KR100373280B1 - 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법에 관한 것으로, 에어노즐에서 숏볼을 치형의 측면을 향해 투사함으로써, 기어의 작동시 주요기능부인 이 측면부 및 치저부에 압축잔류응력이 집중적으로 빠른 시간내에 형성되어 기어의 피로강도가 향상되고, 이끝면의 모서리에 돌기가 형성되지 않게 됨으로써 피이닝공정후에 돌기제거를 위한 연삭공정이나 세미토핑(semi-topping)공정이 폐지될 수 있게 된다.

Description

에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법{a gear processing method using air nozzle shot peening}

본 발명은 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법에 관한 것으로, 특히 이끝면의 양측 모서리에 돌기가 형성되지 않고 주요기능부인 치형의 측면에 효율적으로 압축잔류응력이 형성되도록 된 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법에 관한 것이다.

현재 자동차 기술의 발달로 탑재장치들의 성능향상을 위해 각 부품의 소형화와 고강도화가 빠르게 진행되고 있으며, 이는 자동차에 사용되는 각종 기어류에도 동일하게 적용되는 사항이다.

따라서 일정수준 이상의 강도가 요구되는 기어류에는 제품의 표면에 압축잔류응력을 부여함으로써 강도의 향상을 꾀하고 있는바, 기어의 표면에 압축잔류응력을 부여하는 방법으로써는 제품의 표면에 숏볼(shot ball)을 고속으로 투사하는 숏피이닝법이 적용되고 있다.

상기 숏피이닝법에는 일반적으로 임펠러(impeller)에 의해 숏볼을 제품에 투사하는 임펠러 숏피이닝법과 고압의 에어를 노즐을 통해 분사할 때 숏볼을 함께 분사하는 에어노즐 숏피이닝법이 있는데, 최근에는 더욱 높은 수준의 고강도화를 위하여 보다 효과적으로 제품의 표면에 압축잔류응력을 형성시키는 에어노즐 숏피이닝법의 사용이 급격하게 늘고 있다.

상기 에어노즐 숏피이닝법을 사용한 기어의 숏피이닝 실시는 도 1에 도시된 바와 같이, 기어(1)에 에어노즐(2)을 근접시키고, 이 에어노즐(2)에 연결된 고압에어공급배관(3)과 숏볼공급배관(4)을 통해 고압에어와 숏볼을 공급함으로써 상기 에어노즐(2)을 통해 고압에어와 함께 숏볼이 기어(1)의 표면에 투사됨으로써 이루어진다.

이와 같이 숏볼이 기어의 표면에 고속으로 투사되면 숏볼의 충돌로 인한 충격에 의해 기어표면의 압축잔류응력이 커지게 되어 기어의 강도가 향상되며, 특히, 작동시 힘을 크게 받게 되는 이뿌리 부분의 고강도화가 이루어져 기어의 파손을 방지하는데 효과가 크다.

그러나, 상기와 같은 종래의 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법에서는 숏볼이 에어노즐로부터 기어의 중심을 향해서 즉, 이뿌리원이나 피치원과 같은 기어원의 접선에 대한 직각선상에서 투사되기 때문에 이끝면이나 치저부분은 정상적으로 압축잔류응력이 형성되나, 투사방향에 대해 경사져 있는 치형의 측면부분에는 숏볼이 빗겨 맞게 되어 숏볼의 충격이 제대로 전해지지 않아서 압축잔류응력의 형성이 미약하게 이루어진다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 숏볼이 수직으로 투사되는 이끝면이나 치저면에는 숏볼에 의해 가해지는 충격에너지가 E₁= 1/2·mv²의 크기로 작용하고, 경사면인 치형의 측면부분에는 충격에너지가 E₂= 1/2·mv²·sinθ의 크기로 작용하는 바(E₁〉E₂), 이끝면이나 치저면에 치형의 측면부분보다 더 큰 압축잔류응력이 형성되고, 상기 이끝면의 양단인 치형 상단의 모서리 부분과 같은 비연속적인 부분에서는 변형이 발생하여 돌기(5)가 형성된다.

이와 같이 치형의 이끝 양단에 돌기(5)가 발생되면 기어 작동시 치합되는 기어의 치저부분에 상기 돌기(5)가 간섭되면서 반복적 충격을 가하여 치저부를 손상시킴으로써 기어의 수명을 단축시키는 결과를 초래하게 되므로, 숏피이닝공정후 상기 돌기를 제거하기 위해 세미토핑(semi-topping)공정이나 연삭공정이 추가되어야만 하므로 소요장비와 작업인원이 증가되어 비용이 상승되는 문제점이 있었다.

또한, 기어의 이(齒)에 있어서 작동시 힘을 많이 받는 주요기능부위는 치형의 측면부분인데, 이 측면부분에 비기능부위인 치형의 상단부보다 작은 압축잔류응력이 형성되어 기능부위가 비기능부위에 비해 작은 강도를 갖게 되므로, 상기 치형의 측면부위가 요구되는 수준의 필요한 강도를 갖도록 하기 위해서는 숏피이닝의 시간이 연장되어야만 하고, 이에 따라 숏볼의 소비량이 증대되며, 피이닝머신의 수명이 단축되는 또 다른 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 주요기능부위인 치형의 측면부분에 단시간에 충분한 압축잔류응력이 형성됨으로써 이끝면 모서리에 돌기가 형성되지 않고, 기어의 피로강도가 보다 향상될 수 있도록 된 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 에어노즐 숏피이닝의 실시상태도,

도 2는 종래의 숏볼 투사방향을 나타낸 설명도,

도 3과 도 4는 본 발명에 따른 숏볼 투사각 설정과정을 설명하기 위한 도면이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1 : 기어, 2 : 에어노즐,

3 : 고압에어공급배관, 4 : 숏볼공급배관,

5 : 돌기.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기어의 이끝면과 치형의 측면에 대체로 균일한 압축잔류응력을 형성시키기고, 치형측면에 요구되는 수준의 압축잔류응력이 형성되는데 시간이 줄어들 수 있도록 숏볼의 투사각도를 조정한 것으로, 숏볼의 투사방향이 치형의 측면부를 향하도록 된 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

숏볼투사각도	90°	80°	70°	60°	50°
압축잔류응력(max),(kgf/mm2)	135	130	111	105	101
압축잔류응력형성깊이(㎛)	120	95	88	78	75

상기 표는 침탄열처리된 평평한 강판(조직구성;마르텐사이트 80%, 오오스테나이트 20%)의 표면에 숏볼(round cut wire type, 지름;0.6mm, HRC;58∼62)을 투사각을 달리하여 투사하고, 상기 강판에 형성된 압축잔류응력의 크기와 형성깊이를 측정한 것으로, 에어노즐 숏피이닝시 가공면에 대해 투사각도가 수직일 때 압축잔류응력이 가장크고 깊게 형성되고, 투사각도가 작아질수록 압축잔류응력의 크기가 작아지고 형성깊이도 낮아짐을 알 수 있으며, 이것은 운동에너지식 E = 1/2·mv²·sinθ에 의해 이론적으로도 입증된다.

따라서, 본 발명의 목적인 『기어 이끝면에 형성되는 압축잔류응력의 크기는 줄이고 치형의 측면(치합되는 두 기어간의 접촉면)에 형성되는 압축잔류응력의 크기는 증가시켜, 양자의 압축잔류응력의 차이를 줄임으로써 이끝면 모서리부분에 돌기가 발생하지 않도록 하는 것과, 상기 치형의 측면에 보다 효율적으로 압축잔류응력을 형성시켜 치형의 측면이 짧은 시간내에 필요한 강도를 가질 수 있도록 하는 것』을 이루기 위해서는 도 3에 도시된 바와 같이, 종래에 대해 이끝면으로의 숏볼 투사각도(α)는 줄어들고 치형 측면으로의 숏볼 투사각도(β)는 증가되는 지점에 에어노즐을 위치시키고 분사를 실시하면 된다.

한편, 상기 치형의 측면부분 중에서도 기어 작동시 가장 하중을 많이 받게 되는 치저점의 피로강도가 향상되는 것이 중요하므로, 이 점을 감안한 치형 측면으로의 최적 투사방향은 이론적으로 인접 기어 치형의 인벌류트선과 이끝원의 접점(B1)에서 피이닝대상이 되는 기어 치형의 인벌류트선과 이뿌리원의 접점(B2)을 연결하는 직선과 평행이다.

그러나 투사된 숏볼중 상기 B1점에 충돌되는 숏볼이 방향절환되어 B2점에 충돌될 숏볼에 부딪혀 이 숏볼의 정상진행을 방해하므로 B2점으로 투사되는 숏볼의 투사에 최소한으로 영향을 주는 적당한 각도로 숏볼의 투사각도를 설정해야 한다.

이 각도는 숏볼의 크기, 경도, 투사속도와 제품의 형상 등, 여러 가지 요소에 의해 결정되나, 시험결과 대부분의 숏볼과 기어 제원에서 B1점과 B2점이 이루는 연결선에 대해 15°이내의 각도에서 압축잔류응력의 최대치가 형성되었다.

따라서, 상기 B1점과 B2점을 연결하는 선에 대해 15°이내의 각도로 숏볼을 분사하면, 이끝면에서의 압축잔류응력 형성을 작게 할 수 있어 모서리부분에 돌기발생현상을 방지할 수 있고 치형 측면과 치저점의 압축잔류응력을 최대한으로 형성시킬 수 있게 됨으로써, 숏피이닝공정 이후에 연삭공정이나 세미토핑공정이 폐지되고 기어의 피로강도를 한층 더 증대시킬 수 있다.

또한, 치형의 측면과 치저부위에 집중적인 숏볼투사가 이루어지므로 필요강도를 얻기 위한 작업시간이 줄어들게 됨으로써 숏볼의 소모량을 줄일 수 있고, 숏피이닝머신의 수명도 연장된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 숏피이닝후 모서리부위에 돌기가 발생하지 않게 되어 후공정에서의 연삭공정이나 세미토핑공정이 폐지되므로 공정단순화 및 작업인원 감소로 인해 비용이 절감되고, 기어의 주요기능부인 치형의 측면과 특히 치저부위에 집중적으로 압축잔류응력을 형성시킬 수 있어 기어의 피로강도가 향상될 뿐만 아니라 짧은 시간안에 숏피이닝효과를 볼 수 있으므로 숏볼의 소모량이 줄고 설비의 수명이 연장되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 기어의 치면에 고압에어와 함께 숏볼을 투사하여 압축잔류응력을 형성시킴으로써 피로강도를 향상시키는 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법에 있어서,

   상기 숏볼의 투사각도는 인접 치형의 인벌류트선과 이끝원의 접점(B1) 및 피이닝대상이 되는 치형의 인벌류트선과 이뿌리원의 접점(B2)을 연결하는 직선을 기준으로 0°∼15°범위인 것을 특징으로 하는 에어노즐 숏피이닝을 이용한 기어가공방법.
2. (삭제)