KR20030085529A - 화학적 기계적 가공 및 표면 마감 - Google Patents
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Abstract
여기에 기술된 본 발명은, 화학적 기계적 가공 및 표면 마감 공정(chemical mechanical machining and surface finishing process)을 개시한다. 컨버젼 코우팅(conversion coating)은, 작업편(workpiece)의 표면에 형성되고, 공구와의 상대적인 운동에 의해 제거되며, 이로써 상기 작업편을 화학 활성 물질(active chemstry)과의 더 이상의 반응에 노출시킨다. 작은 기계적 작용력이 사용되어, 상기 작업편의 소성 변형(plastic deformation), 전단 강도(shear strength), 인장 강도(tensile strength) 및/또는 열적 분해 온도(thermal degradation temperature)가 초과되지 않는다. 상기 화학적 기계적 가공 및 표면 마감 공정은, 상기 컨버젼 코우팅을 제거하기 위하여, 작은 작용력 및/또는 접촉 속도를 요구하므로, 가공 정밀도 및 정확도는 동시에 증가되는 반면에, 장비의 크기, 복잡성 그리고 비용은 두드러지게 감소될 수 있다. 본 발명은, 매우 제어된 금속 제거 속도에 적합하고, 상기 작업편을 간단하게 표면 마감(surface finishing)할 수 있으며, 또는 원한다면, 쉐이핑(shaping) 및/또는 사이징(sizing) 공정과 동시에, 상기 작업편을 표면 마감할 수 있다.
Description
전통적인 기계적 가공은 매우 힘든 과정이다. 아무리 주의하고 조심하여도, 미세적인 수준(microscopic level)에서 조차, 매우 집중된 힘의 적용과 이에 부수되는 국부적인 급격한 온도 상승 때문에, 상기 과정은 거의 항상 금속학적 손상을 초래한다. 이러한 손상은 미소 균열(microcrack), 응력 발생 인자(stress raiser)의 도입, 산화, 상변화(phase change), 그리고 유익한 잔류 압축 응력 및 미소 경도(microhardness)의 감소를 포함할 수 있다. 그라인딩 과정(grinding process)은, 그라인딩 버언(grinding burn)이라고 자주 불리우는, 단단해진 작업편(workpiece)의 표면을 부드럽게 하기에 충분한 열을 발생시킬 수 있으며, 따라서 작업편의 마모 및 접촉 피로 특성(contact fatigue property)을 감소시킨다. 더욱이, 전통적인기계적 가공은 버어(burr) 및 가공 선(machine line)을 만들어 낸다. 이러한 잔여의 버어(burr) 및 가공 선은, 마모, 마찰, 작동 온도, 손상 자국, 접촉 피로 파괴(피팅), 및/또는 휨, 비틀림, 그리고 축방향 파괴와 같은, 여러가지 동역학적 피로 파괴(dynamic fatigue failure)를 감소시키기 위해, 임계 표면(critical surface)으로부터 제거되어야 하는 응력 발생 인자이다.
작업편에 대한 금속학적 손상 외에도, 전통적인 가공 작업은, 높은 치수 정밀도 및 정확도로써 작업편를 제작하는 데에 대해 고유의 한계를 갖는다. 상기한 바와 같이, 기계적 가공은, 빠른 속도 및/또는 강한 힘으로 움직이는 공구에 의하여, 작업편로부터 금속을 억세게 전단하여야 한다. 따라서, 이 과정은 공구의 마모를 내재한다. 그러나, 작업편 간의 치수 정밀도 및 정확도를 유지하는 것은, 공구의 치수 안정성을 유지하는 능력에 의존한다. 작업편의 경도가 40HRC 또는 이보다 더욱 증가함에 따라, 공구의 마모는 매우 큰 문제로 대두된다. 예를 들어, 기어와 베어링은 일반적으로 55-65HRC 또는 이보다 더 경화된다.
절삭 공구(cutting tool)를 안내하는 기계는, 높은 정밀도 및 정확도를 억제하는 고유의 한계를 갖는다. 공구를 움직이는 기계 장치의 어떤 한계는, 기하학적 오류, 공급 속도 오류, 구동 장치 마모, 진동, 그리고 이력 현상(hysteresis) 등을 포함한다. 상기 기계는, 금속을 특히 단단한 작업편으로부터 제거하는 데에 필요한 강한 힘을 정확히 적용하기 위해 요구되는 강성률(rigidity)을 유지하기 위하여, 일반적으로 크기가 대규모이다.
공구의 억센 절단 동작을 초래하기 위하여 사용되는 힘은, 가공 선 뿐만 아니라, 딸깍거리는 소음(chatter)을 내는 진동도 발생시킨다. 딸깍이는 소음과 가공 선은 일반적으로 다단계 공정에 의해 감소된다. 예를 들어, 고품질 기어의 경우에, 기어는 바닥에 내려 놓고, 그 다음에 가공에 의해 발생된 딸깍이는 소음과 가공 선을 감소시키기 위하여 호닝 가공되어야 한다. 매우 조심하지 않으면, 그라인딩(grinding) 및 호닝(honing) 공정은, 작업편의 임계 접촉 표면(critical contact surface)에 심각한 금속학적 손상을 초래한다. 작업편의 품질은 값비싼 100% 정밀 검사에 의해서만 보증될 수 있다.
부드러운 표면 마감(surface finish)의 중요성은, 특히, 제거하기 매우 어려운 가공 선(machine line) 또는 그라인드 선(grind line)이나 다른 표면 결함(surface imperfection)을 종종 수반하는, 기어, 베어링, 스플라인(spline), 크랭크 샤프트(crankshaft), 그리고 캠 샤프트(camshaft) 등과 같은, 금속간 접촉 작업편에 있어서, 아무리 강조해도 지나칠 수 없다. 이러한 작업편에 있어서, 울퉁불퉁한 부분(asperity)은 마찰, 소음, 진동, 마모, 손상 자국(scuffing), 피팅(pitting), 쪼개짐(spalling), 작동 온도를 증가시키고, 윤활도(lubricity)를 떨어뜨린다. 로드 베어링(load-bearing) 제품에 있어서, 표면의 가공 선은, 변동하는 응력(stress) 및 변형(strain)을 겪는 작업편에, 피로 파쇄(fatigue fractures)의 개시점을 제공할 수 있다. 결과적으로, 전통적인 가공 선에 의해 발생하는 응력 발생 인자를 반드시 제거하여야 할 필요가 있다.
이러한 작업편의 표면을 마무리하는 하나의 방법은, 연속적으로 미세한 그라인딩, 연마 그리고 래핑(lapping)을 하는 전통적인 다단계 공정에 의해, 표면을 가공하는 것이다. <2 마이크로인치 Ra의 지표를 달성하는 것은 시간, 다단계 공정 그리고 아트 테크놀로지(art technology)의 상태를 요구한다. 복잡한 표면 형상은, 값비싸고 매우 정교한 기계류, 값비싼 공구 세공(tooling), 시간을 소비하는 관리를 요구한다. 비용 뿐만 아니라, 이러한 과정은, 열처리된 표면의 완전성에 손상을 주는 방향성의 선(directional line)과 템퍼링(tempering)에 대한 잠재력과 미소 균열을 발생시킨다. 이미 논의된 바와 같이, 양질의 작업편은, 바닥과 니탈 에칭(nital etching)과 같은 기법에 의해 경화된 표면에 대한, 값비싼 100% 정밀 검사를 요구한다. 이러한 접근의 다른 결점은, 응력 발생 인자, 윤활제 파편 및/또는 마모를 초래하는, 연마성이 있는 입자(abrassive particle)들이 표면으로 스며드는 가능성이다.
본 발명은, 작업편(workpiece)에 대한 화학적 기계적 가공 및 표면 마감 공정(chemical mechanical machining and surface finishing process)에 관한 것이다.
도 1은, 실시예 2 및 3에서 사용된 것과 같은, 팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스터(Falex Corporation FLC Lubricity Tester)의 하나의 예를 보여준다.
도 2는. 실시예 4 및 5에서 사용된 것과 같은, 팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스터(Falex Corporation FLC Lubricity Tester)의 다른 예를 보여준다.
여기에 기술된 본 발명은, 화학적 기계적 가공 및 표면 마감 공정을 개시한다. 활성 화학 물질(active chemystry)이 작업편의 표면과 반응하여, 부드러운 컨버젼 코우팅(conversion coating)이 작업편의 표면에 형성된다. 상기 컨버젼 코우팅은, 활성 화학 물질과의 더 이상의 화학 반응으로부터 작업편의 기저 금속(basis metal)을 보호하는 점에서, 활성 화학 물질에 대해 불용성을 갖는다. 상기 컨버젼 코우팅은 접촉 공구와의 상대적인 운동에 의하여 제거되고, 이 때문에 새로운 금속은 활성 화학 물질과 더욱 반응되도록 노출되며, 이는 컨버젼 코우팅이 작업편 위에 새로이 형성될 수 있게 한다.
작은 기계적인 힘은 작업편로부터 컨버젼 코우팅을 제거하기도 하며, 여기서 작업편의 기저 금속의 소성 변형(plastic deformation), 전단 강도(shear strength), 인장 강도(tensile strength) 및/또는 열적 분해 온도(thermal degradation temperature)는 초과되지 않는다. 따라서, 상기 화학적 기계적 공정은, 전통적인 가공과 관련된, 템퍼링에 대한 잠재력, 미소 균열, 응력 발생 인자 그리고 기타 금속학적 손상을 제거한다. 화학적 기계적 가공 및 표면 마감 공정은, 컨버젼 코우팅을 제거하기 위하여 접촉면의 작은 힘 및/또는 속도를 요구하므로, 전통적인 가공 장비와 비교할 때에, 가공 정밀도 및 정확도는 증가함에 반하여, 장비의 크기, 복잡성 그리고 비용은 두드러지게 감소될 수 있다. 또한 공구의 마모도, 감소된 절단력, 속도 그리고 작동 온도에 의해, 최소로 되거나 제거된다. 이러한 감소에 의해, 작업편의 기저 금속보다 부드러운, 연마성이 없거나(non-abrasive) 약간 연마성이 있는 물질로부터 공구가 만들어질 수 있다. 상기 공구는 작업편의 표면에 합치하도록 단단하거나 유연할 수 있다.
어떤 응용에 있어서, 가공 장비는 완전히 제거될 수 있으며, 여기에 상대적인 운동 및 부하로 짝을 이루는 작업편은, 대향하는 접촉 표면으로부터 컨버젼 코우팅을 제거하는 공구와 같이 행동한다. 본 발명은 금속 제거의 매우 제어된 속도에 적합하고, 작업편의 표면 마감만을, 또는 원한다면, 작업편의 쉐이핑(shaping) 및/또는 사이징(sizing)과 동시에 작업편의 표면 마감을 할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, "표면 마감"은, 거침(roughness), 굴곡(waviness), 꼬임(lays) 그리고 흠집(flaws)을 감소시키기 위하여, 작업편의 표면으로부터 금속을 제거하는 것을 의미한다. "사이징"은, 적절한 수치를 위해, 작업편의 표면으로부터 금속을 균일하게 제거하는 것을 의미한다. "쉐이핑"은, 적절한 표면 형상을 위해, 작업편으로부터 금속을 차별적으로 제거하는 것을 의미한다. "쉐이핑"은 드릴링(drilling), 톱질(sawing), 천공(boring), 절단(cutting), 밀링(milling), 터닝(turning), 그라인딩(grinding) 등을 포함한다.
전통적인 냉각 윤활제 대신에, 여기에 개시된 화학적 기계적 가공 및 표면 가공 공정은, 철(iron), 티타늄(titanium), 니켈(nikel), 크롬(chromium), 코발트(cobalt), 텅스텐(tungsten), 우라늄(uranium), 그리고 이들의 합금의, 일반 금속 작업편의 표면과 반응할 수 있는, 물 기지(water-based) 또는 유기 화합물 기지(organic-based)의 활성 화학 물질을 사용한다. 상기 활성 화학 물질은, 작업편의 기저 금속과 반응하여 부드러운 컨버젼 코우팅을 형성하기 위하여, 쉐이핑, 사이징 및/또는 표면 마감 기계 장치에 처음으로 도입되었다. 상기 컨버젼 코우팅은, 활성 화학 물질과의 더 이상의 반응으로부터 상기 작업편의 기저 금속을 보호한다는 점에서, 상기 활성 화학 물질에 불용성이다. 상기 컨버젼 코우팅은, 예를 들어, 금속 산화물, 금속 인산염, 금속 수산염(oxalate), 금속 황산염, 금속 설퍼매이트(sulfamates), 또는 금속 크롬산염을 포함할 수 있다.
상기 컨버젼 코우팅의 형성에는, 공구와 작업편 간의 상대적인 운동을 수반하는, 적절한 공구 세공 접촉(tooling contact)이 뒤따른다. 상기 상대적인 운동은, 정지된 작업편을 가로지르는 공구의 운동, 정지된 공구를 가로지르는 작업편의 운동, 또는 공구 및 작업편 모두의 운동에 의해 발생할 수 있다. 컨버젼 코우팅은공구에 의해 마찰되어 벗겨지고, 이로 인해 작업편 상에 새로운 금속이 노출되어, 상기 노출된 금속 상에 컨버젼 코우팅이 재형성된다. 금속 제거 속도는, 컨버젼 코우팅을 형성하는, 활성 화학 물질과 금속 간의 반응 속도에 비례한다. 상기 반응 속도는, 온도를 높이고 화학적 촉매를 사용함으로써 증가될 수 있다. 상기 반응 속도가 증가됨에 따라, 상기 금속 제거 속도는, 컨버젼 코우팅 제거 속도에 의해 제어될 것이다. 상기 마찰 및 재형성 과정은, 희망하는 표면 마감 및/또는 쉐이핑 및/또는 사이징이 달성될 때까지 반복된다. 어떠한 금속학적 손상도 발생하지 않는다. 가공 공구는 컨버젼 코우팅의 제거를 위해 아주 작은 힘을 필요로 하며, 따라서, 전통적인 가공과 비교할 때에, 가공 정밀도 및 정확도는 증가될 수 있는 데에 반하여, 기계 장치의 크기, 복잡성 그리고 비용은 두드러지게 감소될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 열적 분해 온도가 작업편 상에 발생하지 않는다는 점에서, 공구와 작업편의 상대적인 운동 및 접촉 작용력이, 작업편의 소성 변형, 전단 강도 및/또는 인장 강도보다 작다. 몇몇 실시예에서는, 공구와 작업편 간의 접촉이, 금속을 작업편으로부터 1.0 마이크로인치의 이론적인 해상도로 제거한다. 공구로부터 작업편으로 작용된 작은 작용력 때문에, 공구의 마모는 최소화 및/또는 제거된다. 상기 화학적 기계적 공정은, 매우 제어된 금속 제거 속도에 적합하고, 쉐이핑 및/또는 사이징 과정과 동시에 작업편의 표면 마감을 할 수 있다.
화학적 기계적 가공 및 표면 마감 과정을 사용할 때에, 컨버젼 코우팅은, 작업편의 기저 금속보다 부드러운 작업편의 표면에 형성된다. 작업편의 표면 상에 상기의 화학적 컨버젼 코우팅을 형성시킬 수 있는 어떠한 활성 화학 물질도, 본 발명의 예상 범위 내에 포함된다. 상기 기저 금속 상에 형성된 상기 컨버젼 코우팅에 의해 나타나는 특성이, 본 공정의 성공적인 실시에 중요할지라도, 활성 화학 물질의 형성은 그러하지 않다. 하나의 그러한 컨버젼 코우팅은, 주식회사 렘 케미칼(REM Chemicals,Inc.)에 양도된, 그 내용이 참고 문헌에 의해 여기에서 구체화된, 미국 특허(미국 특허 번호 4,818,333)에 기술되어 있다.
활성 화학 물질은, 바람직하게는, 작동 조건에서 기저 금속의 부드러운 컨버젼 코우팅을 빠르고 효과적으로 생산할 수 있다. 상기 컨버젼 코우팅은, 금속 제거가 용해보다 일차적으로 마찰 및 재형성으로 발생하게 하기 위하여, 활성 화학 물질에 실질적으로 더욱 불용성이어야 하고, 더 이상의 반응으로부터 기저 금속을 보호하여야 한다.
또한 상기 활성 화학 물질은, 활성제(activators), 촉진제(accelerators), 산화제(oxidizing agents) 그리고, 어떤 경우에는, 반응 억제제(inhibitors) 및/또는 침윤제(wetting agents)를 포함할 수 있다. 첨가된 성분의 양은, 역효과가 없이 용해도(solubility limit)을 초과할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 용해되지 않는 부분의 존재는, 과정 중에 활성 화학 물질의 보충을 위하여 활성 성분의 공급을 유지하는 관점에서, 유익할 수 있다.
좀더 구체적으로 말하면, 관련된 금속 기질(基質)에 의존하여, 활성 화학은 일반적으로, 인산염(phosphate salts) 또는 인산(phosphoric acid), 옥살염(oxalate salts) 또는 옥살산(oxalic acid), 설퍼메이트 염(sulfamate salts) 또는 설퍼믹 산(sulfamic acid), 황산염(sulfate salts) 또는황산(sulfuric acid), 크롬산염(chromates) 또는 크롬산(chromic acid), 또는 이들의 혼합물을 포함할 것이다. 게다가, 공지의 활성제 또는 촉진제는, 셀레늄(selenium), 아연, 구리, 망간 그리고 철 인산염(iron phosphates)과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 활성 화학 물질 뿐만 아니라, 과황산염(persulfates), 과산화물(peroxides), 메타니트로벤젠(metanitrobenzenes), 염소산염(chlorates), 아염소산염(chlorites), 질산염(nitrates) 그리고 아질산염(nitrites)과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 무기 및 유기 산화제에 첨가될 수 있다.
본 발명에서 사용된 상기 활성 화학 물질은 희석되거나 분산될 수 있다. 희석제 또는 분산제는 가장 일반적으로는 물이 될 것이나, 파라피닉 오일(paraffinic oil), 유기 액체(organic liquid), 실리콘 오일(silicone oil), 합성 오일(synthetic oil), 기타 오일, 그리스(greases), 또는 윤활제와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 물이 아닌 다른 물질도 될 수 있다. 어떤 조건 하에서는, 황산(sulfuric acid), 메탄 설폰산(methane sulfonic acid) 또는 인산(phosphoric acid)과 같은, 물이 극소수 성분인 고농도 산(highly concentrated acid)으로 컨버젼 코우팅을 만드는 것이 바람직하다는 것 또한 예상되어진다. 더욱이, 바람직하다면, 오일 또는 윤활제는 희석제 또는 분산제로 사용될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 황산이 광유(mineral oil)과 함께 사용될 때에 바람직하다. 황산은 광유에 용해되는 대신에 분산될 것이므로, 황산은 광유에 가용성이지 않고, 오히려 광유가 분산제로 작용할 것이다.
열적 분해 온도가 작업편 상에 발생하지 않는 점에서, 과도한 작업편의 소성변형, 전단 강도 및/또는 인장 강도를 초과함이 없이 새로운 금속을 노출시키는, 부드러운 컨버젼 코우팅을 제거할 수 있는 상기한 어떠한 공구도, 본 발명의 예상 범위 내에 있다. 비록 공구의 특성이 컨버젼 코우팅의 성공적인 제거에 중요하여도, 공구의 디자인은 그러하지 않다. 어떤 경우에는, 공구는 작업편의 짝을 이루는 표면(mating surface) 또는 그와 비슷한 것이 될 수 있다. 예를 들어, 작업편은 기어를 포함할 수 있고, 공구는 메이팅 기어(mating gear) 또는 그와 비슷한 것을 포함할 수 있다. 다른 예로는, 작업편은 베어링 레이스(bearing race)를 포함할 수 있으며, 공구는 다수의 메이팅 베어링 볼(mating bearing ball) 또는 롤러(roller) 또는 그와 비슷한 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공구는 단단하거나 유연할 수 있다. 예를 들어, 작업편이 기어의 루트 필릿(root fillet)이라면, 공구는, 가공 선 및/또는 그라인드 선 및/또는 샷 피닝 패턴(shot peening pattern)을 제거하기 위하여 모든 바람직한 움푹 들어간 영역(recessed area)과 접촉할 것이라는 점에서, 단단하고 약간 연마성이 있는 실린더 크기가 될 수 있다. 다른 예로는, 작업편이 파이프 또는 튜브의 내부 표면이라면, 작업편에 합치되는 유연하고/하거나 확장될 수 있는 공구는, 형성 선(forming line) 또는 용접 자국(welding seam)을 제거함으로써, 표면 마감을 향상시키는 데에 사용될 수 있다.
하나의 실시예에서는, 공구는 활성 화학 물질과 반응하지 않고, 화학적으로 유도된 컨버젼 코우팅은 상기 공구 상에 형성되지 않는다. 공구가 만들어질 수 있는 예상되는 비반응성 물질은, 나무(wood), 종이, 피륙(cloth), 세라믹, 플라스틱,중합체(polymer), 탄성 중합체(elastomer), 그리고 금속이지만, 활성 화학 물질과 반응하지 않는 어떠한 물질도 사용될 수 있다. 예를 들어, 작업편이 기어라면, 공구는, 반응성의 작업편와 맞물려 작동되는 동안에, 요구되는 쉐이핑 및/또는 표면 가공 특성을 첨가하기 위하여 제작된, 비반응성 메이팅 기어일 수 있다.
상기 화학적 기계적 가공 및 표면 마감 공정에는 많은 잇점이 있다. 상기 공정은, 높은 치수 정밀도 및 정확도로써 작업편을 제작할 수 있는, 잘 제어된 금속 제거 속도를 달성한다. 금속은 대략 1.0 마이크로인치의 해상도로 제거될 수 있다. 상기 공정은 동시에 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감을 할 수 있으며, 그로 인해 공정의 총 단계의 수를 줄인다. 보다 작은 작용력으로도 금속의 제거를 초래할 수 있으므로, 더욱 작고, 보다 덜 복잡하며 그리고 비용이 덜 드는 기계 장치가 공구를 안내하기 위해 사용될 수 있다. 공구의 속도도 전통적인 가공에서 요구되는 것보다 더욱 작고, 공구의 비용 및 마모는 두드러지게 감소된다.
게다가, 더욱 큰 가공 표면 영역은 한번에 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감이 가능하다. 또한 상기 공정은, 작업편 상의 버어(burr), 가공 선(machine line), 딸깍이는 소음(chatter), 소성 변형, 그리고 다른 표면 결함을 실질적으로 제거한다. 상기 공정의 더욱 이로운 점은, 산화(oxidation), 상변화(phase change), 응력 발생 인자(stress raisers), 그리고 경도 변화(hardness change)와 같은 금속학적 손상 또는 응력이 없거나 작게 발생되는, 쿨 앤드 버언 프리(cool and burn-free) 가공 공정이라는 것이다. 상기 공정은 일반적으로 금속의 열적 분해 온도 또는 그 이하에서 수행된다. 또한, 상기 낮은 온도는 섬세한 작업편의 열적 변형(thermal deformation)을 제거하는 데에 도움이 될 수 있다. 게다가, 구조적인 휨은 감소된 공구 압력 하에서 최소화되며, 이는 구조적인 뒤틀림 및 이와 유사한 결함을 최소화 및/또는 제거함에 있어서, 섬세한 작업편에 특히 중요하다. 마지막으로, 가공 공정의 정밀도 및 정확도는 대단히 향상된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 금속 간의 접촉 표면의 진행 중인(in-situ) 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감이 달성될 수 있다. 이것은, 작업편 및 공구 모두의 각각의 반응성 금속 표면에 컨버젼 코우팅을 형성하기 위하여, 미세한 연마제 없이 또는 이와 함께, 활성 화학 물질을 결합된 장치에 더함으로써 이루어진다. 장치는 초기에 낮은 하중에서 작동될 수 있으며, 이는 점차 최대 하중 상태까지 증가될 수 있다. 상기 컨버젼 코우팅은, 마찰(rubbing), 회전(rolling), 활주(sliding), 그리고 이와 유사한 것이 새로운 금속을 그 이상의 반응에 노출시키게 하는, 임계 접촉 표면(critical contact surface)에서만 제거될 것이다. 화학적 기계적 가공 및 표면 마감은, 궁극적으로 선이 없는(line-free) 또는 거의 선이 없는 표면을 초래하는 울퉁불퉁한 부분을 제거하기 위하여, 임계 접촉 표면에서만 발생한다. 만약 원한다면, 상기 공정은, 짝을 이루는 작업편의 수퍼피니쉬된 표면(superfinished surface) 및/또는 최종 쉐이핑 및/또는 사이징을, 그들의 이상적인 형상으로 계속하여 얻을 수 있다. 따라서, 각각의 짝을 이루는 표면은 이상적이며 조화된 접촉 표면 영역을 갖게 된다. 진행 중의 과정(in-situ process)은, 활성 화학 물질의 특성을 조절하고 시간 및 온도, 접촉 하중 및 접촉 속도를 처리함으로써, 매우 제어된 정밀도로써, 짝을 이루는 구성요소에서 소수의 치수적 또는 기하학적 오류를 바로잡을 수 있다.
또한, 진행 중의 표면 마감 또는 수퍼피니싱(superfinishing)은, 변속 장치(transmission)와 같은 전체의 어셈블리(assembly)의 임계 접촉 표면을 모두 마감할 수 있게 하는 것과 같이, 각각의 작업편을 마감하는 비용을 두드러지게 감소시키는 다른 잇점을 갖는다. 일단 공정이 최적화되면, 상기 표면 마감은 매우 재현 가능하고, 공장 환경에서 쉽게 수행될 수 있으므로, 100% 최종 정밀 검사가 불필요하다. 상기 공정은, 하우징(housing)의 내측 또는 외측에서 수행될 수 있으며, 짝을 이루는 구성요소에서 소수의 치수적/기하학적 오류를 제거함으로써, 동시에 결합된 기계 장치(assembled mechanisms)를 최종 쉐이핑 및/또는 사이징할 수 있다. 기어와 베어링의 응용에서는, 예를 들어, 상기 공정은, 시운전 기간(break-in period), 마모, 손상 자국(scuffing), 작동 온도, 마찰(friction), 진동 그리고 소음을 감소시킨다.
상기 진행 중의 공정의 하나의 실시예는 두개의 메이팅 기어(mating gear)이다. 활성 화학 물질은, 제1 메이팅 기어에 컨버젼 코우팅을 형성함과 동시에 제2 메이팅 기어에 컨버젼 코우팅을 형성하면서, 제1 메이팅 기어에 도입될 수 있다. 상기 두개의 메이팅 기어는 그들 간의 상대적인 운동으로 접촉하며, 동시에 상기 두개의 기어로부터 상기 컨버젼 코우팅을 제거한다. 따라서, 표면 마감, 쉐이핑, 사이징 또는 이들의 조합과 같은 상기 두 기어의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지, 상기 두 기어는 상기 활성 화학 물질과 더욱 반응되도록 노출되어, 상기 컨버젼 코우팅은 상기 기어 상에 재형성되고 제거될 수 있게 된다. 하나의 실시예에서는, 상기 기어는 변속 장치(transmission) 또는 기어 박스(gear box) 내에 위치되어, 상기 변속 장치 또는 기어 박스가 작동하는 동안에 상기 기어 간의 접촉이 발생한다.
또 다른 실시예에서는, 베어링 레이스(bearing race) 및 다수의 짝을 이루는 회전 구성 요소(mating rolling elements)가 제공된다. 활성 화학 물질은 상기 베어링 레이스에 도입되며, 동시에 상기 베어링 레이스 및 상기 회전 구성 요소 상에 컨버젼 코우팅을 형성한다. 상기 베어링 레이스 및 짝을 이루는 회전 구성 요소는 그들 간의 상대적인 운동으로 접촉하며, 동시에 상기 베어링 레이스 및 상기 짝을 이루는 회전 구성 요소로부터 상기 컨버젼 코우팅을 제거한다. 따라서, 표면 마감, 쉐이핑, 사이징 또는 이들의 조합과 같은 상기 베어링 레이스 및 짝을 이루는 회전 구성 요소의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지, 상기 상기 베어링 레이스 및 상기 짝을 이루는 회전 구성 요소는 모두 활성 화학 물질과 더욱 반응되도록 노출되어, 상기 컨버젼 코우팅은 상기 기어 상에 재형성되고 제거될 수 있게 된다.
실시예1-진행 중의 표면 마감
가로 3 인치, 세로 1인치, 높이 1/2인치의 아주 작은 크기의, 두개의 유사한 SAE 4140 탄소강, 43-45 HRC가 시험 견본으로 사용되었다. 각각의 시험 견본의 가로 1/2 인치, 세로 3 인치의 한 표면은, 180 그릿(grit)의 습식/건식(wet/dry) 탄화 규소 페이퍼로써, 세로 방향으로 전통적이며 기계적으로 연마되었다. 쿠폰(Coupon) 1의 최초 Ra 및 Rmax는 각각 10.0μin. 및 98.4μin.였다. 쿠폰(Coupon) 2의 최초 Ra 및 Rmax는 각각 17.6μin. 및 167μin.였다.
쿠폰 2는, 전통적이며 기계적으로 연마된 표면을 위로 향한 상태로, 60 g/L 옥살산(oxalic acid)와 20 g/L 메타니트로벤젠 설폰산 나트륨(sodium metanitrobenzene sulfonate)의 용액에 놓여진다. 쿠폰 1의 전통적이며 기계적으로 연마된 표면은, 상기 쿠폰 2의 전통적이며 기계적으로 연마된 표면에, 수직으로 접촉하여 놓여진다. 쿠폰 2는 고정된 위치에 결합되며, 쿠폰 1은,임계 접촉 표면의 활주 운동을 가장하기 위하여, 손에 의해 앞뒤 및 회전 운동으로 움직이게 된다. 이때에 매우 작은 압력만이 적용된다. 상기 과정은 대략 10분간 계속된다. 금속간 접촉 표면에서의 쿠폰 1의 최종 Ra 및 Rmax는, 각각 1.71μin. 및 27.6μin.였다. 금속간 접촉 표면에서의 쿠폰 2의 최종 Ra 및 Rmax는, 각각 1.95μin. 및 45.4μin.였다.
실시예 1은, 경화된 금속으로부터 제작된 두개의 짝을 이루는 작업편이, 서로 약간 마찰하면서, 적절한 활성 화학 물질로 표면이 적셔짐으로써, 표면 마감될 수 있고, 게다가 수퍼피니싱 및/또는 사이징 및/또는 쉐이핑될 수도 있음을 보여준다. 본 발명의 상기 실시예에서는 연마제, 고온 또는 고압이 필요치 않다. 표면은, 금속 간의 접촉이 있는 곳에서만, 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감된다.
두개 또는 그 이상의 기어가 기어 박스(gearbox) 안에 맞물려 있을때, 그들의 프랭크(flank)는, 상기 실시예 1과 비슷한 방식으로, 쉐이핑 및/또는 표면 마감될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 출력 샤프트(output shaft)에는 작은 하중을 적용하면서, 기어 박스의 입력 샤프트(input shaft)를 돌림으로써 이루어질 수 있다. 기어 톱니의 접촉 영역은, 기어의 표면에 계속적으로 새로운 활성 화학 물질을 흘리거나, 상기 기어가 상기 활성 화학 물질에 적셔지는 상기 기어 박스에, 상기 활성 화학 물질을 뱃치(batch)로서 첨가함으로써, 적절한 활성 화학 물질에 적셔질 수 있다. 시간이 지남에 따라, 상기 톱니의 접촉 표면은 점점 부드러워지며, 상기 톱니 모양은 이상적인 기어 형상으로 형상화될 것이다.
유사하게, 베어링도, 매우 작은 하중 하에서 작동하면서, 작업편에 활성 화학 물질을 첨가함으로써, 쉐이핑, 사이징 및/또는 표면 마감될 수 있다. 어떠한 금속학적 손상도, 마찰, 마모, 손상 자국, 접촉 피로(contact fatigue) 그리고 동적 피로(dynamic fatigue)로부터 조속한 작업편의 파괴를 가져오는 응력 발생 인자 또는 템퍼링(tempering)을 초래하는, 매우 국부적인 온도를 발생시키는 연마제 또는 작용력을 사용하는 전통적인 가공과 달리, 어떠한 금속학적 손상도 발생할 수 없다.
본 발명은 베어링 또는 기어에 한하지 않으며, 표면 마감 및/또는 사이징 및/또는 쉐이핑으로부터 이익을 얻는, 어떠한 단단한 금속 간 접촉에도 적용될 수 있다. 하나의 단계로 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감을 할 수 있는 능력은, 다양한 작업편의 제작 효율을 증가시킨다.
실시예 2-약간 연마성이 있는(abrassive) 공구에 의한
전통적 기계적 가공의 기준선
팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스트 링(Falex Corporation FLC Lubricity Test Ring), SAE 52100 스틸(steel), HRC 57-63,(파트 번호 001-502-001P)은, 약간 연마성이 있는(600그릿) 습식/건식 탄화 규소(silicon carbide) 페이퍼 및, 냉각 윤활제로서, SAE 30 웨이트 디터젼트 프리 모터 오일(weight detergent free motor oil)을 사용하여, 전통적이며 기계적으로 가공된다.
외측 링 표면의 단단한 플라스틱 주형(Facsimile:등록상표)이, 600 그릿 습식/건식 탄화 규소 페이퍼를 지지하는 반면, 팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스터(Falex Corporation FLC Lubricity Tester)는, 세트 RPM에서 링을 회전시키기 위하여 사용된다. 작용되는 중력과 함께 0-150 피트 파운드 시어 크래프트맨(Sears Craftsman) 토오크 렌치(torque wrench)가 적용된 팔렉스(Falex)는, 전통적이고 기계적인 그라인딩 공정에 적용된 부하(load)이다. 상기 링은, 테스트를 통하여, SAE 30 웨이트 디터젼트 프리 모터 오일의 저장조(reservoir)에 부분적으로 잠긴다. 도 1은 테스트 장치를 도시하였다.
상기 테스트 링은, 금속 제거를 결정하기 위해, 화학 천평(analytical balance)에서 과정이 진행되기 전에 그리고 그 후에, 깨끗하게 손질되고, 건조되고, 무게가 측정되어진다.
상기 테스트 링은 과정 전에 22.0951그램의 무게를 갖는다. 460RPM으로 1.0 시간의 과정 후에, 무게는 22.0934그램이다. 이것은 시간당 0.0017그램의 손실이며, 치수에 있어서 8.9μin.의 변화로 계산된다.
실시예 3-약간 연마성이 있는 공구에 의한
화학적 기계적 가공
팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스트 링(Falex Corporation FLC Lubricity Test Ring), SAE 52100 스틸(steel), HRC 57-63,(파트 번호 001-502-001P)은, 약간 연마성이 있는(600그릿) 습식/건식 탄화 규소(silicon carbide) 페이퍼 및, 컨버젼 코우팅을 만들기 위한 활성 화학 물질로서, 체적 분율 6.25%를 유지하는, 페로밀 FML-575 IFP(FERROMIL FML-575 IFP:등록상표)를 사용하여, 화학적이며 기계적으로 가공된다.
외측 링 표면의 단단한 플라스틱 주형(Facsimile:등록상표)이, 600 그릿 습식/건식 탄화 규소 페이퍼를 지지하는 반면, 팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스터(Falex Corporation FLC Lubricity Tester)는, 세트 RPM에서 링을 회전시키기 위하여 사용된다. 작용되는 중력과 함께 0-150 피트 파운드 시어 크래프트맨(Sears Craftsman) 토오크 렌치(torque wrench)가 적용된 팔렉스(Falex)는, 화학적이고 기계적인 과정에 적용된 부하(load)이다. 상기 링은, 주위 실온(room temperature)에서 6.5 미리리터/분의 속도로 저장조(reservoir)를 통하여 흐르는, 페로밀 FML-575 IFP(FERROMIL FML-575 IFP:등록상표)에 부분적으로 잠긴다. 도 1은 테스트 장치를 도시하였다.
상기 테스트 링은, 금속 제거를 결정하기 위해, 화학 천평(analytical balance)에서 과정이 진행되기 전에 그리고 그 후에, 깨끗하게 손질되고, 건조되고, 무게가 측정되어진다.
상기 테스트 링은 과정 전에 22.1827그램의 무게를 갖는다. 460RPM으로 1.0 시간의 과정 후에, 무게는 22.1550그램이다. 이것은 시간당 0.0277그램의 손실이며, 치수에 있어서 145.6μin.의 변화로 계산된다. 상기 결과는 실시예 2의 그것보다 16배의 금속 제거 속도를 나타낸다.
실시예 2 및 3은, 견고한 작업편에의 화학적 기계적 가공이 금속 제거 속도를 극적으로 증가시키는 것을 나타낸다. 따라서, 활성 화학 물질과 함께 약간 연마성이 있는 공구를 사용하여, 경화된 금속 작업편을 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감하는 것이 가능하다. 작업편의 경도는, 활성 화학 물질이 표면과 반응하는 한, 문제되지 않는다. 사실, 금속 제거 속도는, 아무리 금속의 경도가 높아도, 대략 같음을 유지한다. 현저한 대조로서, 전통적인 가공(예를 들어, 그라인딩(grinding), 호닝(honing), 연마(polishing), 등등)에서는, 작업편의 경도가 60 HRC 그리고 그 이상으로 증가하므로, 금속 제거 속도는 감소하는 반면, 공구의 마모가 증가한다.
본 발명의 실시예 2 및 3은, 약간 연마성이 있는 공구를 사용하여, 매우 단단한 금속 표면을 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감할 수 있다는 것을 나타낸다. 이것은, 예를 들어, 기어의 톱니 모양을 쉐이핑 및/또는 표면 마감하는 데에 사용될 수 있다. 이 경우에, 예를 들어, 약간의 연마제가 있는, 작은 회전하는/하거나 진동하는 공구는, 적절한 활성 화학 물질에 계속적으로 적셔지는, 기어의 기어 플랭크(gear flank)와 접촉하여 놓여진다. 이것은 가공 선 및/또는 그라인드 선을 제거하며, 이상적인 기어 형상으로 톱니를 형상화하는 데에 사용되어진다. 이것은, 기어의 소음과 작동 동력 밀도(operating power densities)를 증가시키는 데에 반하여, 휨 피로(bending fatigue), 손상 자국, 그리고 다른 파괴를 경험하는 기어의 수명을 두드러지게 증가시킨다.
본 발명은 기어에 한하지 않으며, 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감으로부터 이익을 얻는, 어떠한 견고한 금속 표면에도 적용될 수 있다. 하나의 단계로 쉐이핑 및 표면 마감을 할 수 있는 능력은, 다양한 작업편의 제작 효율을 증가시킬 것이다.
실시예 4-연마성이 없는 플라스틱 공구에 의한
전통적 기계적 그라인딩 기준선
팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스트 링(Falex Corporation FLC Lubricity Test Ring), SAE 4620 스틸(steel), HRC 58-63,(파트 번호 S-25)은, 렘 FBC-50(REM FBC-50:등록상표)(급속한 부식과 공구의 열적 분해를 방지하기 위한 비누 혼합물,그러나 컨버젼 코우팅을 야기하지는 않음)을 사용하여 마감된다.
고정된 페로밀 미디어 # NA(FERROMIL Media # NA:등록상표)(연마성이 있는 입자가 없는 순수한 플라스틱(폴리에스테르 수지)가, 외측 링에 접촉하는 반면, 팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스터(Falex Corporation FLC Lubricity Tester)는, 세트 RPM에서 링을 회전시키기 위하여 사용된다. 상기 플라스틱 미디어(plastic media)는, 적절한 표면 접촉을 제공하기 위하여, 링의 윤곽으로 형상화되었다. 작용되는 중력과 함께 0-150 피트 파운드 시어 크래프트맨(Sears Craftsman) 토오크 렌치(torque wrench)가 적용된 팔렉스(Falex)는, 전통적이고 기계적인 과정에 적용된 부하(load)이다. 상기 링은, 6.5 미리리터/분의 속도로 저장조(reservoir)를 통하여 흐르는, 체적 분율 1%의 렘 FBC-50(REM FBC-50:등록상표)에 부분적으로 잠긴다. 도 2은 테스트 장치를 도시하였다.
상기 테스트 링은, 금속 제거를 결정하기 위해, 화학 천평(analytical balance)에서 과정이 진행되기 전에 그리고 그 후에, 깨끗하게 손질되고, 건조되고, 무게가 측정되어진다.
상기 테스트 링은 과정 전에 22.3125그램의 무게를 갖는다. 460RPM으로 3.0 시간의 과정 후에, 무게는 22.3120그램이다. 이것은 총 0.0005그램 또는 시간당 0.00017그램의 손실이며, 치수에 있어서 시간당 0.9μin.의 변화로 계산된다.
상기 실시예는, 활성 화학 물질이 없을 때, 경화된 철 표면 상에, 연마성이 없는 플라스틱에 의하여 제거되는 금속의 양은 매우 작다는 것을 나타낸다.
실시예 5-연마성이 없는 플라스틱 공구에 의한
화학적 기계적 가공
팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스트 링(Falex Corporation FLC Lubricity Test Ring), SAE 4620 스틸(steel), HRC 58-63,(파트 번호 S-25)은, 페로밀 Ⅶ 에어로-700(FERROMIL Ⅶ Aero-700:등록상표)을 사용하여 마감된다.
고정된 페로밀 미디어 # NA(FERROMIL Media # NA:등록상표)(연마성이 있는 입자가 없는 순수한 플라스틱(폴리에스테르 수지)가, 외측 링에 접촉하는 반면, 팔렉스 코포레이션 FLC 윤활도 테스터(Falex Corporation FLC Lubricity Tester)는, 세트 RPM에서 링을 회전시키기 위하여 사용된다. 상기 플라스틱 미디어(plastic media)는, 적절한 표면 접촉을 제공하기 위하여, 링의 윤곽으로 형상화되었다. 작용되는 중력과 함께 0-150 피트 파운드 시어 크래프트맨(Sears Craftsman) 토오크 렌치(torque wrench)가 적용된 팔렉스(Falex)는, 전통적이고 기계적인 가공 과정에 적용된 부하(load)이다. 상기 링은, 6.5 미리리터/분의 속도로 저장조(reservoir)를 통하여 흐르는, 체적 분율 12.5%의 렘 FBC-50(REM FBC-50:등록상표)에 부분적으로 잠긴다. 도 2은 테스트 장치를 도시하였다.
상기 테스트 링은, 금속 제거를 결정하기 위해, 화학 천평(analytical balance)에서 과정이 진행되기 전에 그리고 그 후에, 깨끗하게 손질되고, 건조되고, 무게가 측정되어진다.
상기 테스트 링은 과정 전에 22.1059그램의 무게를 갖는다. 460RPM으로 3.0 시간의 과정 후에, 무게는 22.0808그램이다. 이것은 총 0.0251그램 또는 시간당0.000837그램의 손실이며, 치수에 있어서 시간당 44.0μin.의 변화로 계산된다. 이것은, 기저 금속(basis metal)보다 부드러운, 연마성이 없는 공구 가공을 사용하여, 실시예 4의 금속 제거를 49번 이상 변형하며, 따라서 기저 금속의 소성 변형, 전단 강도 또는 인장 강도를 초과할 수 없다.
실시예 4 및 5는, 연마성이 없는 플라스틱을 사용하더라도, 경화된 철로부터 상당량의 금속이 제거될 수 있음을 나타낸다. 플라스틱으로 만들어진 공구는, 활성 화학 물질이 사용될 때, 경화된 철 표면을 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감하는 데에 사용될 수 있다. 따라서, 더욱 단단한 물질로부터 만들어진 공구가, 큰 작용력 또는 높은 국부적인 온도를 겪지 않으므로, 매우 연장된 수명을 갖을 것이라는 것은 타당하다. 상기 공구는, 부드러운 컨버젼 코우팅을 제거하는 데에 필요한 작용력만으로도 금속을 제거할 수 있으므로, 더욱 오래 지속될 것이다.
더욱이, 상기 두 실시예는, 더욱 작은 작용력을 필요로 하므로, 매우 단단한 표면으로부터 금속의 제거는, 전통적인 가공에서보다 작은 기계 장치로도 수행될 수 있다. 감소된 공구 압력 하에서의 최소의 구조적인 휨(structural deflections) 및 낮은 온도는, 특히 섬세한 작업편에 있어서, 구조적인 뒤틀림(structural distortion)을 최소화하고/하거나 제거하고, 가공 정확도 및 정밀도를 증가시킬 것이다. 금속 제거 속도가 시간당 44.0μin.이므로, 가공이 1.0μin.의 증분으로, 금속 제거의 매우 높은 해상도를 갖을 수 있는 것은 분명하다.
실시예 6-화학적 기계적 표면 마감
기어 톱니의 루트 필릿(root fillet)은, 축방향의 그라인드 선을 제거하기 위하여, 화학적이고 기계적으로 표면 마감되었다. 공구는, 600 그릿 습식/건식 탄화 규소 페이퍼로 감싸인, 직경 0.067in.의 고속 철 와이어의 단면을 사용하여 제작되었다. 상기 공구는 대략 80RPM으로 회전되었다. 상기 공구는, 매우 작은 압력으로, 기어 톱니(웹스터 AISI 8620 탄소강(Webster AISI 8620 carburized steel), 17-톱니 기어(17-tooth gear), 8-직경 피치(8-diametral pitch) 그리고 25˚압력 각도(25˚pressure angle), 대략 0.0469 인치의 필릿 반경(fillet radius))의 루트 필릿 영역에 대해 고정되었다. 60g/L 옥살산(oxalic acid) 및 20g/L 메타니트로벤젠 설폰산 나트륨(sodium metanitrobenzene sulfonate)의 용액은, 접촉 표면에 드랍 방식으로 도입되었다. 상기 과정은 15분 동안에 수행되었다. 상기 탄화 규소 페이퍼는, 10분 간의 표면 마감 후에 한번 교체되었다.
10배 확대된 표면 마감된 작업편의 조사에 의해, 하나 또는 두개의 그라인드 선이, 선이 없고 부드러우며 납작한, 대부분의 표면과 함께 존속하는 것으로 드러났다. 이것은, 매우 작은 치수적 공차(dimensional tolerances)를 유지하면서, 화학적 기계적 표면 마감을 사용하여, 표면 마감이 움푹들어간 임계 표면에 수행될 수 있음을 보여준다. 더욱이, 기어의 루트 필릿 영역 상의 가공 선 및/또는 그라인드 선은, 상대적으로 간단한 화학적 기계적 표면 마감에 의해 제거될 수 있다. 약간의 연마성이 있는(abrassive) 공구에 의해 생성된 어떠한 선도, 축방향의 그라인드 선에 직교할 것이다. 따라서, 톱니 휨 피로(tooth bending fatigue)는 감소되며, 기어의 수명은 두드러지게 연장될 것이다.
본 발명은 기어에 한하지 않으며, 동적 피로(dynamic fatigue)를 겪는 어떠한 견고한 금속 표면에도 적용될 수 있다. 하나의 단계로 쉐이핑 및/또는 사이징 및/또는 표면 마감을 할 수 있는 능력은, 다양한 작업편의 제작 효율을 증가시킨다.
본 발명의 장치 및 방법은 바람직한 실시예로써 기술되었으나, 본 발명의 개념 및 범위로부터 벗어나지 않고, 여러 변화가 여기에 기술된 과정에 적용될 수 있다는 것은, 이 분야의 숙련자에게 명백하다.
이 분야의 숙련자에게 명백한, 이러한 모든 치환 및 변용은, 다음의 청구범위에서 제시된 바와 같이, 본 발명의 개념 및 범위 내로 생각된다.
Claims (46)
- a. 공구(tool)를 제공하고;b. 활성 화학 물질(active chemstry)을 작업편(workpiece)에 도입하고, 상기 활성 화학 물질은, 상기 작업편과 반응하여, 상기 작업편에 컨버젼 코우팅(conversion coating)을 형성할 수 있으며, 상기 컨버젼 코우팅은, 상기 활성 화학 물질에 불용성으로서, 더 이상의 반응으로부터 작업편를 보호하고;c. 상기 작업편의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지, 서로 상대적인 운동에 의해, 상기 공구를 상기 작업편에 접촉시키고;상기 공구 및 상기 작업편의 상기 접촉이, 상기 작업편으로부터 상기 컨버젼 코우팅을 제거하여, 이로써 상기 작업편을 상기 활성 화학 물질과의 그 이상의 반응에 노출시켜, 상기 컨버젼 코우팅이, 상기 작업편에 재형성될 수 있는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정(process).
- 제1항에 있어서,상기 작업편의 상기 표면 특성은, 표면 마감(surface finishing), 쉐이핑(shaping), 사이징(sizing) 그리고 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 활성 화학 물질은, 물 기지(water-based) 또는 유기 화합물 기지(organic-based)인 것을 특징으로 하는 공정,
- 제1항에 있어서,상기 활성 화학 물질은, 인산염(phosphate salts), 인산(phosphoric acid), 옥살염(oxalate salts), 옥살산(oxalic acid), 설퍼메이트 염(sulfamate salts), 설퍼믹 산(sulfamic acid), 황산염(sulfate salts), 황산(sulfuric acid), 크롬산염(chromates), 크롬산(chromic acid), 그리고 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된, 활성 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 활성 화학 물질은, 진한 산(concentrated acid)인 것을 특징으로 하는 공정.
- 제5항에 있어서,상기 진한 산은, 황산(sulfuric acid), 메탄 설폰산(methane sulfonic acid) 또는 인산(phosphoric acid)인 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 활성 화학 물질은, 셀레늄(selenium), 아연(zinc), 구리(copper),망간(manganese), 마그네슘(magnesium) 그리고 철 인산염(iron phosphates)으로 구성된 그룹으로부터 선택된, 활성제(activators) 또는 촉진제(accelerators)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 활성 화학 물질은, 과황산염(persulfates), 과산화물(peroxides), 메타니트로벤젠(metanitrobenzenes), 염소산염(chlorates), 아염소산염(chlorites), 질산염(nitrates) 그리고 아질산염(nitrites) 그리고 이들의 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된, 무기 또는 유기 산화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 활성 화학 물질은, 희석제(diluent) 또는 분산제(dispersant)와 함께, 상기 작업편에 도입되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제9항에 있어서,상기 희석제 또는 분산제는, 물, 유기 액체(organic liquids), 파라피닉 오일(paraffinic oil), 실리콘 오일(silicone oil), 합성 오일(synthetic oil), 기타 오일, 윤활제(lubricants), 그리스(greases), 그리고 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편은, 금속으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제11항에 있어서,상기 컨버젼 코우팅은, 금속의 산화물, 금속의 인산염, 금속의 수산염(oxalate), 금속의 황산염, 금속의 설퍼메이트(sulfamate), 그리고 금속의 크롬산염으로 구성된 그룹으로부터 선택된, 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제11항에 있어서,상기 금속은, 철(iron), 티타늄(titanium), 니켈(nikel), 크롬(chromium), 코발트(cobalt), 텅스텐(tungsten), 우라늄(uranium), 그리고 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편과 상기 공구 간의 상기 상대적인 운동은, 상기 작업편을 가로질러 상기 공구를 움직임으로써 발생하고, 상기 작업편은 고정된 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편과 상기 공구 간의 상기 상대적인 운동은, 상기 공구를 가로질러 상기 작업편을 움직임으로써 발생하고, 상기 공구는 고정된 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편과 상기 공구 간의 상기 상대적인 운동은, 상기 공구 및 상기 작업편 모두의 동시 동작(simultaneous movement)에 의하여 발생하고, 상기 공구 및 상기 작업편 어느 것도 고정되지 않은 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 연마성이 없는(non-abrasive) 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 약간 연마성이 있는(low abrasive) 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 단단한(rigid) 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 유연하여(flexible) 상기 작업편에 합치하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 상기 작업편의 짝을 이루는 표면(mating surface)이거나 이와 유사한 것인 것을 특징으로 하는 공정.
- 제21항에 있어서,상기 공구는, 비반응성 물질(non-reactive material)로부터 형성되고, 컨버젼 코우팅(conversion coating)은, 상기 공구에 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제22항에 있어서,상기 비반응성 물질은, 나무(wood), 종이, 피륙(cloth), 세라믹, 플라스틱, 중합체(polymer), 탄성 중합체(elastomer), 그리고 금속으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제21항에 있어서,상기 공구는, 상기 활성 화학 물질에 반응적이고, 제2 컨버젼 코우팅이 상기 금속에 형성되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제24항에 있어서,상기 공정은, 상기 공구의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지 계속되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제25항에 있어서,상기 공구의 표면 특성은, 표면 마감(surface finishing), 쉐이핑(shaping), 사이징(sizing), 그리고 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편은, 기어의 루트 필릿(root fillet)을 포함하고, 상기 공구는, 기어의 루트 필릿으로부터 표면 결함(surface deformities)을 제거하며, 상기 표면 결함은, 가공 선(machine lines), 그라인드 선(grind lines), 샷 피닝 패턴(shot peening patterns) 그리고 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편은 기어를 포함하고, 상기 공구는 짝을 이루는 기어(mating gear) 또는 이와 유사한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제28항에 있어서,상기 공구는, 상기 활성 화학 물질에 반응적이고, 제2 컨버젼 코우팅이 상기 공구에 형성되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제29항에 있어서,상기 공정은, 상기 공구의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지 계속되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제30항에 있어서,상기 공구의 표면 특성은, 표면 마감(surface finishing), 쉐이핑(shaping), 사이징(sizing), 그리고 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편은, 베어링 레이스(bearing race)를 포함하고, 상기 공구는, 다수의 메이팅 베어링 볼(mating bearing ball) 또는 롤러(roller) 또는 이와 유사한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제32항에 있어서,상기 공구는, 상기 활성 화학 물질에 반응적이고, 제2 컨버젼 코우팅이 상기공구에 형성되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제33항에 있어서,상기 공정은, 상기 공구의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지 계속되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제34항에 있어서,상기 공구의 표면 특성은, 표면 마감(surface finishing), 쉐이핑(shaping), 사이징(sizing), 그리고 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 작업편 및 상기 공구는, 하우징(housing)에 결합되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공정은, 상기 작업편의 열적 분해 온도(thermal degradation temperature)보다 낮은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 연마성이 없고(non-abrasive), 상기 작업편의 소성 변형(plastic deformation)보다 작은 작용력에서 상기 작업편과 접촉하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 연마성이 없고(non-abrasive), 상기 작업편의 전단 강도(shear strength)보다 작은 작용력에서 상기 작업편과 접촉하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,상기 공구는, 연마성이 없고(non-abrasive), 상기 작업편의 인장 강도(tensile strength)보다 작은 작용력에서 상기 작업편과 접촉하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제1항에 있어서,물질이, 상기 공구와 상기 작업편 간의 상기 접촉에 의해, 상기 작업편으로부터 1.0 마이크로인치의 이론적인 해상도로 제거되는 것을 특징으로 하는 공정.
- a. 제1 메이팅 기어(mating gear)를 제공하고;b. 상기 제1 메이팅 기어에 활성 화학 물질을 도입하고, 상기 활성 화학 물질은, 상기 제1 메이팅 기어와 반응하여, 상기 제1 메이팅 기어에 제1 컨버젼 코우팅을 형성할 수 있으며, 상기 제1 컨버젼 코우팅은, 상기 활성 화학 물질에 불용성으로서, 더 이상의 반응으로부터 상기 제1 메이팅 기어를 보호하고;c. 제2 메이팅 기어를 제공하고, 상기 활성 화학 물질은, 상기 제2 메이팅 기어와 반응하여, 상기 제2 컨버젼 코우팅을 형성할 수 있으며, 상기 제2 컨버젼 코우팅은, 상기 활성 화학 물질에 불용성으로서, 더 이상의 반응으로부터 상기 제2 메이팅 기어를 보호하고;d. 상기 제1 메이팅 기어 및 상기 제2 메이팅 기어 모두의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지, 상호 간의 상대적인 운동에 의해, 상기 제1 메이팅 기어를 상기 제2 메이팅 기어에 접촉시키고;상기 제1 메이팅 기어와 상기 제2 메이팅 기어 간의 상기 접촉이, 상기 제1 및 제 2 메이팅 기어로부터 상기 제1 및 제2 컨버젼 코우팅을 각각 동시에 제거하여, 이로써 상기 제1 및 제2 메이팅 기어를 상기 활성 화학 물질과의 더 이상의 반응에 노출시켜, 상기 제1 및 제2 컨버젼 코우팅이, 상기 제1 및 제2 메이팅 기어에 각각 재형성될 수 있는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제42항에 있어서,상기 제1 메이팅 기어 및 상기 제2 메이팅 기어 모두의 상기 표면 특성은, 표면 마감(surface finishing), 쉐이핑(shaping), 사이징(sizing) 그리고 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제42항에 있어서,상기 제1 메이팅 기어 및 상기 제2 메이팅 기어는, 변속 장치(transmission) 또는 기어 박스(gearbox) 내에 위치되고, 상기 제1 메이팅 기어와 상기 제2 메이팅 기어 간의 상기 접촉은, 변속 장치(transmission) 또는 기어 박스(gearbox)가 작동하는 동안에 발생하는 것을 특징으로 하는 공정.
- a. 메이팅 베어링 레이스(mating bearing race)를 제공하고;b. 상기 메이팅 베어링 레이스에 활성 화학 물질을 도입하고, 상기 활성 화학 물질은, 상기 메이팅 베어링 레이스와 반응하여, 상기 메이팅 베어링 레이스에 제1 컨버젼 코우팅을 형성할 수 있으며, 상기 제1 컨버젼 코우팅은, 상기 활성 화학 물질에 불용성으로서, 더 이상의 반응으로부터 상기 메이팅 베어링 레이스를 보호하고;c. 짝을 이루는 회전 구성 요소(mating rolling element)를 제공하고, 상기 활성 화학 물질은, 상기 짝을 이루는 회전 구성 요소와 반응하여, 상기 짝을 이루는 회전 구성 요소의 상기 제2 컨버젼 코우팅을 형성할 수 있으며, 상기 제2 컨버젼 코우팅은, 상기 활성 화학 물질에 불용성으로서, 더 이상의 반응으로부터 상기 짝을 이루는 회전 구성 요소를 보호하고;d. 상기 메이팅 베어링 레이스 및 상기 짝을 이루는 회전 구성 요소 모두의 희망하는 표면 특성이 도달될 때까지, 상호 간의 상대적인 운동에 의해, 상기 메이팅 베어링 레이스를 다수의 짝을 이루는 회전 구성 요소에 접촉시키고;상기 메이팅 베어링 레이스와 상기 다수의 짝을 이루는 회전 구성 요소 간의 상기 접촉이, 상기 메이팅 베어링 레이스 및 상기 다수의 짝을 이루는 회전 구성 요소로부터 상기 제1 및 제2 컨버젼 코우팅을 각각 동시에 제거하여, 이로써 상기 메이팅 베어링 레이스 및 상기 다수의 짝을 이루는 회전 구성 요소를 상기 활성 화학 물질과의 더 이상의 반응에 노출시켜, 상기 제1 및 제2 컨버젼 코우팅이, 상기 메이팅 베어링 레이스 및 상기 다수의 짝을 이루는 회전 구성 요소에 각각 재형성될 수 있는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제45항에 있어서,상기 메이팅 베어링 레이스 및 상기 다수의 짝을 이루는 회전 구성 요소 모두의 상기 표면 특성은, 표면 마감(surface finishing), 쉐이핑(shaping), 사이징(sizing) 그리고 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
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