연결 샤프트 부품의 가공 어려움을 분석하고 가공 방법을 개선합니다. 질화 표면 가공 시 주의 사항에 중점을 둡니다. 질화 전에 부품의 가장자리를 무디게 함으로써 질화 중 응력 상황이 개선되어 질화 후 가공 시 부품의 가장자리가 쉽게 부러지는 문제를 효과적으로 해결하고 부품의 가공 품질을 보장합니다.
1부
소개
질화란 공작물의 표면층에 질소 원자를 침투시키는 공정으로, 표면층의 화학적 조성을 변화시켜 질화물을 주성분으로 하는 층을 형성함으로써 부품의 표면 경도, 내마모성, 내피로성 및 내마모성을 향상시키는-공정입니다[1]. 가스 질화 후 부품의 표면 경도는 50N 하중에서 1000HV(약 70HRC)에 도달할 수 있으며 600도 온도에서도 여전히 높은 경도와 높은 내마모성을 유지할 수 있습니다. 질화 후 부품 표면은 더 큰 잔류 압축 응력을 얻을 수 있으며 피로 강도도 크게 향상될 수 있습니다[2]. 이는 다른 화학적 열처리와 비교할 수 없습니다. 질화는 가스질화, 액체질화, 이온질화 등으로 분류됩니다. 당사에서는 현재 주로 가스질화를 사용하고 있습니다. 가스 질화는 액체 질화에 비해 분위기 제어가 용이하고(암모니아를 질화 매체로 사용) 인체 건강과 환경을 위협하는 유해 가스가 적고 품질이 안정적이므로 널리 사용됩니다. 질화 부품에 일반적으로 사용되는 재료로는 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb(15-5PH) 및 0Cr13Ni8Mo2Al(PH13-8Mo)은 일반적으로 조인트, 지지대, 로커 암과 같이 내마모성이 요구되는 응용 분야에 사용됩니다.
질화는 전체 질화와 국부 질화로 나누어진다. 설계 중에는 국부적인 질화를 최대한 피해야 합니다. 국부적인 질화 처리가 필요한 경우 다음 방법 중 하나를 사용하여 질화 방지 처리를 수행할 수 있습니다. ① 질화 깊이의 2배 이상의 가공 여유를 허용합니다. ② 주석층을 0.003~0.015mm 두께로 도금합니다. ③ 무-두께 0.02mm 이상의 구리층을 도금합니다. ④ 니켈층을 0.02~0.04mm 두께로 도금한다. ⑤ 질화방지 코팅을-적용합니다.
질화 전 부품의 표면 거칠기는 도면 요구 사항을 충족해야 합니다. 일반적으로 표면 거칠기 값 Ra는 0.4~0.8μm 사이에서 제어되어야 합니다. 표면은 깨끗하고 기름 얼룩, 녹 반점, 찌그러짐, 특히 날카로운 모서리가 없어야 합니다. 공작물의 가공 여유는 공정 사양을 충족해야 합니다. 일반적으로 구조 부품의 질화 표면 한쪽의 연삭 여유는 0.05mm 이하이어야 합니다.
질화 공정 온도는 상대적으로 낮으며 일반적으로 460-650도입니다. 질화 분위기 제어는 매우 중요합니다. 비정상적인 분위기는 질화층 깊이 부족, 질화층 네트워크 구조, 화합물 느슨한 등의 결함을 유발할 수 있습니다[3]. 질화는 큰 변형을 일으키는 담금질이나 기타 처리를 거치지 않기 때문에 변형이 적다는 것이 질화 공정의 주요 장점이며 질화 후 가공되지 않는 부품에 매우 유리합니다. 질화의 치수 불안정성의 주요 원인은 구조 및 잔류 응력의 변화뿐만 아니라 사용 조건에서 발생하는 미세 소성 변형입니다. 일반적으로 질화 표면의 변형은 질화 층 두께와 양의 상관 관계가 있으며, 이는 부품의 질화 층 두께의 약 1/10입니다. 프로세스 흐름을 컴파일할 때 치수에 대한 변형의 영향을 완전히 인식해야 합니다. 공차가 작은 치수는 질화 처리 후 정밀 가공해야 합니다.
2부
연결축 부품 가공의 어려움 분석
그림 1에 표시된 연결축은 무기 해치 및 플랩과 같은 서보 가변 유압 모터의 흐름 피드백 장치에 사용됩니다. 스와시플레이트 어셈블리와 센서 사이의 연결 브릿지입니다. 그 기능은 스와시플레이트 어셈블리의 회전 각도 토크를 센서에 정확하게 전달하고 유압 모터의 흐름을 모니터링하는 것입니다. 부품은 0Cr17Ni4Cu4Nb 석출-경화 스테인리스강으로 만들어졌습니다. 오른쪽과 왼쪽 끝(각각 Φmm 및 Φmm)의 외부 원형 표면은 0.1~0.3mm 깊이로 질화되어야 합니다. 질화 표면의 경도는 58 HRC 이상이어야 하며, -질화 처리되지 않은 표면과 코어의 경도는 31-39 HRC여야 합니다. 외부 원형 표면에 있는 두 개의 밀봉 홈과 하나의 고정 링 홈 사이의 전환 지점에는 R0.1–R0.2 mm 반경의 연마가 필요합니다. 질화 표면의 높은 경도와 취성으로 인해 질화 표면을 가공하고 질화 표면과 비-질화 표면 사이의 전이 필렛을 처리하는 데 가공 난이도가 있습니다. 부적절한 공정 흐름 및 가공 방법은 날카로운 모서리의 치핑과 같은 품질 문제를 초래할 수 있습니다. 따라서 공정 계획의 합리성이 중요합니다.
그림 1 연결 샤프트
3부
마무리 방법 선택
질화 표면은 높은 경도, 높은 강도, 높은 취성, 내마모성 및 내식성을 가지며 화학적 안정성이 우수하지만 가공성은 상대적으로 열악합니다. 질화 표면은 전형적인 단단하고 부서지기 쉬운 재료입니다. 부적절한 가공 방법은 공작물의 표면층 구조를 손상시킬 수 있으며, 이로 인해 질화 표면의 고품질 가공이-기술적으로 어려워집니다.
질화 표면의 주요 가공 방법은 선삭, 밀링, 연삭입니다. 공구 내마모성과 공구 수명을 고려하면 가능하면 선삭 및 밀링에는 PCBN(다결정 입방정 질화붕소) 인서트를 사용해야 합니다. 다결정 입방정 질화붕소 인서트의 경도는 3500~4500HV이고 내열 온도는 1250~1350도입니다. 이 소재는 탁월한 화학적 불활성, 우수한 인성 및 열 전도성, 낮은 마찰 계수, 강력한 접착 방지 특성을 나타내므로 경화강, 코발트- 기반 소재 및 절단하기 어려운 니켈- 기반 소재 가공에 특히 적합합니다[4, 5]. 공구 경로 설계에서 공구는 솔리드 부분에서 외부를 향한 경로를 피하고 가공물 외부에서 솔리드 부분을 향해 들어가야 합니다. 그럼에도 불구하고 모서리 치핑을 완전히 제거할 수는 없습니다.
부품 구조가 허용하는 경우 연삭이 선호되는 가공 방법이어야 합니다. 그라인딩 휠을 선택할 때 경도가 지나치게 높은 휠은 일반적으로 피해야 합니다. 경도가 너무 높으면 접촉점의 온도가 급격히 상승하여 높은 연삭 온도에서 가공물 표면에 열 응력이 발생하여 궁극적으로 잔류 인장 응력이 발생하고 연삭 균열이 발생할 위험이 높아집니다. 백색 용융 알루미나 연삭 휠은 절단 성능이 우수하지만 인성이 낮기 때문에 연마 입자가 쉽게 떨어져 나갈 수 있습니다. 질화 표면 연삭의 경우 백색 용융 알루미나 휠이 단결정{4}} 용융 알루미나 휠보다 우수합니다[6-8].
외부 원통 연삭 방법은 세로 연삭과 횡 연삭으로 구분됩니다. 종방향 연삭은 효율성이 낮지만 표면 품질이 향상되고 표면 거칠기가 낮아집니다. 가로 연삭은 더 효율적이지만 더 큰 연삭력과 더 높은 온도가 필요하므로 충분한 절삭유 공급이 필요합니다. 질화 표면 연삭의 경우 효율성은 낮지만 세로 연삭이 선호됩니다. 연삭 공정 중에 열이 더 쉽게 발산되어 연삭 균열 가능성이 줄어들기 때문입니다.
4부
프로세스 흐름
질화 스테인리스강 부품의 공정 사양을 작성할 때 가공 단계 구분과 질화 방지 방법 선택을 충분히 고려해야 합니다.{0}} 동시에, 가공 응력으로 인한 부품 변형을 제거하기 위해 응력-완화 공정을 적절한 위치에 배치해야 합니다. 질화 표면 처리에는 가능한 한 그라인딩을 사용해야 합니다. 연삭은 가공물 표면에 압축 응력을 발생시키고, 선삭 및 밀링은 인장 응력을 발생시킵니다. 연삭은 부품 표면의 무결성을 보장할 가능성이 더 높습니다. 프로세스 흐름은 일반적으로 다음 단계로 나눌 수 있습니다.
(1) 기어 블랭크 성형: 블랭크는 단조 또는 바 스톡입니다.
(2) 거친 가공: 과도한 양의 재료를 제거합니다.
(3) 용체화 처리 및 석출 경화: 비-질화 표면의 경도 요건을 보장합니다.
(4) 준{1}}마무리: 열처리된 표면의 흑색 스케일을 제거-하고 약간의 마무리 여유를 남깁니다.
(5) 응력 완화 처리: 복잡하고-벽이 얇으며 정밀하고-직경이 큰 부품의 경우 황삭 또는 중{3}}질화 처리 후 변형을 줄이기 위해 응력 제거 처리를 수행해야 합니다(여러 처리가 필요할 수 있음). 응력 제거 전에 특정 가공 여유를 남겨 두어야 합니다.
(6) 동도금 : 보호를 위해 동도금을 적용하며, 전체 동도금 두께는 30~50μm이다.
(7) 준{1}}마무리 : 질화처리된 표면의 동층을 제거하여 질화처리를 위한 표면가공을 완료한다.
(8) 가스 질화 : 표면 질화 작업이 완료됩니다. 특히 정밀하거나 변형되기 쉬운 부품의 경우 질화 전에 일정한 연삭 여유분을 남겨두고 질화 후 연삭을 통해 구리를 제거합니다.
(9) 구리 제거: 부품 표면의 구리층을 모두 제거합니다.
(10) 마무리 : 질화 표면 및 정밀 치수가 마무리됩니다.
제5부
공정 최적화 전 가공 흐름 및 기존 문제
공정 최적화 전 연결 샤프트의 주요 가공 흐름은 Ø10mm 외경 및 홈의 CNC 터닝 → Ø5mm 외경 및 부품 외형의 황삭 밀링 → 구리 도금 → Ø10mm 외경 표면에서 구리층을 제거하는 CNC 터닝 → Ø5mm 외경 표면에서 구리층을 제거하는 수직 머시닝 센터 → 질화 → 구리 스트리핑 → Ø10mm 외경 외부 원통 연삭 → 필렛 연마입니다.
외경 Ø10mm와 폭 3.4mm 홈의 접합부에서 필렛 반경 R0.15mm, 외경 Ø5mm 접합부의 날카로운 모서리에서 반경 R0.5mm이기 때문에 외부 원통 연삭기와 좌표 연삭기에서 가공한 후 R0.15mm와 R0.5mm는 더 이상 완전하지 않습니다. 연삭 후 날카로운 모서리가 생성되지만 필렛 요구 사항을 충족하려면 연마가 필요합니다. 그러나 필렛 공차는 작아서 연마 중에 공차를 초과하기 쉽습니다. 또한, 필렛연마 시 여유분을 과도하게 제거하여 가장자리 부분에 치핑(Chipping)이 발생할 가능성이 매우 높습니다. 한편, 외부 원의 환형 홈은 질화 후에 약간의 변형을 겪게 됩니다. 환형 홈을 질화 처리 전에 도면에서 요구하는 최종 크기로 가공하면 질화 처리 후에 환형 홈의 개구부가 수축되어 치수 편차가 발생합니다.
6부
최적화된 프로세스 계획
(1) Ø10mm 외부 원의 최적화 방법: 연삭 후 둥근 모서리의 무결성을 보장하려면 Ø10mm 외부 원과 밀봉 홈 사이의 전환점에서 둥근 모서리를 거친 가공 중에 기하학적으로 가공해야 합니다. 둥근 모서리에 원추형 전이가 추가되며, 원추형 표면의 깊이는 연삭 공차에 따라, 원추형 표면의 각도는 10도 -20도에 따라 추가됩니다. 원뿔형 표면과 씰링 홈의 측면은 둥근 모서리(도면에 필요한 최종 둥근 모서리)로 전환됩니다. 이렇게 하면 정삭 중 연삭 여유분을 제거한 후 둥근 모서리의 전환이 완전히 보존되고 후속 연마 중 둥근 모서리의 여유분을 과도하게 제거하여 가장자리 칩이 발생하지 않습니다. 실제 검증에 따르면 보호 전이 원추형 표면을 추가한 후 치핑 현상이 완전히 제거되어 부품의 가공 품질이 보장됩니다. 그림 2는 공정 개선 전 외부 원과 씰링 홈의 CNC 터닝을 보여줍니다. 그림 3은 공정 개선 후 실링 홈의 날카로운 모서리에 대한 기하학적 처리를 보여줍니다.
그림 2: 공정 개선 전 외부 원과 실링 홈의 CNC 터닝
그림 3: 공정 개선 후 실링 홈의 날카로운 모서리의 기하학적 처리
(2) Ø5mm 외부 원의 최적화 방법: Ø5mm 외부 원에 대해서도 동일한 처리 방법이 사용됩니다. 12도 원추형 표면이 R(0.5±0.1)mm 전이 필렛에 추가되어 질화 표면과 비{7}}질화 표면 사이의 전이 영역을 더 부드럽게 만듭니다. 이는 좌표 연삭기에서 ø3.5mm 외부 원을 가공할 때 응력 조건을 개선하고 모서리 치핑 현상을 제거합니다. 그림 4와 5는 각각 공정 개선 전과 후의 ø3.6mm 원통형 필렛의 기하학적 처리를 보여줍니다. 그림 4. 공정 개선 전 Φ3.6mm 원통형 필렛의 기하학적 처리
그림 5. 공정 개선 후 ø3.6mm 원통형 필렛의 기하학적 처리
(3) 씰링 홈 변형 보상: 씰링 홈의 가장자리는 팽창 변형으로 인해 수축됩니다. 이는 질화 공정의 날카로운 모서리 효과로 인해 발생합니다. 질소 농도가 높으면 부피 팽창 변형이 다른 위치보다 크다[9, 10]. 폭이 3.4mm인 실링 홈과 폭이 1.1mm인 고정 링 홈의 공차는 큽니다. 질화 전과 후의 홈 폭 변화는 표 1에 나와 있습니다. 이를 바탕으로 질화 전의 치수 공차를 조정하여 최종 치수 요구 사항을 보장합니다. 표 1. 질화 전후의 홈 폭 변화(단위: mm)
표 1은 3.4mm 홈에 대한 질화 전후의 홈 폭 변화가 0.026-0.035mm임을 보여줍니다. 따라서 질화 전의 홈 폭 공차를 3.4mm로 압축해야 한다고 결정됩니다. 1.1mm 홈에 대한 질화 전후의 홈 폭 변화는 0.010-0.027mm이므로 질화 전의 홈 폭 공차는 1.1mm로 압축되어야 한다고 결정됩니다. 공차를 압축한 후 부품의 최종 홈 너비 치수는 모두 허용 가능한 한도 내에 있습니다.
7부
결론
질화 표면은 높은 경도와 높은 내마모성을 가지며 고온에서도 우수한 성능을 유지합니다. 따라서 질화 스테인리스강 부품은 항공{1}}엔진 제품에 널리 사용됩니다. 질화 표면을 가공하는 것은 상대적으로 어렵기 때문에 공구 마모 저항, 절단 매개변수 선택 및 절단 경로 계획에 대한 높은 기준이 필요합니다. 질화 전에 보호 원추형 전이 필렛을 늘리고 치수 공차를 압축함으로써 스테인리스강 부품의 질화 후 낮은 가공 효율, 쉬운 모서리 치핑 및 감소된 홈 폭 문제를 해결하여 해당 부품의 가공 어려움을 극복했습니다. 부품 합격률은 개선 전 약 50%에서 100%로 향상되어 좋은 결과를 얻었습니다.
