KR101293981B1

KR101293981B1 - 자동차용 캠 샤프트 제조방법

Info

Publication number: KR101293981B1
Application number: KR1020120029592A
Authority: KR
Inventors: 박성환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-08-07

Abstract

본 발명은 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캠로브와 샤프트를 결합시키는 방법으로서 내구성을 강화하고 제조원가를 절감할 수 있는 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 단조재를 이용하여 캠로브를 성형하는 단계; 상기 캠로브를 스팟 용접으로 샤프트와 가조립하는 단계; 상기 캠로브와 샤프트를 브레이징하여 접합하는 단계; 상기 샤프트와 접합한 캠로브를 고주파 열처리하여 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법을 제공한다.

Description

자동차용 캠 샤프트 제조방법 {Method for manufacturing cam shaft for automobile}

본 발명은 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캠로브와 샤프트를 결합시키는 방법으로서 내구성을 강화하고 제조원가를 절감할 수 있는 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 캠 샤프트는 엔진의 구성요소인 실린더 블록과 실린더 헤드 사이에 설치되는 엔진 부품으로, 그 샤프트에는 밸브를 개폐시키기 위하여 밸브 수와 같은 수의 캠로브가 배열되어 있으며, 엔진크랭크축의 회전운동을 로커암의 상하운동으로 변환시켜 흡기밸브와 배기밸브의 개폐를 조절하는 기능을 한다.

상기 캠로브는 엔진에서 요구하는 허용면압에 따라 소결재 또는 단조재를 사용하여 제작되며, 샤프트는 스틸재를 사용하여 제작된다.

자동차의 캠 샤프트는 소결, 널링, 열간압입, 코킹 등 다양한 결합방식을 이용하여 제작될 수 있으며, 최근 엔진의 고출력, 고회전, 경량화의 요구에 따라 소결방식을 이용한 제조공법이 많이 적용되고 있다.

소결 캠 샤프트는 소결에 의해 성형되는 캠로브와 파이프 형상으로 성형된 샤프트를 소결에 의한 확산 접합에 의해 조립하여 제작된다.

그러나, 종래기술에 따라 제조되는 소결 캠 샤프트의 경우, 캠로브가 소결재를 이용하여 성형됨에 의해 단조재를 이용하여 성형한 캠로브 대비 엔진 부품으로서 내구성이 불리하게 되고, 단조재를 이용한 캠로브에 비해 재료비가 고가여서 제조원가가 상승하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 고안한 것으로서, 단조재로 성형한 캠로브와 스틸재로 성형한 샤프트를 용가제를 사용하여 브레이징 공법으로 접합하고 고주파 열처리를 통하여 캠로브를 경화함으로써 내구성을 강화하고 제조원가를 절감할 수 있는 자동차용 캠샤프트 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단조재를 이용하여 캠로브를 성형하는 단계; 상기 캠로브를 스팟 용접으로 샤프트와 가조립하는 단계; 상기 캠로브와 샤프트를 브레이징하여 접합하는 단계; 상기 샤프트와 접합한 캠로브를 고주파 열처리하여 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 캠로브를 재결정 온도 이상으로 가열하여 열간단조를 통해 성형하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 캠로브의 재료로는 철(Fe)을 주원료로 하여, 탄소(C) 0.90~1.10 중량%, 크롬(Cr) 1.4~1.6 중량%, 실리콘(Si) 0.15~0.30 중량%, 망간(Mn) 0.25~0.40 중량%, 인(P) 0~0.025 중량%, 황(S) 0~0.08 중량%를 함유한 조성물을 사용하며, 상기 샤프트의 재료로는 철(Fe)을 주원료로 하여, 탄소 0.45~0.55 중량%, 실리콘(Si) 0~0.40 중량%, 망간(Mn) 0.40~1.0 중량%, 인(P) 0~0.04 중량%, 황(S) 0~0.04 중량% 를 함유한 조성물을 사용한다.

또한, 상기 캠로브와 샤프트를 브레이징하여 접합하는 단계에서, 캠로브와 샤프트는 스테인리스강 계의 용가제를 사용한다.

바람직하게, 상기 스테인리스강 계의 용가제는 Fe-15Cr-10Ni 을 함유한 용가제임을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 캠로브와 샤프트를 브레이징하여 접합하는 단계에서, 가조립된 캠로브와 샤프트를 1100~1150℃의 브레이징 온도로 가열한 후 냉각 전에 가열된 승온상태를 3~5분간 유지하도록 한다.

이에 본 발명에 따른 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 의하면, 단조재를 이용하여 캠로브를 제작하여 제조원가를 낮추고, 고주파 열처리를 통해 내구성을 강화시킨 캠 샤프트를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 캠 샤프트 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 캠 샤프트 제조방법 중 브레이징 조건을 개략적으로 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 자동차용 캠 샤프트 제조방법에 의해 제조된 캠로브의 허용면압을 나타낸 그래프

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 캠 샤프트 제조방법을 상세하게 설명하도록 한다.

알려진 바와 같이 캠 샤프트는 엔진 부품으로서 캠로브와 샤프트로 이루어지며, 상기 캠로브의 경우 엔진 운전시 큰 면압을 받게 된다.

이에 본 발명에서는 캠로브와 샤프트를 브레이징 공법으로 접합하여 제작하며, 특히 고압 하에서의 마찰 및 마모를 견딜 수 있도록 하기 위하여, 캠로브를 엔진에서 요구하는 허용면압에 따라 내구성이 우수한 단조재를 사용하여 단조공법으로 성형하고 고주파 열처리를 통해 경화하도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 캠 샤프트의 제조공정은 캠로브의 열간단조 성형(S100) → 캠로브의 내경 가공(S110) → 캠로브와 샤프트의 스팟(spot) 용접(S120) → 용가제 도포(S130) → 브레이징(S140) → 고주파 열처리(S130) → 벤딩 교정(S160) → 마찰 압접(S170) → 연삭 가공(S180) 등의 순서로 이루어진다.

상세하게는, 먼저 캠로브용 단조재를 열간성형기에 투입한 다음, 열간성형기에서 재결정 온도 이상으로 가열하여 열간단조 방식으로 캠로브를 성형한다(S100).

상기 캠로브의 재료로는 소결재 대비 재료비가 저가이고 내마모성이 우수한 단조재를 이용한다.

상기 캠로브의 재료인 단조재로는 중량%로서, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C): 0.90~1.10, 크롬(Cr): 1.4~1.6, 실리콘(Si): 0.15~0.30, 망간(Mn) : 0.25~0.40, 인(P) : 0~0.025, 황(S) : 0~0.08을 함유한 조성물을 사용한다.

즉, 상기 캠로브의 재료로는 철(Fe)을 주원료로 하여, 탄소(C) 0.90~1.10 중량%, 크롬(Cr) 1.4~1.6 중량%, 실리콘(Si) 0.15~0.30 중량%, 망간(Mn) 0.25~0.40 중량%, 인(P) 0~0.025 중량%, 황(S) 0~0.08 중량%를 함유한 조성물을 사용한다.

상기 캠로브 재료에는 내마모성 향상을 위해 탄소와 크롬이 함유되는데, 탄소와 크롬이 상기 범위보다 적게 첨가되는 경우 엔진부품으로서 내마모성이 불리해지며 상기 범위보다 많게 첨가되는 경우 취성이 증대되는 단점이 있어 바람직하지 못하다.

또한, 상기 캠로브 재료에는 강도 향상을 위해 실리콘과 망간이 함유되는데, 실리콘과 망간이 상기 범위보다 적게 첨가되는 경우 강도가 떨어지며 상기 범위보다 많게 첨가되는 경우 인성이 저하되는 단점이 있어 바람직하지 못하다.

아울러, 이러한 단조재를 이용한 캠로브의 재결정 온도는 800 ~ 900 ℃ 일 수 있다.

다음으로, CNC 선반을 사용하여 캠로브의 내경을 절삭 가공한 뒤(S110), 알곤테크 용접전용기를 사용한 스팟 용접을 통해 캠로브와 샤프트의 조립위치를 결정하고 샤프트의 설정된 위치에 캠로브를 임시 조립한다(S120).

상기 샤프트로는 스틸재를 이용한 파이프 형상으로 된 것을 사용하며, 샤프트의 재료인 스틸재로는 중량%로서, 철을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C): 0.45~0.55, 실리콘(Si): 0~0.40, 망간(Mn) : 0.40~1.0, 인(P) : 0~0.04, 황(S) : 0~0.04를 함유한 조성물을 사용한다.

즉, 상기 샤프트의 재료로는 철(Fe)을 주원료로 하여, 탄소 0.45~0.55 중량%, 실리콘(Si) 0~0.40 중량%, 망간(Mn) 0.40~1.0 중량%, 인(P) 0~0.04 중량%, 황(S) 0~0.04 중량% 를 함유한 조성물을 사용한다.

이와 같이 샤프트에 캠로브를 임시로 조립한 가조립품을 연속 브레이징 노(爐)에 투입한 후, 용가제 주입기로서 전용 로보트 주입장비를 이용하여 연속 브레이징 노(爐)에서 캠로브와 샤프트 사이에 브레이징 용가제를 도포하며, 구체적으로는 상온에서 캠로브와 샤프트 간에 부분적으로 도포한다(S130).

용가제 도포 후, 상기 브레이징 노(爐)의 내부온도를 승온시켜 브레이징 온도를 형성하고, 브레이징에 의해 캠로브와 샤프트를 접합한다(S140).

여기서, 브레이징 공정은 1100~1150℃의 브레이징 온도에서 행해지며, 가열-유지-냉각으로 된 한 사이클이 40분 동안 행해진다.

도 2를 참조하면, 브레이징 공정은 브레이징 노(爐)를 브레이징 온도로 가열한 후 냉각 전에 가열된 승온상태를 3~5분간, 바람직하게는 4분간 유지하며, 이를 통해 캠로브와 샤프트 간 접합성을 향상시킨다.

브레이징시 승온상태를 유지하는 시간이 상기 범위보다 짧으면 접합력이 저하되고, 상기 범위보다 길면 제조시간이 길어져 바람직하지 못하다.

이때, 상기 브레이징 용가제로는 스테인리스강 계의 재료를 사용하며, 구체적으로는 Fe-15Cr-10Ni 을 함유한 용가제를 사용한다.

일 예로, 상기 브레이징 용가제로는 중량%로서, 철을 주성분으로 하고, 여기에 크롬(Cr): 15, 니켈(Ni) : 10, 구리(Cu): 5, 실리콘(Si): 5, 인(P) : 9를 함유한 조성물을 사용할 수 있으며, 참고로 1100℃에서 브레이징 가능하다.

그 다음으로, 고주파 전용기를 사용하여 브레이징 공정을 통해 샤프트와 일체로 접합한 캠로브를 고주파 열처리함으로써 캠로브의 표면을 경화시킨다(S150).

이러한 고주파 열처리를 통해 경화된 캠로브는 내마모성 및 내구성이 향상되어 엔진에서 요구하는 허용면압이 증가된다.

상기와 같은 브레이징 및 고주파 열처리 공정을 거친 샤프트는 고열에 의해 미세하게 변형되어 벤딩(bending)될 수 있으므로, 벤딩교정기를 이용하여 샤프트의 저널 동심도를 교정한다(S160).

아울러, 상기와 같은 공정을 거쳐 하나 이상의 캠로브가 결합된 샤프트는, 그 좌우 양편에 엔드피스로서 조립되는 캠로브가 마찰 압접에 의해 조립된다(S170).

즉, 샤프트의 좌우 양편에 엔드피스로서 조립되는 캠로브를 마찰압접기를 이용하여 샤프트와 캠로브 간에 마찰에 의한 발열을 이용하여 용접한다.

이와 같은 가공이 완료되면, 전용연마기를 이용하여 샤프트와 캠로브를 연삭 가공하여(S180) 제품을 완성한다.

한편, 상기와 같은 공정으로 제조한 캠 샤프트 시제품의 허용면압(캠로브의 허용면압임)을 측정한 결과, 도 3에 나타내었듯이 캠로브의 허용면압이 종래 대비 크게 향상되었음을 확인할 수 있었으며, 이에 본 발명에 따른 공정으로 제조되는 캠 샤프트의 내구성이 종래 대비 강화됨을 알 수 있었다.

Claims

단조재를 이용하여 캠로브를 성형하는 단계;
상기 캠로브를 스팟 용접으로 샤프트와 가조립하는 단계;
상기 캠로브와 샤프트를 브레이징하여 접합하는 단계;
상기 샤프트와 접합한 캠로브를 고주파 열처리하여 경화하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 캠로브를 재결정 온도 이상으로 가열하여 열간단조를 통해 성형하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 캠로브의 재료로는 철(Fe)을 주원료로 하여, 탄소(C) 0.90~1.10 중량%, 크롬(Cr) 1.4~1.6 중량%, 실리콘(Si) 0.15~0.30 중량%, 망간(Mn) 0.25~0.40 중량%, 인(P) 0~0.025 중량%, 황(S) 0~0.08 중량%를 함유한 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 샤프트의 재료로는 철(Fe)을 주원료로 하여, 탄소 0.45~0.55 중량%, 실리콘(Si) 0~0.40 중량%, 망간(Mn) 0.40~1.0 중량%, 인(P) 0~0.04 중량%, 황(S) 0~0.04 중량% 를 함유한 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 캠로브와 샤프트를 브레이징하여 접합하는 단계에서, 캠로브와 샤프트는 스테인리스강 계의 용가제를 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 스테인리스강 계의 용가제는 Fe-15Cr-10Ni을 함유한 용가제임을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.
청구항 1 또는 5에 있어서,
상기 캠로브와 샤프트를 브레이징하여 접합하는 단계에서, 가조립된 캠로브와 샤프트를 1100~1150℃의 브레이징 온도로 가열한 후 냉각 전에 가열된 승온상태를 3~5분간 유지하는 것을 특징으로 하는 자동차용 캠 샤프트 제조방법.