KR20200070875A

KR20200070875A - 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물 및 이를 제조하기 위한 증착시스템

Info

Publication number: KR20200070875A
Application number: KR1020180158499A
Authority: KR
Inventors: 김강형; 허윤호; 윤형근
Original assignee: 에스 알 씨 주식회사
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-18
Also published as: EP3666927A1; KR102206212B1; US20200180211A1

Abstract

강화된 증착표면을 갖는 치차성형물 및 이를 제조하기 위한 증착시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물은, 중심 회전축을 갖는 원통형 몸체의 외주 또는 내주를 따라 골과 산이 연이어 형성된 치차부; 및 상기 치차부를 지향하여 동축노즐방식으로 방사된 레이저빔의 둘레에서 레이저빔의 방사축에 접하도록 분사되어 용융된 분말형 소재가 상기 치차부의 표면과 일체화되어 이루어진 증착층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 치차성형물에 형성되는 강화된 내식성 및 내마모성의 증착층은 치차부를 지향하여 방사된 레이저빔의 둘레에서 레이저빔의 방사축에 접하도록 분사된 분말형 소재가 레이저빔에 의해 용융되어 치차부의 표면에 증착되는 동축노즐방식에 의해 형성되는 것이므로, 산 및 골(치차부)의 형상이나 규격, 치차성형물을 이루는 원재료의 물성 등에 대응한 레이저빔의 출력, 치차부의 회전속도, 분말형 소재 종류나 분사량 등의 세밀한 제어가 자유자재로 이루어질 수 있어, 다양한 형상 및 물성의 치차부에 대하여 최적화된 증착층이 균일하고 정밀하게 형성될 수 있는 효과가 있다.

Description

강화된 증착표면을 갖는 치차성형물 및 이를 제조하기 위한 증착시스템{GEARED PRODUCT WITH REINFORCED DEPOSITION SURFACES AND DEPOSITION SYSTEM USED FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물 및 이를 제조하기 위한 증착시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 산과 골이 연이어 형성된 치차를 갖는 각종 동력전달용 기어나 골성형 롤러의 표면에 레이저빔을 이용하여 분말형 소재를 소정두께로 증착시킨 성형물 및 이의 제조에 사용되는 증착시스템에 관한 것이다.

현대사회는 기술적 진보가 계속적으로 이루어짐에 따라 여러 산업분야에서 제품의 수명과 내구성을 더욱 높이는 방향으로 안전성과 친환경성을 지속적으로 도모하고 있다. 여러 산업분야 중에서 자동차, 건설장비, 항공기, 선박을 비롯하여 운송기계, 엘리베이터, 열차 등은 고속, 반복으로 접촉하며 작동하는 다수의 부품들에 대한 작동의 안전성과 고내구성을 특별히 중요시하고 있다.

대표적인 작동 부품으로는 산과 골의 치차가 서로 맞물리면서 고면압이 작용하는 스플라인 기어, 코러게이팅 기어, 헬리컬 기어, 골성형 롤러, 스플라인 축 등이 있다.

일례로 포장재로 많이 사용되는 골판지를 제조하는데 사용되는 골성형 롤러의 경우는 외주면을 따라 산과 골(Flute)이 형성된 한 쌍의 롤러가 서로 거리를 두고 맞물리는 형태로 설치되어 골판지 원지의 주름을 성형하게 된다.

이때, 롤러의 표면인 산과 골은 골판지 원지의 투입에 의해 높은 하중을 전달받고, 이에 함유된 회분 등에 의한 극심한 마모환경에 놓이게 되는 관계상 고강도와 높은 내면압성이 요구되고 있다.

이에 따라 골성형 롤러는 통상 산과 골 부위에 표면경화층을 형성하는 표면경화열처리나 도금 등의 코팅층을 형성하는 가공에 의해 내마모성의 증대와 내구수명의 연장을 도모하고 있다.

위와 같은 표면에 대한 내마모성의 증대 등은, 보다 구체적으로 첫째, 외부응력에 견딜 정도로 강도가 충분하면서 연성과 인성이 우수하고 수급이 용이한 기지재료(base material or substrate)를 선정하고, 둘째, 가해지는 응력 수준에 비례하여 제품의 표면에 수 mm의 경화층을 형성하여 접촉이 많은 부품에 대하여 굽힘응력과 비틀림응력에 대한 내피로 강도와 내구수명을 향상시키고, 셋째, 표면에 대한 화학적/물리적 열처리로 기지재료나 경화층보다 우수한 내식성이나 내마모성을 갖는 수십 미크론 수준의 화합물층 즉, 코팅층을 형성하는 단계를 거쳐 이루어지게 된다.

여기서 500~600℃에서 질화처리나 탄질화처리와 같은 화학적 침투에 의해 0.1mm 이하의 고경도 화합물을 표면에 형성하는 종래 코팅방법은, 하부의 유도경화층을 연화시켜 반복적인 굽힘 피로응력이나 비틀림 피로응력에 충분한 내구성을 발휘하지 못하는 문제가 있었고, CVD, PVD과 같은 화학적 증착 또는 물리적 증착법의 경우 화합물층의 두께가 과도하게 얇아 요구되는 고내면압성 등의 요구조건을 만족시키기에는 부적합한 단점이 있었다.

위와 같은 단점들을 보완하기 위해 도금, 용사코팅 등과 같은 코팅방법이 제시되며 내구성 향상에 기여했으나. 경질 크롬도금법은 HV800 ~ HV1050에 달하는 우수한 고경도와 내식성의 장점에도 불구하고, 6가 크롬성분의 인체 유해성 때문에 점차 시장에서 퇴출되고 있는 실정이고, 무전해 니켈도금법의 경우 내식성은 우수하지만 상대적으로 낮은 경도로 인해 내마모성이 부족했으며, 텅스텐 탄화물 또는 크롬탄화물을 이용한 용사코팅법의 경우 HV1250 이상의 고경도와 내식성을 얻어 성능을 극대화할 수 있지만, 모재와의 접합강도가 35~60MPa 수준으로 낮아 접촉면압이 높은 구동부에서는 종종 박리 문제가 발생하는 취약점이 있었다.

이러한 점등을 해결하기 위한 새로운 코팅방법으로, 기지재료 위에 분말이나 와이어 형태로 공급되는 고성능의 코팅소재를 레이저나 전자빔과 같은 고에너지원을 이용하여 원하는 부위에 부착하는 적층제조(Additive Manufacturing) 기술 즉, 3D 프린팅과 LENS(laser-engineered Net Shaping)와 같은 기술이 제시되고 있다.

그렇지만, 이들 기술들은 평면이나 곡률이 큰 면에 대한 적층 방식을 이용하는 관계상 주로 부피가 큰 대상물에 대하여 효과적인 기술이어서 작은 산과 골로 이루어진 치차의 표면에 수백 미크론 두께로 분말형 소재를 얇고 균일하며 정밀하게 증착하는 데에는 적용상에 일정한 한계가 있었고, 이를 해소 내지 해결하기 위한 요구에도 불구하고 구체적인 개선방안이나 충분한 연구개발이 이루어지지 않고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은, 내식성 및 내마모성 등의 고성능 코팅재인 분말형 소재가 레이저빔의 의해 크기나 부피가 작은 소형의 산과 골로 이루어진 치차의 표면에 높은 접합강도로 균일하며 정밀하게 증착되는 한편, 모재의 열손상을 최소화하여 내구수명의 향상을 도모할 수 있는 치차성형물 및 이를 제조하기 위한 증착시스템을 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 중심 회전축을 갖는 원통형 몸체의 외주 또는 내주를 따라 골과 산이 연이어 형성된 치차부; 및 상기 치차부의 내식성 및 상기 치차부를 지향하여 동축노즐방식으로 방사된 레이저빔의 둘레에서 레이저빔의 방사축에 접하도록 분사되어 용융된 분말형 소재가 상기 치차부의 표면과 일체화되어 이루어진 증착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물에 의해 달성된다.

상기 증착층은, 레이저빔의 초점까지 소정 길이로 형성되는 레일리 영역과 이에 대응하는 길이로 상기 초점으로부터 형성되는 탈초점 영역을 포함하는 빔구간 내에 상기 산과 골로 이루어진 상기 치차부가 위치하도록 제어된 상태에서 형성될 수 있다.

상기 증착층은, 상기 탈초점 영역 내에 상기 산과 골로 이루어진 상기 치차부가 위치하도록 제어된 상태에서 형성될 수 있다.

상기 증착층은, 상기 산의 일측 경사면을 지향하며 소정 경사각으로 입사되는 레이저빔과 상기 분말형 소재가 회전하는 상기 치차부에 대하여 제1 라인증착을 수행하는 제1 증착공정; 및 상기 산의 타측 경사면을 지향하며 상기 소정 경사각으로 입사되는 레이저빔과 상기 분말형 소재가 회전하는 상기 치차부에 대하여 제2 라인증착을 수행하는 제2 증착공정에 의해 형성될 수 있다.

상기 소정 경사각은, 상기 회전축과 상기 산의 끝단부를 잇는 축선과 나란한 경우의 제1 한계각과 같거나 크고, 상기 골에 대한 상기 제1,2 라인증착이 인접한 상기 산에 의해 간섭받지 않도록 하는 제2 한계각과 같거나 작은 범위에서 설정될 수 있다.

상기 제1 증착공정과 상기 제2 증착공정 각각은, 상기 제1 또는 2 라인증착에 의해 형성된 증착비드의 폭길이에 대하여 45% 내지 85%에 해당하는 길이만큼 레이저빔과 상기 분말형 소재를 상기 원통형 몸체의 길이방향으로 선형이동시키며 상기 제1 또는 2 라인증착을 반복적으로 수행할 수 있다.

상기 치차부는, 서로 인접한 상기 산 간의 이격거리인 피치가 1.0mm 내지 20mm이고, 상기 골의 깊이는 0.3mm 내지 10mm로 이루어지되, 골깊이에 대한 피치의 비(피치/골깊이)는 1.9 내지 4.0이 되도록 형성할 수 있다.

상기 분말형 소재는, 레이저의 출력 100W당 1.0 내지 5.0g/min으로 분사될 수 있다.

상기의 또 다른 목적은, 중심 회전축을 갖는 원통형 몸체의 외주 또는 내주를 따라 골과 산이 연이어 형성된 치차부가 구비된 치차성형물; 상기 회전축에 결합되어 상기 치차성형물을 정역 회전시키는 회전구동부; 회전하는 상기 치차부를 지향하여 레이저빔을 방사하고, 레이저빔의 둘레에서 레이저빔의 방사축에 접하도록 분사되어 용융된 분말형 소재로 상기 치차부의 표면에 증착층을 형성하는 동축노즐모듈; 및 상기 동축노즐모듈에 결합되어 상기 원통형 몸체의 길이 및 직경방향 중 적어도 어느 한 방향을 따라 상기 동축노즐모듈을 선형이동시키는 수평구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템에 의해 달성된다.

상기 동축노즐모듈은, 레이저빔의 초점까지 소정 길이로 형성되는 레일리 영역과 이에 대응하는 길이로 상기 초점으로부터 형성되는 탈초점 영역을 포함하는 빔구간 내에 회전하는 상기 치차부의 상기 산과 골이 위치하도록 제어될 수 있다.

상기 동축노즐모듈은, 상기 산의 양측 경사면을 각각 교대로 지향한 상태에서 소정 경사각으로 레이저빔과 상기 분말형 소재를 입사시켜 상기 치차부의 표면에 제1,2 라인증착을 순차로 수행하며 상기 증착층을 형성하고, 상기 수평구동부는, 상기 동축노즐모듈이 상기 산의 양측 경사면을 교대로 지향하도록 상기 동축노즐모듈을 상기 원통형 몸체의 직경방향으로 각각 선형이동시킨 후, 상기 원통형 몸체의 길이방향을 따라 선형이동시킬 수 있다.

상기 동축노즐모듈은, 상기 산의 일측 경사면과 타측 경사면을 각각 소정 경사각으로 지향하는 제1,2 노즐모듈로 구성되어 상기 치차부의 표면에 제1,2 라인증착을 동시에 수행하며 상기 증착층을 형성하고, 상기 수평구동부는, 상기 제1,2 노즐모듈과 각각 결합되는 제1,2 구동부로 구성되어 상기 원통형 몸체의 길이 및 직경방향을 따라 상기 제1,2 노즐모듈을 각각 선형이동시킬 수 있다.

상기 수평구동부는, 상기 제1 또는 2 라인증착에 의해 형성된 증착비드의 폭길이에 대하여 45% 내지 85%에 해당하는 길이만큼 상기 동축노즐모듈을 상기 원통형 몸체의 길이방향으로 선형이동시키고, 상기 동축노즐모듈은, 선형이동된 위치에서 반복하여 상기 제1 또는 2 라인증착을 수행할 수 있다.

상기 동축노즐모듈은, 레이저빔을 방사하는 레이저조준기; 레이저빔의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저빔을 임의의 초점 상에 수렴시키는 포커싱렌즈; 및 수렴되는 레이저빔의 둘레를 따라 배치된 원형슬릿을 통해 상기 분말형 소재를 분사하는 분말제공부를 포함할 수 있다.

상기 치차성형물이, 골폭비가 1.80 이상이고, 2.00 이하인 골성형 롤러인 경우, 상기 소정 경사각은, 43° 내지 70° 범위 내에서 형성될 수 있다.

상기 치차성형물이, 골폭비가 2.01 이상이고, 2.80 이하인 골성형 롤러인 경우, 상기 소정 경사각은, 47° 내지 88° 범위 내에서 형성될 수 있다.

상기 치차성형물이, 골폭비가 2.81 이상이고, 4.50 이하인 골성형 롤러인 경우, 상기 소정 경사각은, 55° 내지 110° 범위 내에서 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 치차성형물에 형성되는 강화된 내식성 및 내마모성의 증착층은 치차부를 지향하여 방사된 레이저빔의 둘레에서 레이저빔의 방사축에 접하도록 분사된 분말형 소재가 레이저빔에 의해 용융되어 치차부의 표면에 증착되는 동축노즐방식에 의해 형성되는 것이므로, 산 및 골(치차부)의 형상이나 규격, 치차성형물을 이루는 원재료의 물성 등에 대응한 레이저빔의 출력, 치차부의 회전속도, 분말형 소재 종류나 분사량 등의 세밀한 제어가 자유자재로 이루어질 수 있어, 다양한 형상 및 물성의 치차부에 대하여 최적화된 증착층이 균일하고 정밀하게 형성될 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래 용사코팅이나 경질 크롬도금 등에 비해 환경오염의 염려가 없고, 레이저빔의 출력이나 초점거리 등의 제어를 통해 치차부 하부에 위치하는 유도경화층의 연약화를 최소화할 수 있으며, 레이저빔에 의해 분말형 소재가 치차부 표면에서 용접수준의 접합강도로 결합됨으로 인해 유도경화층으로부터 증착층의 박리현상 역시 최소화될 수 있다.

또한, 사용에 따라 치차부가 한계 외경 미만으로 마모되거나 치차부 일부에 흠집 또는 균열이 발생하거나 치차부 일부가 파손 또는 탈락한 경우에도 치차성형물을 폐기하지 않고도 해당 손상 부분에 대한 증착층의 부분적 형성을 통한 보수나 보강이 가능해짐에 따라 치차성형물 자체의 불량이나 폐기로 인한 손실비용이 크게 저감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물의 사시도 및 단면도이다.
도 2는 도 1의 제조과정의 단계를 개략적으로 도시한 순서도 및 공정도이다.
도 3은 도 1에 도시된 증착층의 형성에 사용되는 제1 실시예에 따른 증착시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 증착층의 형성에 사용되는 제2 실시예에 따른 증착시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 동축노즐모듈의 선형이동을 나타낸 작동상태도이다.
도 6은 도 3 및 도 4를 이용하여 증착층을 형성하는 주요과정을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물의 사시도 및 단면도이고, 도 2는 도 1의 제조과정의 단계를 개략적으로 도시한 순서도 및 공정도이고, 도 3은 도 1에 도시된 증착층의 형성에 사용되는 제1 실시예에 따른 증착시스템을 도시한 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 증착층의 형성에 사용되는 제2 실시예에 따른 증착시스템을 도시한 도면이고, 도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 동축노즐모듈의 선형이동을 나타낸 작동상태도이고, 도 6은 도 3 및 도 4를 이용하여 증착층을 형성하는 주요과정을 도시한 도면이다.

도면에 나타난 X, Y, Z 축은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 임의로 정한 것으로, X축이 전(앞, 화살표 쪽), 후(뒤)방향을 지시하고, Y축은 좌(화살표 쪽), 우방향을 지시하며, Z축은 상(위, 화살표 쪽), 하(아래)방향을 지시하는 것으로 정의한다. 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.

본 발명에 따른 강화된 증착 표면을 갖는 치차성형물(100)은, 다양한 형상 및 물성의 치차부(110)에 대하여 최적화된 증착층(120)이 균일하고 정밀하며 용접수준의 접합강도로 형성되는 한편, 환경오염의 염려가 종래에 비해 감소되고, 치차부(110) 하부에 위치하는 유도경화층의 연약화와 증착층(120)의 박리현상을 최소화하기 위해 안출된 발명이다.

이러한 본 발명의 기능 내지 작용은, 치차성형물(100)을 이루는 원재료의 물성, 산(112) 및 골(114)(치차부(110))의 형상이나 규격 등에 따라 제어변수(레이저빔(LB)의 출력과 입사방향, 치차부(110)의 회전속도, 분말형 소재(PM)의 종류와 분사량, 레일리 영역(RR)과 관련된 빔구간(BR) 등)를 자유자재로 세밀하게 조절할 수 있는 동축노즐방식을 최적화된 공정조건하에서 적용하게 됨으로써 이루어질 수 있게 된다.

여기서 동축노즐방식이란, 일반적으로 같은 목표지점을 향해 서로 다른 2가지 물질이 하나의 축을 따라서 분사되는 방식을 말하는 것이지만, 본 발명에서는 하나의 방사축(RX)을 따라 방사된 레이저빔(LB)과 분사된 분말형 소재(PM)가 소정의 지점에서 서로 접하도록 한 분사방식을 지칭하며, 구체적인 내용은 이하의 증착층(120)에 대한 설명부분에서 서술하기로 한다.

그리고 본 발명에서 치차성형물(100)이란, 회전 또는 선형운동을 하는 과정에서 서로 맞물리며 고면압이 작용하게 되는 산(112)과 골(114)로 이루어진 치차(toothed gear)가 형성된 기계적 작동 성형물로서 피니언기어, 렉기어 등과 같은 각종 동력전달용 기어장치, 골성형 롤러, 스플라인 축 등을 포괄하는 개념일 수 있다. 다만, 본 발명에서는 도 1에 도시된 롤러 형상의 치차성형물(100)을 일례로 하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 강화된 증착 표면을 갖는 치차성형물(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 치차부(110) 및 증착층(120) 등을 포함하여 구성될 수 있으며, 도 2 및 도 6에 도시된 제조방법에 따라 완성될 수 있다.

치차부(110)는, 중심 회전축(10)을 갖는 원통형 몸체(20)의 외주를 따라 직선 또는 나선형의 골(114)과 산(112)이 연이어 형성되거나 원통형 몸체(20)의 내주를 따라 직선 또는 나선형의 골(114)과 산(112)이 연이어 형성되어 이루어지는 구성요소로서, 회전축(10)을 갖는 원통형 몸체(20)에 대하여 후술하는 바와 같이 골가공단계와 치형 성형단계가 수행됨으로써 형성될 수 있다.

여기서 회전축(10)은 본 발명에 따른 치차성형물(100)을 제조하는 과정에서 후술할 증착시스템(200)의 회전구동부(210)와 결합되어 회전의 중심을 이루는 한편, 본 발명에 따른 치차성형물(100)의 제조가 완료된 후에는 타 기계장치에 부속되어 회전의 중심을 이루게 되는 구성요소로서, 후술할 원통형 몸체(20)와 일체로 형성되거나 별도 제작 후 원통형 몸체(20)에 결합될 수 있다.

원통형 몸체(20)는, 용도에 따라 다양한 직경과 길이를 갖는 원통 부재로 이루어져 본 발명에 따른 치차성형물(100)의 전체적인 외형을 이루게 되는 구성요소로서, 기계적 작동 또는 동력전달 용도로의 사용을 위해 인가되는 외부응력에 충분히 대응할 수 있는 강도, 우수한 연성 및 인성이 있으며, 수급이 용이한 합금강 등을 소재로 하여 제작된다.

이러한 합금강 소재의 원통형 몸체(20)는, 원재료 자체 그대로를 사용할 수도 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 원통의 직경을 필요한 규격으로 정확히 절삭하는 원통가공과 원통에 대한 기계적 강성을 전체적으로 향상시키는 열처리 공정에 의해 형성될 수 있다.

하나의 일례로, 원통가공 및 열처리 단계는, 직경 100mm의 원통형 AISI 4140(KS SCM 440) 합금강을 830~880℃로 가열한 후 80℃ 냉각유에서 담금질 열처리(quenching)하고, 580℃로 뜨임 열처리(tempering)하는 방식으로 이루어질 수 있다.(S100)

위와 같이 원통형 몸체(20)에 대하여 전처리 단계(S100)가 이루어진 후, 골가공단계 및 치형 성형단계가 연이어 수행됨으로써 산(112)과 골(114)로 이루어지는 치차부(110)가 비로소 형성될 수 있다.

골가공단계는, 부드러운 곡선 형태의 산(112)과 골(114)을 형성하기에 앞서 치차부(110)의 기본 형상을 가공하는 단계로서, 플래너 밀러 또는 크리피드(Creep Feed) 형상연삭기 등과 같은 기계적 절삭장치를 이용하여 원통형 몸체(20)에 대하여 1차적인 절삭을 수행하게 된다.

이러한 골가공단계는, 원통가공 및 열처리된 원통형 몸체(20)의 외주면을 따라 등간격으로 소정 깊이의 홈을 반복해서 절삭하는 방식으로 이루어지게 된다. 이때, 홈의 단면형상은 도 2에 도시된 바와 같은 삼각형일 수 있고, 도시된 바와 달리, 인접한 산(112)과 산(112)의 중심 이격거리인 피치(P)의 증대에 따라 사다리꼴형상일 수 있다.(S200)

다음으로, 치형 성형단계는, 서로 맞물린 상태로 선형이동 또는 회전하게 되는 치차부(110)가 부드럽고 원활하게 작동하도록 산(112)과 골(114)의 형상을 다듬는 가공 단계로서, 플래너 밀러 또는 크리피드(Creep Feed) 형상연삭기 등과 같은 기계적 절삭장치를 이용하여 1차로 절삭된 원통형 몸체(20)에 대하여 2차적인 절삭을 수행하게 된다.

이러한 치형 성형단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 모서리 등이 다듬어지지 않은 1차 절삭형성된 기본 형상의 치차부(110)를 인벌류트 형태 등과 같이 부드럽고 완만한 곡선형태의 산(112)과 골(114)로 다듬는 연삭가공으로 이루어지게 된다.

상술한 바와 같은 골가공단계와 치형 성형단계의 순차적 수행을 통해 부드러운 곡선형태의 완성된 치차부(110)가 성형될 수 있게 된다.(S300)

한편, 골가공단계 및 치형 성형단계를 통해 본 발명에 따른 치차부(110)가 완성된 이후 또는 이들 단계 사이에는, 기계적 접촉이 필연적으로 발생하는 산(112)과 골(114)에 대한 피로강도 향상과, 굽힘응력과 비틀림응력에 대한 저항성과 내구수명 향상 등을 위해, 부가적으로 절삭 표면으로부터 내측으로 수 mm 두께의 유도가열 경화층을 형성하는 열처리 공정이 응력 수준에 비례하여 추가될 수 있다. 또한, 원통형 몸체(20)를 이루는 원통형 합금강에 대한 골가공단계가 수행되기 전에 상술한 유도경화 열처리가 이루어진 다음, 크리피드(Creep Feed) 형상연삭기로 치차부(110)를 가공할 수도 있다.

일례로서, 앞서 원통가공 및 열처리된 직경 100mm의 원통형 AISI 4140(KS SCM 440) 합금강은, 상술한 바와 같은 1,2차 절삭가공인 골가공단계와 치형 성형단계의 순차적 수행을 통해 인접한 산(112)과 산(112)의 중심 이격거리인 피치(P)와 산(112)과 골(114)의 높이차인 골깊이(H,산높이)가 각각 2.4mm 및 0.7mm이고, 골폭비(피치(P)/골깊이(H))가 3.43인 F 타입의 골성형 롤러로 제작될 수 있다.

그리고 이러한 규격의 산(112)과 골(114)이 형성된 F 타입의 골성형 롤러에 대하여 고주파를 이용한 유도가열이 이루어지게 되면, 롤러의 표면으로부터 2mm ~ 3mm 깊이까지 표면경도가 Hs74 ~ 78인 유도가열 경화층이 형성될 수 있다.

위와 같이 일례로서 언급한 골성형 롤러 규격 이외에 본 발명에 따른 치차부(110)는, 피치(P)가 1.0mm 내지 20mm의 범위 내에서 형성되고, 골깊이(H)는 0.3mm 내지 10mm의 범위 내에서 형성되되, 골깊이(H)에 대한 피치(P)의 비(피치(P)/골깊이(H))는 1.9 내지 4.0인 치형 규격으로 형성하게 된다.(이하의 표 1 참조)

증착층(120)은, 위와 같은 제조과정으로 완성된 치차부(110)의 내식성 및 내마모성 등을 강화하기 위해 치차부(110)의 표면에 형성되는 얇은 막형상의 구성요소로이다.

이러한 증착층(120)은, 앞서 설명한 바와 같이 동축노즐방식으로 치차부(110)에 대하여 각각 방사된 레이저빔(LB)과 분사된 분말형 소재(PM)가 소정의 지점에서 서로 겹쳐지거나 접하게 되면서 용해된 분말형 소재(PM) 입자들이 치차부(110) 표면에 증착됨으로써 형성될 수 있다.(S400)

이때, 본 발명에 적용되는 동축노즐방식은, 치차부(110)를 지향하여 방사된 레이저빔(LB)의 둘레에서 레이저빔(LB)의 방사축(RX)에 접하도록 분사된 분말형 소재(PM)가 초점(F)을 포함한 상부 레일리 영역(RR)(Rayleigh Range)에서 레이저빔(PM)과 접촉하여 용융된 후 치차부(110) 즉, 원재료 표면과 함께 증착층(120)을 형성하는 증착방식으로 특정될 수 있다.

이러한 동축노즐방식은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 제1,2 실시예에 따른 증착시스템(200)에 적용된 동축노즐모듈(220)을 통해 구체적으로 구현될 수 있는데, 각각의 시스템에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 제1 실시예에 따른 증착시스템(200)은, 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 동축노즐모듈(220)을 이용하여 회전하는 치차부(110)에 대하여 증착공정을 연속적으로 수행하게 되는 시스템(200)으로서, 회전구동부(210), 하나의 동축노즐모듈(220) 및 수평구동부(230) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

제1 실시예에 따른 회전구동부(210)는, 골(114)과 산(112)이 연이어 형성된 치차부(110)가 구비된 치차성형물(100)의 회전축(10)에 결합되어 치차성형물(100)을 정역 회전시키는 구성요소이다.

이러한 회전구동부(210)로 인해 치차부(110)를 이루는 산(112)과 골(114)은 설정된 방사축(RX)을 따라 방사되는 레이저빔(LB)과 분말형 소재(PM)에 대하여 상대적인 이동(회전)을 할 수 있게 된다.

제1 실시예에 따른 동축노즐모듈(220)은, 회전하는 치차부(110)를 지향하여 레이저빔(LB)을 방사축(RX)을 따라 방사하는 한편, 레이저빔(LB)의 둘레에서 방사축(RX)에 접하도록 분말형 소재(PM)를 분사하는 구성요소로서, 이로 인해 용융된 분말형 소재(PM)는 치차부(110)의 표면에서 증착층(120)을 형성하게 된다.

이러한 동축노즐모듈(220)은, 후술할 수평구동부(230)에 의해 X축 또는 XY 평면상으로 선형운동을 하며 치차부(110)의 표면에 링형의 라인증착을 연속적으로 수행함으로써, 결국 증착층(120)을 치차부(110)의 표면 전체에 형성할 수 있게 된다.(도 3 및 도 5 참조)

여기서 라인증착이란, 상술한 바와 같은 방사축(RX)을 갖도록 설치고정된 동축노즐모듈(220)에서 방사된 레이저빔(LB)에 대하여 치차부(110)가 회전에 의해 상대이동함에 따라 그 표면에 선형태로 증착되는 것을 지칭하는 것으로, 이하에서도 동일한 의미로 이해될 수 있다.

이러한 제1 실시예에 따른 동축노즐모듈(220)은, 도 3에 도시된 바와 같이 레이저조준기(222), 포커싱렌즈(224), 분말제공부(226) 및 센싱부(228) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

레이저조준기(222)는, CO₂, Nd/YAG, 반도체 등을 이용하여 고출력 레이저빔(LB)을 직접 생성하거나 또는 외부에서 생성된 레이저빔(LB)을 광섬유 다발이나 반사경 등에 의해 전달받아 후술할 포커싱렌즈(224)로 방사하는 구성요소이다.

포커싱렌즈(224)는, 레이저빔(LB)의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저조준기(222)로부터 방사된 레이저빔(LB)을 소정의 초점(F) 상에 수렴시키는 구성요소이다.

이러한 포커싱렌즈(224)는, 필요에 따라 방사된 레이저빔(LB)을 원형의 점형상, 원형의 다발형상 또는 직사각형의 사각빔 형상 등으로 초점(F) 상에 집속시키는 렌즈는 물론, 구면 수차를 최소화하기 위한 매니스커스 렌즈, 비구면 렌즈 등의 기능성 렌즈를 모두 포괄하는 개념으로 이해될 수 있다.

특히, 본 발명에서 원형의 레이저빔(LB)을 전제로 한 빔 특성들은 동일한 단면적을 갖는 사각빔 형상의 레이저빔(LB)에도 동일하게 적용될 수 있다.

분말제공부(226)는, 수렴되는 레이저빔(LB)의 둘레를 따라 배치된 원형슬릿을 통해 분말형 소재(PM)를 레이저빔(LB)의 방사축(RX)에 접하도록 분사하는 구성요소이다.

이러한 분말제공부(226)는 분말형 소재(PM)와 함께 혼입된 불활성 가스(G)의 압력 제어를 통해 분사량을 조절하는 원형슬릿과, 차폐용 불활성 가스(G)만을 분사하는 원형슬릿이 방사축(RX)을 따라 적층형태로 배치될 수 있고, 필요에 따라서 적층된 배치가 변경될 수 있음은 물론이다.

이때, 불활성 가스(G)는 분말형 소재(PM)를 초점(F) 부근으로 이송시키는 한편, 레이저빔(LB)과의 접촉에 의한 분말형 소재(PM)의 용융이나 증착층(120)의 형성과정에서 산화방지의 역할을 수행하는 매체이다.

본 발명에 따른 불활성 가스(G)는 증착조건, 치차부(110)를 이루는 원재료의 물성, 산(112) 및 골(114)의 형상이나 규격 등에 따라 질소, 아르곤, 네온 및 헬륨 중 적어도 어느 하나를 포함한 가스를 선택적하여 사용할 수 있다.

특히, 아르곤 가스는, 분사속도가 빨라서 레이저빔(LB)의 출력이 높을 경우 용융풀의 중앙부가 깊게 패이는 열쇠구멍(Key hole) 현상을 발생시키기도 하므로, 건전하고 양호한 표면 증착을 위해, 레이저빔(LB)의 직경, 치차부(110)의 이송 또는 회전속도, 가스의 송출압 등을 적절히 조절하거나 헬륨을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

분말형 소재(PM)는, 알루미늄, 구리, 코발트, 니켈, 철, 크롬, 망가니즈, 타이타늄, 텅스텐, 0.5% C 탄소강, 440 스테인리스강, 420 스테인리스강, 316 스테인리스강, 인코넬 625 니켈합금, 인코넬 718 니켈합금, 텅스텐 탄화물, Ti6Al4V 타이타늄합금, A356 알루미늄합금, 알루미늄청동 및 6061 알루미늄합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 다양한 종류의 분말 금속일 수 있다.

이때, 분말형 소재(PM)의 분사량은 각각의 비중에 기초하여 결정될 수 있는데, 상대적으로 비중이 높은 소재의 경우 동일 조건의 증착층(120)의 형성을 위해 분사량(공급량, g/min)을 증대하게 된다.

센싱부(228)는, 증착층(120)의 상태, 치차부(110)의 표면에 대한 동축노즐모듈(220)의 이격거리 및 각도 등을 감지할 수 있는 카메라와 거리측정센서 등으로 구성되어 증착시스템(200)의 제어를 위한 기초정보로 활용될 수 있다.

위와 같은 구성으로 이루어지는 동축노즐모듈(220)은, 레이저조준기(222)를 통해 방사축(RX)을 따라 방사한 레이저빔(LB)을 포커싱렌즈(224)를 통해 소정의 초점(F) 상에 수렴시켜 고에너지로 변환하게 된다.

이와 동시에 동축노즐모듈(220)은 레이저빔(LB)의 둘레에 배치된 분말제공부(226)의 원형슬릿을 통해 불활성 가스(G)와 함께 조절된 분사량으로 분말형 소재(PM)를 방사축(RX)에 접하도록 분사하게 된다.

이로 인해 분말형 소재(PM)는 고에너지화된 레이저빔(LB)과 접하여 용융됨으로써 치차부(110) 표면에 용융풀을 형성하며 소정 두께의 증착층(120)을 형성하게 된다.

이하에서는 치차부(110)에 코팅되는 증착층(120)의 품질이나 특성과 밀접한 관련이 있는 주요 인자인 레이저빔(LB)의 직경, 출력 및 입사방향, 치차부(110)의 회전속도, 분말형 소재(PM)의 종류와 분사량, 레일리 영역(RR)과 관련된 빔구간(BR) 등을 특정하여 최적화된 고품질의 증착층(120)을 형성할 수 있는 구체적 공정 조건에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 주요 인자들 중 레이저빔(LB)의 출력은, 분말형 소재(PM)의 물성 중 열전도도와 비열에 따라 적절히 그 출력이 결정될 수 있는 인자로서, 열전도도가 큰 소재인 경우 상대적으로 작은 출력으로 용융 내지 소결시킬 수 있고, 비열이 큰 소재인 경우 동일 조건의 용융 내지 소결을 위해 상대적으로 큰 출력이 필요하게 된다는 점을 고려하여 결정할 수 있다.

이러한 레이저빔(LB)의 출력은, 다음의 식 P = A·V·ρ(C_p·Δt+ΔH_m)로 정의될 수 있는데, 이때, A는 용융풀의 단면적(m²), V는 증착속도(m/s), ρ는 분말형 소재(PM)의 비중, C_p는 분말형 소재(PM)의 비열, Δt는 용융 분말형 소재(PM)의 온도와 치차부(110) 표면과의 온도차, ΔH_m는 용융 분말형 소재(PM)의 용해열이므로, 결국 레이저빔(LB)의 출력은 레이저빔(LB)의 직경, 분말형 소재(PM)의 공급량과 증착속도에 대한 함수인 것을 또한 알 수 있다.

따라서, 일반적으로는 레이저빔(LB)의 물성을 고정한 상태에서 분말형 소재(PM)와 증착속도 두 가지 변수를 조절함으로써 증착층(120)의 물성을 조절할 수 있게 된다.

그리고 레이저빔(LB)의 초점(F)에서의 직경은, 5mm 이하로 결정될 수 있지만, 바람직하게는 2mm 이하, 더 바람직하게는 1.2mm 이하로 결정될 수 있는데, 레이저빔(LB)의 초점(F) 직경이 5mm를 초과하게 되면, 요구되는 레이저의 에너지가 지나치게 커지므로, 치차부(110) 표면에 대한 손상이 발생하거나 증착층(120)의 정밀도가 저하되는 등의 문제가 발생하기 쉽고, 장비 자체의 제조비용과 전기용량 등이 커지는 문제가 발생하게 된다.

다만, 레이저빔(LB)의 초점(F) 직경을 1.2mm 이하로 결정하는 경우, 치차부(110)에 용융풀이 깊게 형성되어 취성이 강한 열영향부를 형성하지 않도록, 치차부(110)의 회전속도를 적절하게 증대(대략 30 ~ 60m/min)하는 것이 필요하다.

본 발명에 따른 레이저빔(LB)의 입사방향은, 도 3의 좌측 확대도에 도시된 바와 같이 회전축(10)을 중심으로 회전하는 치차부(110)의 산(112) 중 어느 하나의 끝단부와 회전축(10)을 잇는 축선(AX)과 레이저빔(LB)의 방사축(RX)이 서로 일치하는 방향일 수 있다. 이때, 동축노즐모듈(220)로부터 방사되는 레이저빔(LB)의 방사축(RX)의 위치는 동축노즐모듈(220)의 위치를 가변시키는 수평구동부(230)에 의해 결정되고 제어될 수 있다.

위와 같이 축선(AX)과 레이저빔(LB)의 방사축(RX)이 서로 일치하는 경우, 레이저빔(LB)의 최대 에너지 지점인 초점(F)을 기준으로 할 때, 방사축(RX)을 따라 방사되는 레이저빔(LB)은, 회전하는 산(112)과 골(114)에 대하여 서로 다른 이격거리로 도달하게 되어 레이저 에너지의 편차가 발생하게 된다.

또한, 산(112)을 기준으로 양측에 배치된 경사면(113a,113b)에서는 레이저빔(LB)이 산(112)과 골(114)에 비해 작은 입사각으로 도달함에 따라 단위면적당 레이저 에너지가 적게 전달된다.

결국, 초점(F)으로부터 이격거리나 레이저빔(LB)의 입사각에 따른 단위면적당 레이저 에너지의 차이로 인해 치차부(110) 전체에 걸쳐 증착층(120)을 고품질로 균일하게 형성하기가 어렵게 된다.

따라서, 위와 같은 레이저 에너지의 편차에 따른 증착층(120)의 불균일을 개선 내지 보완하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에서는, 레이저빔(LB)의 초점(F)까지 소정 길이로 형성되는 레일리 영역(RR)과 이에 대응하는 길이로 초점(F)으로부터 형성되는 탈초점 영역(DF)을 포함하는 빔구간(BR) 내에 산(112)과 골(114)로 이루어진 치차부(110)가 위치하도록 치차표면용 증착시스템(200)을 제어한 상태에서 증착층(120)을 형성하게 된다.

이는, 레이저빔(LB)의 초점(F)이 단순히 산(112)의 끝단부나 골(114) 주변에 위치하도록 설정하는 것과는 명확히 구별되는 제어방법으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저빔(LB)의 초점(F)에 도달하기 전, 소정 길이로 형성되는 레일리 영역(RR)과, 레일리 영역(RR)에 대응하는 길이로 초점(F)으로부터 형성되는 탈초점 영역(DF)을 포함하는 빔구간(BR)의 에너지 특성을 활용하기 위한 제어방법이다.

여기서 레일리 영역(RR, Rayleigh Range)이란, 레이저빔(LB)을 포커싱렌즈(224)를 통해 초점(F) 상에 수렴 내지 집속시키더라도 초점(F)에 도달하기 전 소정 길이의 구간에서 레이저빔(LB)의 직경이 이론과 같이 한점에 모여 직경이 0에 가까워지거나 에너지(온도)가 무한대로 수렴하는 것이 아니라 대략적으로 일정한 직경을 유지하며 균일한 수준의 에너지 밀도(온도) 분포를 나타내는 영역 내지 구간을 말한다.

이러한 레일리 영역(RR)의 특성은, 초점(F)에 대칭인 영역인 상술한 바와 같은 탈초점영역(DF)으로까지 확장되어 결국, 균일한 수준의 에너지 밀도(온도) 분포구간인 빔구간(BR)을 형성하게 된다.

즉, 빔구간(BR)은, 초점(F)에 도달하기 전 상부에서 에너지가 균일한 레일리 영역(RR,Rayleigh Range)과, 이에 대하여 초점(F)을 중심으로 대칭을 이루며 초점(F)을 지난 하부에서 균일한 에너지 수준을 유지하는 탈초점 영역(DF,Defocus distance)으로 구분될 수 있다.(도 3 등을 참조)

이러한 레일리 영역(RR)과, 레일리 영역(RR)에 대칭을 이루며 균일한 수준의 에너지 밀도 구간을 함께 형성하는 탈초점 영역(DF,Defocus distance)에 대한 발생원인을 설명하기 위해, 빛의 자기탈초점 현상을 유추하여 설명하는 이론 등이 제시되고 있지만, 아직까지는 명확한 원인과 제어인자 등에 대하여 구체적이고 명확한 규명이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

다만, 본 발명의 제1 실시예는 물론, 제2 실시예에 따른 증착시스템(200)을 이용한 증착실험에 따르면, 가우시안(Gaussian) 분포를 보이는 레이저빔(LB)에서도 균일한 에너지 또는 온도 분포의 구간으로 취급할 수 있는 빔구간(BR)의 길이를 가변적으로 결정하거나 제어할 수 있음을 확인한 바 있다.

즉, 빔구간(BR)의 길이는 레이저빔(LB)의 출력, 파장, 직경, 다양한 포커싱렌즈(224)의 선택 및 분말형 소재(PM)의 송출 매체인 불활성 가스(G)의 종류 등에 대한 조절이나 변경을 통해 최소 수 mm에서 최대 수십 mm의 범위(대략 5mm 내지 30mm)로 제어될 수 있으며, 수십 mm 이상의 빔구간(BR)은 과도한 설치공간을 요구함으로 인해 현실적으로 제한될 수밖에 없다는 점을 알 수 있었다.

위와 같은 증착실험을 토대로 하여 특정한 범위와 위치로 제어된 빔구간(BR)의 길이를 활용하게 되면, 향상된 수준의 증착층(120)이 다음과 같은 단계를 통해 형성될 수 있게 된다.

먼저, 다양한 규격으로 형성된 산(112)과 골(114)로 이루어진 치차부(110)에 대응하여 적어도 골깊이(H,산높이)보다 크게 빔구간(BR)의 길이가 설정되도록, 치차표면용 증착시스템(200)을 제어한다.

그리고 회전구동부(210)에 의한 회전에 따라 변화되는 치차부(110)의 높낮이를 모두 포괄하게 되는 방사축(RX) 상의 임의 위치에 빔구간(BR)이 위치하도록 치차표면용 증착시스템(200)을 제어한다.

그리고 위와 같이 설정된 상태에서 축선(AX)을 따라 레이저빔(LB)이 방사되도록 치차표면용 증착시스템(200)을 제어하는 한편, 분말제공부(226)를 통해 분말형 소재(PM)가 초점(F) 부근이나 레일리 영역(RR)을 향해 분사되도록 한다.

상술한 바와 같은 단계를 통해, 빔구간(BR)의 상부인 레일리 영역(RR)에서 균일한 수준으로 용융된 분말형 소재(PM)는 치차부(110)의 높낮이 차이에 따른 이격거리와 무관하게 에너지 밀도 차이가 감소된 상태의 빔구간(BR) 내에서 보다 건전하고 양호한 고품질의 증착층(120)을 치차부(110) 표면에 형성할 수 있게 된다.

한편, 위와 같이 치차부(110)의 골높이(H)보다 크거나 대응하는 길이로 설정된 빔구간(BR) 내에 치차부(110)가 위치하도록 제어하는 것보다 건전하고 양호한 고품질의 증착층(120)을 얻기 위해, 다음과 같이 제어조건을 더욱 제한할 수 있다.

즉, 도 3의 좌측 확대도에 도시된 바와 같이 빔구간(BR)을 이루는 탈초점 영역(DF)을 치차부(110)의 골높이(H)보다 크거나 대응하는 길이로 설정하고, 이러한 탈초점 영역(DF) 내에 치차부(110)가 위치하도록 치차표면용 증착시스템(200)을 제어할 수 있다.

위와 같은 제어조건 하에서는, 빔구간(BR)의 상부를 이루는 레일리 영역(RR)에서 방사축(RX)과 접하도록 분사된 분말형 소재(PM)는 하부의 탈초점 영역(DF)에서 치차부(110)에 대한 증착층(120)을 형성하기에 앞서 레일리 영역(RR)에서 미리 충분하고 균일하게 용융됨에 따라 미용융 분말 입자가 최소화될 수 있게 된다.

그리고 미용융 분말 입자가 최소화된 상태로 용융된 분말형 소재(PM)는, 에너지 밀도 편차가 저감된 초점(F) 이후의 구간인 탈초점 영역(DF)에서 레이저빔(LB)과 함께 회전하는 치차부(110)의 표면에 도달할 수 있게 된다.

이로 인해 산(112)과 골(114)로 이루어진 치차부(110)의 표면에는, 보다 건전하고 균일한 고품질의 증착층(120)이 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 치차부(110) 표면의 용융풀과 열영향부(HAZ)의 두께가 얇아져 치차부(110)에 대한 열손상이 보다 저감될 수 있고, 치차부(110)의 굴곡에도 불구하고 더욱 균일한 증착품질을 기대할 수 있게 된다.

나아가, 본 발명의 제1,2 실시예에 따른 증착시스템(200)을 이용한 증착실험에 따르면, 치차부(110)가 탈초점 영역(DF) 내에 위치한 상태에서 레이저빔(LB)의 초점(F)에 인접한 산(112)이 초점(F)에서 0.1mm 내지 10mm 이격(이하, 탈초점 이격거리(DD)라고 함)되는 경우, 치차부(110)의 전체 계면에서 건전하고 균일한 증착층(120)의 접합, 용융풀이나 열영향부(HAZ)의 두께가 얇아지는 더욱 바람직한 결과를 확인할 수 있었다.

즉, 초점(F)에서 인접한 산(112)까지의 탈초점 이격거리(DD)(탈초점 영역(DF) 내에 포함됨)가 0.1mm 내지 10mm인 경우 유의할 만한 증착 품질이 도출되었고, 바람직하게는 0.5mm 내지 7mm, 더 바람직하게는 1mm 내지 4mm인 때에 증착 품질이 더욱 향상되었다. 또한, 원통형 몸체(20)의 길이가 긴 경우 표면에 대한 가열 팽창에 기인한 휨변형으로 인해 회전 중에 치차부(110)가 동축노즐모듈(220)의 단부와 충돌하게 되는 사고를 이러한 탈초점 이격거리(DD)를 통해 근본적으로 예방할 수 있게 된다.

다만, 탈초점 이격거리(DD)(탈초점 영역(DF) 내에 포함됨)가 0.1mm 미만이 되면, 치차부(110)의 산(112)이 최대 에너지 수렴지점인 초점(F)에 인접하면서 분말형 소재(PM)의 용융으로 인한 에너지 균일화 효과가 충분히 발생하지 않게 되어 산(112)의 형상이 변형되거나 융융풀의 깊이가 날카롭게 깊어지는 열쇠구멍(key hole) 현상이 발생하게 된다.

이러한 현상은, 분말형 소재(PM)가 초점(F) 부근에 집중될 때, 불활성 가스(G)에 의해 비산되면서 레이저빔(LB)의 에너지가 비산 구름에 일부 흡수됨에 따라 초점(F) 부근의 에너지 강도가 균일해지는 현상으로 일부 완화될 수 있으나 탈초점 이격거리(DD)의 확보를 통해 보다 안전하게 저감될 수 있게 된다.

반면에 치차부(110)의 산(112)을 기준으로 탈초점 이격거리(DD)(탈초점 영역(DF) 내에 포함됨)가 10mm를 초과하게 되면, 오목한 골(114)에서는 레이저빔(LB)의 초점(F)과 멀어짐에 따라 약해진 레이저로 인해 적정한 용융풀을 형성할 수 없어 제한된다.

그리고 분말형 소재(PM)는, 구체적으로 마르텐사이트계 420 스테인리스강 분말, NiCr계 자융합금 분말, 인코넬 625 분말을 포함한 니켈합금분말 및 텅스텐 탄화물 분말을 포함한 경질 세라믹 분말 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성할 수 있다.

이때, 분말형 소재(PM)는, 입자 크기가 직경 5㎛ 미만인 경우의 분포가 높은 경우 분사시 입자의 비산량이 과다하게 발생하여 레이저빔(LB) 출력과 증착층(120)의 균일성에 악영향을 제공하게 되므로, 5㎛ 미만인 분말의 분포가 3% 이하, 바람직하게는 5% 이하로 제한하는 것이 좋다.

또한, 수십 ㎛ 두께의 균일한 증착층(120)을 형성함에 있어서, 지나치게 큰 입자의 분말을 사용하는 것은 증착 표면 조도와 건전성 및 후가공인 연삭공정의 용이성 측면에서 바람직하지 않으므로, 본 발명의 실시예에서는 입자의 직경을 150㎛ 이하로 제어하되, 특히 500㎛ 이하의 두께로 증착하는 경우, 평균 입자의 직경을 100㎛ 이하, 바람직하게는 53㎛ 이하로 제한하는 것이 조도를 낮게 얻을 수 있다.

그리고 분말형 소재(PM)의 종류와 함께 고려되는 분사량은, 레이저빔(LB)의 출력과 연계되어 레이저빔(LB)의 출력 100W당 1.0 ~ 5g/min, 바람직하게는 2.0 ~ 4.0g/min, 더 바람직하게는 2.5 ~ 3.5g/min로 결정될 수 있다.

이렇게 분말형 소재(PM)의 분사량을 특별하게 제한하는 이유는, 레이저빔(LB)의 출력 100W당 1.0g/min 미만으로 분말이 공급되면, 레이저빔(LB)의 에너지가 치차부(110)의 골(114)과 산(112)에 더 많이 전달되는 결과, 형상이 변형되거나 용융풀과 열영향부가 지나치게 깊게 형성될 수 있다.

그리고 5g/min를 초과하여 공급되면, 치차부(110) 표면과 증착층(120) 간에 접합 계면의 온도가 지나치게 낮아 건전한 접합강도를 만족하지 못하거나 증착층(120) 내부에 기공이 발생하는 등의 품질문제가 발생할 수 있기 때문에 제한된다.

그리고 치차부(110)의 회전속도는, 고정된 타겟점에 대하여 방사축(RX)를 따라 방사된 레이저빔(LB)에 대한 치차부(110)의 상대이동속도를 의미하는 인자로서, 회전속도가 증가함에 따라 분말 공급량도 함께 증가하지 않으면 치차부(110) 주위의 손상이 불가피해지는 결과가 나타난다.

그러나 회전속도가 상승하면, 레이저빔(LB)에 노출되는 치차부(110)의 표면에 분말형 소재(PM)가 충분히 도포되지 못하는 경우가 발생하므로, 속도 상승에 맞춰 분말형 소재(PM)의 공급량을 조금 늘리는 것이 좋다.

앞에서 언급한 레이저빔(LB)의 출력은, 레이저빔(LB)의 단면적, 분말형 소재(PM)의 공급량과 증착속도에 대한 함수임이 설명되어 있으며, 이를 통해 회전속도와의 연관성을 유추할 수 있다.

따라서, 일반적으로는 레이저빔(LB)을 고정한 상태에서 분말형 소재(PM)와 증착속도 두 가지 변수를 변경함으로써 증착층(120)의 물성을 조절할 수 있다

치차부(110)의 회전속도는, 레이저빔(LB)에 대하여 1.5 내지 300m/min, 바람직하게는 2.0 내지 200m/min, 더 바람직하게는 2.4 ~ 150m/min로 제한될 수 있다.

이때, 치차부(110)의 회전속도가 300m/min를 초과할 경우 레이저빔(LB)에 대한 상대속도가 지나치게 빨라 증착층(120)의 형성이 불완전하게 되고, 1.5m/min 미만의 회전속도의 경우 증착 생산성이 지나치게 낮고 레이저빔(LB)의 에너지가 치차부(110)에 과도하게 집중되어 표면손상이 발생하게 되므로 제한된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 제1 실시예에 따른 동축노즐모듈(220)에서 위와 같은 제어 조건들에 따라 방사되어 서로 접하는 레이저빔(LB)과 분말형 소재(PM)로 인해 치차부(110)의 표면 둘레에는 치차부(110)의 1회전마다 링형의 라인증착이 균일하게 이루어지게 된다.

한편, 도 3에 도시된 제1 실시예에 따른 동축노즐모듈(220)의 전체적 형상은, 원통형 몸체(20)의 외주에 형성된 치차부(110)에 대응하여 일례로서 도식화한 것이므로, 도시된 바와 달리 원통형 몸체(20)의 내주를 따라 치차부(110)가 형성된 경우 이러한 치차부(110)에 근접하여 증착공정을 수행할 수 있도록 동축노즐모듈(220)의 방사 단부는 절곡된 형태로 이루어질 수 있다.

제1 실시예에 따른 수평구동부(230)는, 회전하는 치차부(110)에 대하여 동축노즐모듈(220)을 X축 즉, 원통형 몸체(20)의 길이방향 또는 XY 평면상 즉, 원통형 몸체(20)의 길이(X축 방향) 및 직경방향(Y축 방향)으로 선형운동시키는 구성요소이다.

이러한 수평구동부(230)는, 피대상물인 동축노즐모듈(220)에 결합되어 동축노즐모듈(220)을 1축 이상의 방향으로 선형이동시키는 공지의 장치일 수 있지만, 본 발명의 제1 실시예에서는 구체적으로 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 레일(232), 가동몸체(234) 및 각도조절부(236) 등으로 구성될 수 있다.

레일(232)은 동축노즐모듈(220)의 선형이동방향의 개수에 따라 적어도 하나 이상이 길게 형성되어 구조물의 일측에 고정되거나 서로 다른 레일(232)에 대하여이동가능하게 설치되는 구성요소이다.

가동몸체(234)는 동축노즐모듈(220)과 결합된 상태로 레일(232) 상에 결합되어 소정의 동력수단에 의해 적어도 하나 이상의 레일(232)을 따라 제어된 선형이동을 수행하는 구성요소이다. 이때, 소정의 동력수단은 렉기어와 회전하는 피니언 기어의 조합, 다양한 리니어 모터 조립체일 수 있다.

각도조절부(236)는, 동축노즐모듈(220)에서 방사축(RX)을 따라 방사된 레이저빔(LB)이 치차부(110) 표면(양측 경사면(113a,113b))과 이루게 되는 경사각(θi)을 보다 자유롭게 가변시키기 위해 구비된 구성요소이다.

이러한 각도조절부(236)는, 가동몸체(234) 일측에 구비된 상술한 스텝모터 등과 같은 동력수단으로 구현되어 동축노즐모듈(220)을 정확하고 정밀하게 회전제어할 수 있고, 가동몸체(234) 일측에 구비되어 동축노즐모듈(220)의 상대회전을 가능하게 하는 힌지결합으로 구현될 수도 있다.

상술한 구성들로 이루어진 수평구동부(230)는, 도 5에 도시된 바와 같이 레이저빔(LB)의 입사방향을 유지한 상태로 동축노즐모듈(220)을 원통형 몸체(20)의 길이방향(X축 방향)으로 선형이동시키는 작동제어를 하게 된다.

치차부(110)의 1회전마다 동축노즐모듈(220)의 분사작동으로 치차부(110)의 표면에 선형태로 형성된 링형의 라인증착은, 이러한 수평구동부(230)의 X축 방향 선형이동으로 인해 서로 겹치면서 면형상의 증착층(120)을 형성할 수 있게 된다.

이때, 수평구동부(230)에 의한 동축노즐모듈(220)의 선형이동 거리는, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 인접 형성되는 증착비드(DB)(라인증착(120a,120b)의 단면에 해당) 간의 이격거리에 대응하는 길이로서, 설계된 최종 증착층(120)의 두께, 이에 대응하여 형성되는 증착비드(DB)의 두께 및 폭에 기초하여 결정될 수 있다.

즉, 설계된 두께의 증착층(120)을 치차부(110) 전체 표면에 형성하기 위해서는, 일단 레이저 출력과 분말형 소재(PM)의 분사량을 설계 두께에 비례하도록 증가시켜 해당 두께에 상응하는 정도로 볼록한 형상의 증착비드(DB)를 동축노즐모듈(220)의 제어를 통해 형성하게 된다.

여기서 증착층(120)의 두께에 비례하여 점점 볼록하게 형성되는 증착비드(DB)가 설계된 두께의 균일한 증착층(120)을 이루기 위해서는, 증착층(120)의 두께에 비례하여 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위 또한 볼록한 형상으로 인해 커져야 한다.(동축노즐모듈(220)의 X축 선형이동 거리와 겹침범위는 서로 반비례 관계)

따라서 이러한 상관관계를 고려할 때, 상대적으로 두꺼운 수 mm/pass의 증착층(120)을 형성하는 경우에는 라인증착시 형성되는 증착비드(DB) 자체의 볼록한 정도가 크므로, 증착비드(DB)의 겹침범위는, 대략 55% 이하, 바람직하게는 35% 이하로 결정하게 된다. 이때, 겹침범위가 55%를 초과하게 되면 증착층(120)의 균일도가 향상되는 것에 비해 작업속도가 지나치게 느려지는 문제가 있어 위 범위로 제한하게 된다.

그리고 상대적으로 얇은 0.5mm/pass 이하의 증착층(120)을 형성하는 경우에는 라인증착시 형성되는 증착비드(DB) 자체의 볼록한 정도가 작으므로, 증착비드(DB)의 겹침범위는 대략 15% 이상, 바람직하게는 25% 이상으로 결정하게 된다. 이때, 겹침범위가 15% 미만이 되면, 증착비드(DB)의 표면층 굴곡이 심해져 증착 후 연삭마감 가공시 연삭량이 많아지는 문제가 있어 위 범위로 제한하게 된다.

결국, 위의 내용을 종합해보면, 동축노즐모듈(220)의 X축 선형이동 거리는, 증착비드(DB)의 볼록한 정도 즉, 증착층(120)의 두께에 반비례하게 결정하되, 증착비드(DB)의 폭길이(W)에 대하여 45%(겹침범위 55%에 대응) 내지 85%(겹침범위 15%에 대응)에 해당하는 길이로 제한하는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 증착층(120) 형성의 주요 인자들이, 치차부(110)의 다양한 규격, 형상, 소재에 대응하여 도 3에 도시된 제1 실시예에 따른 증착시스템(200)에 최적화된 조합으로 적용되면, 다음과 같은 효과가 기대될 수 있다.

즉, 건전한 접합력과 균일성을 갖는 고품질의 증착층(120)이 하나의 동축노즐모듈(220)과 수평구동부(230)를 통해 별도의 위치변경 없이 한 번의 설치로 치차부(110) 표면에 형성될 수 있고, 이로써 본 발명에 따른 치차성형물(100)이 최종 완성될 수 있게 된다.

한편, 치차부(110) 표면에 대한 레이저빔(LB)의 입사각 내지 경사각(θi)은, 도 3의 우측 확대도에 도시된 바와 같이, Y축 방향을 따라 배치된 산(112)들의 양측 경사면(113a,113b) 중 어느 하나를 수직방향으로 지향하도록 동축노즐모듈(220)을 Y축 방향(원통형 몸체(20)의 직경방향)으로 선형이동시키는 수평구동부(230)의 제어를 통해 가변될 수 있다.

이러한 동축노즐모듈(220)의 Y축 방향 선형이동은, 축선(AX)과 방사축(RX)이 서로 일치하는 도 3의 좌측 확대도의 경우와 구별되는 것으로, 이로 인해 산(112)의 양측 경사면(113a,113b)에 대한 증착이 보다 강화될 수 있다.

이때, 축선(AX)을 기준으로 Y축 방향 선형이동 거리에 비례하여 증가하게 되는 서로 다른 산(112)의 경사면(113a,113b)에 대한 레이저빔(LB)의 경사각(θi)은 산(112)의 양측 경사면(113a,113b)이 이루게 되는 각도인 치형각(θt)보다 작은 범위 내에서 형성되도록, 선형이동 거리를 제한하게 된다.

이렇게 선형이동 거리를 제한하는 이유는, 레이저빔(LB)의 경사각(θi)이 치형각(θt)보다 큰 각도가 되도록 방사축(RX)을 과도하게 Y축 방향으로 선형이동시키게 되면, 산(112)에 의한 가림 내지 간섭으로 인해 레이저빔(LB)이 마주하는 경사면(113a)에 대향된 반대 경사면(113b)에는 증착층(120)의 형성이 어려워지기 때문이다. 즉, 이때에는 레이저빔(LB)의 방사축(RX)이 세팅된 상태에서 치차부(110)의 1회전으로 링형의 라인증착을 수행하지 못하게 된다.

도 4에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 증착시스템(200)은, 회전하는 치차부(110)에 대하여 대칭된 위치에 2개의 동축노즐모듈(220)을 각각 설치하여 증착층(120)을 반반씩 동시에 형성하도록 구성된 시스템일 수 있다.

또는, 고정된 상태로 회전하는 치차부(110)에 대하여 대칭된 위치에 하나의 동축노즐모듈(220)을 각각 교대로 설치하여 증착층(120)을 반반씩 순차로 형성하도록 구성된 시스템일수 있다.

이러한 제2 실시예에 따른 증착시스템(200)은, 제1 실시예처럼 축선(AX)과 방사축(RX)이 일치되도록 동축노즐모듈(220)을 배치하여 치차부(110)에 연속된 링형의 라인증착을 수행하는 것(도 3의 좌측 확대도 참조)이 아니라, 증착공정이 서로 대향되는 치차부(110)의 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 각각 분할된 형태로 수행된다는 점에서 구별된다.

즉, 제2 실시예에 따른 증착시스템(200)은, 도 4에 도시된 바와 같이 회전구동부(210), 산(112)을 이루는 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 각각 소정 경사각(θi)으로 레이저빔(LB)과 분말형 소재(PM)를 방사하는 하나 이상의 동축노즐모듈(220) 및 수평구동부(230) 등을 포함할 수 있다.

제2 실시예의 회전구동부(210), 동축노즐모듈(220) 및 수평구동부(230)는, 기본적으로 제1 실시예의 경우와 동일하거나 유사한 기능과 작동을 수행하는 것이므로 이에 대한 설명은 생략하고 구별되는 부분만을 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 제2 실시예에 따른 동축노즐모듈(220)은, 도 4에 도시된 바와 같이 2개로 이루어져 레이저빔(LB)과 분말형 소재(PM)가 어느 하나의 산(112)을 기준으로 그 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 각각 소정 경사각(θi)을 이루며 입사되도록 배치될 수 있다.

여기서의 동축노즐모듈(220)은, 기준이 되는 산(112)의 일측 경사면(113a)을 지향한 상태로 수평구동부(230) 중 어느 하나인 제1 구동부(230a)에 결합되는 제1 노즐모듈(220a)과, 타측 경사면(113b)을 지향한 상태로 수평구동부(230)의 나머지 하나인 제2 구동부(230b)에 결합되는 제2 노즐모듈(220b)로 구성될 수 있다.

위와 같이 배치된 제1 노즐모듈(220a)을 통해 제1 라인증착(120a)이 수행됨과 동시에 제2 노즐모듈(220b)을 통해 제2 라인증착(120b)이 수행됨에 따라 치차부(110) 표면에는 증착층(120)이 동시적으로 신속하게 형성될 수 있다.

한편, 2개의 동축노즐모듈(220)은, 서로 다른 산(112)에 대하여 각각 일측 경사면(113a)과 타측 경사면(113b)에 레이저빔(LB)이 입사되도록 각각 배치되어 제1 라인증착(120a)과 제2 라인증착(120b)을 동시에 수행할 수도 있음은 물론이다.

그리고 도 4에 도시된 바와 달리, 하나의 동축노즐모듈(220)만이 구비된 시스템(200)에서는 동축노즐모듈(220)을 제1,2 구동부(230a,230b)에 교대로 설치하여 제1 라인증착(120a)과 제2 라인증착(120b)이 각각 이시에 수행되도록 운영될 수도 있다.

제2 실시예에 따른 수평구동부(230)는, 서로 다른 위치에서 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 각각 레이저빔(LB)이 소정 경사각(θi)을 이룰 수 있도록 한 쌍 즉, 2개로 구성되어 동축노즐모듈(220)과 결합된다는 점에서, 제1 실시예와 구별될 뿐 동일한 구성으로 상술한 바와 같은 제어작동을 수행하게 된다.

제2 실시예에서 레이저빔(LB)과 분말형 소재(PM)가, 도 3의 제1 실시예의 경우와 달리 치차부(110)의 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 각각 소정 경사각(θi)을 이루며 입사되도록 한 이유는, 산(112)의 끝단부를 지향한 상태로 축선(AX,방사축(RX))을 따라 레이저빔(LB)을 방사하는 방식인 도 3의 제1 실시예에 의할 때 발생하게 되는 미소한 증착의 불균일을 보완 내지 해소하기 위함이다.

즉, 도 3의 제1 실시예에 의하게 되면, 초점(F)을 기준으로 회전하는 산(112)과 골(114)에 대한 레이저빔(LB)의 도달거리는 골깊이(H) 만큼의 차이를 보이게 되고, 이러한 도달거리의 차이는 에너지의 차이(상술한 빔구간(BR)에도 미소한 차이가 존재함)에 대응하는 것으로, 결국 산(112)과 골(114) 간의 미소한 증착 불균일을 발생시키게 된다.

또한, 도 3의 제1 실시예에 의하게 되면, 레이저빔(LB)은 산(112)의 끝단부나 골(114)과 대비시 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 작은 입사각으로 도달하게 되고, 이는 경사면(113a,113b)에 대한 레이저빔(LB)의 단위면적당 적은 양의 에너지 전달을 초래하게 되어 경사면(113a,113b)에 대한 증착 불량을 발생시키게 된다.

그러나 도 4에 도시된 제2 실시예에 따라 레이저빔(LB)을 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 각각 소정의 경사각(θi)으로 입사시키게 되면, 산(112)과 골(114)에 대한 레이저빔(LB)의 도달거리의 차이가 유의할만한 수준으로 감소되는 한편, 경사면(113a,113b)에 대한 단위면적당 에너지 전달량의 불균형이 일거에 해소됨에 따라 더욱 고품질의 증착층(120)이 치차부(110) 표면 전체에 균일하게 형성될 수 있게 된다.

이하에서는 제2 실시예에 따른 증착시스템(200)을 이용한 증착층(120)의 형성과정을 도 4 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 제2 실시예에 따른 증착층(120)은, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 치차부(110)의 매 1회전에 대하여 수행되는 제1 증착공정 및 제2 증착공정을 통해 형성될 수 있다.(S400)

이때, 제1 증착공정은, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 산(112) 중 어느 하나의 일측 경사면(113a)을 지향하며 소정 경사각(θi)으로 입사되는 레이저빔(LB)과 분말형 소재(PM)가 회전하는 치차부(110)에 대하여 제1 라인증착(120a)을 수행하게 되는 공정이다.

그리고 제2 증착공정은, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 산(112) 중 어느 하나의 타측 경사면(113b)을 지향하며 소정 경사각(θi)으로 입사되는 레이저빔(LB)과 분말형 소재(PM)가 회전하는 치차부(110)에 대하여 제2 라인증착(120b)을 수행하게 되는 공정이다.

여기서 제1,2 증착공정의 제1 라인증착(120a)과 제2 라인증착(120b)은, 상술한 바와 같이 2개의 동축노즐모듈(220)을 통해 동시에 수행될 수 있고, 제1,2 구동부(230a,230b)에 교대로 설치되는 하나의 동축노즐모듈(220)을 통해 각각 이시에 수행될 수도 있음은 물론이다.

이렇게 제1,2 증착공정에 의해 서로 반대 경사면(113a,113b)에 대하여 각각 불연속적으로 이루어지는 제1,2 라인증착(120a,120b)은, 치차부(110)가 1회전(2개의 동축노즐모듈(220)인 경우)하는 동안에 하나의 연속된 링형의 라인 증착층(120)을 함께 형성하게 된다.

그리고 이렇게 하나로 형성된 링형의 라인 증착층(120)은, 도 5 및 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 수평구동부(230)에 의한 제1,2 노즐모듈(220a,220b)의 X축 방향 선형이동 과정과, 이후 치차부(110)의 1회전에 대하여 다시 수행되는 제1,2 증착공정을 통해 새로운 라인 증착층(120)과 겹치며 면형상의 증착층(120)을 구성하게 된다.

위와 같은 수평구동부(230)에 의한 제1,2 노즐모듈(220a,220b)의 X축 방향 선형이동과 새로운 제1,2 증착공정이, 원통형 몸체(20)의 길이방향 전체에 대하여 연속적이고 반복적으로 이루어짐에 따라 결국 치차부(110) 전체에 대하여 강화된 고품질의 증착층(120)이 형성될 수 있게 된다.

이때, 레이저빔(LB)의 경사각(θi)을 각각 유지하며 수평구동부(230)에 의해 X방향으로 이동하는 제1,2 노즐모듈(220a,220b)의 선형이동 거리는, 앞서 설명한 제1 실시예에서 기술한 바에 따라 제어될 수 있다.

한편, 제2 실시예에 따른 증착시스템(200)에서 언급된 소정 경사각(θi)은, 후술하는 바와 같이 제1 한계각(FL)과 같거나 크고, 제2 한계각(SL)과 같거나 작은 범위에서 설정 내지 결정되는 각일 수 있다.

제1 한계각(FL)이란, 방사된 레이저빔(LB)이 회전축(10)과 산(112)의 끝단부를 잇는 축선(AX)과 나란한 상태 즉, 제1,2 노즐모듈(220a,220b)이 Y축 방향으로 각각 수평이동하여 축선(AX)과 방사축(RX)이 서로 평행을 이루며 양측 경사면(113a,113b)을 타겟점으로 한 상태에서 양측 경사면(113a,113b) 중 어느 하나의 경사면(113a,113b)에 대한 각도로 정의될 수 있다.

그리고 제2 한계각(SL)이란, 방사된 레이저빔(LB)이 양측 경사면(113a,113b)을 타겟점으로 한 상태에서 치차부(110)의 골(114)에 대한 제1,2 라인증착(120a,120b)이 해당 골(114)에 인접한 산(112)에 의해 간섭 내지 방해받지 않고 수행될 수 있도록 하는 각도로 정의될 수 있다.

위와 같은 소정 경사각(θi)의 범위 한정으로 인해 산(112), 양측 경사면(113a,113b) 및 골(114)로 이루어지는 치차부(110) 전체에 대한 증착은, 제1 실시예의 경우(축선(AX)과 방사축(RF)이 일치될 때의 입사각)와 대비시 산(112)은 물론이고, 양측 경사면(113a,113b)과 골(114)에 대하여 더욱 양호하고 균일하게 이루어질 수 있게 된다.

다만, 더욱 바람직한 제2 한계각(SL)은, 도 4의 확대도에 도시된 바와 같이 방사된 레이저빔(LB)이 양측 경사면(113a,113b)을 타겟점으로 한 상태에서 치차부(110)의 양측 경사면(113a,113b) 중 어느 하나의 경사면(113a,113b)으로부터 치형각(θt)(산(112)의 양측 경사면(113a,113b)이 이루게 되는 각도)에 대응하는 각도로 한정될 수 있다.

이러한 제2 한계각(SL)의 한정은, 다양한 형상 및 규격의 치차와 치형각(θt)으로 이루어진 치차성형물(100) 모두를 아우르며 보다 범용적으로 적용될 수 있는 경사각(θi)의 한계 기준을 명확하게 제공하기 위한 것이다.

위와 같이 제1,2 한계각(FL,SL) 범위로 한정된 경사각(θi)은, 구체적으로 아래의 <표 1>에 나타난 바와 같은 규격 즉, 서로 인접한 산(112) 간의 이격거리인 피치(P)가 대략 1.2mm 내지 20mm의 범위 내이고, 골깊이(H)가 대략 0.3mm 내지 10mm의 범위 내이며, 골깊이(H)에 대한 피치(P)의 비(골폭비, 피치(P)/골깊이(H))가 1.80 내지 4.50인 치차부(110)를 갖는 치차성형물(100)에 대하여 적용될 수 있다.

여기서 피치(P), 골깊이(H) 및 골폭비를 위와 같이 특별히 제한하는 이유는, 피치(P)가 20mm 이하이면서 골깊이(H)가 10mm를 초과하게 되면, 레이저빔(LB)의 도달이 인접한 산(112)에 의해 방해받아 골(114) 최하부나 경사면(113a,113b)에서 접합 계면의 온도가 지나치게 낮아질 수 있기 때문이다.

또한, 깊은 골깊이(H)로 인해 산(112)과 골(114)에 대한 레이저빔(LB)의 에너지 편차가 지나치게 커져 충분한 온도로 용융 풀을 형성할 수 없고, 접합강도를 만족하지 못하거나 증착층(120) 내부에 기공이 발생하는 등의 품질문제가 야기될 수 있기 때문이다.

골설형 롤러의 치형 타입	골폭비 (피치/골깊이)	피치(mm) 일례	골깊이(mm) 일례	소정 경사각(°, θi)
K	1.88~2.00	19.0	10.0	43~52
A	1.80~1.87	8.7	4.7	43~68
C	2.01~2.40	7.9	3.7	47~74
B	2.41~2.65	6.2	2.4	52~81
D	2.66~2.80	5.0	1.8	53~86
E	2.81~3.00	3.4	1.2	55~90
F	3.01~3.50	2.4	0.7	60~95
G	3.51~3.80	1.8	0.5	61~105
O	3.81~4.50	1.2	0.3	62~110

<표 1>에서 예시된 바와 같이, 골폭비에 기초하여 분류된 골성형 롤러의 다양한 치형 타입에 각각 대응하여 산(112)의 양측 경사면(113a,113b)에 입사되는 레이저빔(LB)의 소정 경사각(θi)은, 전체적으로 43°~ 110° 범위 내에서 결정됨을 알 수 있다.

다만, 골폭비가 1.80 이상이고 2.00 이하에서는 대략 43°~ 70° 범위 내, 골폭비가 2.01 이상이고 2.80 이하에서는 대략 47°~ 88° 범위 내 그리고 골폭비가 2.81 이상이고 4.50 이하에서는 대략 55°~ 110°범위 내에서 경사각(θi)이 결정된 경우, 제2 실시예가 추구하는 바람직한 효과 내지 목적을 갖는 증착층(120)이 형성될 수 있었다.

반면에 골성형 롤러에 대하여 레이저빔(LB)의 경사각(θi)이 43° 미만인 각도에서 증착이 이루어지거나 110°를 초과한 각도에서 증착이 이루어지게 되면, 산(112)과 골(114)에서의 증착층(120)의 두께가 지나치게 얇아지거나 부위별로 적정한 증착층(120)의 두께를 얻는 것이 어렵게 되는 등 골성형 롤러의 내구수명을 감축시키는 결과를 초래하게 되므로 제한하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 제2 실시예에 따른 증착시스템(200)을 이용하게 되면, 양측 경사면(113a,113b) 중 어느 하나에 대한 선택적 수리나 보강이 용이 해지는 한편, 양측 경사면(113a,113b)에 대한 서로 다른 물성의 증착층(120) 형성 등이 가능해짐에 따라 급변하는 수요자의 다양한 요구에 부합하는 치차성형물(100)을 시의적절하게 제조할 수 있게 된다.

한편, 상술한 바와 같이 레이저빔(LB)이 양측 경사면(113a,113b)에 대하여 입사되는 소정 경사각(θi)에 대한 한정과 함께 제1 실시예에서 기술한 레일리 영역(RR)과 관련된 빔구간(BR)을 본 발명에 따른 치차부(110)에 적용하게 되면, 치차부(110)의 전체 계면에는 가장 최선이고 건전한 접합상태와 균일성을 갖는 강화된 고품질의 증착 결과를 얻을 수 있게 된다.

위와 같이 제1,2 실시예에 따른 증착시스템(200)을 이용하여 치차부(110) 전체 표면에 대한 건전한 고품질의 증착층(120)이 형성된 다음에는, 서로 인접형성된 라인 증착층(120)의 겹침부분에 대하여 적절한 강도를 갖는 연마석 휠을 이용한 연삭마감 과정을 수행함으로써, 최종 치차성형물(100)을 완성하게 된다.(S500)

다음은 이상에서 설명한 내용에 기초하여 각각 최선의 증착층(120)이 형성되도록, 증착층(120) 형성의 주요 인자에 대한 조건을 달리하며 시험한 제조예들에 대하여 간략히 설명한다.

<제조예 1>

AISI 4140(KS SCM 440)소재에 대하여 830~880℃로 가열한 후 80℃ 냉각유에서 담금질 열처리(quenching)하고, 580℃로 뜨임 열처리(tempering)하는 방식으로 열처리하고, 추가로 표면경도 Hs 74~78, 2 ~ 3mm 깊이의 유도경화층을 형성한 원통형 롤러에 직경 100mm, 피치(P) 2.4mm, 골깊이(H) 0.7mm이고, 골폭비가 3.01~3.50인 F 타입 골성형 롤러를 선반(회전구동부(210))에서 회전하면서 3.5kW 출력에 초점(F)에서 직경 5mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 1.5mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 70°로 방사하는 한편, 입자 크기 20 ~ 53㎛로 선별한 마르텐사이트계 420 스테인리스강 분말을 105g/min 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.4mm로, 치차부(110)의 회전속도를 1.4m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 2mm인 건전한 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 80H 규격인 알루미나 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

<제조예 2>

<제조예 1>과 동일한 열처리 조건으로 제조한 직경 320mm, 피치(P) 3.4mm, 골깊이(H) 1.2mm이고, 골폭비가 2.81~3.00인 E 타입 골성형 롤러를 선반에서 회전하면서 1.2kW 출력에 초점(F)에서 직경 5mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 1mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 60°로 방사하는 한편, 입자 크기 3 ~ 53㎛인 NiCr계 자융합금분말을 40g/min 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.2mm로, 치차부(110)의 회전속도를 30m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 0.035mm인 건전한 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 80H 규격인 알루미나 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

<제조예 3>

<제조예 1>과 동일한 열처리 조건으로 제조한 직경 150mm, 피치(P) 5mm, 골깊이(H) 1.8mm이고, 골폭비가 2.66~2.80인 D 타입 골성형 롤러를 선반에서 회전하면서 1.6kW 출력에 초점(F)에서 직경 2mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 3mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 60°로 방사하는 한편, 입자 크기 20 ~ 53㎛인 인코넬 625분말에 입자 크기 20 ~ 53㎛인 텅스텐 탄화물 분말을 무게 비로 20% 혼합하여 40g/min으로 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.25mm로, 치차부(110)의 회전속도를 14m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 0.1mm인 건전한 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 60F 규격인 cBN 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

<제조예 4>

<제조예 1>과 동일한 열처리 조건으로 제조한 직경 170mm, 피치(P) 6.2mm, 골깊이(H) 2.4mm이고, 골폭비가 2.41~2.65인 B 타입 골성형 롤러를 선반에서 회전하면서 1.3kW 출력에 초점(F)에서 직경 1.2mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 0.5mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 55°로 방사하는 한편, 입자 크기 20 ~ 53㎛인 인코넬 625분말을 46g/min 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.25mm로, 치차부(110)의 회전속도를 60m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 0.06mm인 건전한 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 60F 규격인 알루미나 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

<제조예 5>

<제조예 1>과 동일한 조건으로 제조한 직경 320mm, 피치(P) 1.8mm, 골깊이(H) 0.5mm이고, 골폭비가 3.51~3.80인 G 타입 골성형 롤러를 선반에서 회전하면서 1kW 출력에 초점(F)에서 직경 1.2mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 0.5mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 105°로 방사하는 한편, 입자 크기 3 ~ 53㎛인 NiCr계 자융합금 분말을 31g/min 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.2mm로, 치차부(110)의 회전속도를 150m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 0.025mm인 건전한 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 80H 규격인 알루미나 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

<제조예 6>

<제조예 1>과 동일한 조건으로 제조한 직경 400mm, 피치(P) 7.9mm, 골깊이(H) 3.7mm로서 골폭비가 2.01~2.40인 C 타입 골성형 롤러를 선반에서 회전하면서 2.1kW 출력에 초점(F)에서 직경 1.2mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 1mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 55°로 방사하는 한편, 입자 크기 3 ~ 53㎛인 NiCr계 자융합금 분말을 72g/min으로 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.2mm로, 치차부(110)의 회전속도를 250m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 0.025mm인 건전한 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 60F 규격인 알루미나 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

<제조예 7>

<제조예 1>과 동일한 조건으로 제조한 직경 500mm, 피치(P) 8.7mm, 골깊이(H) 4.7mm로서 골폭비가 1.80~1.87인 A 타입 골성형 롤러를 선반에서 회전하면서 1.2kW 출력에 초점(F)에서 직경 0.8mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 0.2mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 45°로 방사하는 한편, 입자 크기 3 ~ 53㎛인 NiCr계 자융합금 분말을 48g/min으로 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.2mm로, 치차부(110) 회전속도를 300m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 0.02mm인 건전한 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 60F 규격인 알루미나 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

<제조예 8>

<제조예 1>과 동일한 조건으로 하에서 제조한 직경 170mm, 피치(P) 3.4mm, 골깊이(H) 1.2mm이고, 골폭비가 2.81~3.00인 E 타입 골성형 롤러를 선반에서 회전하면서 2.3kW 출력에 초점(F)에서 직경 0.8mm인 레이저빔(LB)을 산(112)에서 탈초점 이격거리(DD) 7mm를 부여하고, 양측 경사면(113a,113b)에 대해 각각 경사각(θi) 60°로 방사하는 한편, 입자 크기 3 ~ 53㎛인 NiCr계 자융합금분말을 30g/min 공급하고, 인접한 증착비드(DB)의 겹침범위는 0.3mm로, 치차부(110)의 회전속도를 155m/min로 유지함으로써 치차부(110) 전면에 두께가 약 0.03mm인 증착층(120)을 얻을 수 있었고, 80H 규격인 알루미나 휠로 연삭하여 마무리하게 된다.

위와 같은 제조예들에 따라 형성된 증착층(120)은 모두 균일한 도포 상태를 보였으며, 특히 내면압성을 많이 요구하는 치차부(110)의 산(112) 부근에서 증착층(120)의 접합강도와 건전성이 우수하였다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

LB: 레이저빔 PM: 분말형 소재
G: 불활성 가스 θi: 소정 경사각
θt: 치형각(산이 이루는 각) AX: 축선
FL: 제1 한계각 SL: 제2 한계각
DB: 증착비드 W: 증착비드 폭길이
P: 피치 H: 골깊이
F: 초점 RX: 방사축
DF: 탈초점 영역(Defocus distance) RR: 레일리 영역(Rayleigh Range)
BR: 빔구간 DD: 탈초점 이격거리
10: 회전축 20: 원통형 몸체
100: 강화된 증착 표면을 갖는 치차성형물
110: 치차부 112: 산
113a: 일측 경사면 113b: 타측 경사면
114: 골 120: 증착층
120a: 제1 라인증착 120b: 제2 라인증착
200: 치차표면용 증착시스템
210: 회전구동부 220: 동축노즐모듈
220a,220b: 제1,2 노즐모듈 222: 레이저조준기
224: 포커싱렌즈 226: 분말제공부
228: 센싱부 230: 수평구동부
230a,230b: 제1,2 구동부 232: 레일
234: 가동몸체 236: 각도조절부

Claims

중심 회전축을 갖는 원통형 몸체의 외주 또는 내주를 따라 골과 산이 연이어 형성된 치차부; 및
상기 치차부를 지향하여 동축노즐방식으로 방사된 레이저빔의 둘레에서 레이저빔의 방사축에 접하도록 분사되어 용융된 분말형 소재가 상기 치차부의 표면과 일체화되어 이루어진 증착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
제1항에 있어서,
상기 증착층은,
레이저빔의 초점까지 소정 길이로 형성되는 레일리 영역과 이에 대응하는 길이로 상기 초점으로부터 형성되는 탈초점 영역을 포함하는 빔구간 내에 상기 산과 골로 이루어진 상기 치차부가 위치하도록 제어된 상태에서 형성되는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
제2항에 있어서,
상기 증착층은,
상기 탈초점 영역 내에 상기 산과 골로 이루어진 상기 치차부가 위치하도록 제어된 상태에서 형성되는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
제2항에 있어서,
상기 증착층은,
상기 산의 일측 경사면을 지향하며 소정 경사각으로 입사되는 레이저빔과 상기 분말형 소재가 회전하는 상기 치차부에 대하여 제1 라인증착을 수행하는 제1 증착공정; 및
상기 산의 타측 경사면을 지향하며 상기 소정 경사각으로 입사되는 레이저빔과 상기 분말형 소재가 회전하는 상기 치차부에 대하여 제2 라인증착을 수행하는 제2 증착공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
제4항에 있어서,
상기 소정 경사각은,
상기 회전축과 상기 산의 끝단부를 잇는 축선과 나란한 경우의 제1 한계각과 같거나 크고, 상기 골에 대한 상기 제1,2 라인증착이 인접한 상기 산에 의해 간섭받지 않도록 하는 제2 한계각과 같거나 작은 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
제4항에 있어서,
상기 제1 증착공정과 상기 제2 증착공정 각각은,
상기 제1 또는 2 라인증착에 의해 형성된 증착비드의 폭길이에 대하여 45% 내지 85%에 해당하는 길이만큼 레이저빔과 상기 분말형 소재를 상기 원통형 몸체의 길이방향으로 선형이동시키며 상기 제1 또는 2 라인증착을 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
제4항에 있어서,
상기 치차부는,
서로 인접한 상기 산 간의 이격거리인 피치가 1.0mm 내지 20mm이고, 상기 골의 깊이는 0.3mm 내지 10mm로 이루어지되, 골깊이에 대한 피치의 비(피치/골깊이)는 1.9 내지 4.0이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
제4항에 있어서,
상기 분말형 소재는,
레이저의 출력 100W당 1.0 내지 5.0g/min으로 분사되는 것을 특징으로 하는 강화된 증착표면을 갖는 치차성형물.
중심 회전축을 갖는 원통형 몸체의 외주 또는 내주를 따라 골과 산이 연이어 형성된 치차부가 구비된 치차성형물;
상기 회전축에 결합되어 상기 치차성형물을 정역 회전시키는 회전구동부;
회전하는 상기 치차부를 지향하여 레이저빔을 방사하고, 레이저빔의 둘레에서 레이저빔의 방사축에 접하도록 분사되어 용융된 분말형 소재로 상기 치차부의 표면에 증착층을 형성하는 동축노즐모듈; 및
상기 동축노즐모듈에 결합되어 상기 원통형 몸체의 길이 및 직경방향 중 적어도 어느 한 방향을 따라 상기 동축노즐모듈을 선형이동시키는 수평구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제9항에 있어서,
상기 동축노즐모듈은,
레이저빔의 초점까지 소정 길이로 형성되는 레일리 영역과 이에 대응하는 길이로 상기 초점으로부터 형성되는 탈초점 영역을 포함하는 빔구간 내에 회전하는 상기 치차부의 상기 산과 골이 위치하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제9항에 있어서,
상기 동축노즐모듈은,
상기 산의 양측 경사면을 각각 교대로 지향한 상태에서 소정 경사각으로 레이저빔과 상기 분말형 소재를 입사시켜 상기 치차부의 표면에 제1,2 라인증착을 순차로 수행하며 상기 증착층을 형성하고,
상기 수평구동부는,
상기 동축노즐모듈이 상기 산의 양측 경사면을 교대로 지향하도록 상기 동축노즐모듈을 상기 원통형 몸체의 직경방향으로 각각 선형이동시킨 후, 상기 원통형 몸체의 길이방향을 따라 선형이동시키는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제9항에 있어서,
상기 동축노즐모듈은,
상기 산의 일측 경사면과 타측 경사면을 각각 소정 경사각으로 지향하는 제1,2 노즐모듈로 구성되어 상기 치차부의 표면에 제1,2 라인증착을 동시에 수행하며 상기 증착층을 형성하고,
상기 수평구동부는,
상기 제1,2 노즐모듈과 각각 결합되는 제1,2 구동부로 구성되어 상기 원통형 몸체의 길이 및 직경방향을 따라 상기 제1,2 노즐모듈을 각각 선형이동시키는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 소정 경사각은,
상기 회전축과 상기 산의 끝단부를 잇는 축선과 나란한 경우의 제1 한계각과 같거나 크고, 상기 골에 대한 상기 제1,2 라인증착이 인접한 상기 산에 의해 간섭받지 않도록 하는 제2 한계각과 같거나 작은 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 수평구동부는, 상기 제1 또는 2 라인증착에 의해 형성된 증착비드의 폭길이에 대하여 45% 내지 85%에 해당하는 길이만큼 상기 동축노즐모듈을 상기 원통형 몸체의 길이방향으로 선형이동시키고,
상기 동축노즐모듈은, 선형이동된 위치에서 반복하여 상기 제1 또는 2 라인증착을 수행하는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제9항에 있어서,
상기 동축노즐모듈은,
레이저빔을 방사하는 레이저조준기;
레이저빔의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저빔을 임의의 초점 상에 수렴시키는 포커싱렌즈; 및
수렴되는 레이저빔의 둘레를 따라 배치된 원형슬릿을 통해 상기 분말형 소재를 분사하는 분말제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제13항에 있어서,
상기 치차성형물이,
골폭비가 1.80 이상이고, 2.00 이하인 골성형 롤러인 경우,
상기 소정 경사각은, 43° 내지 70° 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제13항에 있어서,
상기 치차성형물이,
골폭비가 2.01 이상이고, 2.80 이하인 골성형 롤러인 경우,
상기 소정 경사각은, 47° 내지 88° 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.
제13항에 있어서,
상기 치차성형물이,
골폭비가 2.81 이상이고, 4.50 이하인 골성형 롤러인 경우,
상기 소정 경사각은, 55° 내지 110° 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 치차표면용 증착시스템.