KR101592255B1

KR101592255B1 - 냉간포머를 이용한 자동차용 조향장치의 핀치요크 제조방법

Info

Publication number: KR101592255B1
Application number: KR1020150104944A
Authority: KR
Inventors: 황태민
Original assignee: (주)성진포머
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2016-02-05
Also published as: WO2017018630A1; CN107848016A

Abstract

본 발명은 냉간포머를 이용하여 자동차용 조향장치의 핀치요크를 다단성형하되, 핀치요크를 다단성형과정에서 금형에 전달되는 부하를 최소화하여 금형의 사용수명을 연장토록 함과 동시에 생산성이 향상되고, 또한 제품의 안정적인 단류선 생성이 유지되도록 함으로서 내구성 및 강도향상이 유지될 수 있게 한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 자동차용 조향장치의 핀치요크를 냉간포머(냉간자동다단단조)를 이용하여 제조하되, 환봉소재를 포머기의 다이스에 공급한 다음 소재의 상단부를 펀칭하여 미세요입부를 형성하는 업셋팅공정과, 상기 소재의 길이는 줄이고, 외경은 늘이되, 상하면에 작은 요입부와 면취부를 성형하는 예비성형공정과, 상기 소재에 요크부와 요입홈을 형성하는 요크성형공정과, 상기 소재의 요크부에 요홈과 자리면을 형성하고, 요입홈에 세레이션을 형성하는 세레이션 성형공정과, 상기 소재의 자리면을 피어싱하여 관통공을 형성하는 피어싱공정으로 핀치요크를 성형하는 것이다.

Description

냉간포머를 이용한 자동차용 조향장치의 핀치요크 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF PINCH YOKE FOR AUTOMOBILE STEERING SYSTEM BY COLD FORMER}

본 발명은 냉간포머(냉간자동다단단조)를 이용한 자동차용 조향장치의 핀치요크(pinch yoke) 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 조향장치는 운전자가 핸들의 조작에 의해 주행방향을 제어하기 위한 것으로서, 상기 조향장치는 운전석 전방에 설치되어 운전자의 조작에 의해 자동차의 진행방향을 바꾸기 위한 스티어링휠과, 상기 스티어링휠의 하부에 설치되는 스티어링칼럼과, 상기 스티어링휠의 회전운동을 직선운동으로 전환시킴과 동시에 조향력을 증대시켜 타이어의 방향을 변경시키는 기어박스와, 상기 스티어링휠 칼럼에 전달된 회전력을 기어박스로 전달하기 위한 유니버설조인트를 포함한다.

상기 유니버설조인트는 샤프트조인트와 파이프조인트로 구성되고, 상기 샤프트조인트의 외주면 길이방향에는 요철이 형성되고, 파이프조인트 내주면에는 상기 요철부와 대응되는 스플라인이 가공되어 있어, 샤프트조인트는 파이프조인트에 결합, 연결된 상태로 슬라이드이동할 수 있게 구성된다.

또한 샤프트조인트와 파이프조인트의 각 단부에는 핀치요크가 각각 연결되어 있어 일측 핀치요크는 스티어링칼럼에 결합되고, 타측 핀치요크는 기어박스에 연결된다.

상기와 같은 핀치요크는 열간단조공법이나 프레스공법을 이용하여 제조하여 왔다.

프레스공법을 이용한 핀치요크 제조는 프레스를 이용한 단일공정으로 제조되고, 단일단조공정으로 제품을 제작할 경우에는 제품의 변형량이 많기 때문에 느린 가압에 의한 프레스작업으로 성형속도가 느린 단점이 있다.

또한 열간단조공정으로 핀치요크를 성형할 경우 열간단조공정의 특성상 발생되는 표면스케일, 윤활제 비산에 의한 작업환경악화, 추가절삭공정에 의한 치수정밀도를 확보하고 있으나, 소재의 특성이 변하여 강도가 낮아지고, 이로 인하여 제품의 안정성이 저하되는 등의 문제가 있는 것이었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로서, 냉간단조성형기술을 이용하여 제품을 제조한다는 내용이 언급되고 있다.

다시 설명하면, 냉간포머, 즉 냉간자동다단단조는 최근에 활용이 증가되고 있는 기술로서, 특히 자동차부품같이 작고 정밀한 부품을 생산하는데 적합한 기술로 인정받고 있으며, 관련업체에서 냉간포머를 이용한 제품제조의 연구가 꾸준히 이루어지고 있다.

상기 냉간포머는 일정한 형상의 소재를 포머기에 투입하여 4~6단계, 혹은 그 이상의 자동다단단조를 통하여 원하는 제품을 성형하는 것으로서, 단계별 단조하는 금형의 설계조건에 따라 금속제품에 생성되는 단류선의 안정성과 고강도의 확보성이 달라질 뿐 아니라, 열변형에 의해 제품의 치수정밀도가 변화된다.

따라서 프레스성형 및 열간단조공정의 문제를 해결하고, 냉간단조성형기술을 이용한 핀치요크제품 성형의 선행기술을 검토하여 보면, 특허 제10-1272252호 '자동차용 조형장치의 핀치볼트요크 및 그 제조방법'(특허문헌 1)과 같은 냉간자동다단단조를 이용한 핀치볼트요크를 제조하는 수단이 제공된바 있다.

상기 특허문헌 1의 기술내용을 도 8 내지 도 13을 통하여 검토하여 보면 다음과 같다.

즉, 원재료를 필요한 길이로 절단하여 도 8에서와 같이 소재(M)를 마련하는 절단공정과, 상기 소재(M)를 핀치볼트 요크용 다이스에 삽입하고, 펀치로 가압소성변형시켜 소재를 업셋팅하여 도 9에서와 같이 외측에 홈(110)이 형성된 바디(100)와, 한쌍의 요크부(200) 형상으로 마련하는 예비성형공정과, 상기 예비성형된 요크부(200) 사이를 도 10에서와 같이 U자형으로 성형하면서 요크부(200) 내측면에 홈(210)을 성형하는 공정과, 상기 요크부(200) 사이의 바디(100) 상부면에 도 11에서와 같이 관통홀(130)이 형성될 부분인 자리면(120)을 성형하는 관통홀 예비성형공정과, 상기 예비성형된 자리면(120) 부분을 타발하여 도 12에서와 같이 관통홀(130)을 성형하는 피어싱공정과, 상기 관통홀(130)에 도 13에서와 같이 상대부품이 조립되어 맞물릴 수 있도록 세레이션(140)을 성형하는 6단계의 공정으로 냉간포머공정을 마무리한다.

냉간포머공정을 통하여 세레이션(140)을 성형한 제품을 여러 가공공정을 통하여 자동차 조향장치의 핀치볼트요크를 제조한다는 것이다.

특허문헌 1의 공정에서 도 8에서와 같은 원형의 금속소재(M)를 다이스에 삽입한 다음 펀치로 가압하는 예비성형 한공정만에 도 9에서와 같이 바디(100)와 바디(100) 양측에 형성되는 홈(110)과, 한쌍의 요크부(200) 형상으로 업셋팅한다는 것이다.

그러나 냉간포머 단일공정, 즉 예비성형공정에서 원통형의 소재(M)를 펀칭하여 바디(100)와, 홈(110)과, 요크부(200)를 한번에 성형할 경우, 다이스와 펀치에 무리한 부하가 전달되기 때문에 사실상 성형이 어려울 뿐 아니라, 성형이 된다 하더라도 성형제품에 안정적인 단류선 생성이 어렵고, 과부하로 금형이 파손되거나 수명이 극히 단축되는 문제가 발생된다.

또한 도 9의 예비성형공정에서 도 10의 홈(210)을 성형하는 공정과, 상기 도 10의 홈(210) 성형공정에서 도 11의 자리면(120)을 성형하는 관통홀 예비성형공정 사이에는 제품의 형상변형이 극히 미미하여 불필요한 공정이 연속되어 에너지낭비와 함께 불필요한 다이스와 펀치를 소모시키게 되는 문제가 있다.

뿐만아니라 도 11에서와 같이 바디(100)에 자리면(120)을 성형한후 도 12에서와 같이 바로 관통홀(130)을 성형하는 피어싱공정의 경우에도 펀치금형에 무리한 부하가 적용되므로 바람직하지 못한 것으로서 펀치의 사용수명을 단축시키게 된다.

따라서 냉간포머, 즉 냉간자동다단단조를 통하여 특허문헌 1과 같은 핀치볼트요크성형수단은 사실상 냉간포머공정을 통하여 실시하기가 곤란할 뿐 아니라, 사용된다 하더라도 제품의 품질에서 문제가 발생하게될 우려가 높고, 다이스와 펀치의 사용수명이 짧은 등의 문제가 있는 것이었다.

특허 제10-1272252호 '자동차용 조형장치의 핀치볼트요크 및 그 제조방법'

본 발명은 냉간포머를 이용하여 자동차용 조향장치의 핀치요크를 다단성형하되, 핀치요크를 다단성형과정에서 금형에 전달되는 부하를 최소화하여 금형의 사용수명을 연장토록 함과 동시에 생산성이 향상되고, 또한 제품의 안정적인 단류선 생성이 유지되도록 함으로서 내구성 및 강도향상이 유지될 수 있게 한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 자동차용 조향장치의 핀치요크를 냉간포머(냉간자동다단단조)를 이용하여 제조하되, 환봉소재를 절단하여 포머기의 다이스에 공급한 다음 소재의 상단부를 펀칭하여 미세요입부를 형성하는 업셋팅공정과, 상기 소재의 길이는 줄이고, 외경은 늘이되, 상하면에 작은 요입부와 면취부를 성형하는 예비성형공정과, 상기 소재에 요크부와 요입홈을 형성하는 요크성형공정과, 상기 소재의 요크부에 요홈과 자리면을 형성하고, 요입홈에 세레이션을 형성하는 세레이션 성형공정과, 상기 소재의 자리면을 피어싱하여 관통공을 형성하는 피어싱공정으로 핀치요크를 성형하는 것이다.

본 발명은 냉간포머를 이용하여 자동차용 조향장치의 핀치요크를 다단성형하되, 핀치요크를 다단성형과정에서 금형에 전달되는 부하를 최소화하여 금형의 사용수명을 연장토록 함과 동시에 생산성이 향상되고, 또한 제품의 안정적인 단류선 생성이 유지되도록 함으로서 내구성 및 강도향상이 유지될 수 있게 하는 등의 효과가 있는 것이다.

도 1 : 본 발명의 제조공정블럭도
도 2a : 본 발명에서 사용되는 소재의 상태도
도 2b : 도 2a의 평면도
도 3a : 본 발명의 업셋팅공정에서 얻어진 예비성형소재의 단면구성도
도 3b : 도 3a의 평면구성도
도 4a : 본 발명의 예비성형공정에서 얻어진 요크성형소재의 단면구성도
도 4b : 도 4a의 평면구성도
도 4c : 도 4a의 저면구성도
도 5a : 본 발명의 요크성형공정에서 얻어진 세레이션 성형소재의 단면구성도
도 5b : 도 3a의 평면구성도
도 5c : 도 5a의 저면구성도
도 6a : 본 발명의 세레이션 공정에서 얻어진 피어싱성형소재의 단면구성도
도 6b : 도 6a의 평면구성도
도 6c : 도 6a의 저면구성도
도 7a : 본 발명의 피어싱공정에서 얻어진 핀치요크의 단면구성도
도 7b : 도 7a의 평면구성도
도 7c : 도 7a의 저면구성도
도 8 : 종래 원소재의 상태도
도 9 : 종래 예비성형공정에서 성형된 제품상태도
도 10 : 종래 홈성형공정에서 성형된 제품상태도
도 11 : 종래 관통홀 예비성형공정에서 성형된 제품상태도
도 12 : 종래 피어싱공정에서 성형된 제품상태도
도 13 : 종래 세레이션공정에서 성형된 제품상태도

이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 따라 공정별로 설명한다.

본 발명은 자동차용 조향장치의 핀치요크를 냉간자동다단단조, 즉 냉간포머공법으로 성형토록 하는 것으로서, 롤상태로 권취된 와이어를 절단하여 환봉의 소재를 얻고, 상기 소재를 이용한 업셋팅공정(S1)과, 예비성형공정(S2)과, 요크성형공정(S3)과, 세레이션공정(S4)과, 피어싱공정(S5)을 통하여 핀치요크를 다단성형하는 것이다.

핀치요크(pinch yoke) 성형과정을 공정별로 설명한다.

성형하고자 하는 핀치요크의 체적에 맞게 포머기 일측에서 공급되어 오는 소재를 절단하여 요구되는 크기의 소재(1)를 준비하되, 상기 소재(1) 준비는 포머공정에서 일반적으로 실시되고 있다.

본 발명에서는 상기에서 준비된 소재(1)의 길이(L)를 56.3㎜, 외경(D)을 ø27㎜조건의 소재를 사용하였다.

업셋팅공정(S1)은 다음과 같다.

공급되어 온 환봉의 소재(1)를 업셋팅다이스(도시안됨)에 위치시킨 다음 펀치로 가압하여 상부에 미세요입부(11)가 형성되게 하여 응력분포를 완화시키고, 하부에는 내향경사진 면취부(12)가 형성되게 하여 예비성형소재(10)가 성형되게 한다.

상기 업셋팅공정(S1)에서 성형된 예비성형소재(10)의 길이(L1)는 56.4㎜이고, 외경(D1)은 ø27.1㎜, 면취부(12)의 내경(D2)는 ø23㎜, 미세요입부(11)의 양측 경사각(C)은 3°의 조건으로 성형함으로서, 원소재(1)의 길이(L)와 외경(D)보다 길게 하여 금속소재의 응력분포를 완화시킨다.

예비성형공정(S2)은 다음과 같다.

원형의 예비성형소재(10)를 이송장치를 통하여 예비성형다이스(도시안됨)로 이동, 공급한 다음, 펀치로 가압하여 길이(L2)는 줄이고, 정면폭(K)은 늘임과 동시에 측면폭(K1)은 줄여 요크성형소재(20)를 성형한다.

이때 요크성형소재(20) 중앙에는 원형중심부(25)를 구성하고, 양측에는 측면확장부(26)를 구성하고, 상부에는 평면(21)과 경사면(22)으로 구성된 작은 요입부(23)를 구성하고, 측면확장부(26) 양측에는 하단경사면(24)을 형성한다.

상기 예비성형공정(S2)에서 성형된 요크성형소재(20)의 길이(L2)는 39㎜이고, 정면폭(K)은 41.7㎜, 측면폭(K1)은 22.7㎜, 원형중심부(25)의 외경(D3)은 ø27.2㎜이고, 작은 요입부(23)에 구성된 평면(21)의 평면폭(K2)은 10㎜, 경사면(22)의 경사각(C1)은 5°로 성형하였다.

요크성형공정(S3)은 다음과 같다.

요크성형소재(20)를 이송장치를 통하여 요크성형다이스(도시안됨)로 이동, 공급한 다음 펀치로 가압하여 길이(L3)를 늘이면서 요입홈(32)이 형성된 요크(31)를 상부 양측에 형성되게 함으로서, 그 사이에 요크홈(33)이 형성되게 하고, 요크홈(33) 바닥에는 요크홈경사면(34)이 구성되게 하고, 원형중심부(36) 저면, 즉 후육부(37) 저면에는 세레이션 성형홈(35)이 구성되게 하여 세레이션 성형소재(30)를 성형한다.

상기 요크성형공정(S3)에서 성형된 세레이션 성형소재(30)이 길이(L3)는 63.9㎜, 정면폭(K2)은 41.85㎜, 측면폭(K3)은 22.85㎜, 양측 요크(31) 사이의 거리(W)는 25.1㎜, 요크홈경사면(34)의 경사각(C2)은 160°, 원형중심부(36)의 외경(D4)은 ø27.35㎜, 내경(D5)는 ø16㎜, 요크홈(33)과 바닥과 세레이션 성형소재 후육부의 길이(L4)는 20.4㎜로 성형하였다.

상기에서 요크홈(33) 바닥의 경사각(C2)을 160°로 설정한 것은 펀치금형의 단부의 각을 160°로 하여 요크(31) 성형시 펀치금형에 전가되는 부하를 줄이면서 원활한 요크홈(33) 성형이 이루어질 수 있게 하는 것이다.

세레이션공정(S4)은 다음과 같다.

세레이션 성형소재(30)를 이송장치를 통하여 세레이션 성형다이스(도시안됨)로 이동, 공급한 다음 펀치로 가압하여 후육부(37)를 길게 늘이면서 양측에 측면홈(41)을 구성하고, 후육부(37) 저면 중앙에는 요철형의 세레이션(42)이 요입성형되게 하여 요크홈(33) 사이에 격벽(43)이 형성되게 하고, 요크홈(33) 바닥에는 관통공 성형홈(44)이 구성되게 한다.

상기 세레이션공정(S4)에서 성형된 피어싱성형소재(40)의 길이(L5)는 71㎜, 정면폭(K4)은 42㎜, 측면폭(K5)은 23㎜, 양측 요크(31) 사이의 거리(W1)는 25.05㎜, 세레이션(42)의 길이(L6)는 22㎜, 관통공성형홈(44)의 직경(D6)은 15.5㎜, 원형중심부(36)의 직경(D7)은 ø27.5㎜로 성형하였다.

피어싱공정(S5)은 다음과 같다.

피어싱성형소재(40)를 이송장치를 통하여 피어싱다이스(도시안됨)로 이동, 공급한 다음 펀치로 가압하여 피어싱성형소재(40)에 구성된 격벽(43)을 피어싱하여 관통공(5)이 형성되게 함으로서 핀치요크(50) 소재가 성형되고, 상기 소재를 후가공하여 완성된 핀치요크를 성형하게 된다.

상기 피어싱공정(S5)에서 성형된 핀치요크(50)의 길이(L7)는 71㎜로 세레이션공정과 동일하고, 전면폭(K6)은 42.2㎜, 측면폭(K7)은 23.2㎜로 세레이션공정보다 각각 0.2㎜ 길게 하고, 관통공(51)의 내경(D8)은 ø15㎜로 성형하였다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 자동차용 조향장치의 핀치요크(50)를 포머기를 이용한 냉간단조공법으로 다단성형하되, 롤상태로 권취된 와이어코일을 절단하여 소재(1)를 얻고, 상기 소재(1) 상부에 미세요입부(11)를 형성하여 예비성형소재(10)를 성형하는 업셋팅공정(S1)과, 상기 예비성형소재(10)의 길이(L2)를 줄이고, 정면폭(K)을 확장시킴과 동시에 상부에 작은 요입부(23)를 구성하여 요크성형소재(20)를 성형하는 예비성형공정(S2)과, 상기 요크성형소재(20)의 길이(L3)를 늘이면서, 요크(31)를 상부 양측에 형성되게 하여 그 사이에 요크홈(33)이 형성되게 하고, 저면에는 세레이션 성형홈(35)을 형성하여 세레이션 성형소재(30)를 성형하는 요크성형공정(S3)과, 상기 세레이션 성형소재(30)를 길게 늘이면서, 측면홈(41)과, 격벽(43)과, 저면 중앙에는 세레이션(42)이 요입형성되게 하여, 피어싱 성형소재(40)를 성형하는 세레이션공정(S4)과, 상기 피어싱성형소재(40)의 격벽(43)을 피어싱하여 관통공(51)이 형성되게 하는 피어싱공정(S5)으로 자동차 조향장치용 핀치요크를 다단성형되게 함으로서, 생산성 향상과 금형에 전달되는 부하를 줄여 금형의 사용수명이 연장되게 하며, 핀치요크의 다단성형시 단류선 생성이 안정적으로 이루어지게 함으로서 내구성 및 강도가 향상된 고품질의 제품을 제조할 수 있게 된다.

(S1)--업셋팅공정 (S2)--예비성형공정
(S3)--요크성형공정 (S4)--세레이션공정
(S5)--피어싱공정 (1)--소재
(10)--예비성형소재 (11)--미세요입부
(12)--면취부 (20)--요크성형소재
(21)--평면 (22)--경사면
(23)--작은 요입부 (24)--하단경사면
(25)--원형중심부 (30)--세레이션 성형소재
(31)--요크 (32)--요입홈
(33)--요크홈 (34)--요크홈경사면
(35)--세레이션 성형홈 (36)--원형중심부
(40)--피어싱 성형소재 (41)--격벽
(42)--세레이션 (43)--격벽
(44)--관통공 성형홈 (50)--핀치요크
(51)--관통공

Claims

절단된 소재(1)를 업셋팅다이스로 가압하여 예비성형소재(10)를 성형하는 업셋팅공정(S1)과, 상기 예비성형소재(10)를 예비성형다이스로 가압하여 요크성형소재(20)를 성형하는 예비성형공정(S2)과, 상기 요크성형소재(20)를 세레이션성형다이스로 가압하여 세레이션성형소재(30)가 성형되게 하는 요크성형공정(S3)과, 상기 세레이션성형소재(30)를 피어싱다이스로 가압하여 피어싱소재(40)를 성형하는 세레이션공정(S4)과, 상기 피어싱소재(40)를 피어싱다이스로 가압하여 핀치요크(50)가 성형되게 하는 피어싱공정으로 자동차 조향장치의 핀치요크를 다단성형함에 있어서, 업셋팅공정(S1)에서는 절단된 소재(1)를 업셋팅다이스로 가압하여 미세요입부(11)와 하부에 면취부(12)가 형성된 예비성형소재(10)를 성형하되, 미세요입부(11)의 양측경사각(C)을 3°의 조건으로 하여, 원소재(1)의 길이(L)와 외경(D)보다 예비성형소재(10)의 길이(L1)와 외경(D1)을 길게 하여 금속소재의 응력분포를 완화시킨 예비성형소재(10)를 성형하고, 예비성형공정(S2)에서는 예비성형소재(10)를 예비성형다이스로 가압하여 예비성형소재(10)의 길이(L2)와 측면폭(K1)은 줄이고, 정면폭(K)은 늘임과 동시에, 상부에 평면(21)과, 경사각(C1) 5°의 조건을 갖는 경사면(22)으로 구성된 작은 요입부(23)가 성형되게 한 요크성형소재(20)를 성형하고, 요크성형공정(S3)에서는 요크성형소재(20)를 요크성형다이스로 가압하여 길이(L3)를 늘이면서 요크(31)를 상부양측에 형성하여 그 사이에 요크홈경사면(34)이 형성된 요크홈(33)을 형성하되, 요크홈경사면(34)의 경사각(C2)을 160°로 한 세레이션성형소재(30)를 성형하고, 세레이션공정(S4)에서는 세레이션성형소재(30)를 세레이션성형다이스로 가압하여 측면홈(41)과 저면 중앙에 세레이션(42)을 형성하되, 요크홈(33)과 세레이션(42) 사이에 격벽(43)으로 구성된 피어싱소재(40)를 성형하고, 피어싱공정(S5)에서는 피어싱소재(40)를 피어싱다이스로 가압하여, 격벽(43)에 관통공(51)이 형성되게 한 핀치요크(50)가 다단성형되게 함을 특징으로 하는 자동차 조향장치의 핀치요크 제조방법.
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