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KR101146766B1 - 캠 샤프트의 제조 방법 - Google Patents

캠 샤프트의 제조 방법 Download PDF

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KR101146766B1
KR101146766B1 KR1020110097973A KR20110097973A KR101146766B1 KR 101146766 B1 KR101146766 B1 KR 101146766B1 KR 1020110097973 A KR1020110097973 A KR 1020110097973A KR 20110097973 A KR20110097973 A KR 20110097973A KR 101146766 B1 KR101146766 B1 KR 101146766B1
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cam
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sintering
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김용균
박융상
송준호
한동규
김영호
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주식회사 미보
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Abstract

본 발명은 캠 샤프트의 제조 방법에 관한 것으로 단일 소결 공정 및 브레이징 공정에 의해 제조 시간을 단축할 수 있는 캠 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.

Description

캠 샤프트의 제조 방법{manufacturing method of cam shaft}
본 발명은 캠 샤프트의 제조 방법에 관한 것으로 브레이징 공정에 의해 제조 시간을 단축할 수 있는 캠 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 캠 샤프트(CAMSHAFT)는 그 축에 소정의 간격을 두고 위상이 서로 다른 다수의 캠이 구비되어, 크랭크 샤프트의 회전력을 전달받아 반복적으로 회전운동을 하여 연소실의 흡, 배기 밸브를 주기적으로 개폐함으로써 엔진의 지속적인 구동을 이끄는 역할을 하게 된다.
이러한 종래 캠 샤프트는 캠과 샤프트 축을 모두 동일 재료로 사용하여 일체형 봉형 타입으로 제조하거나, 샤프트에 별도의 캠을 제작하여 각종 방법에 의해 접합하는 방식의 조립식 타입으로 제조한다.
위 중공형 조립식 캠 샤프트는 일체형 캠 샤프트에 비해 경량화 할 수 있고, 캠 및 샤프트 재질을 각각의 상대재의 특성에 맞게 다른 재질로 만들어서 접합할 수 있는 이점이 있다.
특히, 상기의 제조방법 중에서 소결재 금속분말을 이용한 조립식 캠샤프트는 캠과 샤프트 간의 접합력이 우수하며, 부품의 높은 내구성 및 신뢰성 등 여러 장점이 있다.
이러한 소결재 금속분말을 이용한 조립식 캠 샤프트의 기술적 구성은 샤프트의 외주면에 길이방향으로 다수의 홈을 구비하고, 상기 샤프트의 홈에 끼워지도록 금속분말의 성형에 의해 만들어진 캠의 삽입구 내 주면에 돌기를 구비하여 이들을 조립시킨 후, 약 1000℃ 이상의 온도로 로(FURNACE)내에서 소결, 열처리하여 샤프트와 캠이 긴밀히 접합되도록 한 것이다
[문헌 1] 대한민국 등록특허공보 등록번호10-0799604
문헌 1에 기재된 발명은 캠의 내경부에 돌기를 원주방향으로 2 개소 이상 형성하는 캠 성형단계와; 상기 성형 캠을 일정 온도로 유지시키는 예비소결단계와; 샤프트의 표면에 적어도 1 개소 이상의 돌기를 타각하는 돌기 형성 단계와; 상기 예비소결된 캠을 설정된 거리와 각도에 따라 샤프트에 다 수개를 삽입하여 캠과 샤프트를 임시 고정하는 고정단계와; 캠과 샤프트가 조립된 제품을 일정 온도로 유지하는 본 소결단계:를 포함한다.
문헌 1의 발명은 샤프트에 임시 조립이 가능하도록 캠에 필요한 경도를 구현하기 위한 예비소결 단계와 임시 고정된 캠과 샤프트의 결합을 위한 본소결 단계를 거치기 때문에 캠 샤프트를 제조하는데 장시간이 소요되는 문제점이 있다.
또한 문헌 1의 발명은 캠 샤프트의 생산량 증대시 고가의 소결 장비가 많이 필요하다는 문제점이 있다.
또한 문헌 1의 발명은 샤프트의 외면에 형성된 타각돌기가 샤프트의 길이 방향으로 형성되어 있어서 캠과 샤프트의 고정단계시 캠에 큰 하중이 작용하기 때문에 크랙이 발생할 가능성이 있다.
또한 문헌 1의 발명은 캠과 샤프트가 고정된 후 본 소결단계를 거치면서 샤프트에 벤딩 현상이 발생하기 때문에 이를 교정하기 위한 벤딩 공정이 필요한 단점이 있다.
또한 캠은 본소결 과정에서 액상소결의 영향으로 5~8%의 체적 수축을 하게 된다. 따라서 소결 완료된 캠샤프트의 경우 큰 조립공차를 필요로 하기 때문에 불필요한 원자재 낭비 및 이로 인해 후 가공시 가공시간의 증가를 가져 오게 된다.
[문헌 2] 일본 공개특허공보 소62-6772
[문헌 3] 일본 공개특허공보 평3-189308
문헌 2 및 문헌 3에는 캠에 샤프트를 끼운 후 브레이징에 의해 결합하는 기술이 제시되어 있다.
그렇지만 문헌 2 및 문헌 3은 캠과 샤프트의 결합이 강하지 않기 때문에 브레이징 과정 중에 캠과 샤프트 사이에 위치 변경이 발생되어 브레이징 완료 후에 제품에 오차가 발생할 우려가 있다.
[문헌 1] 대한민국 등록특허공보 등록번호10-0799604 [문헌 2] 일본 공개특허공보 소62-6772 [문헌 3] 일본 공개특허공보 평3-189308
본 발명은 캠을 샤프트에 고정하기 전, 본소결을 통해 캠의 파괴강도를 높임으로써 큰 결합 하중 하에서도 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한 캠과 샤프트의 고정단계에서 캠의 높은 파괴강도를 바탕으로 큰 결합 하중을 이용할 수 있기 때문에 가고정력을 높을 수 있어 캠과 샤프트 사이의 위치와 관련된 불량 문제를 해결할 수 있다.
또한 상기의 방법으로 임시 조립된 캠과 샤프트를 브레이징 공정으로 결합함으로써 종래의 본소결 공정을 적용할 때보다 결합시간을 줄일 수 있다.
또한 브레이징 공정의 적용으로 캠과 샤프트의 조립공차 향상 및 상기의 본소결 공정 중에 발생하는 샤프트 벤딩현상의 최소화로 제조 공정을 간소화할 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 청구항1의 캠 샤프트 제조장법은, 홈이 형성된 캠을 제작하는 단계; 상기 캠과, 돌기가 형성된 샤프트 중의 어느 하나를 다른 하나에 대하여 회전하여 상기 캠과 상기 샤프트를 서로 고정하는 고정 단계; 상기 고정 단계 이후에 상기 캠과 상기 샤프트의 결합은 소결이 아닌 브레이징 접합인 것을 특징으로 한다.
본 발명 청구항 2는 상기 캠을 제작하는 단계에서 상기 캠은 소결 또는 주조 또는 단조 또는 소결된 캠 내부에 상기 샤프트와 동질 또는 이질의 강철제 이너피스가 확산접합된 이너피스캠 형상으로 제작될 수 있다.
종래 기술에서는 캠샤프트의 제조에 있어서, 예비소결된 캠과 샤프트의 고정단계 이후에 캠과 샤프트 사이의 확산접합을 위하여 장시간의 본소결을 실시하는 반면에 본 발명에서는 위 고정단계 이후에 소결 접합이 아닌 브레이징 접합을 이용하기 때문에 제조 시간을 크게 감소시킬 수 있다.
또한 캠의 소결 및 브레이징 접합 시 장입 효율을 극대화시킬 수 있어 생산품 수량을 증대할 필요가 있을 때에도 고가의 소결 장비 증축이 불필요하게 된다.
또한 캠과 샤프트의 고정단계 이후에 본소결 공정을 거치는 경우 샤프트의 벤딩 현상이 발생하여 이를 교정하기 위한 벤딩 공정이 필수적이나, 본 발명에서는 고정단계 이후에 캠과 샤프트의 접합이 Brazing 방식으로 이루어지기 때문에 샤프트의 벤딩현상을 최소화 할 수 있어 벤딩 공정시간을 단축할 수 있다.
도 1 캠의 사시도
도 2 샤프트 사시도
도 3 캠 샤프트의 사시도
도 4 공정도
본 발명의 캠 샤프트 제조방법은, 홈(12)이 형성된 캠(10)을 제작하는 단계; 상기 캠(10)과, 돌기(21)가 형성된 샤프트(20) 중의 어느 하나를 다른 하나에 대하여 회전하여 상기 캠(10)과 상기 샤프트(20)를 서로 고정하는 고정 단계; 상기 고정 단계 이후에 상기 캠(10)과 상기 샤프트(20)의 결합은 소결이 아닌 브레이징 접합인 것을 특징으로 한다.
[본 소결에 의한 캠의 제작]
도 1은 본 발명에서 홈(12)이 형성된 캠(10)을 나타낸 것이다.
위 캠(10)의 내주면은 내경이 큰 부분인 홈(12)과 내경이 작은 부분(16)으로 나누어져 있고 양자 사이에는 경사면(14)이 형성되어 있다.
홈(12)이 형성된 캠(10)은 성형 후 소결 공정을 거친다. 본 발명에서 캠과 샤프트의 조립전에 행해지는 소결은 종래 기술의 예비소결이 아닌 본 소결에 해당한다.
이와 같은 소결 공정은 본 발명의 출원 전에 다양한 공지 기술이 존재하고 있기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
전술한 바와 같이 본 실시예의 캠(10)은 소결을 통해 제작하는 것이 나타나 있으나, 이와 다르게 캠(10)은 단조 또는 주조 등과 같은 방법으로 제작할 수도 있다. 또한, 캠(10)은 소결된 캠(10) 내부에 이하 서술되는 샤프트(20)와 동질 또는 이질의 강철제 이너피스가 확산접합된 이너피스캠 형상으로 제작될 수 있다.
[샤프트]
도 2는 본 발명에서 이용되는 샤프트(20)를 나타낸 것이다. 샤프트(20)는 중공 파이프로 구비될 수 있다. 샤프트(20)의 외주면에는 타각부(22)에 의해 형성된 홈이 원주 방향으로 형성되고 상기 홈 주위에는 돌기(21)가 형성되어 있다. 본 실시예에서와 다르게 타각부(22)에 의해 형성된 홈 및 돌기(21)는 길이방향으로 형성될 수도 있다.
돌기(21)는 샤프트(20)의 원주 방향으로 길게 형성되어 있다.
샤프트(20)의 외주면에는 원주면을 따라서 돌기(21)가 복수개 형성될 수 있다.
샤프트(20)의 돌기(21)의 샤프트 원주 방향의 길이는 캠(10) 내면에 형성된 홈(12)의 폭과 일치한다. 샤프트(20)의 돌기(21)의 축방향 폭은 캠(10) 내면의 폭 보다 좁은 것이 바람직하다.
즉 샤프트(20)의 돌기(21)는 샤프트(20)의 원주 방향으로 길게 형성하여 돌출되는 면적을 넓혔기 때문에 캠(10)과 샤프트(20)의 고정 안정성을 증대시킬 수 있다.
[캠과 샤프트의 고정 단계]
도 3은 고정단계를 거친 캠(10)과 샤프트(20)를 나타낸 것이다.
캠(10)의 홈(12)에 샤프트(20)의 돌기(21)가 위치하도록 샤프트(20)를 캠(10)에 삽입한다.
상기 고정단계에서, 상기 캠(10)에 상기 샤프트(20)가 삽입될 때 상기 샤프트(20)는 상기 캠(10)의 경사면(14)에 의해 안내되는 것이 바람직하다.
캠(10)이 고정된 상태에서 샤프트(20)를 회전시키면 돌기(21)가 캠(10)의 경사면(14)를 타고 넘어간다.
샤프트(20)의 돌기(21)가 캠(10) 내면의 소경부(16)에 위치할 때 까지 샤프트(20)를 캠(10)에 대하여 회전시킨다.
상기 회전에 의해 캠(10)과 샤프트(20)는 서로 고정된다.
샤프트(20)가 고정된 상태에서 캠(10)을 회전시켜서 캠(10)과 샤프트(20)를 고정시키는 것도 가능하다.
샤프트의 회전이 완료된 시점에서 샤프트(20)의 외주면과 캠(10)의 홈(12) 사이에는 공간부가 형성되어 있다.
본 발명에서 캠(10)은 종래 기술과 달리 본 소결에 의해 제조되어 있기 때문에 종래 기술의 캠 보다 높은 경도를 가지고 있다. 따라서 캠(10)과 샤프트(20)의 고정 단계에서 크랙 문제가 발생할 가능성이 적다.
또한 본 발명에서 샤프트(20)의 돌기는 원주 방향으로 길게 형성되어 있으므로 캠(10)과 샤프트(20) 사이의 고정력을 높일 수 있다.
캠(10)과 샤프트(20)의 조립을 위한 샤프트(20)의 회전시, 샤프트(20)의 외경에 원주방향으로 형성된 돌기(21)에 의한 응력을 최소화하기 위해 캠(10)의 홈(12)이 시작되는 부분에 경사면(14)을 형성하였기 때문에 조립시 생기는 캠(10)의 크랙으로 인한 불량을 최소화할 수 있다.
[캠과 샤프트의 브레이징 접합]
캠(10)과 샤프트(20)의 회전에 의해 캠(10)과 샤프트(20)의 고정력을 높인 상태에서 소결이 아닌 브레이징에 의해 캠(10)과 샤프트(20)를 접합한다. 상기 브레이징은 Ni계 또는 Fe계 필러메탈(Filler Metal) 등을 이용하여 할 수 있다.
상기 브레이징 접합은 본 발명의 출원 전에 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.(일본 공개특허공보 소62-6772, 일본 공개특허공보 평3-189308 등 참조)
상기 브레이징 접합은 일반적으로 30분 이내에 이루어지기 때문에 본소결 및 예비소결에 의해 장시간 동안 캠 또는 캠 샤프트를 소결하는 종래 기술에 비하여 제조공정을 대폭 단축할 수 있다.
캠(10)과 샤프트(20)의 고정단계에서 조립된 캠 샤프트는, 샤프트(20)의 외주면과 캠(10)의 홈(12) 사이에 공간부가 형성되어 있고, 위 공간부는 브레이징 접합시 충전재를 위한 공간으로 사용될 수 있다.
위와 같이 고정 단계 이후에 캠(10)과 샤프트(20)의 결합은 소결이 아닌 브레이징 접합에 의해 이루어지기 때문에 종래 기술에서 나타났던 본소결 공정시 샤프트의 벤딩 문제를 최소화할 수 있다.
[본 발명의 공정 요약]
도 4는 본 발명의 전체 공정을 간략히 나타낸 것이다.
제1단계(S1)은 캠(10)을 본 소결에 의해 제작하고, 샤프트(20)를 준비하는 단계이다.
제2단계(S2)는 캠(10)과 샤프트(20)를 상대 회전 시켜서 서로 고정시키는 고정단계이다.
상기 고정단계는, 상기 샤프트(20)의 원주 방향으로 길게 형성된 돌기(21)의 원주 방향 회전에 의해 이루어진다.
상기 고정단계에서, 상기 캠(10)에 상기 샤프트(20)가 삽입될 때 상기 샤프트(20)는 상기 캠(10)의 경사면(14)에 의해 안내되는 것이 바람직하다.
제3단계(S3)는 고정단계를 거친 캠 및 샤프트 조립체를 소결이 아닌 브레이징에 의해 결합하는 단계이다.
즉, 제3단계는, 이전 단계인 고정단계에서 샤프트(20)의 원주 방향으로 길게 형성된 돌기(21)의 회전 운동에 의해 캠(10)과 샤프트(20)가 강한 결합력을 유지한 상태에서 브레이징에 의해 결합을 완성하는 단계이다.
제4단계(S4)는 결합이 완료된 캠 샤프트에 필요한 후 가공을 하는 단계이다.
본 발명에 의해 제조된 캠 샤프트는 자동차용 엔진에 사용될 수 있다.
10 캠
12 홈
14 경사면
20 샤프트
21 돌기

Claims (2)

  1. 내주면에 홈이 형성되는 캠을 제작하는 단계;
    상기 캠과, 중공 파이프로 구비되며 외주면에 돌기가 형성된 샤프트 중의 어느 하나를 다른 하나에 대하여 회전하여 상기 캠과 상기 샤프트를 서로 고정하는 고정 단계;
    상기 고정 단계 이후에 상기 캠과 상기 샤프트를 브레이징에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 브레이징 단계;를 포함하여,
    상기 샤프트의 외주면과 상기 캠의 상기 홈 사이에 공간부가 형성되어 있고, 위 공간부는 브레이징 접합시 충전재를 위한 공간으로 사용될 수 있는 캠 샤프트 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캠을 제작하는 단계에서 상기 캠은 소결 또는 주조 또는 단조 또는 소결된 캠 내부에 상기 샤프트와 동질 또는 이질의 강철제 이너피스가 확산접합된 이너피스캠으로 제작되는 캠 샤프트 제조방법.
KR1020110097973A 2011-09-28 2011-09-28 캠 샤프트의 제조 방법 Active KR101146766B1 (ko)

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