KR100461988B1 - 금속의 피로강도를 높히고 경량화한 경금속제차량용 휠의 제조방법 및 그 휠 - Google Patents

Abstract

차량용 경합금제 휠의 피로강도를 향상시키며 부품의 두께를 경감하여 휠을 경량화함과 동시에 광택이 우수한 표면을 달성하기위한 표면가공방법및 경량의 휠을 제공한다.

경합금제 휠을 비교적 비중이큰 스틸이나 스테인레스제의 보올형태 및 모서리에 둥글기를 갖는 다른형상의 미디어를 배럴내에 채워넣고, 강력한 진동을 주어 휠표면에 미디어를 비이팅 시키므로서 경화층을 형성함과 동시에 거울면에 가까운 메끄럽고 광택있는 휠표면을 얻는다.

Description

금속의 피로강도를 높히고 경량화한 경금속제 차량용 휠의 제조방법 및 그 휠

본 발명은 차량용 경합금제(경량합성금속제)휠을 경량화하는 방법과 그 휠에 관한 것이다.

차량의 스프링밑 중량의 경감에 의한 연비와 로오드홀딩(road holding)성의 향상 및 외관상의 우위성에서, 특히 근년에 와서는 승용차나 대형버스, 트럭등에는 알미늄합금이나 마그네슘합금제의 휠의 채용이 많아졌는바, 종래의 기술로서는 그 경량화에 한계가 있으므로, 경량화를 더욱 추진하려고하는 경우, 내구성 즉, 금속의 피로강도나 강성이 열화(degradation)하는 우려가 있었다. 또, 휠의 표면은 디자인의 측면에서 보는 광택성, 광휘성을 갖는 것을 일반적으로 선호하고 있으며, 종래에는 크롬(chrome)도금을 하거나 버프연마(buffing)를 해서 이같은 요구에 응해오고 있으나, 장기간의 사용에 따라서 도금층이 박리되거나, 가공공정의 영향으로 모재(母材)의 피로강도를 열화시키는 결점이 있고, 더우기, 버프연마는 그 연마가공에 대규모의 설비와 시간을 필요로 하며, 작업환경에 있어서도 분진의 발생등 문제가 많다.

피로강도를 향상시키는 방법으로서는 종래부터 숏피이닝(shot peening)법, 그릿 블라스팅(grit blasting)법, 고수압을 이용한 액체호닝(liquid honing)법등이 알려저 있다.

그러나, 복잡한 의장면을 갖는 승용차용의 휠등에서는 상기한 숏피닝이나 그릿블라스팅이 투사되지 않은 그늘부분을 생기게하여 전체면에 균일한 표면경화에 의한 압축잔류응력을 부여한다는 것은 불가능하였다.

더우기, 숏피닝법은 가공시간의 경과와 함께 휠표면의 연마량이 많아저서 휠 자체가 야위는 현상이 나타나서 표면경화층의 두께도 0.1∼0.2까지로 한정되는 것으로 되어, 큰폭의 경량화는 기대할 수 없기 때문에 휠표면전체를 균일하게 경화시키는 새로운 방법이 요구되고 있다.

해결하려고하는 과제는, 상기한 부품의 전체에 충분한 피로강도를 부여할 수 있는 방법과 함께 부품표면의 광택과 광휘성을 향상시키는 것이다.

경금속제 차량용 휠을 성형한후, 혹은 기계가공공정이 거의 종료하거나 또는 종료한 단계의 차량용 경합금제의 일체형 휠 또는 조립형 휠의 디스크 및 림등의 부품(이하에 부품이라고함)을 미디어(media)속에 위치시켜서 그 부품과 미디어를 진동시키므로서 상기 부품의 표면에 미디어를 비팅(beating)시켜 부품의 전반적인 피로강도의 향상을 꾀하므로서 상기 부품의 두께를 경감시키는 것이다.

또, 상기의 미디어가 스틸 또는 스테인레스 등 비교적 비중이 높은 금속이거나, 금속과 다른 물질의 혼합물이나, 화합물 또는 세라믹등으로 되고, 그 형태가 보올형태 또는 각에 둥굴기를 갖는 다른형상등으로서, 그 크기가 2내지 10mm의 범위의 것을 포함하고 있다.

또한 이들의 일부를 고리부착구조로하여 부품의 자전과 배럴내에서의 미디어의 순환을 좋게하여, 상기 부품의 디자인 혹은 설계상으로 나타나는 작은 곡면에도 유효하게 작용시킬 수가 있게 된다.

더우기, 상기의 미디어는 상기 부품을 덮을 수 있는 충분한 양으로 배럴을 채우게하고 그 배럴내에 연마및 광택용 컴파운드와 물을 첨가하여 배럴을 진동시켜서 미디어와 상기 부품에 진동을 전달하게 하여 상기 부품의 피로강도 향상과 표면의 광택도를 향상시킬 수가 있다.

이상 설명한 방법을 사용하여 더욱 경량화된 알미늄, 마그네슘등을 소재로하는 경합금제 차량용 휠을 얻는다.

(실시예)

본 발명의 실시형태를 실시예에 의거하여 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1의 a도는 본 발명에 사용하는 진동배럴장치(7)의 단면도이다.

배럴(1)은 단면이 대략 U자형을 하고 있으며, 소정의 깊이를 갖는 통을 형성하고 있으며, 내부측면은 고무시트로 내장(안발림)돼 있다.

배럴(1)의 내부에는 미디어(3)이 들어있고 휠을 덮는 충분한 양이 준비돼 있다. 또, 배럴(1)에는 한쌍의 회전축(6),(6-1)이 설치돼있고 그 각각에 밸런스용 웨이트가 설치돼 있다.

이 회전축은 베이스(5)위에 설치한 모터의 회전축과 자체 연결수단을 통해서 연결되어 구동되므로 배럴(1)에 진동을 전달할 수가 있다.

배럴(1)이 자유롭게 진동할 수 있도록 스프링(4)를 통해서 베이스(5)에 고정된다.

배럴(1)에 들어가는 미디어(3)은 스틸제로서 그 크기는 2내지 10mm이며, 도 1의 b도에 나타내는 보올형및 c도에 나타내는 고리부착형의 미디어가 혼재하고 있으며 용적비율 8:2의 비율로 하였다. 이 비율과 재질및 크기는 부품의 형태, 크기등과 그 밖에 디자인 또는 설계상으로 나타나는 오목, 볼룩부의 최소 반지름에 따라서 결정된다. 고리부착형 보올은 미디어(3)전체의 순환성과 휠(2)와 미디어(3)자체의 자전을 촉진시켜 미디어를 구석구석까지 접촉시킬 수가 있다.

또한, 미디어의 양은 휠전체가 계속 덮일 수 있게 충분한 양이 바람직하다.

본 실시예에서는 스틸제 미디어를 사용하였으나 부품의 제질에 따라서 스테인레스제 미디어등이 사용되고 있다.

상기한 회전축(6)및(6-1)은 매분 1000∼2000회전수로 운전하여 배럴전체를 진동시키고, 진폭은 평균 1∼5mm로 조정하여 내부의 미디어를 진동시켰다.

또, 휠의 표면에 광택이나 광휘성을 부여하기위헤 미디어 1리터에 대하여 10∼30g의 컴파운드와 물을 가하고, 휠로서는 본실시예에서 일체형 알미늄제 휠을 도 1에 도시하는 위치에 메몰시켰다.

운전중 휠(2)는 그 전체면이 계속미디어로 덮혀있으며 화살표 B의 방향으로 미디어는 순환하고 휠도 자전한다.

이 사이에 미디어는 휠의 표면을 진동수에 따라서 비이팅(beating)한다. 휠을 상기와 같은 상태로 처리하는 시간은 15내지 30분의 범위로 행한다.

그 다음, 휠을 끌어내서 세척한 결과 전면에 얼룩이 없고 광택과 경질의 표면을 얻을 수 있었다.

배럴(1)의 진동방향(도 1의 화살표 A)을 일정시간후에 역방향으로 진동시키면, 휠(2)의 자전도 역방향이 되어 더욱 균일하게 마감될 수가 있었다.

다음에, 휠로서, 단조(forging)경합금제 휠을 처리하는 예를 상세히 설명한다.

표 1에 나타내는 화학성분을 함유하는 단조알미늄합금 DIN규격 AIMgSil상당품(JIS6000계)과 주조(Casting)용 알미늄합금 DIN규격 AISi7Mg상당품(JISAC4CH계)를 사용하여 제조된 단조 및 주조제 휠의 사이즈 16(지름)×7(폭)을 시험휠로 하였다.

재질	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti
단조용 DIN, AIMgSil	1.10	0.20	0.03	0.80	0.75	0.15	0.10
주조용 DIN, AISi7Mg	7.00	0.15	0.03	0.04	0.40	0.06	0.15

도 2에 시험휠(10)의 단면형태를, 도 3에 정면형태를 도시하였다. 11은 디스크의 스포오크(spoke), 12는 허브부, 13은 외측림의 비이트시트부, 14는 내측림부의 웰(Well)부, 15는 내측림의 비이트시트부를 나타내고 있다.

T1은 외측림의 비이트시트부의 두께이며, T2는 내측림웰부의 두께, T3은 내측림비이트시트부의 두께, H는 디스크부의 스포오크의 최대높이를 나타낸다.

또, 도 3의 정면도에 있어서 스포오크(11)의 두께 t를 나타내고 있으나, 단조 휠과 주조 휠에는 차이가 있어서, 주조 휠은 단조 휠에 비해서 치수 t를 전체적으로 1.5mm두껍게 제작돼 있는 것이다.

도 3은 단조 휠의 예를 도시하고 있다.

재질 제법	시험휠	Hmm	T1mm	T2mm	T3mm	중량(Kg)
단조제AIMgSil	A(종래의 숏블라스팅가공품)	25.0	4.2	3.2	4.2	6.9
	B(본발명의 표면가공품)	22.5	3.6	2.7	3.6	6.3
주조제AISi7Mg	C(종래의 숏블라스팅가공품)	28.0	4.9	4.5	4.9	8.3
	D(본발명의표면가공품)	26.0	4.2	3.7	4.2	7.6

표 2는 강도 및 강성테스트용으로 작성한 단조휠 A,B및 주조휠 C,D의 각 두타잎, 계 4타잎의 휠중량에 관계가 깊은 부분의 치수와 각각의 중량을 표시한다.

위표의 기호 H, T1, T2, T3은 도 2에 도시한 기호로서 부호하고 있다. 타잎 A는 알미늄합금단조제로서 기계가공후 종래방법에 따라 숏블라스팅으로 마감하고 있다. 각 부분의 치수를 표 2에 나타낸다.

타잎 B는 동일하게 단조제이지만 타잎 A에 비해서 중량을 경감하기 위해 스포오크의 높이 H와 림두께 t를 감소시키고 있으며, 중량은 타잎 A와 비교하여 0.6Kg(약 8.7%)가볍게 제작하고, 타잎 C는 알미늄합금주조제로서 제작후 종래의 방법에 따라 숏블라스팅으로 마감되어 있다.

타잎 D도 마찬가지로 주조제이지만 타잎 C에 비해서 스포오크의 높이나 림두께를 감소시켜서 0.7Kg(약 8.4%)가볍게 제작하여 본 발명의 표면가공처리를 행하였다. 본 발명에 의한 처리조건은 다음에 나타내는 바와 같다.

미디어 : 3.2mm(지름)스틸보올 및 3.2mm(지름)스틸제고리부착보올

(스틸보올의 20%량)

배럴용량 : 0.4m³

배럴진동수 : 1500 회/분

배럴진폭 : 3.0mm

컴파운드 : 알루미늄광택용 8Kg

물 : 약 60리터

가공시간 : 30분

상기와 같이 가공한후의 휠 B와 D의 외관은 광택면이, 기계가공면은 크롬도금에 가까운 광휘를 얻었으며, 단조 및 주조의 피부표면도 메끄럽게 되어 광택이 증가했으며, 특히 단조휠에 있어서는 크롬도금보다는 무디지만 품위있는 상품의 광택을 얻게되어 의장상 극히 유효한 표면을 얻게 되었다.

본 발명의 경험에 의하면, 특히 주조휠에 관해서, 본 발명의 가공전에 주조표면을 가볍게 버핑연마하면 단조휠에 필적하는 상품의 광택을 얻을 수가 있었다.

다음에, 시험 휠 A,B,C,D의 4타잎에 대하여 굽히는 모멘트내구시험을 행하였다. 내구시험기(20)의 개략을 측면도로 도 4에 도시한다.

21은 시험휠, 22는 회전디스크, 23은 고정기구, 24는 부하아암, 25는 웨이트이다. 4타잎의 시험휠에 대한 굽히는 토오크는 3400Nm로 일정하게하고, 초기크랙(Crack)발생까지의 회전수를 표 3에 나타낸다.

시험휠	초기크랙 회전수(내구회전수)
A(단조, 종래가공품)	3.8 × 105
B(단조, 본발명가공품)	3.5 × 105
C(주조, 종래가공품)	2.9 × 105
D(주조, 본발명가공품)	3.2 × 105

VIA(일본국 차량검사협회)가 정하는 시험 휠의 690Kg한정하중에 있어서의 내구회전수는 100,000회전이므로 상기 시험 휠의 4타잎은 모두 규정치를 초과하고 있다. 본 발명에 의한 가공품의 시험 휠 B와 C는 함께 얇은 두께로서 경량화되어 있으나 내구회전수는 종래가공품에 손색이 없었다.

다시 림의 강성테스트를 상기 4타잎의 시험 휠에 대하여 행하였다.

림의 강성테스트기는 도 5에 나타내는 바와같이 만능시험기(30)을 사용하였다.

31은 만능시험기의 크로스헤드(십자머리), 32는 만능시험기의 테이블, 33은 휠설치구, 34는 크로스헤드(31)에 설치되는 V블럭, 35는 시험휠(36)에 세트된 타이어, 36은 시험휠, 37은 다이얼게이지로서 휠의 변형량을 측정하기 위한것이며, 하중작용점측의 외측 림부에 G1, 내측 림웰부에 G3, 내측 림프랜지부에 G2, 하중반작용의 내측 림웰부에 G4를 각각 설치하여 4개소의 변형량을 측정한다.

또한 도 6은 도 5의 만능시험기에 휠을 설치한 상태로 휠측에서 본 정면도이다.

부호의 명칭은 도 5와 같으므로 생략한다.

먼저 타이어 공기압을, 196KPa(약 2Kg/Cm²)로 조정하고 도 7에 나타내는 바와같이 상기의 만능시험기에서 부하를 2450N(약 250Kg)씩 30초간격으로 블럭(34)와 타이어(35)를 통해서 시험휠(36)에 최고 24.5KN(약 2500Kg)까지 하중을 주어 각 하중점에서의 시험휠의 변형량을 도 5로 나타내는 다이얼게이지(37)(G1, G2, G3, G4)로 측정하였다.

4개 타잎의 시험 휠에 대하여 같은 조건으로 이 강성시험을 하여 다이얼게이지(37)의 지시량, 즉 변형량(단위 mm)을 표 4에 나타낸다.

하중KN	테스트 휠A(단조 : 종래가공품)				테스트 휠B(단조, 본발명 가공품)				테스트 휠C(주조:종래가공품)				테스트 휠D(주조:본발명가공품)
	G1	G2	G3	G4	G1	G2	G3	G4	G1	G2	G3	G4	G1	G2	G3	G4
2.454.907.359.8012.2514.7017.1519.6022.0524.50	0.020.060.100.140.180.220.270.310.350.40	0.260.540.841.151.471.952.412.853.283.71	0.150.260.420.560.821.051.271.491.701.90	0.010.020.030.030.070.150.200.250.300.35	0.020.060.110.150.190.230.290.320.360.41	0.270.560.861.161.502.002.462.883.403.74	0.150.280.440.600.881.071.301.511.802.05	0.010.020.030.040.110.160.220.260.310.37	0.020.050.090.130.160.190.230.270.310.35	0.210.400.650.981.381.752.252.703.113.65	0.100.020.350.560.700.901.121.341.561.78	-0.010.020.030.070.120.170.240.290.34	0.020.050.100.140.170.210.250.300.340.38	0.220.410.661.021.411.802.312.803.213.70	0.110.210.360.600.720.941.151.381.601.82	0.010.010.020.040.080.140.200.270.300.36

휠타이프		변형량(mm)	차이(mm)
테스트 휠A	단조 휠종래의숏블라스팅가공품	3.71	0.03
테스트 휠B	단조 휠본발명의 표명가공품	3.74
테스트 휠C	주조 휠 종래의 숏블라스팅가공품	3.65	0.05
테스트 휠D	주조 휠본발명의 표면가공품	3.70

이 테스트결과에서 변형량이 가장큰 하중작용점측의 내측 림프렌지부의 다이얼게이지G2가 나타내는 각 테스트휠의 변형량은 표 5에 나타내는 바와 같다.

이 결과 스포오크부및 림부의 두께를 본 발명으로된 가공품은 종래가공품에 비해서 얇은 두께로 하여 약 8.4내지 8.7%경량화하였는데도 휠의 강성은 거의 변하지 않았다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 본 발명의 가공방법에 있어서 배럴내에서 미디어의 비이팅작용에 의해서 휠의 전면에 걸쳐 가공경화층이 만들어진 것이기 때문이다.

따라서, 이상 설명한 방법에 의하면 조립형 휠의 디스크, 림 등도 두께를 얇게할 수 있으므로 경량화가 가능하게 된다.

이상 설명한바와같이 본 발명에 의한 방법을 사용하게 되면, 경합금제부품의 피로강도를 높혀줄 수가 있기 때문에 부품의 두께를 경감하더라도 성능의 감소없이 경량화가 가능하므로 차량의 연비와 로오드홀딩(road holding)특성의 개선에 대단한 효과를 얻을 수 있으며 의장면에서는 광휘성있는 광택을 얻을 수 있으므로 상품가치의 향상에도 효과가 있다.

도 1은 진동배럴(barrel)장치의 개략 단면도.

도 2는 시험 휠의 단면도.

도 3은 시험 휠의 정면도.

도 4는 내구시험기의 측면도.

도 5는 림(rim)강성시험에 사용한 만능시험기의 측면도.

도 6은 림(rim)강성시험에 사용한 만능시험기의 정면도.

도 7은 림의 변형시험의 하중스텝상태를 나타내는 도면.

* 도면의주요부분에대한부호의설명

1 배럴(barrel) 2 휠(wheel)

3 미디어(media) 4 스프링

5 베이스(base) 6, 6-1 회전축

7 진동배럴장치 10 시험 휠

11 스포오크(spoke) 12 허브(hub)

13 비이트 시트(beat sheet)부 14 웰(well)부

15 비이트 시트부 20 내구시험기

21 시험 휠 22 회전반

23 고정구(固定具) 24 부하아암(load arm)

25 웨이트(weight) 30 만능시험기

31 크로스 헤드(십자머리) 32 테이블

33 휠 설치기구 34 V 블럭

35 타이어 36 시험 휠

37 다이얼 게이지

Claims (4)

1. 성형후, 또는 기계가공공정이 거의 종료하거나 또는 종료한 단계의 차량용경합금제의 일체형 휠이나 조립형 휠의 디스크 및 림의 부품(이하 부품이라함)을 미디어 속에 위치하게 하여 그 부품과 미디어를 진동시키므로서 상기 부품표면에 미디어를 비이팅시켜서 상기 부품의 피로강도의 향상을 도모하므로서 상기 부품의 두께를 경감시켜 경량화하는 차량용 휠의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 미디어가 스틸 혹은 스테인레스의 비교적 비중이 높은 금속 또는 금속과 타물질의 혼합물이나 화합물 또는 세라믹으로되며, 그 형태가 보올형 또는 모서리(角)에 둥글기를 갖는 다른형상이며 그 크기는 2~10mm범위의 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량용 휠을 경량화하는 제조방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기의 미디어는 상기한 부품을 덮을 정도의 충분한 양으로 배럴을 채우고 있으며 그 배럴내에 연마 및 광택용 컴파운드와 물을 첨가하고 배럴을 진동시켜서 상기 미디어 및 부품에 진동을 전달하여 상기 부품의 피로강도의 향상과 표면의 광택도를 향상시키는 차량용 휠을 경량화하는 제조방법.
4. 청구항 1내지 청구항 3에 기재한 방법으로 제조된 알미늄, 마그네슘을 소재로하는 경합금제차량용 휠.

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