • the hub may be made of a material such as a disk plate.
  • the hub 14 may be formed of a material different from that of the disc plate 12.
  • the hub may be made of a variety of materials in addition to high manganese steel if it can be bonded to the disk plate by hydroforming.
  • the hub may be made of a general structural steel.
  • the hub 14 may be prepared by preforming a disc in a desired form by pressing the disc by pressing.
  • the hub may be prepared in the form of a circular flat plate, and may be molded into a desired shape during hydroforming.
  • the prepared hub 14 is fit-fitted to the holes of the disc plate 12 through a hydroforming process.
  • Hydroforming refers to a process in which a press is applied to the outside of the material and the liquid is pushed into the desired shape by pressing the liquid at a strong pressure therein.
  • the hub is hydroformed with respect to the disk plate and pressure-deformed to the outside. It is joined to the hole of the disc plate by fitting structure.
  • the hub is hydro-formed to the disk plate
  • the step of placing the disk plate and the hub assembled in the molding machine, by applying a hydraulic pressure to the hub to press the hub into the hole of the disk plate to fit Bonding may be included.
  • assembling the disc plate and the hub may mean that the center of the disc plate and the hub are in contact with each other, or the center plate of the hub protrudingly formed into the hole of the disc plate may be coupled to each other.
  • the hub is press-fitted while being joined to the hole of the disc plate through a hydroforming process.
  • the prepared hub is seated in the mold 312 of the molding machine 300 in the assembled state of the central portion protruding into the hole of the disk plate.
  • the mold 312 is formed with an accommodating hole 314 in which a liquid for applying hydraulic pressure to the hub is formed, so that the liquid F filled in the accommodating hole 314 in a state where the hub and the disc plate are seated in the mold is formed at a high pressure.
  • the hub is pressurized and pushed out to join the hole of the disc plate.
  • the hub 14 is pressurized by the hydraulic pressure so that the joining surface of the hub is pressed against the inner circumferential surface of the hole 13 of the disc plate 12 by tight fit.
  • the hub may be pressed outward to form the hub in the form of a closed cross section of the hole of the disc plate.
  • the pressurized hub is formed in the shape of a closed cross section of the hole of the disc plate, and is tightly bonded to the hole. As such, as the hub is bonded to the disc plate by hydroforming, the hub may be plastically deformed so as to maintain the maximum joint rigidity.
  • the pressing force on the hub may be 60 to 100 KN / cm 2.
  • the disk has a cross section of 3600mm2 for the inner diameter of 150mm and the height of 8mm, so the pressure is calculated as 100MPa when the force of the equipment is at least 60KN.
  • a pressure acting per unit area as described above it is preferable to combine with a force of 60KN to 100KN, when out of the pressing force range, the plastic deformation of the material increases, there is a high risk of deformation.
  • the hub When the hub is made of a high manganese steel material, the tensile strength is 1100Mpa or more, the elongation is 45% or more, even if the hydroforming and molding as described above does not occur.
  • the hub can be bonded with optimum strength even if it is forcefully fitted into the hole of the disc plate due to the high tensile strength.
  • a hub of a high manganese steel material of 1.5 to 3mm thickness by hydroforming, it is possible to simply and strongly couple the hub to the hole of the disk plate.
  • the braided disc can be manufactured at high productivity and low cost.
  • the hub is hydroformed to the disk plate made of high manganese steel, it is possible to quickly and strongly join the hub to the disk plate without using a mechanism for fastening such as rivets and bolts, and to reduce the weight of the brake disk. To increase.
  • the hole 13 of the disc plate 12 is formed in an uneven shape, and in the process of forming the hub 14, the outer circumferential surface of the hub passing through the hole corresponds to the uneven shape of the hole formed in the center of the disc plate. Plastic deformation. Accordingly, the side surface of the hole 13 and the shaped hub 14 of the disk plate is engaged with each other in the form of unevenness, it is possible to further increase the coupling force.
  • FIG. 5 is a brake disc having a structure in which no cooling holes are formed on the surface of the disc plate 12
  • FIG. 6 shows a brake disc having a structure in which cooling holes 15 are constantly arranged on the surface of the disc plate 12. As shown in FIG. have.
  • the brake disc 10 of the present embodiment is provided with a friction surface and a hub 14 coupled to a disc plate 12 having a hole 13 at the center thereof and a hole 13 formed at the center of the disc plate 12. It comprises a, the hub 14 is manufactured in accordance with the manufacturing method of each embodiment mentioned above has a structure that is bonded to the hole of the disc plate by fit.
  • the hub 14 has a central portion projecting out of the disk plate through the hole 13, and the outer peripheral surface of the protruding center portion, that is, the joining surface of the hub contacting the hole is joined to the hole by hot stamping, cooling stamping, or hydroforming. .
  • the disk plate and the hub are joined by hot stamping, cold stamping, or hydroforming, so that there is no mechanism for separate bonding such as rivets or bolts.
  • the joining surface between the hole 13 and the hub 14 of the disc plate 12 forms a concave-convex shape corresponding to each other, and is engaged with each other.
  • the bonding force between the two members can be increased.
  • the joint surface of the hole and the hub forms a concave-convex shape such as a tooth, but the concave-convex shape may be formed in various shapes in addition to the tooth shape.
  • the disk plate 12 may be formed in a solid form.
  • the disc plate may be classified into a vented form having a cooling hole between two plates and a solid form consisting of one single plate.
  • the vented disc plate can increase the cooling efficiency, but it is difficult to manufacture a material having low castability due to the casting method, and has a disadvantage in that a thick plate and a heavy weight are formed as two plates are formed.
  • the disc plate of solid structure is light and thin, so it has good space, but it is vulnerable to hot deformation because of low cooling efficiency. Therefore, conventionally, in the case of a disc plate of a solid structure, it is difficult to apply to the front wheel of the vehicle and is used for the rear wheel.
  • the disk plate 12 of the present embodiment is made of a high manganese steel material and manufactured through a hot stamping process, a cold stamping process, or a hydroforming process, so that the disk plate 12 has sufficient resistance to hot deformation even though it is made of a solid structure instead of a vented structure. It has great wear resistance and can be applied to the front wheel of a vehicle.
  • the disk plate can be produced by a forging method, and it is possible to easily secure excellent physical properties such as weight reduction of the brake disc, improvement of wear resistance, and improvement of braking performance.
  • the brake disc has a thickness of 18 mm and a weight of 7 kg. Its weight and weight could be reduced by reducing its size and weight from 32mm thick and 12kg weight.
  • the hub is joined to the disk plate by hot stamping, cold stamping, or hydroforming, and the mechanism for fastening such as bolts is not separately coupled, the weight thereof can be further reduced.
  • the brake disc of the present embodiment has excellent braking performance and wear resistance despite the weight reduction by applying high manganese steel, and can maximize productivity through a coupling structure by hot stamping, cooling stamping, or hydroforming.
  • the hub which is a general structural steel, is also sufficiently secured through hot stamping, cooling stamping, or hydroforming, thereby increasing the overall strength of the brake disc.
  • the embodiment is a brake disc of a solid form manufactured by hot manganese steel through a hot stamping process, a cold stamping process, or a hydroforming process according to the present embodiment, and the comparative example is gray cast iron, which is generally mass produced in the related art. Brake disc.

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Abstract

무게가 가벼우면서 강성을 높일 수 있고, 디스크플레이트와 허브와의 결합구조 개선을 통해 무게를 최소화하고 생산성을 높일 수 있도록, 마찰면을 제공하며 중앙에 홀이 형성된 디스크플레이트, 상기 디스크플레이트의 중앙에 형성된 홀에 결합되는 허브를 포함하는 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로, 디스크플레이트를 준비하는 단계, 평판 형태의 허브를 준비하는 단계, 디스크플레이트 일면에 평판 형태의 허브를 위치시키는 단계, 상기 디스크플레이트와 허브를 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법을 제공한다.

Description

브레이크 디스크 및 그 제조 방법
본 발명은 차량의 디스크 브레이크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 브레이크 장치는 주행중의 자동차를 감속 또는 정지시키기 위해 사용되는 장치이다.
브레이크 장치에 사용되는 브레이크 디스크는 마찰부재인 가압패드와의 마찰을 통해 발생하는 마찰력을 이용하여 차량의 운동에너지를 열에너지로 방출함으로써 차량의 제동을 수행하게 된다.
브레이크 디스크는 마찰면을 제공하는 링이나 드럼 형태의 디스크플레이트와 디스크플레이트에 접합되어 디스크플레이트를 차축에 결합시키는 허브를 포함한다.
이러한 브레이크 디스크는 차량의 연비 향상을 위해 경량화가 요구되며, 무게가 가벼우면서도 강도가 높고 내열성과 내마모성 및 내구성을 갖출 필요가 있다.
이에, 무게가 가벼우면서 강성을 높일 수 있도록 된 브레이크 디스크 및 그 제조 방법을 제공한다.
또한, 고망간강을 적용하면서 디스크플레이트와 허브와의 결합구조 개선을 통해 무게를 최소화하고 결합력을 높일 수 있도록 된 브레이크 디스크 및 그 제조 방법을 제공한다.
또한, 디스크플레이트와 허브를 보다 간단하고 용이하고 결합하여 생산성을 높이고 제조 비용을 줄일 수 있도록 된 브레이크 디스크 및 그 제조 방법을 제공한다.
이를 위해 본 구현예의 제조 방법은, 마찰면을 제공하며 중앙에 홀이 형성된 디스크플레이트와 상기 디스크플레이트의 중앙에 형성된 홀에 결합되는 허브를 포함하는 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로, 디스크플레이트를 준비하는 단계, 허브를 준비하는 단계, 및 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접합하는 단계는 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 핫스탬핑(hot stamping)하여 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑하여 접합하는 단계는, 성형머신 내에 디스크플레이트를 배치하는 단계, 허브를 고온으로 가열하는 단계, 가열된 허브를 디스크플레이트에 위치시키는 단계, 허브가 디스크플레이트 홀에 접합되도록 가압 성형하여 억지끼워맞춤식으로 접합시키는 단계, 및 허브를 급냉하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접합하는 단계는 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 냉간 스탬핑(cold stamping)하여 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉간 스탬핑하여 접합하는 단계는, 성형머신 내에 조립된 디스크플레이트와 허브를 배치하는 단계, 상온에서 허브를 디스크플레이트의 홀에 가압시켜 억지끼워맞춤식으로 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접합하는 단계는 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 하이드로포밍(hydroforming)하여 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하이드로포밍하여 접합하는 단계는, 성형머신 내에 조립된 디스크플레이트와 허브를 배치하는 단계, 허브에 액압을 가하여 허브를 디스크플레이트의 홀에 가압시켜 억지끼워맞춤식으로 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 디스크플레이트는 망간(Mn)이 16 내지 20중량% 이상인 고망간강으로 이루어질 수 있다.
상기 디스크플레이트는 탄소(C) 0.9 내지 1.31중량%, 망간(Mn) 16 내지 20중량%, 규소(Si) 0.01 내지 0.03 중량%, 크롬(Cr) 2.2 내지 2.8중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 0.7중량%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 허브는 디스크플레이트와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 허브는 디스크플레이트와 상이한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 허브는 보론강 재질로 이루어질 수 있다.
상기 허브는 디스크플레이트와 상이한 재질의 일반 구조용 강재로 이루어질 수 있다.
상기 디스크플레이트를 준비하는 단계에서, 상기 디스크플레이트의 중앙에 요철 형태의 홀을 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 허브를 준비하는 단계에서, 상기 홀의 내주면에 접하는 허브의 접합부를 상기 디스크플레이트의 홀에 대응되는 형태로 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 핫 스탬핑하여 접합하는 단계에서, 허브는 900℃ 내지 950℃의 온도로 가열될 수 있다.
상기 핫 스탬핑하여 접합하는 단계에서, 허브에 대한 가압력은 12 내지 22KN/㎠일 수 있다.
상기 냉간 스탬핑하여 접합하는 단계에서, 허브에 대한 가압력은 40 내지 64KN/㎠일 수 있다.
상기 하이드로포밍하여 접합하는 단계에서, 허브에 대한 가압력은 60 내지 100KN/㎠일 수 있다.
본 구현예의 브레이크 디스크는, 마찰면을 제공하며 중앙에 홀이 형성된 디스크플레이트와 상기 디스크플레이트의 중앙에 형성된 홀에 결합되는 허브를 포함하며, 상기 허브는 디스크플레이트에 억지끼워맞춤식으로 접합될 수 있다.
상기 허브는 핫 스탬핑되어 디스크플레이트에 접합될 수 있다.
상기 허브는 냉간 스탬핑(cold stamping)되어 디스크플레이트에 접합될 수 있다.
상기 허브는 하이드로포밍되어 디스크플레이트에 접합될 수 있다.
상기 디스크플레이트와 상기 허브는 이종 재질일 수 있다.
상기 디스크플레이트는 망간(Mn)이 16 내지 20중량% 이상인 고망간강으로 이루어질 수 있다.
상기 디스크플레이트는 탄소(C) 0.9 내지 1.31중량%, 망간(Mn) 16 내지 20중량%, 규소(Si) 0.01 내지 0.03 중량%, 크롬(Cr) 2.2 내지 2.8중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 0.7중량%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 허브는 보론강 재질로 이루어질 수 있다.
상기 허브는 디스크플레이트와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 허브는 디스크플레이트와 상이한 재질의 일반 구조용 강재로 이루어질 수 있다.
상기 홀은 요철 형태로 이루어질 수 있다.
상기 허브는 상기 홀에 접하는 면이 홀의 요철 형태에 대응하는 형태로 이루어지질 수 있다.
상기 디스크플레이트는 표면에 냉각홀이 더 형성될 수 있다.
상기 브레이크 디스크는 디스크플레이트가 단일 판재 형태의 솔리드(solid) 구조일 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 구현예에 의하면, 고망간강 재질로 이루어져 디스크플레이트의 두께를 줄일 수 있어 강성을 충분히 확보하면서도 종래와 비교하여 무게를 30% 이상 경량화시킬 수 있다.
또한, 디스크플레이트와 허브를 핫 스탬핑 공정이나, 냉간 스탬핑공정 또는 하이드로포밍 공정을 통해 가압하여 억지끼워맞춤 방식으로 접합함으로써, 두 부재간의 연결을 위해 별도의 구성을 추가하지 않아 브레이크 디스크의 무게를 최소화할 수 있다.
또한, 생산 공정이 단순화되어 브레이크 디스크의 생산성을 높일 수 있고 보다 낮은 단가로 브레이크 디스크의 경쟁력을 높일 수 있게 된다.
또한, 디스크플레이트와 허브 간의 접합력을 높일 수 있고, 허브의 강성을 높일 수 있게 된다.
또한, 벤티드 형태(vented type)의 냉각홀을 갖는 디스크를 제조하지 않고 솔리드 형태(solid type)로 제조하더라도 열간 변형 문제의 발생을 방지할 수 있다. 이에, 기존 양산차종의 전륜 브레이크를 후륜 브레이크 형태인 솔리드 형태로 제조하여 적용할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 브레이크 디스크 제조 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 디스크의 핫 스탬핑 공정 또는 냉간 스탬핑 공정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 브레이크 디스크를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 또 다른 브레이크 디스크를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 브레이크 디스크를 종래와 비교 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 브레이크 디스크의 제조 과정을 개략적으로 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 브레이크 디스크(10) 제조 공정을 살펴보면, 마찰면을 제공하는 디스크플레이트(12)와 상기 디스크플레이트에 결합되는 허브(14)를 각각 준비하는 단계, 준비된 디스크플레이트에 대해 허브를 핫스탬핑(hot stamping)하여 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계를 포함한다.
상기 디스크플레이트(12)는 마찰면을 제공하는 원형의 판 구조물로, 중앙에는 허브(14)가 결합되도록 홀(13)이 형성되어 링 형태를 이룬다. 상기 디스크플레이트의 중앙에 형성되는 홀(13)은 내주면을 따라 요부와 철부가 반복적으로 형성된 요철형태로 가공될 수 있다. 홀이 요철 형태를 이룸에 따라 허브와의 결합력이 증대된다.
상기 디스크플레이트(12)는 망간(Mn)이 16 내지 20중량% 이상인 고망간강으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 제동을 위한 마찰면을 제공하는 디스크플레이트를 제동성능, 내마모성이 좋고 열변형이 적은 고망간강으로 형성함으로써, 브레이크 디스크 제동성능, 내마모성의 향상과 함께, 인성, 내충격성, 열간 변형저항을 동시에 향상시킬 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 디스크플레이트(12)는 탄소(C) 0.9 내지 1.31중량%, 망간(Mn) 16 내지 20중량%, 규소(Si) 0.01 내지 0.03 중량%, 크롬(Cr) 2.2 내지 2.8중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 0.7중량%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
많은 실험 결과, 상기한 본 실시예의 고망간강 소재 디스크플레이트를 구비한 브레이크 디스크의 경우 일반 탄소강 소재의 디스크플레이트를 구비한 브레이크 디스크와 비교하여 높은 마찰계수와 높은 열전도를 가져 제동성능과 방열성능 모두 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
상기 허브(14)는 디스크플레이트(12)에 결합되어 디스크플레이트를 차체의 차축에 결합시키기 위한 구조물이다. 상기 허브(14)는 디스크플레이트(12)와 상이한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 허브는 핫 스탬핑을 위해 고온에서 성형성이 우수하고 냉각 후 강성이 있는 재질로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서, 상기 허브는 보론강 재질로 이루어질 수 있다. 상기 허브는 디스크플레이트에 핫 스탬핑으로 접합될 수 있으면 보론강 외에 다양한 소재로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 허브(14)는 원형의 평판 형태로 준비된다. 또는, 상기 허브는 원판을 프레스로 가압 성형하여 미리 원하는 형태로 프리 포밍(pre forming)하여 준비할 수 있다.
평판 형태의 허브(14)는 핫 스탬핑 공정을 통해 디스크플레이트(12)의 홀에 억지끼워맞춤식으로 접합된다.
핫 스탬핑(hot stamping)은 고온 상태의 소재를 프레스로 성형하고 급냉하여 제조하는 공정을 의미하며, 본 실시예에서는 디스크플레이트에 대해 허브가 고온 상태로 가열 성형 및 급냉되어 디스크플레이트에 억지끼워맞춤 구조로 접합된다.
본 실시예에서 디스크플레이트에 대해 허브가 핫 스탬핑으로 접합하는 단계는 성형머신 내에 디스크플레이트를 배치하는 단계, 허브를 고온으로 가열하는 단계, 가열된 허브를 디스크플레이트에 위치시키는 단계, 허브가 디스크플레이트의 홀에 접합되도록 가압 성형하여 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계, 및 허브를 급냉하는 단계를 포함한다.
이에, 허브는 핫 스탬핑 공정을 통해 디스크플레이트의 홀에 억지끼워맞춤식으로 접합된다. 예를 들어, 준비된 허브는 가열로를 통해 고온 상태로 가열되며, 가열된 허브는 디스크플레이트가 배치된 성형머신의 금형으로 이동되고, 성형머신의 펀치에 의해 프레스되어 디스크플레이트의 홀에 고압으로 밀착되어 접합된 후 급냉된다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 핫 스탬핑을 위한 성형머신(100)의 상부다이(112)와 하부다이(110) 상에 디스크플레이트(12)와 고온으로 가열된 허브(14)를 배치하고 펀치(120)로 허브(14)를 가압한다. 허브는 펀치에 의해 소성 변형되면서 디스크플레이트에 밀착된다.
이에, 도 3에 도시된 바와 같이, 허브(14)가 펀치(120)에 의해 가압되어 디스크플레이트(12)의 홀(13) 내주면에 억지끼워맞춤식으로 밀착되도록 성형된다. 소성 변형된 허브는 성형머신의 다이 및 허브와 접하고 있는 디스크플레이트를 통해 급속 냉각된다. 열간 스탬핑 공정을 통해 허브가 가압되면서 홀에 대한 허브의 접합면은 디스크플레이트의 홀의 폐단면 형태대로 성형되면서 홀에 강하게 밀착되어 접합된다.
본 실시예에서, 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 핫 스탬핑하여 접합할 때, 허브는 900℃ 내지 950℃의 온도로 가열될 수 있다.
핫 스탬핑 접합 과정에서 허브에 대한 가열 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우 소재의 소성 변형량이 증가하여 변형 발생 우려가 높아진다.
상기 디스크플레이트에 대해 허브를 핫 스탬핑하여 접합하는 과정에서, 허브에 대한 가압력은 12 내지 22KN/㎠일 수 있다.
핫 스탬핑 접합 과정에서 허브에 대한 상기 가열 온도로부터 소재를 냉각하며 성형이 진행될 때 소재 연화에 의한 적정 가압력은 12 내지 22KN/㎠일 수 있다. 가압력이 상기 범위를 벗어나는 경우 소재의 소성 변형량이 증가하여 변형 발생 우려가 높아진다.
이와 같이, 고망간강 재질의 디스크플레이트에 보론강 재질의 허브가 핫 스탬핑으로 접합됨에 따라, 리벳이나 볼트 등 별도의 체결을 위한 기구를 사용하지 않고 디스크플레이트에 허브를 신속하고 강력하게 접합할 수 있으며, 브레이크 디스크의 경량화를 높일 수 있게 된다. 또한, 디스크플레이트에 허브를 보다 간단하게 결합시킴에 따라 높은 생산성과 낮은 단가로 브레이크 디스크의 제작이 가능하다.
또한, 디스크플레이트에 접합되는 허브가 핫 스탬핑 공정을 거침에 따라 열처리 효과가 부여되어 허브의 강성을 높일 수 있게 된다.
여기서 상기 디스크플레이트(12)의 홀(13)은 요철 형태로 이루어져 있어, 상기 허브(14)를 성형하는 과정에서, 상기 홀을 지나는 허브의 외주면이 디스크플레이트 중앙에 형성된 홀의 요철 형태에 대응하는 형태로 소성 변형된다. 이에, 디스크플레이트의 홀(13)과 성형된 허브(14)의 측면이 요철형태로 서로 맞물리면서 그 결합력을 보다 높일 수 있게 된다.
도 2는 또다른 실시예에 따른 브레이크 디스크의 제조 과정을 개략적으로 나타내고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 브레이크 디스크(10) 제조 공정을 살펴보면, 마찰면을 제공하는 디스크플레이트(12)와 상기 디스크플레이트에 결합되는 허브(14)를 각각 준비하는 단계, 준비된 디스크플레이트에 대해 허브를 냉간 스탬핑(cold stamping)하여 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계를 포함한다.
상기 디스크플레이트(12)는 위에서 언급한 바와 동일하므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
상기 허브(14)는 디스크플레이트(12)에 결합되어 디스크플레이트를 차체의 차축에 결합시키기 위한 구조물이다. 본 실시예에서, 상기 허브는 디스크플레이트와 같은 재질로 이루어질 수 있다. 이와 달리 상기 허브(14)는 디스크플레이트(12)와 상이한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 허브는 디스크플레이트에 냉간 스탬핑으로 접합될 수 있으면 고망간강 외에 다양한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 허브는 일반 구조용 강재로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 허브(14)는 원판을 프레스로 가압 성형하여 미리 원하는 형태로 프리 포밍(pre forming)하여 준비할 수 있다. 또는, 상기 허브는 원형의 평판 형태로 준비되어, 냉간 스탬핑 시 원하는 형태로 성형될 수 있다.
준비된 허브(14)는 냉간 스탬핑 공정을 통해 디스크플레이트(12)의 홀에 억지끼워맞춤식으로 접합된다.
냉간 스탬핑(cold stamping)은 상온 상태에서 소재를 프레스하여 원하는 형태로 소성 가공하는 공정을 의미하며, 본 실시예에서는 디스크플레이트에 대해 허브가 냉간 스탬핑되어 외측으로 가압 변형되면서 디스크플레이트의 홀에 억지끼워맞춤 구조로 접합된다.
본 실시예에서 디스크플레이트에 대해 허브가 냉간 스탬핑으로 접합하는 단계는, 성형머신 내에 조립된 디스크플레이트와 허브를 배치하는 단계, 상온에서 허브가 디스크플레이트의 홀에 억지기워맞춤식으로 접합되도록 허브를 가압 성형시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 디스크플레이트와 허브를 조립한다는 것은, 디스크플레이트와 허브의 중심을 맞춰 서로 접하도록 하거나, 디스크플레이트의 홀에 돌출 성형된 허브의 중앙부를 끼워 결합하는 것을 의미할 수 있다.
이에, 허브는 냉간 스탬핑 공정을 통해 디스크플레이트의 홀에 가압되면서 억지끼워맞춤식으로 접합된다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉간 스탬핑을 위한 성형머신(200)의 상부다이(212)와 하부다이(210) 상에 상온 상태의 디스크플레이트(12)와 허브(14)를 배치하고 펀치(220)로 허브(14)를 가압한다. 허브는 펀치의 가압력에 의해 소성 변형된다. 이에, 허브(14)가 펀치(220)에 의해 소성 변형되면서 디스크플레이트(12)의 홀(13) 내주면에 결합면이 밀착된다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 허브(14)가 펀치(220)에 의해 가압되어 디스크플레이트(12)의 홀(13) 내주면에 억지끼워맞춤식으로 밀착되도록 성형된다. 이에, 냉간 스탬핑을 통해 허브와 디스크플레이트가 견고하게 접합된다.
냉간 스탬핑 공정을 통해 허브가 가압되면서 홀에 대한 허브의 접합면은 디스크플레이트의 홀의 폐단면 형태대로 성형되면서 홀에 강하게 밀착되어 접합된다. 이와 같이, 냉간 스탬핑으로 디스크플레이트에 허브를 접합함에 따라 접합부 강성을 최고로 유지시킬 수 있도록 허브를 소성변형시킬 수 있게 된다. 상기 상온이라 함은 대기 상태의 온도로, 대략 25℃의 온도로 이해할 수 있다.
상기 디스크플레이트에 대해 허브를 냉간 스탬핑하여 접합하는 과정에서, 허브에 대한 가압력은 40 내지 64KN/㎠일 수 있다. 냉간 스탬핑의 경우 딥드로잉 개념으로 성형이 진행되며 성형하중을 고려하였을 때 상기 범위를 벗어나는 경우 소재의 소성 변형량이 증가하여 변형발생 우려가 높다.
상기 허브는 고망간강 재질로 이루어져 있어, 인장강도는 1100Mpa 이상이고, 연신율은 45% 이상이므로, 상기와 같이 냉간 스탬핑하여 성형하더라도 파단은 발생되지 않는다. 또한, 허브는 높은 인장강도로 인해 디스크플레이트의 홀에 억지끼워맞춤식으로 결합되더라도 최적의 강도로 접합될 수 있다. 이에, 본 실시예에서 1.5 내지 3mm 두께의 고망간강 재질의 허브를 냉간 스탬핑하여 성형함으로써, 디스크플레이트의 홀에 허브를 간단하면서 강력하게 결합시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 디스크플레이트에 허브를 보다 간단하게 결합시킴에 따라 높은 생산성과 낮은 단가로 브레이드 디스크의 제작이 가능하다.
또한, 고망간강 재질의 디스크플레이트에 허브가 냉간 스탬핑으로 접합됨에 따라, 리벳이나 볼트 등 별도의 체결을 위한 기구를 사용하지 않고 디스크플레이트에 허브를 신속하고 강력하게 접합할 수 있으며, 브레이크 디스크의 경량화를 높일 수 있게 된다.
여기서 상기 디스크플레이트(12)의 홀(13)은 요철 형태로 이루어져 있어, 상기 허브(14)를 성형하는 과정에서, 상기 홀을 지나는 허브의 외주면이 디스크플레이트 중앙에 형성된 홀의 요철 형태에 대응하는 형태로 소성 변형된다. 이에, 디스크플레이트의 홀(13)과 성형된 허브(14)의 측면이 요철형태로 서로 맞물리면서 그 결합력을 보다 높일 수 있게 된다.
도 3은 또다른 실시예에 따른 브레이크 디스크의 제조 과정을 개략적으로 나타내고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 브레이크 디스크(10) 제조 공정을 살펴보면, 마찰면을 제공하는 디스크플레이트(12)와 상기 디스크플레이트에 결합되는 허브(14)를 각각 준비하는 단계, 준비된 디스크플레이트에 대해 허브를 하이드로포밍(hydroforming)하여 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계를 포함한다.
상기 디스크플레이트(12)는 위에서 언급한 바와 동일하므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
상기 허브(14)는 디스크플레이트(12)에 결합되어 디스크플레이트를 차체의 차축에 결합시키기 위한 구조물이다. 본 실시예에서, 상기 허브는 디스크플레이트와 같은 재질로 이루어질 수 있다. 이와 달리 상기 허브(14)는 디스크플레이트(12)와 상이한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 허브는 디스크플레이트에 하이드로포밍으로 접합될 수 있으면 고망간강 외에 다양한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 허브는 일반 구조용 강재로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 허브(14)는 원판을 프레스로 가압 성형하여 미리 원하는 형태로 프리 포밍(pre forming)하여 준비할 수 있다. 또는, 상기 허브는 원형의 평판 형태로 준비되어, 하이드로포밍 시 원하는 형태로 성형될 수 있다.
준비된 허브(14)는 하이드로포밍 공정을 통해 디스크플레이트(12)의 홀에 억지끼워맞춤식으로 접합된다.
하이드로포밍(Hydroforming)은 소재의 바깥에 프레스를 대고 내부에서 강한 압력으로 액체를 밀어 넣어 원하는 형태로 소성 가공하는 공정을 의미하며, 본 실시예에서는 디스크플레이트에 대해 허브가 하이드로포밍되어 외측으로 가압 변형되면서 디스크플레이트의 홀에 억지끼워맞춤 구조로 접합된다.
본 실시예에서 디스크플레이트에 대해 허브가 하이드로포밍으로 접합하는 단계는, 성형머신 내에 조립된 디스크플레이트와 허브를 배치하는 단계, 허브에 액압을 가하여 허브를 디스크플레이트의 홀에 가압시켜 억지끼워맞춤식으로 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 디스크플레이트와 허브를 조립한다는 것은, 디스크플레이트와 허브의 중심을 맞춰 서로 접하도록 하거나, 디스크플레이트의 홀에 돌출 성형된 허브의 중앙부를 끼워 결합하는 것을 의미할 수 있다.
이에, 허브는 하이드로포밍 공정을 통해 디스크플레이트의 홀에 접합면이 가압되면서 억지끼워맞춤식으로 접합된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 준비된 허브는 디스크플레이트의 홀에 돌출된 중앙부가 끼워져 조립된 상태로 성형머신(300)의 금형(312) 내에 안착된다. 금형(312)에는 허브에 액압을 가하기 위한 액체가 수용되는 수용홀(314)이 형성되어 있어서, 허브와 디스크플레이트가 금형 내에 안착된 상태에서 수용홀(314)에 채워진 액체(F)를 고압으로 밀어내게 되면 허브가 가압되어 외부로 밀려나면서 디스크플레이트의 홀에 접합된다.
따라서, 허브(14)가 액압에 의해 가압되어 디스크플레이트(12)의 홀(13) 내주면에 허브의 접합면이 억지끼워맞춤식으로 밀착되도록 성형된다. 하이드로포밍 공정을 통해 액압성형의 장점인 금형 외부로 미는 압력을 최대한 이용함으로써, 허브를 외측으로 가압하여 디스크플레이트의 홀의 폐단면 형태대로 허브를 성형할 수 있다. 가압된 허브는 디스크플레이트의 홀의 폐단면 형태대로 성형되면서 홀에 강하게 밀착되어 접합된다. 이와 같이, 하이드로포밍으로 디스크플레이트에 허브를 접합함에 따라 접합부 강성을 최고로 유지시킬 수 있도록 허브를 소성변형시킬 수 있게 된다.
상기 디스크플레이트에 대해 허브를 하이드로포밍하여 접합하는 과정에서, 허브에 대한 가압력은 60 내지 100KN/㎠일 수 있다. 디스크 내부에 단위 면적당 작용하는 압력으로 표현하면 내경 150mm, 높이 8mm인 디스크의 경우 단면적은 3600mm2이므로 장비가 작용하는 힘이 최소 60KN 일 때 압력은 100MPa로 계산된다. 이와 같이 단위 면적당 작용하는 압력으로 도출하였을 때 힘 60KN 내지 100KN으로 결합하는 것이 바람직하며, 상기 가압력 범위를 벗어난 경우 소재의 소성변형량이 증가하여 변형발생 우려가 높다.
상기 허브가 고망간강 재질로 이루어진 경우, 인장강도는 1100Mpa 이상이고, 연신율은 45% 이상이므로, 상기와 같이 하이드로포밍하여 성형하더라도 파단은 발생되지 않는다. 또한, 허브는 높은 인장강도로 인해 디스크플레이트의 홀에 억지끼워맞춤식으로 결합되더라도 최적의 강도로 접합될 수 있다. 이에, 본 실시예에서 1.5 내지 3mm 두께의 고망간강 재질의 허브를 하이드로포밍하여 성형함으로써, 디스크플레이트의 홀에 허브를 간단하면서 강력하게 결합시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 디스크플레이트에 허브를 보다 간단하게 결합시킴에 따라 높은 생산성과 낮은 단가로 브레이드 디스크의 제작이 가능하다.
또한, 고망간강 재질의 디스크플레이트에 허브가 하이드로포밍으로 접합됨에 따라, 리벳이나 볼트 등 별도의 체결을 위한 기구를 사용하지 않고 디스크플레이트에 허브를 신속하고 강력하게 접합할 수 있으며, 브레이크 디스크의 경량화를 높일 수 있게 된다.
여기서 상기 디스크플레이트(12)의 홀(13)은 요철 형태로 이루어져 있어, 상기 허브(14)를 성형하는 과정에서, 상기 홀을 지나는 허브의 외주면이 디스크플레이트 중앙에 형성된 홀의 요철 형태에 대응하는 형태로 소성 변형된다. 이에, 디스크플레이트의 홀(13)과 성형된 허브(14)의 측면이 요철형태로 서로 맞물리면서 그 결합력을 보다 높일 수 있게 된다.
도 5와 도 6은 본 실시예에 따라 제조된 브레이크 디스크를 도시하고 있다.
도 5는 디스크플레이트(12)의 표면에 냉각홀이 형성되지 않은 구조의 브레이크 디스크이고, 도 6은 디스크플레이트(12)의 표면에 냉각홀(15)이 일정하게 배열 형성된 구조의 브레이크 디스크를 나타내고 있다.
도 5와 도 6의 브레이크 디스크는 냉각홀의 유무만 차이가 있을 뿐 다른 구성은 동일하므로, 이하, 도 5에 도시된 실시예의 브레이크 디스크를 예로서 설명하며, 도 6의 실시예에 대해서는 이하 설명을 생략한다.
본 실시예의 브레이크 디스크(10)는, 마찰면을 제공하며 중앙에 홀(13)이 형성된 디스크플레이트(12)와 상기 디스크플레이트(12)의 중앙에 형성된 홀(13)에 결합되는 허브(14)를 포함하며, 상기 허브(14)는 위에서 언급한 각 실시예의 제조 방법에 따라 제조되어 디스크플레이트의 홀에 억지끼워맞춤으로 접합된 구조로 되어 있다.
상기 허브(14)는 홀(13)을 통해 중앙부가 디스크플레이트 외측으로 돌출되고, 돌출된 중앙부의 외주면 즉, 홀과 접하는 허브의 접합면은 홀에 핫 스탬핑, 냉각 스탬핑 또는 하이드로포밍으로 접합되어 있다. 상기 디스크플레이트와 허브 사이는 핫스탬핑, 냉각 스탬핑 또는 하이드로포밍으로 접합되어 리벳이나 볼트 등 별도의 접합을 위한 기구는 구비되지 않는다.
또한, 상기 디스크플레이트(12)의 홀(13)과 허브(14) 사이의 접합면은 서로 대응되는 요철 형태를 이루어, 서로 맞물려 접합된다. 이에, 두 부재간의 결합력을 증가시킬 수 있다. 본 실시에에서, 상기 홀과 허브의 접합면은 톱니와 같은 요철 형태를 이루나, 상기 요철 형태는 톱니 형태 외에 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 디스크플레이트(12)는 솔리드(solid) 형태로 이루어질 수 있다. 디스크플레이트는 두 개의 판재 사이에 냉각홀을 갖는 구조의 벤티드(vented) 형태와 하나의 단일 판재로 이루어지는 솔리드(solid) 형태로 구분될 수 있다. 벤티드 구조의 디스크플레이트는 냉각효율을 높일 수 있으나, 주조 방식으로 제조됨에 따라 주조성이 떨어지는 소재의 경우 제조가 어렵고, 두 개의 판재로 형성됨에 따라 두께가 두껍고 무게가 많이 나가는 단점이 있다. 솔리드 구조의 디스크플레이트는 가볍고 두께도 얇아 공간성이 좋으나, 냉각효율이 떨어져 열간 변형에 취약하다. 이에, 종래에는 솔리드 구조의 디스크플레이트의 경우, 차량의 전륜에는 적용하기 어려우며 후륜용으로 사용되고 있다.
본 실시예의 디스크플레이트(12)는 고망간강 소재로 이루어져 핫스탬핑 공정, 냉각 스탬핑 공정 또는 하이드로포밍 공정을 통해 제조됨에 따라 벤티드 구조 대신 솔리드 구조로 이루어지더라도 열간 변형에 충분한 저항성을 가지며 높은 강성과 큰 내마모성을 나타내어 차량의 전륜에도 적용가능하다. 또한, 디스크플레이트를 단조 방식으로 생산이 가능해 지며, 브레이크 디스크의 무게의 경량화, 내마모성의 향상 및, 제동성능의 향상 등의 우수한 물성치의 확보가 용이해질 수 있는 효과가 있다.
본 실시예에 따라 제조된 브레이크 디스크와 종래 주물 방식으로 제조된 밴티드 구조의 브레이크 디스크를 비교한 결과, 본 실시예의 경우 브레이크 디스크의 두께가 18mm, 무게가 7kg으로, 종래 벤티드 구조 브레이크 디스크의 두께 32mm, 무게 12kg보다 크기와 무게를 줄여 경량화시킬 수 있었다.
또한, 디스크플레이트에 대해 허브가 핫 스탬핑, 냉각 스탬핑 또는 하이드로포밍으로 접합되어 볼트 등 체결을 위한 기구가 별도로 결합되지 않으므로 그 무게를 더욱 경량화시킬 수 있다. 본 실시예의 브레이크 디스크는 고망간강을 적용하여 경량화에도 불구하고 제동성능과 내마모성이 우수하며, 핫 스템핑, 냉각 스탬핑 또는 하이드로포밍에 의한 결합구조를 통해 생산성을 극대화할 수 있다. 또한, 일반 구조강재인 허브 역시 핫스탬핑, 냉각 스탬핑 또는 하이드로포밍을 통해 강성이 충분히 확보되어 브레이크 디스크 전체적인 강도를 높일 수 있게 된다.
도 7은 본 실시예에 따라 제조된 브레이크 디스크의 제동 성능에 대한 실험 결과를 나타내고 있다.
도 7에서 실시예는 언급한 바와 같이 본 실시예에 따라 고망간강을 핫스탬핑 공정, 냉각 스탬핑 공정 또는 하이드로포밍 공정을 통해 제조된 솔리드 형태의 브레이크 디스크이고, 비교예는 종래 일반적으로 양산되고 있는 회주철 브레이크 디스크이다.
실시예와 비교예에 대한 비교 실험은 JSAE JASO C406 규격 시험을 실시하여 이루어졌다.
실험 결과, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이 동일 제동 성능일 때 실시예의 브레이크 압력이 비교예보다 낮게 나타남을 알 수 있으며, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 비교예보다 실시예가 높은 마찰계수 값으로 제동성능이 보다 우수함을 확인할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

Claims (25)

  1. 마찰면을 제공하며 중앙에 홀이 형성된 디스크플레이트와 상기 디스크플레이트의 중앙에 형성된 홀에 결합되는 허브를 포함하는 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로,
    디스크플레이트를 준비하는 단계,
    허브를 준비하는 단계, 및
    상기 디스크플레이트에 대해 허브를 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계
    를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합하는 단계는 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 핫스탬핑(hot stamping)하여 접합하는 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합하는 단계는 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 냉간 스탬핑(cold stamping)하여 접합하는 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합하는 단계는 상기 디스크플레이트에 대해 허브를 하이드로포밍(hydroforming)하여 접합하는 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉간 스탬핑하여 접합하는 단계는, 성형머신 내에 조립된 디스크플레이트와 허브를 배치하는 단계, 상온에서 허브를 디스크플레이트의 홀에 가압시켜 억지끼워맞춤식으로 접합시키는 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 핫스탬핑하여 접합하는 단계는, 성형머신 내에 디스크플레이트를 배치하는 단계, 허브를 고온으로 가열하는 단계, 가열된 허브를 디스크플레이트에 위치시키는 단계, 허브가 디스크플레이트 홀에 접합되도록 가압 성형하여 억지끼워맞춤식으로 접합하는 단계, 및 허브를 급냉하는 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 하이드로포밍하여 접합하는 단계는, 성형머신 내에 조립된 디스크플레이트와 허브를 배치하는 단계, 허브에 액압을 가하여 허브를 디스크플레이트의 홀에 가압시켜 억지끼워맞춤식으로 접합시키는 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스크플레이트를 준비하는 단계에서, 상기 디스크플레이트의 중앙에 요철 형태의 홀을 가공하는 단계를 더 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 허브를 준비하는 단계에서, 상기 홀의 내주면에 접하는 허브의 접합부를 상기 디스크플레이트의 홀에 대응되는 형태로 가공하는 단계를 더 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  10. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스크플레이트는 망간(Mn)이 16 내지 20중량% 이상인 고망간강으로 이루어진 브레이크 디스크 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 디스크플레이트는 탄소(C) 0.9 내지 1.31중량%, 망간(Mn) 16 내지 20중량%, 규소(Si) 0.01 내지 0.03 중량%, 크롬(Cr) 2.2 내지 2.8중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 0.7중량%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 핫 스탬핑하여 접합하는 단계에서, 허브는 900℃ 내지 950℃의 온도로 가열되는 브레이크 디스크 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 핫 스탬핑하여 접합하는 단계에서, 허브에 대한 가압력은 12 내지 22KN/㎠인 브레이크 디스크 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉간 스탬핑하여 접합하는 단계에서, 허브에 대한 가압력은 40 내지 64KN/㎠인 브레이크 디스크 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 하이드로포밍하여 접합하는 단계에서, 허브에 대한 가압력은 60 내지 100KN/㎠인 브레이크 디스크 제조 방법.
  16. 마찰면을 제공하며 중앙에 홀이 형성된 디스크플레이트와 상기 디스크플레이트의 중앙에 형성된 홀에 결합되는 허브를 포함하며,
    상기 허브는 디스크플레이트에 억지끼워맞춤식으로 접합된 브레이크 디스크.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 허브는 디스크플레이트에 핫 스탬핑되어 디스크플레이트에 접합된 브레이크 디스크.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 허브는 디스크플레이트에 냉간 스탬핑되어 디스크플레이트에 접합된 브레이크 디스크.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 허브는 디스크플레이트에 하이드로포밍되어 디스크플레이트에 접합된 브레이크 디스크.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스크플레이트는 망간(Mn)이 16 내지 20중량% 이상인 고망간강으로 이루어진 브레이크 디스크.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 허브는 디스크플레이트와 상이한 재질로 이루어진 브레이크 디스크.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 홀은 요철 형태로 이루어진 브레이크 디스크.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 허브는 상기 홀에 접하는 면이 홀의 요철 형태에 대응하는 형태로 이루어진 브레이크 디스크.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 디스크플레이트는 표면에 냉각홀이 더 형성된 브레이크 디스크.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 브레이크 디스크는 디스크플레이트가 단일 판재 형태의 솔리드(solid) 구조인 브레이크 디스크.
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