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KR101183812B1 - 볼 앤드 소켓 조인트 및 그 제조 방법 - Google Patents

볼 앤드 소켓 조인트 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR101183812B1
KR101183812B1 KR1020077004838A KR20077004838A KR101183812B1 KR 101183812 B1 KR101183812 B1 KR 101183812B1 KR 1020077004838 A KR1020077004838 A KR 1020077004838A KR 20077004838 A KR20077004838 A KR 20077004838A KR 101183812 B1 KR101183812 B1 KR 101183812B1
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socket joint
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폴커 그루베
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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은 2개의 하우징 절반부로 이루어진 하우징, 및 라운딩된 베어링 면을 가진 볼 소켓을 포함하는, 특히 자동차의 샤시 모듈 및 스티어링 모듈용 볼 앤드 소켓 조인트에 관한 것이다. 상기 베어링 면은 탄성 플라스틱으로 제조되어 상기 조인트 하우징의 리세스 내에 고정된 베어링 셸 내에 수용된다. 본 발명은 또한, 볼 앤드 소켓 조인트(1)의 조립 동안 2개의 하우징 절반부(3a, 3b)가 규정된 압축력으로 상기 볼 앤드 소켓 조인트(1)의 종축 방향으로 함께 압축되고, 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 하나 이상의 재료 결합식 결합에 의해, 상기 압축력에 의해 미리 규정된 조립 위치로 유지되는, 상기 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.
볼 앤드 소켓 조인트, 하우징 절반부, 베어링 면, 베어링 셸, 리세스.

Description

볼 앤드 소켓 조인트 및 그 제조 방법{BALL AND SOCKET JOINT AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른, 특히 자동차의 샤시 모듈 및 스티어링 모듈용 볼 앤드 소켓 조인트 및 청구항 11의 전제부에 따른 상기 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.
볼 앤드 소켓 조인트들은 선행 기술에 공지되어 있으며, 상이한 실시예로 모든 기술 분야에, 특히 자동차 산업에 사용된다. 상기 볼 앤드 소켓 조인트들은 그 사용의 범주에서 일반적으로 매우 높은 동적 방사방향 부하 및 정적 예비 부하를 전달해야 한다. 특히 이러한 볼 앤드 소켓 조인트의 하우징 디자인에 있어서 기본적으로 2개의 상이한 구성 변형예가 알려져 있다. 한편으로는 하우징이 일체형 관, 바람직하게는 강관으로 제조되고, 제조의 범주에서 상기 볼 앤드 소켓 조인트의 나머지 부품들이 상기 관 내로 압입된다. 이 경우, 제조 단계들에서 제 1 폐쇄 링이 하우징 내로 삽입된 다음, 볼 소켓 및 베어링 셸로 이루어진 유닛이 하우징 내로 삽입되고, 2 폐쇄 링에 의해 하우징 내에 고정된다.
다른 구조적인 변형예로는 2 부분의 조인트 하우징들이 공지되어 있으며, 상기 하우징들은 탄성 톱니 부재에 의해 조립된 상태로 서로 록킹된다. 상기 두 변 형예에서 베어링 셸로는 일반적으로 플라스틱으로 이루어진 셸이 사용되며, 상기 셸은 내부에 놓인 볼 소켓의 베어링 면과의 조립을 위해 일련의 슬롯을 가지며, 상기 슬롯들은 베어링 셸을 볼 표면 위에 씌우는 것을 가능하게 한다. 이 경우 바람직하게 사용되는 POM 플라스틱 재료는, 부하의 증가 시에 플라스틱 재료가 크리이프되기 시작하고 베어링 셸 내에 있는 슬롯 내로 이동하는 단점을 갖는다. 이로 인해, 볼 앤드 소켓 조인트에는 큰 유격이 생기고, 상기 유격은 짧은 시간 간격 내에 전체 부품의 고장을 일으킨다.
또한, 전술한 볼 앤드 소켓 조인트는 부품의 종방향으로 매우 낮은 강성을 갖는데, 그 이유는 플라스틱이 그 크리이프 특성으로 인해 종방향으로 매우 쉽게 휘어질 수 있고 따라서 축방향 유격이 생기기 때문이다. 이러한 단점은 특히 볼 앤드 소켓 조인트가 일체형일 때 조인트 폐쇄부가 박판 부품으로서 형성된 폐쇄 링을 통해 마찬가지로 비교적 쉽게 휘어져야 하고 따라서 폐쇄 링에 의해 고정된 베어링 셸이 상응하는 크기의 부하에서 충분히 지지될 수 없기 때문에, 더 커진다.
선행 기술에 공지된 볼 앤드 소켓 조인트의 전술한 단점을 기초로, 본 발명의 목적은, 공지된 실시예에 비해 수명이 현저히 증가하고 동시에 제조 비용이 낮은 볼 앤드 소켓 조인트를 제공하는 것이다. 또한, 간단한 수단을 이용한 적합한 조치에 의해 치수 공차, 특히 베어링 셸과 조인트 하우징 간의 치수 공차가 보상되어야 하는데, 그 이유는 통상 좁게 설정되는 볼 앤드 소켓 조인트의 공차가 비교적 클 경우 제조 비용이 현저히 감소할 수 있기 때문이다.
상기 목적은 볼 앤드 소켓 조인트와 관련해서 청구항 1의 특징에 의해 달성된다. 제조 방법과 관련한 상기 목적은 청구항 11에 따른 특징을 가진 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법에 의해 달성된다.
볼 앤드 소켓 조인트의 기술적 특징은 볼 앤드 소켓 조인트의 조립 동안 2개의 하우징 절반부가 상기 볼 앤드 소켓 조인트의 종축 방향으로 규정된 압축력으로 함께 압축되고, 상기 하우징 절반부 사이의 하나 이상의 재료 결합식 결합에 의해, 상기 압축력에 의해 미리 규정된 조립 위치로 유지되는 것이다.
규정된 압축력에 의해 베어링 셸 내부에는 예비 응력이 생기고, 상기 응력이 주어진 경우 지금까지의 선행 기술과는 달리 정적인 특성값이 개별 부품의 제조 공차 및 경우에 따라 폐쇄 링의 고정의 범주에서 변형 과정에 의해 결정되는 것이 아니라, 하우징 절반부 간의 조립 과정 동안 규정된 압축력에 의해 결정된다. 따라서, 조인트 강성은 값이 매우 작게 변동되는 예비 응력의 제공에 의해 형성될 수 있다.
또한, 규정된 압축력에 의해 부분적으로 증가된 예비 응력이 베어링 셸 내에 발생될 수 있고, 이로 인해 규정된 작은 마찰 반경이 주어진다. 이러한 효과를 얻기 위해, 베어링 셸과 이것을 둘러싸는 하우징 절반부의 볼 중심 반경들의 오프셋이 필요하다.
청구항 11에 제시된, 본 발명에 따른 제조 방법에 관련한 기술적 특징은 볼 소켓과 베어링 셸을 조인트 하우징의 리세스 내로 삽입한 후에 압축을 위한 규정된 압축력이 하우징 절반부에 가해지고, 상기 압축력이 하우징 절반부 내의 리세스의 내부면을 통해 베어링 셸로 전달되며, 상기 하우징 절반부는 이들 사이의 하나 이상의 재료 결합식 결합을 이용해서, 상기 압축력에 의해 미리 규정된 조립 위치로 고정된다는 것이다.
하우징 절반부에 압축력을 제공하는 것은 베어링 셸의 탄성 특성과 관련해서 서로 조립되는 부재들의 치수 보상을 할 수 있는, 공정 기술적으로 간단한 방법이다. 상기 규정된 압축력은 베어링 셸 절반부의 압축으로 인한, 힘이 제어되는 예비 응력에 의해 조인트 강성을 증가시킬 수 있다.
힘이 제어되는 예비 응력은 공차의 작은 변동에 의해 얻어질 수 있다. 또한, 후속하는 재료 결합에 의해 예컨대 베어링 셸의 고정 시에 롤링에 의해 고정된 폐쇄 링에 의해 주어지는 바와 같은 추가의 외력이 베어링 셸에 작용하지 않는다. 재료 결합은 용접 공정, 납땜 공정 또는 접착 공정에 의해 기술적인 기본 조건 및 통상의 장치로 저렴하게 구현될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 방법에 의한 제조 비용이 전체적으로 지금까지 통상적인 것보다 현저히 낮다.
본 발명에 따른 볼 앤드 소켓 조인트 및 그 제조 방법의 특별한 실시예는 청구항 1 및 11항의 기술적 특징과 함께 이 항들을 인용하는 종속 청구항에 제시된다.
볼 앤드 소켓 조인트와 관련해서 재료 결합이 용접에 의해 구현되는 것이 특히 바람직한 것으로 나타났다. 이 경우, 용접 공정 동안 공급되는 열을 통해 조인트의 템퍼링이 이루어짐으로써, 조인트에 개선된 지지면이 형성되고 베어링 셸의 추후 침하가 방지된다.
베어링 셸이 조인트 하우징의 리세스의 내벽과 접촉하는 그 외부면에 상기 외부면을 돌출하는 하나 이상의 지지 돌출부를 가지며, 상기 돌출부를 위해 조인트 하우징의 리세스 내에 대응하는 홈이 형성되면, 변위 및 비틀림 방지될 수 있다. 그와 동시에, 그 밖에 일정한 벽 두께에 의해 최대로 가능한 지지면이 보장된다. 지지 돌출부는 방사방향으로 둘러싸는 지지 칼라로서 형성될 수 있고, 상기 지지 칼라는 조인트 하우징의 방사방향 홈 내에 맞물리며, 상기 홈은 각각 부분적으로 2개의 하우징 절반부 내에 형성된다.
하우징 절반부 간의 고정은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 예컨대 레이저 용접 결합에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 레이저 용접 결합은 조인트 하우징의 외부 윤곽에 빙 둘러 배치된 개별 용접 섹션으로 이루어지거나 또는 대안으로서 조인트 하우징의 외부 에지를 둘러싸는 용접 결합부로 형성될 수 있다.
용접 결합이 레이저 용접에 의해 이루어지면, 용접 결합부가 저렴하고 정확하게 형성될 수 있기 때문에 바람직하다.
이하, 볼 앤드 소켓 조인트 및 그 제조 방법과 관련한 본 발명의 특징들을 2개의 실시예를 참고로 구체적으로 설명한다.
도 1은 조립 동안 본 발명에 따른 볼 앤드 소켓 조인트의 단면도.
도 2는 조립 종료 후 도 1의 볼 앤드 소켓 조인트의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 볼 앤드 소켓 조인트의 다른 실시예의 단면도.
도 1 내지 도 3에 2개의 상이한 실시예로 도시된 본 발명에 따른 볼 앤드 소켓 조인트는 관통구를 가진 볼 소켓(1), 베어링 셸(2) 및 상기 베어링 셸을 둘러싸는 조인트 하우징(3)으로 이루어진다. 상기 조인트 하우징은 대칭으로 형성된 2개의 하우징 절반부(3a, 3b)로 구성된다.
볼 소켓(1)은 2개의 대칭 단부 영역(4, 5) 및 그 사이에 놓인 중앙 영역을 가지며, 상기 중앙 영역의 외부 윤곽은 볼형 베어링 면(6)으로 형성된다. 물론, 타원형으로 형성된 베어링 면과 같은 다른 실시예도 가능하다. 베어링 면(6)은 베어링 셸(2)에 의해 둘러싸이고, 상기 베어링 셸(2)은 마찬가지로 베어링 면(6)의 윤곽에 상응하게 구형으로 형성되고, 이 실시예에서는 그 횡단면에 걸쳐 동일하게 유지되는 두께를 갖는다. 베어링 셸(2)의 외부 윤곽에는 지지 돌출부(7)가 배치되고, 상기 지지 돌출부(7)는 베어링 셸 둘레로 지지 칼라로서 형성되어 있다. 베어링 셸(2)은 조인트 하우징(3)에 의해 둘러싸이고, 상기 조인트 하우징(3)은 상기 목적을 위해 베어링 셸(2)의 외부 윤곽에 매칭된 리세스(8)를 갖는다. 도 1에는, 베어링 면의 구 반경(Rs)과 조인트 하우징의 리세스의 구 반경(RG)의 중심점들이 서로 중심 종축(11)의 방향으로 변위되어 있음이 나타난다.
여기서는, 조인트 하우징(3)이 각각 상부 및 하부 단부 영역에서 베어링 셸(2)에 접촉하는 반면, 구형 베어링 셸의 중앙 영역에서는 상기 베어링 셸과 상기 조인트 하우징(3)의 리세스의 내부면 사이에 사이 공간(9)이 있다.
조인트 하우징(3)은 전술한 바와 같이 2 부분으로 형성되고, 하우징 절반 부(3a, 3b)는 각각 홈형 리세스의 절반을 제공한다. 하우징 절반부(3a, 3b)는 조립 동안 볼 소켓(1)의 각각의 단부 영역(4, 5) 위로 씌워지고 볼 앤드 소켓 조인트 중심으로 변위된다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 하우징 절반부(3a, 3b) 사이에는 간격 영역(10)이 남는다.
볼 앤드 소켓 조인트 부품의 조립 후에, 힘 벡터들(F1, F2)에 따라 규정된 압축력이 그 외부면에서 중심 종축(11)의 방향으로 2개의 하우징 절반부(3a, 3b)에 가해진다.
압축력(F1, F2)은 각각 외부 숄더(12, 13)에 작용하며 서로 대향하기 때문에, 하우징 절반부(3a, 3b)의 압축을 야기한다.
압축력(F1, F2) 제공의 결과는 도 2에 도시되어 있다. 사이 공간(9) 및 간격 영역(10)은 플라스틱 재료에서 생긴 베어링 셸(2)의 소성으로 인한 베어링 셸(2)의 가요성에 의해 사라진다. 따라서, 베어링 셸의 전체 표면이 볼 소켓의 구형 베어링 면(6) 및 하우징 절반부(3a, 3b)의 리세스(8)의 내부 윤곽에 접촉하게 된다. 따라서, 경우에 따라 존재하는 베어링 셸(2), 볼 소켓(1) 및 조인트 하우징(3)의 리세스(8)의 치수 공차는 하우징 절반부(3a, 3b)의 제어된 압축에 의해 제거된다.
또한, 도시된 실시예에서 베어링 셸의 내부에는 구 반경(RS, RG)의 상이한 중심점에 의해 상이한 예비 응력 분배가 주어지기 때문에, 규정된 보다 작은 마찰 반경으로 인해 보다 작은 마찰 모멘트가 주어진다.
압축력에 의해 주어지는 하우징 절반부(3a, 3b) 간의 조립 위치에서, 상기 하우징 절반부는 용접 결합(14) 형태의 재료 결합식 결합에 의해 서로 결합된다. 용접 결합은 도시된 형태로 V 시임으로서 형성되거나 또는 다른 형태를 가질 수 있다. 도시된 실시예에 있어서 레이저 용접이 실용적이고 저렴한 용접 방법으로 나타났다.
용접 공정으로 인해 금속 하우징 절반부(3a, 3b) 내로 도입된 열은 추가의 장점으로서 플라스틱으로 이루어진 베어링 셸을 템퍼링한다. 즉, 열 도입은 베어링 셸 내에서 응력을 균일화한다. 이는 인공 에이징에 상응하기 때문에, 조인트 내에 매우 양호한 지지면이 얻어지고 볼 앤드 소켓 조인트의 추후 침하 또는 노화가 더 이상 일어나지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 장점은 규정된 압축력(F1, F2)이 서로 결합될 부품들의 미리 규정된 공차에 따라 미리 규정될 수 있다는 것이다. 이 경우, 공차 보상에 추가해서, 경우에 따라 베어링 셸 횡단면 내부에서 상이한 응력 분배를 가진 베어링 셸의 예비 응력이 하우징 절반부(3a, 3b)의 상응하는 압축에 의해 야기될 수 있다.
후속해서 용접 공정, 납땜 공정 또는 접착 공정에 의한 재료 결합식 결합은 볼 앤드 소켓 조인트의 통상의 조립 기술과는 달리, 베어링 셸의 내부에서 예비 응력을 변화시키지 않는데, 그 이유는 예컨대 용접 자체가 조인트에 대한 추가의 힘 제공을 수반하지 않기 때문이다.
용접 공정 자체가 조인트 하우징(3)의 둘레에 있는 개별 용접 섹션에 국한되거나 또는 전체적으로 조인트 하우징(3)의 둘레를 둘러싸도록 이루어질 수 있다.
도 3은 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 결합 영역이 달리 형성된, 본 발명에 따른 볼 앤드 소켓 조인트의 다른 실시예를 도시한다. 여기서, 하측 하우징 절반부(3b)는 상측 하우징 절반부(3a)와 마주하는 영역에서 최외측 둘레를 따라서 원통형 외벽 형태의 칼라가 형성되고, 그 칼라 내부는 공간이 된다. 상측 하우징 절반부(3a)는 하측 하우징 절반부(3b)와 형상이 상보적으로 되어 있어 상기 하측 하우징 절반부(3b)의 칼라 내부의 공간에 수용될 수 있는 볼록 형상부를 가지고 있다. 따라서, 상측 하우징 절반부의 볼록 형상부가 상기 하측 하우징 절반부(3b)의 칼라 내부의 공간에 수용되면서 도 3의 도면을 기준으로 상하방향으로 상측 하우징 절반부(3a)는 하측 하우징 절반부(3b)에 중첩된다. 상기 칼라는 조립 시에 하우징 절반부(3a, 3b)용 가이드를 형성하므로, 조립 공정 동안 힘(F1, F2)이 가해지면, 하우징 절반부(3a, 3b)를 서로 위치 설정하기 위한 다른 장치가 필요 없다.

Claims (15)

  1. 특히 자동차의 샤시 모듈 및 스티어링 모듈용 볼 앤드 소켓 조인트로서, 2개의 하우징 절반부로 이루어진 조인트 하우징, 및 라운딩된 베어링 면을 가진 볼 소켓을 포함하고, 상기 베어링 면은 탄성 플라스틱으로 제조되어 상기 조인트 하우징의 리세스 내에 고정된 베어링 셸 내에 수용되는 볼 앤드 소켓 조인트에 있어서, 상기 볼 앤드 소켓 조인트(1)의 조립 동안 상기 2개의 하우징 절반부(3a, 3b)가 규정된 압축력으로 상기 볼 앤드 소켓 조인트(1)의 중심 종축(11) 방향으로 함께 압축되고, 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 하나 이상의 재료 결합식 결합에 의해, 상기 압축력에 의해 미리 규정된 조립 위치로 유지되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 재료 결합식 결합은 용접 결합, 특히 레이저 용접 결합인 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 재료 결합식 결합은 납땜 결합인 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 재료 결합식 결합은 접착 결합인 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베어링 셸(2)은 상기 조인트 하우징(3)의 리세스(8)의 내벽과 접촉하는 그 외부면에 상기 외부면을 돌출하는 하나 이상의 지지 돌출부(7)를 가지며, 상기 돌출부를 위해 상기 조인트 하우징(3)의 리세스(8) 내에 대응하는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 지지 돌출부(7)는 방사방향으로 둘러싸는 지지 칼라로서 형성되고, 상기 지지 칼라는 상기 조인트 하우징(3)의 방사방향 홈 내로 맞물리는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 홈은 각각 부분적으로 2개의 하우징 절반부(3a, 3b) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료 결합식 결합은 상기 조인트 하우징의 외부 윤곽에 빙 둘러 배치된 개별 용접 섹션으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 재료 결합식 결합은 상기 조인트 하우징(3)의 외부 에지를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베어링 면(6)의 구 반경(RS)과 상기 조인트 하우징(3)의 리세스(8)의 구 반경(RG)의 중심점들은 압축력(F1, F2)의 제공 전에 서로 상기 중심 종축(11)의 방향으로 변위되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트.
  11. 특히 자동차의 샤시 모듈 및 스티어링 모듈용 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법으로서, 상기 볼 앤드 소켓 조인트가 금속 조인트 하우징, 및 라운딩된 베어링 면을 가진 볼 소켓으로 이루어지고, 상기 베어링 면은 탄성 플라스틱으로 제조된 베어링 셸 내에 수용되고, 상기 베어링 셸은 상기 조인트 하우징의 리세스 내에 고정되는, 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법에 있어서,
    볼 소켓(1)과 베어링 셸(2)을 상기 조인트 하우징(3)의 리세스(8) 내로 삽입한 후에, 압축을 위한 규정된 압축력(F1, F2)이 중심 종축의 방향으로 상기 하우징 절반부(3a, 3b)에 가해지고, 상기 압축력이 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 내의 상기 리세스(8)의 내부면을 통해 상기 베어링 셸(2)로 전달되며, 상기 하우징 절반부(3a, 3b)는 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 하나 이상의 재료 결합식 결합을 이용해서, 상기 압축력(F1, F2)에 의해 미리 규정된 조립 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 상기 재료 결합식 결합은 레이저 용접 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 상기 재료 결합식 결합은 납땜 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 하우징 절반부(3a, 3b) 사이의 상기 재료 결합식 결합이 접착 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법.
  15. 제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 제조 동안 상기 베어링 면(6)의 구 반경(RS)과 상기 조인트 하우징(3)의 리세스(8)의 구 반경(RG)의 중심점들이 서로 상기 중심 종축(11)의 방향으로 변위되는 것을 특징으로 하는 볼 앤드 소켓 조인트의 제조 방법.
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