KR101646363B1 - 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이디얼 포징(RADIAL FORGING)을 이용한 중공샤프트 제조시 맨드렐의 직경보다 작은 내경을 갖는 중공샤프트를 성형하는, 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법은 중공이 형성된 블랭크를 가열하고, 상기 블랭크의 내측에 맨드렐을 삽입하여 복수 개의 단조공구 사이에 위치시키는 준비단계; 상기 블랭크의 선단부를 클램핑하여 회전시키고, 상기 복수 개의 단조공구로 상기 블랭크의 외주면을 연속 가압하여 성형하고, 상기 블랭크를 상기 단조공구의 가압방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 제1성형단계; 상기 블랭크의 성형이 완료되기 전에 상기 맨드렐을 상기 블랭크의 이동방향과 반대방향으로 상기 블랭크의 이동속도보다 빠른 속도로 이동시켜 상기 블랭크의 외부로 인출하는 제2성형단계; 및 상기 제2성형단계가 완료된 블랭크의 후단부를 상기 단조공구로 가압 성형하여 상기 맨드렐의 외경보다 작은 직경의 중공부를 형성시키면서, 상기 블랭크를 상기 단조공구의 가압방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 제3성형단계를 포함하고, 상기 제1성형단계 및 제3성형단계는, 상기 블랭크의 선단부 외주면을 클램핑하면서 내주면을 지지하여 이동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF HOLLOW SHAFT FOR VEHICLE HAVING A SMALL HOLLOWNESS DIAMETER}

본 발명은 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 맨드렐(MANDREL)을 선택적으로 사용하여 맨드렐의 직경보다 작은 내경을 갖는 중공샤프트를 제조할 수 있는, 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법에 관한 것이다.

샤프트는 동력전달에 필요한 부품으로, 고강성 및 고내구성을 필요로 하기 때문에 단조소재를 열처리한 후 가공하여 제조하는 것이 일반적이다.

하지만, 단조를 통해 제조되는 샤프트는 내부가 모두 채워져 있는 중실샤프트이기 때문에 중량이 매우 무거운 단점이 있으며, 고속회전시 낮은 고유 진동수에 따른 공진현상으로 인해 진동과 소음이 발생되며, 심할 경우에는 차량 불량이라는 품질문제를 야기하게 된다.

이러한 단점을 보완하기 위해 내경부 가공을 실시할 경우 가공공정의 추가로 인해 제조원가가 매우 높아지게 된다.

또한, 중실샤프트는 메탈 플로우(METAL FLOW)가 불균일한 단점이 있는데, 메탈 플로우가 불균일한 경우 동력전달을 하는 샤프트의 강성 및 내구성에 불리한 영향을 미치게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 내부가 비어 있는 중공샤프트를 제조하여 차량에 적용하고 있는데, 중공샤프트는 그 형상의 특징상 일반적인 단조로 제조하는 것이 매우 어렵다.

중공샤프트를 제조하는 방법으로 가장 효과적인 공법은 레이디얼 포징으로 알려져 있으며, 최근에 많이 보급되고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이디얼 포징은 소정의 형상을 갖는 블랭크(BLANK ; 10)에 맨드렐(20)을 삽입한 후 사방향에 위치한 단조공구(30)를 이용하여 블랭크(10) 외경에 연속적으로 타격을 가함으로써 내부가 비어있는 중공샤프트를 제조하는 공법이며, 내부와 외부를 다단으로 성형할 수 있는 장점이 있다.(도 1에서는 도면의 이해를 돕기 위해 단조공구 하나가 제거된 상태를 도시하였다.)

도 2에 도시된 바와 같이, 레이디얼 포징은 단조공구(30)와 맨드렐(20)의 위치를 고정하고 블랭크(10)의 선단부(40)를 클램핑(미도시)한 후 단조공구로 타격을 가하면서 블랭크(10)를 후진시키게 되는데, 블랭크(10)의 내측에 위치한 맨드렐(20)이 블랭크(10) 외부로 인출되기 위한 공간이 필요하기 때문에 맨드렐(20)이 인출되는 후단부(50)에 위치한 블랭크(10)의 내경은 항상 맨드렐(20)의 직경 이상으로 형성된다.

즉, 제조되는 중공샤프트의 후단부 내경은 항상 맨드렐(20)의 직경보다 크게 형성되기 때문에, 제조할 수 있는 형상이 매우 제한적이다.

이러한 레이디얼 포징과 관련된 종래의 기술로는 "단면이 원형인 내면을 가지는 중공체 제조 방법(공개특허 10-2012-0135835)"가 있다.

종래의 "단면이 원형인 내면을 가지는 중공체 제조 방법"은, 환봉을 천공하는 천공단계와, 천공단계에서 천공된 중공부재를 단조 성형하는 단조 단계를 포함하며, 단조 단계에서는 레이디얼 단조로 성형하며, 레이디얼 단조는 양측에서 중공부재를 단조 척으로 파지하고 내경으로 맨드렐을 삽입하여 지지하면서 반경 방향 외측으로부터 중공부재의 외경면을 복수의 단조 공구로 타격하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

하지만, "단면이 원형인 내면을 가지는 중공체 제조 방법" 역시 도 3에 도시된 바와 같은, 맨드렐의 직경보다 작은 내경을 갖는 후단부(50)를 형성하는 것이 불가능한 문제점이 있다.

한국공개특허 10-2012-0135835 (2012. 12. 17)

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해, 레이디얼 포징(RADIAL FORGING)을 이용한 중공샤프트 제조시 맨드렐(MANDREL)을 선택적으로 사용하여 맨드렐의 직경보다 작은 내경을 갖는 중공샤프트를 성형할 수 있는, 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법은, 중공이 형성된 블랭크를 가열하고, 상기 블랭크의 내측에 맨드렐을 삽입하여 복수 개의 단조공구 사이에 위치시키는 준비단계; 상기 블랭크의 선단부를 클램핑하여 회전시키고, 상기 복수 개의 단조공구로 상기 블랭크의 외주면을 연속 가압하여 성형하고, 상기 블랭크를 상기 단조공구의 가압방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 제1성형단계; 상기 블랭크의 성형이 완료되기 전에 상기 맨드렐을 상기 블랭크의 이동방향과 반대방향으로 상기 블랭크의 이동속도보다 빠른 속도로 이동시켜 상기 블랭크의 외부로 인출하는 제2성형단계; 및 상기 제2성형단계가 완료된 블랭크의 후단부를 상기 단조공구로 가압 성형하여 상기 맨드렐의 외경보다 작은 직경의 중공부를 형성시키면서, 상기 블랭크를 상기 단조공구의 가압방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 제3성형단계를 포함하고, 상기 제1성형단계 및 제3성형단계는, 상기 블랭크의 선단부 외주면을 클램핑하면서 내주면을 지지하여 이동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제1성형단계시, 상기 블랭크의 이동과 함께 상기 맨드렐을 상기 블랭크의 이동방향과 반대되는 방향으로 점진적으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제3성형단계가 완료된 블랭크의 후단부 내주면을 드릴링하는 후가공단계를 포함한다.

상기 제3성형단계가 완료된 블랭크는 흔들림 공차가 0.5mm 미만인 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 하기와 같은 다양한 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 맨드렐의 파손 없이 매우 작은 내경을 갖는 중공샤프트를 제조할 수 있다.

둘째, 본 발명은 성형된 중공샤프트의 흔들림 공차가 매우 작으므로, 후가공을 통해 완성되는 중공샤프트의 균일한 진원도 및 동심도를 확보할 수 있으며, 중실샤프트를 대체하는 동력전달용 고정밀 중공샤프트를 제조할 수 있다.

셋째, 본 발명은 중공샤프트의 높은 고유진동수로 인해 진동 및 소음의 발생을 최소화할 수 있다.

넷째, 본 발명은 균일한 내경과 외경을 갖는 중공샤프트를 제조할 수 있다.

다섯째, 본 발명은 복잡한 형상의 내주면을 갖는 중공샤프트를 제조할 수 있다.

여섯째, 본 발명은 맨드렐의 직경보다 작은 내경을 갖는 중공샤프트를 제조할 수 있다.

일곱째, 본 발명은 중공샤프트의 내경을 다단으로 형성할 수 있기에 원가절감 효과가 뛰어나다.

도 1은 레이디얼 포징의 초기세팅 상태를 나타낸 도면,
도 2는 레이디얼 포징을 실시중인 상태를 나타낸 도면,
도 3은 후단부가 좁게 형성된 중공샤프트의 외형과 내형을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법을 나타낸 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 준비단계를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 제1성형단계를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 제2성형단계를 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 제3성형단계를 나타낸 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명하며, 배경기술 및 이미 설명한 구성의 도면번호는 특별한 언급이 없다면 동일하게 적용된다.

이하에서 설명되는 본 발명의 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법에 관한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예로서, 그 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현할 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 각 구성에 대한 형상 및 크기 등은 대표적인 실시예를 나타낸 것일 뿐 고정된 것이 아니며, 동일한 효과를 구현할 수 있다면 다양하게 변경 가능하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법은, 준비단계(P100), 제1성형단계(S100), 제2성형단계(S200) 및 제3성형단계(S300)를 포함한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 준비단계(P100)는, 중공이 형성된 블랭크(10)를 가열하고, 블랭크(10)의 내측에 맨드렐(20)을 삽입한 후 복수 개의 단조공구(30) 사이에 위치시키는 단계이며, 일반적으로 블랭크(10)는 미리 제조한 것을 사용하게 된다.

블랭크(10)를 가열하는 것은 블랭크(10)의 성형 용이성 확보와, 이에 따른 성형 하중감소, 금형 수명의 향상 등을 위해 실시한다.

단조공구(30)는 상, 하, 좌, 우 각각에 하나씩 즉, 4개를 이용하는 것이 일반적이지만 경우에 따라서는 우상단과 좌하단, 좌상단과 우하단을 동시에 가압하는 2개의 단조공구(30)를 사용하는 것도 가능하다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1성형단계(S100)는, 블랭크(10)의 선단부(40)를 클램핑하여 회전시키고, 복수 개의 단조공구(30)로 블랭크(10)의 외경을 연속가압하여 성형하며, 복수 개의 단조공구(30) 중심부에 위치한 블랭크(10)를 단조공구(30)의 가압방향과 직교하는 방향으로 점진적으로 이동시키는 단계이다.

이러한 제1성형단계(S100)에서 단조공구(30)로 블랭크(10)를 가압할 때에는 블랭크(10)의 신장되는 방향이 블랭크(10)의 이동방향과 반대방향이 될 수 있도록 단조공구(30)의 형상 또는 가압방향을 조절하는 것이 바람직하며, 이때 블랭크(10)의 내측에 위치한 맨드렐(20)은 블랭크(10)의 내주면을 지지하게 된다.

또한, 제1성형단계(S100)는 블랭크(10)의 성형이 정교하게 이루어질 수 있도록 단조공구(30)와 블랭크(10)의 접촉시 블랭크(10)의 이동을 정지 하고, 단조공구(30)와 블랭크(10)의 비접촉시 블랭크(10)를 이동시키는 것이 바람직하며, 블랭크(10)와 맨드렐(20)을 함께 이동하는 경우에도 블랭크(10)와 단조공구(30)의 비접촉시 맨드렐(20)을 이동시키는 것이 바람직하다.

제1성형단계(S100)에서 블랭크(10)를 회전시키는 것은 블랭크(10)의 외주면이 회전방향을 따라 동일한 형상으로 균일하게 형성될 수 있도록 하기 위한 것으로, 차후 중공샤프트의 흔들림 공차를 최소화한다.

단조공구(30)로 블랭크(10)의 외경을 가압하면 가압력에 의해 블랭크(10)의 길이가 신장되며, 이때 블랭크(10)를 단조공구(30)의 가압방향과 직교하는 방향으로 서서히 이동시키면 블랭크(10)의 가압위치가 변경된다.

즉, 블랭크(10)의 신장된 부분이 다음 가압지점이 되며, 이러한 과정이 반복됨에 따라 블랭크(10) 길이가 증가 된다.

또한, 제1성형단계(S100)시 단조공구(30)의 이동거리를 조절함으로써 블랭크(10)의 외주면 형상을 원하는 형상의 다단으로 성형할 수 있으며, 블랭크(10)의 내주면은 맨드렐(20)의 형상에 대응하여 한단 또는 다단으로 성형된다.

만약, 맨드렐(20)의 형상이 복잡한 다단으로 형성된 경우에는 블랭크(10)의 이동과 함께 맨드렐(20)을 블랭크(10)의 이동방향과 반대되는 방향으로 점진적으로 이동시킴으로써 복잡한 형상의 내주면을 효과적으로 성형할 수 있을 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 제2성형단계(S200)는, 제1성형단계(S100)에서 블랭크(10)의 성형이 완료되기 전에 맨드렐(20)을 블랭크(10)의 이동방향과 반대되는 방향으로 고속 이동시켜 맨드렐(20)을 블랭크(10)의 외부로 인출하는 단계이다.

즉, 단조공구(30)를 이용한 블랭크(10)의 가압 성형시 블랭크(10)의 후단부(50)측 성형이 완료되기 전에 블랭크(10)의 내주면을 지지하고 있는 맨드렐(20)을 고속으로 제거함으로써, 성형되는 블랭크(10)의 후단부(50) 내측 직경이 맨드렐(20)의 직경보다 작은 값을 가질 수 있도록 하는 것이다.

이러한 제2성형단계(S200)시, 블랭크(10)는 액상이 아닌 고상이며 단조공구와 맨드렐에 의해 성형이 되어 있기 때문에 맨드렐(20)을 블랭크(10)의 외부로 고속 인출하여도 블랭크(10) 성형의 후단부(50) 내측은 밀폐되지 않고 소정의 중공을 형성하게 된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제3성형단계(S300)는, 제2성형단계(S200)가 완료된 블랭크(10)의 후단부(50)를 복수 개의 단조공구(30)로 가압하여 성형하고, 블랭크(10)를 단조공구의 가압방향과 직교하는 방향으로 점진적으로 이동시키는 단계로서, 블랭크(10)의 내부에 맨드렐(20)이 없기 때문에 단조공구(30)의 가압력이 블랭크(10)에 그대로 전해져 블랭크(10)의 외경 및 내경이 쉽게 감소된다.

이렇게, 블랭크(10)의 내주면을 지지하는 맨드렐(20)을 선택적으로 제거하여 성형함에 따라 블랭크(10)의 후단부(50) 내측 직경이 맨드렐(20)의 직경보다 작은 값을 가질 수 있는 것이다.

이러한 제3성형단계(S300)는 블랭크(10)의 성형이 정교하게 이루어질 수 있도록 단조공구(30)와 블랭크(10)의 접촉시 블랭크(10)의 이동을 정지하고, 단조공구(30)와 블랭크(10)의 비접촉시 블랭크(10)를 이동시키는 것이 바람직하다.

따라서, 제2성형단계(S200)와 제3성형단계(S300)를 이용하면 단순히 맨드렐(20)의 직경보다 작은 직경을 갖는 중공샤프트를 성형하는 것이 아닌, 맨드렐(20)의 파손으로 인해 제조할 수 없었던 매우 작은 직경을 갖는 중공샤프트를 성형하는 것도 가능하다.

한편, 제2성형단계(S200)와 제3성형단계(S300)를 통해 성형완료된 블랭크(10)의 후단부(50) 내주면은 불규칙한 내경을 가질 수 있기 때문에 추후 차량에 적용시 불균일한 하중 전달로 인해 제품의 강성 및 내구성이 감소할 수 있다.

따라서, 완성된 중공샤프트를 차량에 적용하였을 때 강성 및 내구성이 감소하는 것을 방지하기 위해 제3성형단계(S300)가 완료된 블랭크(10)의 후단부(50) 내주면을 드릴링하여 일정한 내경을 형성하는 후가공단계를 추가로 실시하는 것이 바람직하다.

일반적으로, 제3성형단계(S300)를 통해 성형 완료된 블랭크(10)는 흔들림 공차(mm)를 기준으로 관리되며 반제품상태(단조가 완료된 상태)에서는 0.5mm 이상시 흔들림이 심한 것으로 판단한다.

만약, 0.5mm 이상의 흔들림 공차를 가질 경우 후가공을 진행하여도 두께편차가 발생하게 되며, 이는 동하중을 받는 중실샤프트의 불균일한 회전을 유발하게 된다. 이렇게 중실샤프트의 회전이 불균일하게 되면 진동과 소음이 발생되고, 강성과 내구성에도 악영향을 미칠 수 있다.

따라서, 제3성형단계를 통해 제조된 블랭크(10)는 0.5mm 미만의 흔들림 공차를 가지는 것이 바람직하며, 이러한 값을 가지기 위해 블랭크(10)의 클램핑 압력, 단조공구(30)의 이동속도, 단조공구(30)의 이동거리, 블랭크(10)의 이동속도 등을 추가적으로 조절할 수 있다.

한편, 일반적인 레이디얼 포징은 블랭크(10)의 내측을 맨드렐(20)이 지지하고 있기 때문에 척헤드(미도시)를 이용하여 블랭크(10)의 선단부(40) 외주면만을 클램핑한 상태로 회전시키지만, 본 발명에서는 블랭크(10)의 후단부(50) 성형이 완료되기 전에 맨드렐(20)을 인출하기 때문에 블랭크(10)의 회전시 회전반경이 커질 수 있다.

따라서, 제1성형단계(S100) 및 제3성형단계(S300)시 블랭크(10)의 회전이 안정적으로 유지될 수 있도록 블랭크(10)의 선단부(40) 외주면을 클램핑하고 내주면을 지지한 상태로 이동시키는 것이 바람직할 것이다.

제1성형단계(S100), 제2성형단계(S200) 및 제3성형단계(S300)가 완료된 블랭크(10)는 별도의 외형 및 내형 가공, 고주파 열처리 등의 후처리공정이 추가로 실시될 수 있다.

상기에서 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

10 : 블랭크 20 : 맨드렐
30 : 단조공구 40 : 선단부
50 : 후단부 P100 : 준비단계
S100 : 제1성형단계 S200 : 제2성형단계
S300 : 제3성형단계

Claims (5)

1. 중공이 형성된 블랭크를 가열하고, 상기 블랭크의 내측에 맨드렐을 삽입하여 복수 개의 단조공구 사이에 위치시키는 준비단계;
   상기 블랭크의 선단부를 클램핑하여 회전시키고, 상기 복수 개의 단조공구로 상기 블랭크의 외주면을 연속 가압하여 성형하고, 상기 블랭크를 상기 단조공구의 가압방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 제1성형단계;
   상기 블랭크의 성형이 완료되기 전에 상기 맨드렐을 상기 블랭크의 이동방향과 반대방향으로 상기 블랭크의 이동속도보다 빠른 속도로 이동시켜 상기 블랭크의 외부로 인출하는 제2성형단계; 및
   상기 제2성형단계가 완료된 블랭크의 후단부를 상기 단조공구로 가압 성형하여 상기 맨드렐의 외경보다 작은 직경의 중공부를 형성시키면서, 상기 블랭크를 상기 단조공구의 가압방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 제3성형단계를 포함하고,
   상기 제1성형단계 및 제3성형단계는, 상기 블랭크의 선단부 외주면을 클램핑하면서 내주면을 지지하여 이동시키는 것을 특징으로 하는, 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1성형단계시, 상기 블랭크의 이동과 함께 상기 맨드렐을 상기 블랭크의 이동방향과 반대되는 방향으로 점진적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3성형단계가 완료된 블랭크의 후단부 내주면을 드릴링하는 후가공단계를 포함하는, 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3성형단계가 완료된 블랭크는 흔들림 공차가 0.5mm 미만인 것을 특징으로 하는, 직경이 작은 중공을 갖는 차량용 중공샤프트 제조방법.
   
5. 삭제

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