코일 스프링의 제조방법

코일 스프링의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR COIL SPRING}

본 발명은 코일 스프링의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고강도 선재를 사용하여 외경이 작은 코일 스프링 성형 시, 심금을 사용할 수 없는 경우에 적용할 수 있는 방법으로서 절단 툴과 제품 간의 직접 접촉을 피하여 제품 표면 손상과 툴 파손을 방지할 수 있는 코일 스프링의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 스프링은, 재료가 가진 탄성을 살려 그 탄성력과 반발력을 이용할 수 있도록 만든 제품으로 재질에 따라 금속과 비금속 스프링으로 구분되며, 금속스프링은 재료의 형상에 따라 크게 판 스프링과 코일스프링으로 분류된다.

그리고, 이러한 스프링은 산업 전반에 걸쳐 다양하게 사용되고 있으며, 작게는 가정용 장난감에서 크게는 자동차/항공산업에 이르기까지 실로 스프링의 사용부분은 무궁무진하다.

특히 상기 코일스프링은 봉(棒) 형상의 금속재료를 원통형의 나사선 모양으로 감은 것인데, 인장이나 압축 시 사용할 수 있고, 다양한 방향 및 각도로 구부러지는 부위를 가지는 복잡한 형상으로 이루어지게 된다.

통상, 상기 코일 스프링은 대부분 ?칭 및 템퍼링을 거친 선재를 상온에서 코일링하여 제조하는 것이 일반적이다.

그런데, 종래에는 전술한 코일링 공정을 거친 코일 스프링에 대한 후 공정이 제대로 이루어지지 않아 스프링 내측에 잔류 응력이 계속 남아 있게 됨으로써 내구성이 떨어지고, 합금 원소들의 상호 반응으로 인하여 경도 및 강도가 저하되며, 소성 변형 등으로 인해 불량률이 높아지게 되어 코일 스프링의 생산성 저하 및 품질 저하가 발생하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 코일 스프링을 제조함에 있어 선재를 코일링한 후 열처리 공정, 응력 추가 공정, 연마 공정, 프리셋 공정 등의 후 공정을 최적의 공정 조건과 공정 수에 의해 실시하여 코일 스프링의 잔류 응력을 효과적으로 제거함은 물론 강도, 경도 및 정밀도 등을 만족할 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 코일 스프링의 제조방법은, 코일링 및 절단 공정이 완료된 코일 스프링을 전기로에 넣어 잔류 응력을 제거하기 위한 1차 템퍼링 공정과; 상기 1차 템퍼링 공정을 거친 코일 스프링에 금속 입자를 고속으로 분사시키기 위한 1차 쇼트 피닝 공정과; 상기 1차 쇼트 피닝 공정 이후 코일 스프링의 자유장을 도면 기준보다 여유를 남기고 가공하는 황삭 연마 공정과; 상기 황삭 연마 공정 이후 코일 스프링에 소성 변형을 사전에 인가하는 1차 프리셋 공정과; 상기 1차 프리셋 공정 이후 코일 스프링을 도면 상의 치수대로 가공하는 정삭 연마 공정과; 상기 연마 공정 시에 발생하는 고온에 의해 저하된 표면 경도를 복구함과 동시에 표면 거칠기를 균일하게 유지하는 2차 쇼트 피닝 공정과; 상기 2차 쇼트 피닝 공정 이후 코일 스프링의 최종 작동 시 발생 가능한 소성 변형을 방지하기 위하여 사전에 그 하중을 인가하는 2차 프리셋 공정과; 상기 2차 프리셋 공정 이후 각 공정 간에 발생하는 잔류 응력을 제거하고 재료의 균질성을 확보하기 위한 2차 템퍼링 공정과; 상기 2차 템퍼링 공정 이후 최종적인 소성 변형을 인가하는 3차 프리셋 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 코일 스프링의 제조방법에 의하면, 코일 스프링 제조 공정 적용으로 인하여 예기치 않은 코일 스프링이 파손되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 높은 생산성과 고품질의 스프링을 제조할 수 있다.

또한, 쇼트 피닝 공정을 통해 잔류 응력 분포를 코일 스프링의 표면으로부터 보다 깊게 형성하여 제품의 피로 수명을 대폭 향상시킬 수 있음은 물론 경도 저하를 방지할 수 있고, 황삭 및 정삭의 연마 공정을 통해 코일 스프링의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 프리셋 공정의 조건을 변화시켜 사용 시 발생하는 소성 변형에 대한 저항성 증대를 도모할 수 있는 효과가 있다.

이로 인해, 상기 코일 스프링의 예상치 못한 마모나 파손을 방지할 수 있으며, 수명 연장에 따른 관리 비용을 절감할 수 있고, 코일 스프링에 대한 불량품 생산의 요소를 제거하여 불량률을 현저히 저하시킴으로써 생산성 향상 및 생산원가 절감 효과를 도모할 수 있다.

도 1은 코일 스프링용 자동 성형장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 코일 스프링의 제조 공정을 나타내는 구성도이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시한 바와 같이, 코일 스프링용 자동 성형장치에 의해 코일 스프링의 코일링 및 절단 과정에 대해 설명하면, 고강도 선재가 공급 레일(R)에 의해 선재 가이드(G)로 이송되고, 코일링 핀(P)에 의해 소성 가공된다.

이어서, 코일 스프링(C)을 지지하는 지지부재(S)가 일정한 높이만큼 승강하면서 코일 스프링(C)에 일정 피치(pitch)가 생기도록 하는 동시에 절단용 바이트(B)의 전단 하중을 견디게 된다.

다음으로, 상기 코일 스프링(C)이 소정 권수와 피치가 구현된 시점에서 원하는 길이로 제조될 경우 상기 바이트(B)에 의해 상기 코일 스프링(C)이 절단되어 성형된다(S10).

상기 코일링 및 절단 가공된 코일 스프링(C)의 가공에 의해 발생하는 내부 응력을 제거함과 아울러 기계적 성질을 안정화시키기 위하여 상기 코일 스프링(C)을 전기로에 넣어서 300 ~ 450℃에서 대략 35 ~ 45분 동안 잔류 응력 제거를 위한 열처리 공정인 1차 템퍼링(tempering) 공정(S20)을 수행하게 된다.

이때, 상기 1차 템퍼링 공정 조건을 300 ~ 450℃에서 대략 35 ~ 45분으로 한 이유는 300℃, 35분 미만으로 템퍼링 할 경우 잔류 응력이 제거되지 않으며, 450℃, 45분을 초과하여 템퍼링 할 경우 코일 스프링(C) 내부에 미세 탄화물들이 조대해져 경도 저하가 발생하는 문제점이 있어 바람직하지 않다.

따라서, 이러한 1차 템퍼링 공정(S20)이 진행되어 제조되는 코일 스프링(C)은 내구성이 우수하고, 표면 경도가 높아 마모가 쉽게 되지 않는 효과가 있다.

상기 1차 템퍼링 공정(S20) 이후에는 내구성 향상과 표면 조도를 증대시키기 위하여 열처리된 코일 스프링(C)을 쇼트 피닝하는 1차 쇼트 피닝(shot peening) 공정(S30)을 거치게 된다.

여기서, 상기 쇼트 피닝 공정(S30)은 코일 스프링(C)에 작은 주강 입자로 이루어진 쇼트 볼을 공기 압력이나 원심력을 이용하여 고속으로 분사시키는 공정으로, 표면의 산화막을 제거함과 아울러 표면 압축 응력 증대와 내부 인장 응력을 부가하여 제품의 밀도와 경도를 높이고 피로 수명을 증가시키는 표면 처리 공정이다.

이러한 1차 쇼트 피닝 공정(S30)은 소정 시간 동안, 바람직하게는 대략 38 ~ 42분 동안 진행되는 것이 내구성 향상과 표면 조도를 증대시키기 위한 최적의 시간 조건이다.

상기 1차 쇼트 피닝 공정(S30) 이후에는 상기 코일 스프링(C)의 내,외경을 거칠게 가공하는 황삭 연마 공정(S40)을 실시하게 된다.

상기 황삭 연마 공정(S40)은 CNC 선반 등을 이용하여 도면상에 도시된 코일 스프링(C)의 형상을 가공하되 1차 프리셋에 의한 변형량을 미리 계산하여 가공 여유를 남겨야 한다. 즉 설계 도면이 요구하는 코일 스프링(C)의 자유장을 만족시키기 위하여 도면 기준보다 여유를 남기고 가공하게 되는 것이다.

상기 황삭 연마 공정(S40) 이후에는 1차 프리셋(preset) 공정(S50)을 실시하게 되는데, 상기 1차 프리셋 공정(S50)은 코일 스프링(C)에 소성 변형을 사전에 인가하여 변형 저항성을 높임으로써, 상기 코일 스프링(C)이 적용되는 구동장치의 구동시 발생하는 스프링의 변형을 방지하는 공정이다.

상기 1차 프리셋 공정(S50)은 무 부하상태인 코일 스프링(C) 상단면의 기준 위치에서 하중 프레스의 실린더를 1.0 ~ 2.0초 동안 코일 스프링(C)의 최대 변위로 220 ~ 260kg/m ² 의 압축 하중을 인가하여 3.0mm 하강하게 된다.

이때, 상기 1차 프리셋 공정 조건을 220kg/m ² 미만으로 할 시에는 해당 조건에서 항복 강도의 저하가 미미하여 코일 스프링(C)의 최대 변위로 압축 하중 인가시 소성 변형의 발생량이 크지 않아 변형 저항성 증대 효과가 없으며, 260kg/m ² 을 초과하게 될 경우 해당 조건에서 항복 강도의 저하가 심해져서 소성 변형이 과도하게 발생하게 되므로 코일 스프링(C)의 길이가 기준 길이 이상 줄어들게 되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 코일 스프링(C)의 최대 변위로 1.0 ~ 2.0초로 시간을 설정한 이유는 1.0초 미만 시에는 시간이 너무 짧아 소성 변형이 안정적으로 발생하지 않으며, 2.0초를 초과할 경우에는 그 효과가 동일하게 된다.

이와 같이 1차 프리셋 공정(S50)이 완료된 후에는 도면 상에 도시된 코일 스프링(C)의 치수대로 가공하는 정삭 연마 공정(S60)을 실시하게 된다.

상기 정삭 연마 공정(S60)은 CNC 선반 등을 이용하여 도면 사항대로 형삭 작업이 이루어지는 공정으로, 도면 상의 정 치수대로 정밀하게 가공하게 된다.

다음으로, 코일 스프링(C)의 절단 부위에서 발생하는 버(burr)나 칩(chip) 등으로 인한 오염 및 표면 불량을 방지하기 위하여 상기 절단 부위를 챔퍼링하는 모따기(champering) 공정(S70)을 실시하게 된다.

이와 같은 모따기 공정(S70)은 상기 정삭 연마 공정(S60)에 포함되어 이루어질 수 있다.

상기 모따기 공정(S70)을 수행한 코일 스프링(C)에 대하여 2차 쇼트 피닝 공정(S80)을 수행하게 된다.

상기 2차 쇼트 피닝 공정(S80)은 1차 쇼트 피닝 공정(S30) 시에 발생할 수 있는 코일 스프링(C)의 표면 거칠기의 증대를 방지할 수 있도록 하고, 연마 가공 시에 발생하는 고온에 의해 저하된 표면 경도를 복구하기 위하여 상기 1차 쇼트 피닝 공정(S30)보다는 짧은 시간, 바람직하게는 대략 18 ~ 22분을 유지하여 효과적인 쇼트 피닝을 진행하는 것이 바람직하다.

이는 과도한 쇼트 피닝을 억제하여 표면 거칠기를 균일하게 유지할 수 있는 표면 처리 방법으로, 코일 스프링(C)이 절손되거나 미세 균열이 발생하는 위험성을 방지하여 표면 강도를 더욱 증대시키기 위함이다.

이와 같은 2차 쇼트 피닝 공정(S80) 후에는 코일 스프링(C)의 최종 작동 시 발생 가능한 소성 변형을 방지하기 위하여 사전에 그 하중을 인가하는 2차 프리셋 공정(S90)을 실시하게 되는바, 이때 상기 2차 프리셋 공정(S90)은 무 부하상태인 코일 스프링(C) 상단면의 기준 위치에서 하중 프레스의 실린더를 1.0 ~ 2.0초 동안 코일 스프링(C)의 최대 변위로 180 ~ 220kg/m ² 의 압축 하중을 인가하여 3.6mm 하강하게 된다.

이때, 상기 2차 프리셋 공정 조건을 180kg/m ² 미만으로 할 시에는 해당 조건에서 항복 강도의 저하가 미미하여 코일 스프링(C)의 최대 변위로 압축 하중 인가시 소성 변형의 발생량이 크지 않아 변형 저항성 증대 효과가 없으며, 220kg/m ² 을 초과하게 될 경우 해당 조건에서 항복 강도의 저하가 심해져서 소성 변형이 과도하게 발생하게 되므로 코일 스프링(C)의 길이가 기준 길이 이상 줄어들게 되는 문제점이 발생하게 된다. 또한 이때의 공정 시간은 1차 프리셋 공정 조건과 동일한 것이 바람직하다.

이와 같은 2차 프리셋 공정(S80)은 코일 스프링 설계공식

상기 1,2차 쇼트 피닝, 1,2차 프리셋, 연마(1차 연마(황삭), 2차 연마(정삭), 모따기) 공정 등으로 인하여 발생하는 잔류 응력을 해소하고 아울러 재료의 균질성을 확보하기 위하여 상기 코일 스프링(C)을 전기로에 넣어서 275 ~ 285℃에서 대략 6 ~ 10분 동안 잔류 응력 제거를 위한 2차 템퍼링(tempering) 공정(S100)을 수행하게 된다.

이때, 상기 2차 템퍼링 공정 조건을 275 ~ 285℃에서 대략 6 ~ 10분으로 한 이유는 275℃, 6분 미만으로 템퍼링 할 경우 앞서 1차 템퍼링 공정(S20)과 마찬가지로 잔류 응력이 제거되지 않으며, 285℃, 10분을 초과하여 템퍼링 할 경우 코일 스프링(C) 내부에 미세 탄화물들이 조대해져 경도 저하가 발생하는 문제점이 있어 바람직하지 않게 된다.

따라서, 이러한 2차 템퍼링 공정(S100)을 1차 템퍼링 공정(S20)과 함께 복합적으로 실시할 경우 제조되는 코일 스프링(C)은 내구성 및 표면 경도가 현저히 향상되는 효과가 발생하게 된다.

이와 같은 2차 템퍼링 공정(S100) 후에는 최종적인 소성 변형을 인가하는 3차 프리셋 공정(S110)을 실시하게 되는바, 이때 상기 3차 프리셋 공정(S110)은 무 부하상태인 코일 스프링(C) 상단면의 기준 위치에서 하중 프레스의 실린더를 대략 180 ~ 220kg/m ² 의 가압 하중으로 3.0mm 하강하되, 육안으로 확인이 불가능한 불량을 검출하기 위하여 연속적으로 다수 회(대략 10회) 인가하게 된다.

이때, 상기 3차 프리셋 공정의 가압 하중 조건은 2차 프리셋 조건과 동일하게 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 3차 프리셋 공정(S110)은 최종적으로 설계되어진 스프링에 최적화된 기능을 발현하도록 소성 변형에 대한 내구성을 부여하는 공정으로, 3차 프리셋 공정(S110)에서 1,2차 프리셋과 1,2차 열처리 등 선행공정이 정상적으로 진행되었는지에 대한 검증과 제품의 심각한 결함 유무를 확인할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따르면 고강도 선재의 코일 스프링 제조 공정 시에 각 공정별 엄격한 품질 관리가 수행되었는지를 검증함과 동시에 제품의 작동 시 발생하는 소성 변형이나 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 2번의 템퍼링 공정에 의한 열처리를 통해 잔류 응력을 완전히 제거할 수 있게 된다.

또한, 2번의 쇼트 피닝 공정을 통해 잔류 응력 분포를 코일 스프링(C)의 표면으로부터 보다 깊게 형성하여 제품의 피로 수명을 대폭 향상시킬 수 있음은 물론 경도 저하를 방지할 수 있고, 황삭 및 정삭의 연마 공정을 통해 코일 스프링(C)의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 3번의 프리셋 공정의 조건을 변화시켜 변형 저항성 증대를 도모할 수 있게 된다.

결국, 상기 코일 스프링(C)의 수명 연장에 따른 관리 비용을 절감할 수 있으며, 코일 스프링(C)에 대한 불량 생산의 요소를 제거하여 불량률을 현저히 저하시켜 생산성 향상에 따른 금전적 비용 절감을 도모할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.

S10 : 코일링 및 절단 공정 S20 : 1차 템퍼링 공정
S30 : 1차 쇼트 피닝 공정 S40 : 황삭 연마 공정
S50 : 1차 프리셋 공정 S60 : 정삭 연마 공정
S70 : 모따기 공정 S80 : 2차 쇼트 피닝 공정
S90 : 2차 프리셋 공정 S100 : 2차 템퍼링 공정
S110 : 3차 프리셋 공정