KR19980069741A - High strength spline structure and manufacturing method - Google Patents

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KR19980069741A
KR19980069741A KR1019970014124A KR19970014124A KR19980069741A KR 19980069741 A KR19980069741 A KR 19980069741A KR 1019970014124 A KR1019970014124 A KR 1019970014124A KR 19970014124 A KR19970014124 A KR 19970014124A KR 19980069741 A KR19980069741 A KR 19980069741A
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spline shaft
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후까야아끼히로
이야마가즈마사
마루야마기미다까
모찌즈끼젠이찌
마스다준
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요시다아끼라
도시바기까이가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 스플라인 구조는 회전력을 전달하기 위한 복수개의 이를 가지며, 각각의 이는 적어도 이끝을 제외한 부분이 원호상의 연속적인 곡선을 갖도록 성형된다. 제조방법에 있어서는, 이끝으로부터 적어도 이뿌리에 이르는 스플라인 구조의 이부분에 표면경화처리를 실시한다. 표면경화처리는 고주파 담금질, 화염담금질 등의 표면경화나, 질화처리 등과 같은 확산처리에 의하여 행한다. 이에 의해, 이뿌리에 응력이 집중되는 것을 방지하여 표면경화처리시 균열이 발생하지 않도록 할 수 있다. 또한, 표면경화처리에 의해 이부분의 강도가 증가하면, 스플라인 구조의 피로강도가 현저히 향상된다.The spline structure of the present invention has a plurality of teeth for transmitting a rotational force, each of which is molded so that at least the portion except the tip has a continuous curve on the arc. In the manufacturing method, the surface hardening treatment is performed on this part of the spline structure from the tip to at least the root. Surface hardening is performed by surface hardening such as high frequency quenching or flame hardening, or by diffusion treatment such as nitriding. As a result, it is possible to prevent the stress from concentrating on the roots and to prevent cracking during the surface hardening treatment. In addition, when the strength of this part is increased by the surface hardening treatment, the fatigue strength of the spline structure is remarkably improved.

Description

고강도 스플라인 구조 및 그 제조방법High strength spline structure and manufacturing method

본 발명은 회전력을 전달하기 위한 고강도 스플라인 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피로강도가 높은 스플라인 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength spline structure for transmitting rotational force and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a spline structure with high fatigue strength.

종래부터, 회전축에 대응하는 구멍을 갖는 회전 엘리먼트를 회전축에 끼워붙여서 회전력을 전달하는 경우에는, 예를 들면 플라스틱 성형기의 스크류를 성형하는 경우처럼 회전축에 마련된 홈과 이 회전축에 끼워서 설치되는 스크류 엘리먼트에 마련된 홈과의 사이에 키이를 끼워서 사용하고 있다.Conventionally, when a rotating element having a hole corresponding to a rotating shaft is fitted to the rotating shaft to transmit the rotating force, for example, when forming a screw of a plastic molding machine, a groove provided on the rotating shaft and a screw element fitted to the rotating shaft are installed. A key is sandwiched between the provided grooves and used.

그러나, 이러한 키이 방식에서는 키이의 홈부에 응력집중이 일어나기 때문에 큰 회전력을 전달할 수 없다고 하는 문제점이 있으며, 이 문제를 해결하기 위하여 축 주위에 복수개의 이가 마련되어 있는 스플라인 및 이 스플라인 형상에 합치한 구멍을 갖는 보스의 조합물을 이용하는 것이 고려되고 있다.However, this key method has a problem in that a large rotational force cannot be transmitted because stress concentration occurs in the groove part of the key. To solve this problem, a spline having a plurality of teeth provided around the axis and a hole matching the spline shape are provided. It is contemplated to use a combination of bosses having.

다각형의 이를 갖는 직선변의 스플라인 구조에서는 각각의 이뿌리의 양쪽 구석에 간극홈을 형성시켜야 하기 때문에 강도면에서 불리하다.The spline structure of a straight edge having a polygonal tooth is disadvantageous in terms of strength because a gap groove must be formed in both corners of each root.

반면, 인볼류트 스플라인 구조에서는 상술한 간극홈을 형성시킬 필요가 없고 이뿌리의 폭을 크게 할 수 있기 때문에 평균강도를 향상시킬 수 있으나, 이뿌리의 구석에서의 응력집중을 없앨수 없다고하는 문제점이 있다.On the other hand, in the involute spline structure, it is not necessary to form the above-described gap grooves and the width of the root can be increased, so that the average strength can be improved, but there is a problem that stress concentration in the corner of the root cannot be eliminated.

이러한 응력집중의 문제점을 해결하기 위하여 미국 특허출원 제 08/653,835 호는 복수개의 원호형 이를 갖는 원호형 스플라인 구조를 제안하고 있다.In order to solve this problem of stress concentration, US patent application Ser. No. 08 / 653,835 proposes an arcuate spline structure having a plurality of arcuate teeth.

본 발명의 목적은 응력집중을 발생시키지 않으며, 또한 강도, 특히 문제의 원인이 될 수도 있는 회전방향으로의 반복부하에 대한 피로강도가 우수한 원호형의 고강도 스플라인 구조를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an arc-shaped high strength spline structure which does not generate stress concentration and which is excellent in strength, in particular, fatigue strength against repeated loads in the rotational direction which may cause problems.

상기한 본 발명의 목적은 회전력을 전달하도록 축의 주위에 형성된 복수개의 이를 구비하고, 상기 이는 적어도 이끝을 제외한 부분이 원호상의 연속적인 곡선으로 이루어진 윤곽을 따라 형성됨과 아울러, 이끝으로부터 적어도 이뿌리에 이르는 부분에 표면경화처리가 되어있는 것을 특징으로 하는 스플라인 구조에 의해서 달성할 수 있다.The object of the present invention described above is provided with a plurality of teeth formed around the axis to transmit rotational force, which is formed along a contour consisting of a continuous curve of an arc at least a portion other than the tip, and at least a portion extending from the tip to the root It can be achieved by the spline structure characterized in that the surface hardening treatment.

이러한 스플라인 구조에 의하면, 이뿌리의 구석에서 응력집중을 회피할 수 있고 표면경화처리시 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 표면경화처리에 의해서 이부분의 강도가 증가함에 따라, 스플라인 구조의 피로강도가 크게 향상된다.According to such a spline structure, stress concentration can be avoided at the corners of the roots and cracks can be prevented from occurring during the surface hardening treatment. In addition, as the strength of this part increases by the surface hardening treatment, the fatigue strength of the spline structure is greatly improved.

한편, 본 발명에 따르면, 회전력을 전달하도록 축의 주위에 형성된 복수개의 이를 갖는 스플라인 구조의 제조방법에 있어서, 적어도 이끝을 제외한 부분이 원호상의 연속적인 곡선으로 이루어진 윤곽을 갖도록 상기 이를 성형하고, 이끝으로부터 적어도 이뿌리에 이르는 부분에 표면경화처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 스플라인 구조의 제조방법이 제공된다.On the other hand, according to the present invention, in the manufacturing method of the spline structure having a plurality of teeth formed around the shaft to transmit the rotational force, forming the tooth so that at least the portion except the tip has a contour consisting of a continuous arc-shaped curve, from the tip There is provided a method for producing a spline structure, characterized in that surface hardening is carried out at least at the root portion.

본 발명에 있어서, 상기 성형단계는 이가 그 윤곽을 따라 흐르는 금속조직을 갖도록 소재를 전조하는 공정인것이 바람직하다. 콜드리덕션(Cold Reduction)공정에서는 소재를 냉간압축하여 그 직경을 감소시키게 된다. 상기 전조용 소재는 콜드리덕션공정부터 미리 거치도록 해도 된다.In the present invention, the forming step is preferably a step of rolling the material so that it has a metal structure flowing along its contour. In the cold reduction process, the material is cold pressed to reduce its diameter. The precursor material may be subjected to the cold reduction step in advance.

이 경우, 콜드리덕션공정에 의해서 소재의 가공율 및 압축잔류응력이 증가한다. 그리고, 소재를 원호형의 스플라인 구조로 전조하면, 그 금속조직이 변화하여 스플라인 구조의 윤곽을 따라 긴 파이버플로우로 된다. 따라서, 이끝에 가해지는 반복부하에 견딜 수 있으며, 잔류응력 및 표면경도의 증가로 피로강도가 향상된다.In this case, the machining rate and the compressive residual stress of the material are increased by the cold reduction process. When the material is rolled into an arc-shaped spline structure, the metal structure changes to form a long fiber flow along the contour of the spline structure. Therefore, it can withstand the repeated load applied to the tip, and the fatigue strength is improved by increasing the residual stress and the surface hardness.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 표면경화처리는 고주파 담금질, 화염 담금질 등과 같은 표면 담금질인 것이 바람직하다. 이와 달리, 상기 표면경화처리는 질화처리등과 같은 확산처리일 수 도 있다.In the method of the present invention, the surface hardening treatment is preferably surface quenching such as high frequency quenching, flame quenching and the like. Alternatively, the surface hardening treatment may be a diffusion treatment such as nitriding treatment or the like.

상기 표면경화처리는 고주파 담금질, 화염 담금질 등의 표면 담금질과 이 표면 담금질후에 행하여지는 쇼트피닝(shot peening)의 조합인 것이 더욱 바람직하다. 이 경우에는 상술한 표면 담금질 처리만 하는 것에 비해서 피로강도가 더욱 향상된다.The surface hardening treatment is more preferably a combination of surface quenching such as high frequency quenching and flame quenching and shot peening performed after the surface quenching. In this case, the fatigue strength is further improved as compared with only the surface quenching treatment described above.

이와 달리, 상기 표면경화처리는 질화처리등의 확산처리와 이 확산처리후에 행하여지는 쇼트피닝의 조합일 수 도 있다. 이 경우에는 역시 상술한 확산처리만 하는 것에 비해서 피로강도가 더욱 향상된다.Alternatively, the surface hardening treatment may be a combination of diffusion treatment such as nitriding treatment and shot peening performed after the diffusion treatment. In this case, the fatigue strength is further improved as compared with only the above-described diffusion treatment.

상기한 본 발명의 목적 및 특징은 이하의 설명 및 특허청구범위를 도면과 결부시켜서 보면 명료하게 이해할 수 있을 것이다.The above object and features of the present invention will be clearly understood from the following description and claims taken in conjunction with the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 고강도 스플라인 구조를 구성하는 원호형 스플라인 샤프트의 개략평면도이다.1 is a schematic plan view of an arc-shaped spline shaft constituting a high strength spline structure according to the present invention.

도 2는 본 발명의 원호형 스플라인 샤프트와 대비되는 인볼류트 스플라인 샤프트를 나타내는 개략 평면도이다.Figure 2 is a schematic plan view showing an involute spline shaft as compared to the arcuate spline shaft of the present invention.

도 3은 고주파 담금질 처리를 실시한 원호형의 스플라인 샤프트와 고주파 담금질 처리를 실시하지 않은 다른 원호형 스플라인 샤프트 및 인볼류트 스플라인 샤프트의 피로강도를 나타내는 비교시험도이다.3 is a comparative test showing the fatigue strength of an arc-shaped spline shaft subjected to high frequency quenching treatment and another arc-shaped spline shaft and involute spline shaft not subjected to high frequency quenching treatment.

도 4는 질화처리를 실시한 원호형 스플라인 사프트와 질화처리를 실시하지 않은 다른 원호형 스플라인 샤프트의 피로강도를 나타내는 비교시험도이다.4 is a comparative test showing fatigue strength between an arc-shaped spline shaft subjected to nitriding treatment and another arc-shaped spline shaft not subjected to nitriding treatment.

도 5는 고주파 담금질후 쇼트피닝을 행한 원호형 스플라인 샤프트와 쇼트피닝을 행하지 않은 원호형 스플라인 샤프트의 피로강도를 나타내는 비교시험도이다.Fig. 5 is a comparative test showing the fatigue strength of arc-shaped spline shafts which have undergone shot peening after high-frequency quenching and arc-shaped spline shafts which do not do short peening.

도 6은 연질화처리후 쇼트피닝을 행한 원호형 스플라인 샤프트와 쇼트피닝을 행하지 않은 원호형 스플라인 샤프트의 피로강도를 나타내는 비교시험도이다.Fig. 6 is a comparative test showing the fatigue strength of the arc-shaped spline shaft subjected to short peening after soft nitriding and the arc-shaped spline shaft not subjected to short peening.

도 7은 환강에 대한 콜드리덕션공정을 보인 도면이다.7 is a view showing a cold reduction process for round steel.

도 8은 원호형 스플라인 샤프트를 성형하기 위한 후속의 전조공정을 보인 도면이다.8 shows a subsequent rolling process for forming an arcuate spline shaft.

도 9는 고주파 담금질을 포함하는 일련의 공정에 따라 제조된 원호형 스플라인 샤프트와 인볼류트 스플라인 샤프트의 피로강도 및 잔류응력의 변화를 나타내는 시험결과도이다.FIG. 9 is a test result diagram showing changes in fatigue strength and residual stress of arc-shaped spline shafts and involute spline shafts manufactured according to a series of processes including high frequency quenching.

도 10은 전조가공된 스플라인 샤프트의 단면조직의 일부를 나타내는 도면이다.10 is a view showing a part of the cross-sectional structure of the rolled spline shaft.

도 11은 호빙가공된 스플라인 샤프트의 단면조직의 일부를 나타내는 도면이다.11 is a view showing a part of the cross-sectional structure of the hobbing machined spline shaft.

도 12는 가스연질화처리를 포함하는 일련의 공정을 거쳐 제조된 원호형 스플라인 샤프트와 인볼류트 스플라인 샤프트의 피로강도 및 잔류응력의 변화를 나타내는 시험결과도이다.12 is a test result diagram showing changes in fatigue strength and residual stress of arc-shaped spline shafts and involute spline shafts manufactured through a series of processes including gas soft nitriding.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣♣ Explanation of symbols for the main parts of the drawing

1: 원호형 스플라인 샤프트 3: 이1: arc spline shaft 3: tooth

3A: 이끝 3B: 이뿌리3A: End 3B: Root

5: 인볼류트 스플라인 샤프트 7: 이5: involute spline shaft 7: tooth

7A: 이끝 7B: 이뿌리7A: End 7B: Root

본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 스플라인 구조의 일예로서 원호형 스플라인 샤프트(1)를 나타낸다. 이 원호형 스플라인 샤프트(1)는 축(S)의 주위에 형성된 복수개의 이(3)를 구비하며, 각각의 이(3)는 이끝(3A)과 대략 원호형의 연속적인 곡선으로 형성된 이뿌리(3B)를 갖는다. 다시 말해서, 일련의 반원이 방향을 바꾸어 차례로 연결되어 파상의 곡선을 형성하고 있는 것이다. 반원 대신에 반타원을 이용해도 된다. 이끝(3A)은 축(S)의 중심선을 중심으로 하는 원호를 따라 연장되도록 형성시킬 수 있다.1 shows an arced spline shaft 1 as an example of a spline structure. This arc-shaped spline shaft 1 has a plurality of teeth 3 formed around the axis S, each tooth 3 having a tooth root formed in a continuous curve of tooth tips 3A and an approximately arc shape. (3B). In other words, a series of semicircles are reversed and connected in sequence to form a wavy curve. You can use a semi-ellipse instead of a semi-circle. This end 3A can be formed to extend along an arc centered on the centerline of the axis S. As shown in FIG.

한편, 도 2는 비교대상으로서의 인볼류트 스플라인 샤프트(5)를 도시하고 있다. 이 인볼류트 스플라인 샤프트(5)에 있어서, 이(7)는 축(S)의 중심선을 중심으로 인볼류트 곡선을 그리도록 형성된다. 즉, 원의 주위에 실을 감고 그 끝을 잡아 당기면서 실을 풀어갈때 실의 끝이 그리는 궤적(인볼류트곡선)을 이용하여 이(7)의 윤곽을 결정한다.2 shows the involute spline shaft 5 as a comparison object. In this involute spline shaft 5, the tooth 7 is formed to draw an involute curve about the centerline of the axis S. As shown in FIG. That is, the contour of the tooth (7) is determined using the trajectory (involute curve) drawn by the end of the thread when the thread is wound around the circle and pulled at the end thereof.

[실시예 1]Example 1

도 3을 참조하면, 도 1에 나타낸 원호형 스플라인 샤프트(1)로서 표면경화처리를 실시하지 않을 것, 이 원호형 스플라인 샤프트(1)의 이끝(3A)에서 이뿌리(3B)에 이르는 부분에 고주파 담금질을 실시한 것, 및 도 2에 나타낸 인볼류트 스플라인 샤프트(5)로서 표면경화처리를 실시하지 않은 것의 3가지의 경우에 대하여 S55C, SCM440, SNCM630 의 각 재질로 스플라인 샤프트의 시험샘플을 제조하고, 이들 샘플에 대하여 비틀림 피로강도(100만회 파단강도)를 측정, 비교하였다. 여기서, 인볼류트 스플라인 샤프트(5)에 있어서는 담금질을 행하면 이뿌리(7B)의 구석부에서 균열이 발생하므로 고주파 담금질 처리를 실시한 인볼류트 스플라인 샤프트에 대하여는 비교의 대상으로 삼지 않았다.Referring to Fig. 3, the surface-curing treatment is not to be performed as the arc-shaped spline shaft 1 shown in Fig. 1, in the portion extending from the end 3A to the tooth root 3B of the arc-shaped spline shaft 1. Test samples of the spline shaft were made of each material of S55C, SCM440, and SNCM630 for the three cases of high frequency quenching and involute spline shaft 5 shown in FIG. The torsion fatigue strength (million break strength) was measured and compared for these samples. Here, in the involute spline shaft 5, cracking occurs in the corner portion of the tooth root 7B when the quenching is performed, so that the involute spline shaft subjected to the high frequency quenching treatment is not used as a comparison target.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, S55C, SCM440, SNCM630 의 각 재질에 대하여 어느 것이나 고주파 담금질 처리를 실시한 원호형 스플라인 샤프트(1)의 비틀림 피로강도가 가장 높은 것을 알 수 있다. 또한, 종래부터 담금질 균열을 일으키기 쉬운 것으로 알려져 있는 SCM440 이나 SNCM630 에 대하여도 담금질 균열은 발생하지 않았다.As shown in FIG. 3, it can be seen that the torsional fatigue strength of the arc-shaped spline shaft 1 subjected to the high-frequency quenching treatment for all the materials of S55C, SCM440, and SNCM630 is the highest. In addition, hardening crack did not generate | occur | produce also about SCM440 and SNCM630 which are conventionally known to be easy to produce a hardening crack.

이상의 결과로부터, 어떠한 재질에 대해서나 고주파 담글질 처리를 행함으로써 피로강도가 증가한다는 것을 알 수 있으며, 원호형 스플라인 샤프트(1)에 있어서는 고주파 담금질 처리를 행할 때 균열이 발생하지 않기 때문에 담금질 처리에 적합한 형상이라는 것을 알 수 있다. 또한, 담금질 균열을 일으키기 쉽다고 알려진 SCM440 이나 SNCM630 에 대하여도 담금질 균열을 일으키는 일 없이 합금강의 성질을 향상시킬 수 있다.From the above results, it can be seen that the fatigue strength is increased by performing the high frequency quenching treatment on any material. In the arc-shaped spline shaft 1, no cracking occurs when the high frequency quenching treatment is performed. It can be seen that it is a suitable shape. Also, SCM440 and SNCM630, which are known to be easy to cause quenching cracks, can also improve the properties of alloy steel without causing quenching cracks.

그리고, 이와 같이 피로강도가 증가하면, 과도한 토오크가 원호형 스플라인 샤프트(1)에 작용하더라도 소성변형이 최소로 억제되므로 원호형 스플라인 사프트(1)에 끼워져 있는 엘리먼트, 예를 들면 스크류의 교환을 용이하게 행할 수 있다.In this way, when the fatigue strength is increased, even if excessive torque acts on the arcuate spline shaft 1, plastic deformation is suppressed to a minimum, so that an element, for example, a screw, inserted in the arcuate spline shaft 1 can be easily replaced. I can do it.

[실시예 2]Example 2

도4를 참조하면, 재질 SACM645로 제조된 도1의 원호형 스플라인 샤프트(1) 및 도 2의 인볼류트 스플라인 샤프트(5)에 대하여 표면확산처리의 일종인 질화처리(550oC, 60시간)를 실시한 경우의 피로강도(100만회 파단강도)를 측정하여 비교하였다.Referring to FIG. 4, nitriding treatment (550 ° C., 60 hours) is a kind of surface diffusion treatment for the arc-shaped spline shaft 1 of FIG. 1 and the involute spline shaft 5 of FIG. 2 made of a material SACM645. Fatigue strength (million breaking strength) was measured and compared.

도4에 도시되어 있는 바와 같이, 질화처리를 실시한 원호형 스플라인 샤프트(1)의 피로강도가 질화처리를 실시한 인볼류트 스플라인 샤프트(5)의 피로강도보다 약 3.5% 커지는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the fatigue strength of the nitrided arc-shaped spline shaft 1 is about 3.5% larger than the fatigue strength of the nitrided involute spline shaft 5.

이상에서 설명한 바와 같이, 원호형 스플라인 샤프트(1)에 고주파 담금질이나 질화처리 등의 표면경화처리를 실시함으로써 회전부하에 대한 피로강도를 대폭 향상시킬 수 있었다.As described above, the surface hardening treatment such as high-frequency quenching or nitriding treatment was performed on the arc-shaped spline shaft 1 to significantly improve the fatigue strength against rotational load.

또한, 원호형 스플라인 샤프트(1)가 고주파 담금질 등의 표면경화 처리에 적합한 형상이라는 것을 알 수 있었다.Moreover, it turned out that the arc-shaped spline shaft 1 is a shape suitable for surface hardening processes, such as a high frequency quenching.

그리고, 상기 실시예에서는 축쪽의 스플라인 샤프트에 관하여 설명하였으나, 이 스플라인 샤프트가 끼워지는 스플라인 보어에도 본 발명을 적용할 수 있을 것이다.In the above embodiment, the spline shaft on the axial side has been described, but the present invention can be applied to a spline bore in which the spline shaft is fitted.

[실시예 3]Example 3

이 실시예에서는, 2축 압출기(스크류 직경 58mm)용 스크류축(직경 32mm, 전장 4m)을 대상으로, 시판하는 내식성 재료(예를 들면 SUS420J2환강을 HRC30의 경도를 조질한 것)를 이용하여 도1에 나타낸 것과 같은 원호형 스플라인 샤프트(1)를 제조하였다. 이 원호형 스플라인 샤프트(1)의 단면형상은 실시예 1 및 실시예 2에서 사용한 것과 유사하다.In this example, a screw shaft (32 mm in diameter and 4 m in total length) for a twin screw extruder (screw diameter 58 mm) is used for a commercially available corrosion-resistant material (e.g., a SUS420J2 round steel in which the hardness of HRC30 is adjusted). An arc-shaped spline shaft 1 as shown in 1 was produced. The cross-sectional shape of this arc-shaped spline shaft 1 is similar to that used in the first and second embodiments.

이와 같이 가공한 원호형 스플라인 샤프트(1)의 이끝(3A)에서 이뿌리(3B)에 이르는 부분을 경도 HS65로 고주파 담금질하고, 이어서 400-450OC에서 경도 HRC48로 뜨임하였다.In this way, and the portion leading to tooth root (3B) in the tooth (3A) of a machining arcuate spline shaft (1) by induction hardening hardness HS65, followed by tempering at 400-450 O C a hardness HRC48.

그후, 굽힘변형량이 전장에 대하여 0.2mm 이내로 되도록 스플라인 샤프트(1)를 수정하고, 강구(steel ball)를 이용하여 이뿌리(3B)에서 이끝(3A)까지 쇼트피닝을 하였다.Then, the spline shaft 1 was corrected so that the bending strain might be within 0.2 mm with respect to the full length, and shot peening was performed from the tooth root 3B to the tooth tip 3A using a steel ball.

고주파 담금질, 400-450oC에서의 뜨임 및 쇼트피닝을 행한 원호형 스플라인 샤프트와 쇼트피닝을 행하지 않은 다른 하나의 원호형 스플라인 샤프트에 대하여 피로강도를 측정하여 비교하였다. 실시예 1에서와 마찬가지로, 인볼류트 스플라인 샤프트(5)는 비교대상에서 제외한다.Fatigue strengths were measured for high-frequency quenching, tempering and short peening at 400-450 ° C. and for other arc-shaped spline shafts without short peening. As in Example 1, the involute spline shaft 5 is excluded from the comparison.

도5에는 상기한 SUS420J2로 제조한 스플라인 샤프트외에도 HRC43의 경도로 고주파 담금질 및 뜨임을 행한 SUS431의 스플라인 샤프트와 HRC49의 경도로 고주파 담금질 및 뜨임을 행한 SUS440M의 스플라인 샤프트에 대한 피로강도 측정치를 나타낸다. 도5로부터 명백한 바와 같이, 어떠한 재질에 대해서도, 쇼트피닝을 행한 스플라인 샤프트의 피로강도가 쇼트피닝을 행하지 않은 스플라인 샤프트에 비해서 약 9%증가되었다.In addition to the spline shaft made of SUS420J2, Fig. 5 shows fatigue strength measurements for the spline shaft of SUS431 subjected to high frequency quenching and tempering at the hardness of HRC43 and the spline shaft of SUS440M subjected to high frequency quenching and tempering at the hardness of HRC49. As is apparent from Fig. 5, for any material, the fatigue strength of the spline shaft subjected to shot peening was increased by about 9% compared to the spline shaft not subjected to shot peening.

위에서 설명한 바와 같이, 원호형 스플라인 샤프트(1)에 대하여 담금질 후 쇼트피닝을 행하면 쇼트피닝을 행하지 않은 경우에 비해서 회전부하에 대한 피로강도를 대폭적으로 향상시킬 수 있다.As described above, when the short peening is performed after the quenching on the arc-shaped spline shaft 1, the fatigue strength against rotational load can be significantly improved as compared with the case where the short peening is not performed.

또한, SUS420J2 등의 13-Cr계 마르텐사이트 스테인레스강을 이용함으로써, 고내식성과 고온강도를 가지며 400oC까지의 고온에서 사용할 때에도 담금질 조직이 변화하지 않으며, 쇼트피닝에 의해 압축잔류응력이 부가되어 피로강도의 저하를 방지할 수 있고, 피로강도가 9-12%향상된 고온 고내식성의 고강도 스플라인 샤프트를 얻을 수 있다.In addition, by using 13-C r martensitic stainless steel such as SUS420J2, it has high corrosion resistance and high temperature strength, and hardening structure does not change even when used at high temperature up to 400 o C, and compressive residual stress is added by shot peening. Thus, the fatigue strength can be prevented from being lowered, and a high temperature, high corrosion resistance high strength spline shaft having a 9-12% improvement in fatigue strength can be obtained.

[실시예 4]Example 4

상기한 실시예3과 동일한 재질 및 형상을 갖는 원호형 스플라인 샤프트(1)의 전체외주면에 가스연질화처리(550-600oC에서 5시간 유지후 기름 담금질)를 행하고, 굽힘변형량이 전장에 대하여 0.2mm 이내로 되도록 스플라인 샤프트를 수정하고, 강구를 이용하여 이뿌리(3B, 7B)에서 이끝(3A, 7A)까지에 대하여 쇼트피닝을 행하였다.A gas soft nitriding treatment (oil quenching after holding for 5 hours at 550-600 ° C.) was performed on the entire outer circumferential surface of the arc-shaped spline shaft 1 having the same material and shape as in Example 3 above, The spline shaft was corrected to be within 0.2 mm, and shot peening was performed from the roots 3B and 7B to the ends 3A and 7A using steel balls.

상기한 원호형 스플라인 샤프트(1)에 대하여, 연질화처리를 행한 후 쇼트피닝을 실시한 경우와 쇼트피닝을 실시하지 않은 경우로 나누어 피로강도를 비교하였다.For the arc-shaped spline shaft 1, fatigue strength was compared between the case of performing the soft nitriding treatment and the case of short peening and no short peening.

도 6을 참조하면, 쇼트피닝을 행한 원호형 스플라인 샤프트(1)의 피로강도가 이를 행하지 않은 것에 비하여 약 18%향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the fatigue strength of the arc-shaped spline shaft 1 which has undergone shot peening is improved by about 18% compared with the case where it is not done.

위에서 설명한 것과 같이, 원호형 스플라인 샤프트(1)에 있어서 연질화처리를 행한 후에 쇼트피닝을 실시함으로써, 쇼트피닝을 실시하지 않은 경우에 비하여 회전부하에 대한 피로강도를 대폭적으로 향상시킬 수 있었다.As described above, by performing the short peening after the soft nitriding treatment in the arc-shaped spline shaft 1, the fatigue strength against rotational load can be significantly improved as compared with the case without the short peening.

그리고, 쇼트피닝에 의해 표면의 취약한 화합물층을 제거할 수 있으므로 굽힘변형의 수정이나 토오크의 작용시 취약한 질화물층에 균열이 생기는 것을 방지하여 강도의 안정화를 도모할 수 있다.In addition, since the weak compound layer on the surface can be removed by shot peening, it is possible to stabilize the strength by preventing cracks in the weak nitride layer during the correction of bending deformation or the action of torque.

[실시예 5]Example 5

2축 압출기(스크류 직경 58mm)용 스크류축(직경 32mm, 전장 4m)을 성형하기 위하여 시판되고 있는 SUS420J2의 환강샤프트(round steel shaft)를 경도 HRC23으로 조질하고, 도7에 나타내는 것과 같이, 콜드리덕션을 행하여 직경을 감소시켰다. 콜드리덕션 공정의 종료 후, 이 샤프트를 전조하여 도8에 도시한 것과 같은 원호형 스플라인 샤프트를 얻었다.A commercially available round steel shaft of SUS420J2 is formed with a hardness of HRC23 to form a screw shaft (32 mm in diameter and a total length of 4 m) for a twin screw extruder (screw diameter 58 mm), and as shown in FIG. To reduce the diameter. After completion of the cold reduction step, the shaft was rolled to obtain an arc-shaped spline shaft as shown in FIG.

전조후, 스플라인 샤프트의 이끝에서 이뿌리에 이르는 전체외주를 경도 HS65로 고주파 담금질하고, 이어서 400-450OC의 온도에서 뜨임하였다. 다음으로, 입도 #150-300의 강구(직경 약100-50μm)를 이용하여 이뿌리에 이끝까지를 4-6kgf/cm2의 압력으로 쇼트피닝하였다.After rolling, the high frequency quenching on the tooth of the spline shaft the entire circumference up to a hardness of HS65 Rie tooth root, and the mixture was then tempered at a temperature of 400-450 C O. Next, using the steel ball of the particle size # 150-300 (diameter about 100-50 micrometers), it was short peening to the tooth root to the pressure of 4-6 kgf / cm <2> .

도 9에는 원호형 스플라인 샤프트뿐만 아니라 이와 동일한 제조공정으로 제조된 인볼류트 스플라인 샤프트의 잔류응력 및 피로강도가 도시되어 있다. 또한, 도10에는 전조가공된 스플라인 샤프트의 단면 조직이 도시되고, 도11에는 호빙가공된 스플라인 샤프트의 단면조직이 도시되어 있는데, 전조가공된 스플라인 샤프트의 단면조직은 그 윤곽을 따라 흐르는 파이버 플로우의 모습을 보이는 것을 알 수 있다. 이러한 파이버 플로우에 특징이 있는 금속조직은 반복비틀림부하나 회전부하를 잘 견디는 것으로 알려져 있다.9 shows the residual stress and fatigue strength of the arcuate spline shaft as well as the involute spline shaft manufactured by the same manufacturing process. 10 shows the cross-sectional structure of the rolled spline shaft, and FIG. 11 shows the cross-sectional structure of the hobbing machined spline shaft, where the cross-sectional structure of the rolled spline shaft is shown in FIG. You can see the appearance. Metallic structures characteristic of such fiber flows are known to withstand repeated torsional loads and rotational loads well.

이와 같이 SUS420J2 등의 13-Cr계 마르텐사이트 스테인레스강을 사용하면, 조질 및 고주파 담금질 후 400-450oC의 온도에서 뜨임을 실시함으로써 고온(400-450。C 미만)에서 피로강도가 충분히 유지되는 고내식성 및 우수한 경도의 스플라인 샤프트를 얻을 수 있다.In this way, when 13-C r martensitic stainless steel such as SUS420J2 is used, the fatigue strength is sufficiently maintained at high temperature (below 400-450 ° C) by tempering at a temperature of 400-450 ° C after temper and high-frequency quenching. A spline shaft of high corrosion resistance and excellent hardness can be obtained.

[실시예 6]Example 6

2축압출기(스크류 직경 58mm)용 스크류축(직경 32mm, 전장 4m)을 성형하기 위하여 시판되고 있는 SUS420J2의 환강샤프트를 경도 HRC30으로 조질하고 도7에 나타내는 것과 같이 직경을 감소시키기 위한 콜드리덕션을 행하였다. 콜드리덕션 공정의 종료후, 이 샤프트를 전조하여 도8에 도시한 것과 같은 원호형 스플라인 샤프트를 얻었다.A commercially available round shaft of SUS420J2 is formed with a hardness of HRC30 to form a screw shaft (32 mm in diameter and a total length of 4 m) for a twin-screw extruder (screw diameter 58 mm) and cold reduction is performed to reduce the diameter as shown in FIG. It was. After the end of the cold reduction process, the shaft was rolled to obtain an arc-shaped spline shaft as shown in FIG.

전조후, 스플라인 샤프트의 전체외주면에 가스연질화처리(550-600oC, 5시간, 기름담금질)을 행하고, 이어서 스플라인 샤프트의 굽힘변형을 바로 잡았다.After rolling, gas soft nitriding treatment (550-600 ° C., 5 hours, oil quenching) was performed on the entire outer circumferential surface of the spline shaft, and then the bending deformation of the spline shaft was corrected.

다음으로, 입도 #150-300의 강구(직경 약100-50μm)를 이용하여 이뿌리에서 이끝까지 쇼트피닝을 행하였다.Next, shot peening was performed from the root to the tip using a steel ball with a particle size # 150-300 (diameter about 100-50 μm).

도 12에는 원호형 스플라인 샤프트 뿐만아니라 이와 동일한 공정으로 제조된 인볼류트 스플라인 샤프트의 잔류응력 및 피로강도의 변화가 도시되어 있다.FIG. 12 shows the variation of the residual stress and fatigue strength of the arcuate spline shaft as well as the involute spline shaft manufactured by the same process.

이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, SUS420J2의 13-Cr계 마르텐사이트 스테인레스강을 사용함으로써 스플라인 샤프트의 피로강도를 충분히 높일 수 있다. 그리고, 가스연질화를 행한후 쇼트피닝을 실시함으로써 스플라인 샤프트의 압축잔류응력을 증가시켜 피로강도를 유지할 수 있다.As can be seen from this figure, it is possible to sufficiently improve the fatigue strength of the spline shaft by using 13 C-r-based martensitic stainless steel SUS420J2. In addition, by performing short peening after gas soft nitriding, the compressive residual stress of the spline shaft can be increased to maintain fatigue strength.

상술한 실시예5 및 6의 어느 것에서나 콜드리덕션 공정 및 전조공정에 의해 스플라인을 성형하는 동안 환강샤프트의 가공부가 주위구조물에 의해 제약을 받기 때문에, 높은 가공율을 실현할 수 있고, 칩의 발생이 없으므로 수율을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 스플라인 샤프트에 대하여 버니싱을 실시함으로써 스플라인 샤프트의 가공면을 매끄럽게하여 피로강도의 향상을 도모할 수 있다.In any of the above-described embodiments 5 and 6, since the machining portion of the round shaft is restricted by the surrounding structure during shaping the spline by the cold reduction process and the rolling process, a high processing rate can be realized and the generation of chips As a result, the yield can be increased. Furthermore, by burnishing the spline shaft, the machining surface of the spline shaft can be smoothed and the fatigue strength can be improved.

이상의 설명은 본 발명에 따른 고강도 스플라인 구조의 바람직한 실시예를 예시한 것이므로, 발명의 요지 및 범위를 벗어나는 일 없이 본 발명을 다양한 형태로 변경실시할 수 있다는 것은 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다.Since the above description illustrates a preferred embodiment of the high-strength spline structure according to the present invention, those skilled in the art that the present invention can be modified in various forms without departing from the spirit and scope of the invention. Anyone can understand.

Claims (8)

회전력을 전달하도록 축의 주위에 형성된 복수개의 이를 구비하고, 상기 이는 적어도 이끝을 제외한 부분이 원호형의 연속적인 곡선으로 이루어진 윤곽을 따라 형성되고, 상기 이끝으로부터 적어도 이뿌리까지의 부분에 표면경화처리가 실시되어 있는 스플라인 구조.It has a plurality of teeth formed around the axis to transmit the rotational force, which is formed along the contour consisting of a continuous curve of arc-shaped at least a portion except the tip, and surface hardening treatment at the portion from the tip to at least the root Splined structure implemented. 축의 주위에 형성된 복수개의 이에 의해 회전력을 전달하는 스플라인 구조의 제조방법에 있어서, 적어도 이끝을 제외한 부분이 원호형의 연속적인 곡선으로 이루어진 윤곽을 따라 상기 이를 성형하는 단계와, 상기 이끝으로부터 이뿌리까지의 부분에 표면경화처리를 실시하는 단계를 포함하는 스플라인 구조의 제조방법.A method of manufacturing a spline structure that transmits a rotational force by means of a plurality of teeth formed around an axis, comprising the steps of: shaping the tooth along a contour consisting of an arc-shaped continuous curve at least a portion except the tip, and from the tip to the root A method of manufacturing a spline structure, comprising performing a surface hardening treatment on a portion of the portion. 제 2항에 있어서, 상기 성형단계가 상기 윤곽을 따라 흐르는 금속조직을 갖도록 소재를 전조하는 전조공정인 것을 특징으로 하는 스플라인 구조의 제조방법.The method of manufacturing a spline structure according to claim 2, wherein the forming step is a rolling step of rolling a material to have a metal structure flowing along the contour. 제 2항에 있어서, 상기 표면경화처리가 표면담금질인 것을 특징으로 하는 스플라인 구조의 제조방법.The method for producing a spline structure according to claim 2, wherein said surface hardening treatment is surface quenching. 제 2항에 있어서, 상기 표면경화처리가 확산처리인 것을 특징으로 하는 스플라인 구조의 제조방법.The method for producing a spline structure according to claim 2, wherein said surface hardening treatment is a diffusion treatment. 제 2항에 있어서, 상기 표면경화처리가 순차적으로 행하여지는 표면담금질 및 쇼트피닝인 것을 특징으로 하는 스플라인 구조의 제조방법.The method for producing a spline structure according to claim 2, wherein the surface hardening treatment is a surface quenching and shot peening performed sequentially. 제 2항에 있어서, 상기 표면경화처리가 순차적으로 행하여지는 확산처리 및쇼트피닝인 것을 특징으로 하는 스플라인 구조의 제조방법.The method for producing a spline structure according to claim 2, wherein the surface hardening treatment is a diffusion treatment and shot peening performed sequentially. 제 2항에 있어서, 상기 전조소재가 소재의 직경을 냉간감축하기 위한 콜드리덕션 공정을 미리 거치는 것을 특징으로 하는 스플라인 구조의 제조방법.The method of manufacturing a spline structure according to claim 2, wherein the precursor material undergoes a cold reduction process for cold reducing the diameter of the material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101535783B1 (en) * 2007-11-30 2015-07-10 로베르트 보쉬 게엠베하 Shaft-hub component and method for producing such a component
KR20190031021A (en) 2017-09-15 2019-03-25 최상기 Spline shaft and spline manufacturing method

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