KR20240080669A - 고강도 및 고인성 조화감속기용 부재 제조방법 및 이에 의해 제조된 조화감속기용 부재 - Google Patents
고강도 및 고인성 조화감속기용 부재 제조방법 및 이에 의해 제조된 조화감속기용 부재 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고강도 및 고인성 조화감속기용 부재 제조방법 및 이에 의해 제조된 조화감속기용 부재에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재 제조방법은 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 성형하여 중간성형체를 제조하는 단계; 상기 중간성형체를 어닐링 열처리하여 어닐링재를 제조하는 단계; 및 상기 어닐링재를 오스템퍼링 열처리하여 템퍼링재를 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 어닐링 열처리는, 상기 중간성형체를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 중간성형체를 펄라이트(pearlite) 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하며, 상기 오스템퍼링 열처리는 상기 어닐링재를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 어닐링재를 베이나이트 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 고강도 및 고인성 조화감속기용 부재 제조방법 및 이에 의해 제조된 조화감속기용 부재에 관한 것이다.
조화 감속기(하모닉 드라이브)는 산업용 로봇 및 정밀 기계 장비에 사용되어 모터 속도를 제어하여 로봇의 움직임을 제어하는, 핵심적인 구동 부품이다. 조화 감속기는 링 형상을 가지며, 내주면에 형성된 복수 개의 내치(齒)를 포함하는 서큘러스플라인(circular spline); 컵 형상을 가지며, 상기 서큘러스플라인 내주면에 배치되며, 외주면에 상기 서큘러스플라인 내치에 대응하는 복수 개의 외치가 형성되며, 중공부를 포함하는 가요성의 플렉스플라인(flexspline); 및 비원형(타원형) 형상을 가지며, 상기 플렉스플라인의 중공부에 삽입되며, 상기 외치의 일부가 상기 내치와 맞물리도록 하는 파동발생기(웨이브 제너레이터);를 포함한다. 조화 감속기는 작동시 서큘러스플라인이 고정되며, 플렉스플라인은 상기 타원형 파동발생기의 장경과 단경의 고저차에 의해 타원 형태로 탄성 변형되어 싸인파형 운동을 구현하여 고감속 및 고정밀 특성을 구현할 수 있다.
최근에는 산업용 로봇 및 협동 로봇 시장의 급속한 성장에 따라, 보다 고성능을 갖는 로봇 관절용 감속기의 개발이 요구되고 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 일본 공개특허공보 제2007-040517호(2007.02.15. 공개, 발명의 명칭: 조화 감속기 및 그 제조 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 피로강도 및 피로 수명 증가 효과가 우수한 조화감속기용 부재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강도 및 인성이 우수한 조화감속기용 부재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 결정립 미세화 및 미세조직 균질화 효과가 우수한 조화감속기용 부재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생산성 및 경제성이 우수한 조화감속기용 부재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 조화감속기용 부재 제조방법에 의해 제조된 조화감속기용 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 조화감속기용 부재 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재 제조방법은 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 성형하여 중간성형체를 제조하는 단계; 상기 중간성형체를 어닐링 열처리하여 어닐링재를 제조하는 단계; 및 상기 어닐링재를 오스템퍼링 열처리하여 템퍼링재를 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 어닐링 열처리는, 상기 중간성형체를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 중간성형체를 펄라이트(pearlite) 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하며, 상기 오스템퍼링 열처리는 상기 어닐링재를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 어닐링재를 베이나이트 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 강재는 전체 중량에 대하여, 실리콘(Si) 0.1~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.9 중량%, 인(P) 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.03 중량% 이하 및 구리(Cu) 0 초과 0.3 중량% 이하 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 어닐링 열처리는 상기 중간성형체를 830~950℃까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 중간성형체를 530~680℃까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하여 실시되며, 상기 오스템퍼링 열처리는 상기 어닐링재를 830~950℃까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 어닐링재를 340~440℃까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하여 실시될 수 있다.
한 구체예에서 상기 중간성형체는, 상기 강재를 냉간단조하여 단조품을 제조하는 단계; 상기 냉간단조된 단조품을 구상화 소둔 열처리하는 단계; 및 상기 구상화 소둔 열처리된 단조품을 가공하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
한 구체예에서 조화감속기용 부재 제조방법은 상기 템퍼링재를 가공하는 단계;를 더 포함하며, 상기 가공은 밀링(milling), 호빙(hobing) 및 피닝(peening) 중 하나 이상의 방법으로 실시될 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 조화감속기용 부재 제조방법에 의해 제조된 조화감속기용 부재에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재는 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직이 하부 베이나이트(bainite)를 포함한다.
한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재는 경도가 350~380Hv 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재는 플렉스플라인(flexspline)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 조화감속기용 부재는 피로강도, 피로저항성 및 피로 수명 증가 효과가 우수하고, 강도 및 인성이 우수하며, 결정립 미세화 및 미세조직 균질화 효과가 우수하고, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 조화감속기용 부재 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 어닐링 열처리 과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 오스템퍼링 열처리 과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 조화감속기용 부재를 포함하는 조화감속기의 분해사시도이다.
도 5는 상기 조화감속기의 회전에 따른 감속 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 6(a)는 실시예의 어닐링 열처리 스케쥴이며, 도 6(b)는 실시예의 오스템퍼링 열처리 스케쥴을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 피로수명 평가장치 및 평가방법을 나타낸 것이다.
도 8(a)는 실시예 미세조직을 나타낸 것이며, 도 8(b)는 비교예 미세조직을 나타낸 광학현미경(OM) 사진이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 어닐링 열처리 과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 오스템퍼링 열처리 과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 조화감속기용 부재를 포함하는 조화감속기의 분해사시도이다.
도 5는 상기 조화감속기의 회전에 따른 감속 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 6(a)는 실시예의 어닐링 열처리 스케쥴이며, 도 6(b)는 실시예의 오스템퍼링 열처리 스케쥴을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 피로수명 평가장치 및 평가방법을 나타낸 것이다.
도 8(a)는 실시예 미세조직을 나타낸 것이며, 도 8(b)는 비교예 미세조직을 나타낸 광학현미경(OM) 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
조화감속기용 부재 제조방법
본 발명의 하나의 관점은 조화감속기용 부재 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 조화감속기용 부재 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면 상기 조화감속기용 부재 제조방법은 (S10) 중간성형체 제조단계; (S20) 어닐링재 제조단계; 및 (S30) 템퍼링재 제조단계;를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 조화감속기용 부재 제조방법은 (S10) 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 성형하여 중간성형체를 제조하는 단계; (S20) 상기 중간성형체를 어닐링 열처리하여 어닐링재를 제조하는 단계; 및 (S30) 상기 어닐링재를 오스템퍼링 열처리하여 템퍼링재를 제조하는 단계;를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 조화감속기용 부재 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 중간성형체 제조단계
상기 단계는 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 성형하여 중간성형체를 제조하는 단계이다.
이하, 상기 강재를 구성하는 성분에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
탄소(C)
상기 탄소(C)는 강도 및 경도 확보를 위해 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 탄소는 상기 강재 전체중량에 대하여 0.3~1.0 중량% 포함된다. 상기 탄소를 0.3 중량% 미만 포함시 그 첨가효과가 미미하며 1.0 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 가공성 또는 충격인성이 저하될 수 있다. 예를 들면 0.3~0.5 중량% 포함될 수 있다.
니켈(Ni)
상기 니켈은(Ni) 본 발명의 고인성 및 내피로 특성 확보를 위해 포함될 수 있다. 상기 니켈(Ni)은 상기 강재 전체중량에 대하여 1.2~2.0 중량% 포함된다. 상기 니켈을 1.2 중량% 미만 포함시 그 첨가효과가 미미하며 2.0 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 가공성이 저하되고 생산단가가 증가하여 경제성이 저하될 수 있다.
몰리브덴(Mo)
상기 몰리브덴(Mo)은 본 발명의 강도와 인성을 향상시키기 위해 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 몰리브덴은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.1~0.5 중량% 포함된다. 상기 몰리브덴을 0.1 중량% 미만 포함시 그 첨가효과가 미미하며 0.5 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 가공성이 저하될 수 있다.
크롬(Cr)
상기 크롬(Cr)은 본 발명의 강도 및 경도 향상과 가공성을 확보하며, 본 발명의 연신율과 경도 향상을 위해 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 크롬(Cr)은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함된다. 상기 크롬을 0.5 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 1.5 중량%를 초과하여 포함시 생산 단가가 증가하며, 연성이 저하될 수 있다.
한 구체예에서 상기 강재는 전체 중량에 대하여, 실리콘(Si) 0.1~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.9 중량%, 인(P) 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.03 중량% 이하 및 구리(Cu) 0 초과 0.3 중량% 이하 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
실리콘(Si)
상기 실리콘(Si)은 탈산 역할 및 강도 향상을 목적으로 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 실리콘(Si)은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.1~0.5 중량% 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시 상기 강재 제조시 탈산효과가 우수하며 인성 및 가공성이 우수할 수 있다.
망간(Mn)
상기 망간(Mn)은 본 발명의 강도 및 인성을 향상시키는 목적으로 ?l마될 수 있다. 한 구체예에서 상기 망간(Mn)은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.6~0.9 중량% 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시 본 발명의 강도 및 인성이 우수할 수 있다.
인(P)
상기 인(P)은 강도 향상에 일부 기여하지만, 강재에 편석을 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 한 구체예에서 상기 인(P)은 상기 강재 전체중량에 대하여 0 초과 0.03 중량% 이하 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시 강재에 편석 등의 결함을 방지하면서 강도 향상 효과가 우수할 수 있다.
황(S)
상기 황(S)은 절삭성 및 가공성을 향상시키지만, 강재에 편석을 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 한 구체예에서 상기 황(S)은 상기 강재 전체중량에 대하여 0 초과 0.03 중량% 이하 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시 강재에 편석 등의 결함을 방지하면서 절삭성 및 가공성 향상 효과가 우수할 수 있다.
구리(Cu)
상기 구리(Cu)는 본 발명의 강도 및 인성을 향상시키는 목적으로 포함될 수 있다. 한 구체예에서 상기 구리(Cu)는 상기 강재 전체중량에 대하여 0 초과 0.3 중량% 이하 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시 본 발명의 강도 및 인성이 우수할 수 있다.
상기 중간성형체는 당 업계에 알려진 통상의 방법으로 실시할 수 있다. 한 구체예에서 상기 중간성형체는 (S11) 상기 강재를 냉간단조하여 단조품을 제조하는 단계; (S12) 상기 냉간단조된 단조품을 구상화 소둔 열처리하는 단계; 및 (S13) 상기 구상화 소둔 열처리된 단조품을 가공하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 (S11) 단계에서 상기 강재는, 상기 조성을 갖는 반제품을 이용하여 통상적인 방법으로 제조된 것일 수 있다. 예를 들면 상기 강재는 열연강판 및 봉강 등의 형태로 제조된 것을 사용할 수 있다.
상기 (S12) 단계는 통상적인 방법으로 실시할 수 있다. 예를 들면 상기 단조품을 상기 구상화 소둔은 상기 단조품을 400~1000℃조건으로 실시할 수 있다. 상기 조건에서 절삭 가공성 및 오스템퍼링 후 균일한 미세조직을 확보할 수 있다.
상기 (S13) 단계는 상기 단조품을 홀 가공하여 중간성형체를 제조할 수 있다. 상기 홀 가공은 통상의 방법으로 실시될 수 있다.
(S20) 어닐링재 제조단계
상기 단계는 상기 중간성형체를 어닐링(annealing) 열처리하여 어닐링재를 제조하는 단계이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 어닐링 열처리 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면 상기 어닐링 열처리는 (S21) 상기 중간성형체를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 (S22) 상기 승온된 중간성형체를 펄라이트(pearlite) 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하여 실시된다. 상기 조건에서 종래 열처리 법인 노말라이징(normalizing) 열처리 및 풀 어닐링(full annealing) 열처리 대비 미세조직의 균일화 및 결정립 미세화 효과가 우수할 수 있다.
상기 (S21) 단계에서 상기 중간성형체를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 경우 균일하고 안정된 미세조직을 확보할 수 있다. 상기 중간성형체를 오스테나이트 변태온도 미만으로 승온하여 유지하는 경우 본 발명의 목표로 하는 하부 베이나이트 조직을 충분히 확보하지 못하며, 본 발명의 경도, 내피로성과 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 상기 중간성형체를 830~950℃까지 승온 및 유지할 수 있다. 다른 예를 들면 상기 중간성형체를 830~950℃까지 승온하여 5~300분 동안 유지할 수 있다.
상기 (S22) 단계에서 상기 승온된 중간성형체를 펄라이트가 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 경우 균일하고 안정된 미세조직을 확보할 수 있다. 상기 승온된 중간성형체를 펄라이트 변태 영역을 벗어난 온도로 냉각 및 유지하는 경우, 본 발명의 미세조직의 균일성이 저하되고, 경도가 지나치게 증가하거나, 내피로성과 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 상기 승온된 중간성형체를 530~680℃까지 냉각 및 유지할 수 있다. 예를 들면 상기 승온된 중간성형체를 530~680℃까지 냉각하여 50~400분 동안 유지할 수 있다.
상기 (S22) 단계 이후, 상기 어닐링재는 상온까지 공냉을 실시하여 어닐링재를 제조할 수 있다.
(S30) 템퍼링재 제조단계
상기 단계는 상기 어닐링재를 오스템퍼링(austempering) 열처리하여 템퍼링재를 제조하는 단계이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 오스템퍼링 열처리 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면 상기 오스템퍼링 열처리는 (S31) 상기 어닐링재를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 (S32) 상기 승온된 어닐링재를 베이나이트 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하여 실시된다. 상기 조건으로 템퍼링재 제조시 본 발명에 탄성을 부여하며, 내피로강도를 향상시킬 수 있다.
또한 상기 오스템퍼링 열처리시 본 발명의 미세조직이 베이나이트로 변태하기 전에 어닐링재의 중심부와 표면의 온도가 동일해지므로, 어닐링재 내부의 열구배가 없기 때문에 내부 응력을 최소화하고, ??칭 변형과 균열 등의 결함을 방지하고, 하부 베이나이트 미세조직이 형성됨에 따라 통상의 QT(??칭 및 템퍼링) 처리 대비 인성이 크게 향상될 수 있다.
상기 (S31) 단계에서는 상기 어닐링재를 오스템퍼링로에 투입하여 승온 및 유지할 수 있다. 한 구체예에서 상기 (S31) 단계는 탄소 포텐셜(C.P) 0.1~0.8 조건으로 승온 및 유지하여 실시할 수 있다. 상기 조건에서 본 발명이 목표로 하는 미세조직과 경도 조건을 용이하게 확보할 수 있다.
상기 (S31) 단계에서 상기 어닐링재를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 경우 균질하고 안정된 미세조직을 확보할 수 있다. 상기 어닐링재를 오스테나이트 변태온도 미만으로 승온하여 유지하는 경우 본 발명의 목표로 하는 하부 베이나이트 조직을 충분히 확보하지 못하며, 본 발명의 경도, 내피로성과 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 상기 어닐링재를 830~950℃까지 승온 및 유지할 수 있다. 다른 예를 들면 상기 어닐링재를 830~950℃까지 승온하여 5~300분 동안 유지할 수 있다.
상기 (S32) 단계에서는 상기 승온된 어닐링재를 솔트(salt)욕에 침지하여 실시할 수 있다. 상기 솔트욕은 당 업계에 사용되는 통상적인 염을 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 솔트욕은 온도가 340~440℃ 일 수 있다.
상기 (S32) 단계에서 상기 승온된 어닐링재를 베이나이트 변태 영역을 벗어난 온도로 냉각 및 유지하는 경우, 본 발명의 하부 베이나이트 미세조직이 용이하게 형성되지 않으며, 경도가 지나치게 증가하거나, 내피로성과 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 상기 승온된 어닐링재를 340~440℃까지 냉각 및 유지하여 실시될 수 있다. 다른 예를 들면 상기 승온된 어닐링재를 340~440℃까지 냉각하고 30~250분 동안 유지하여 실시될 수 있다.
상기 (S32) 단계 이후, 상기 냉각 및 유지된 어닐링재는 상온까지 냉각을 실시하여 템퍼링재를 제조할 수 있다.
(S40) 템퍼링재 가공단계
상기 도 1을 참조하면, 조화감속기용 부재 제조방법은 상기 템퍼링재를 가공하는 단계(S40);를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 가공은 밀링(milling), 호빙(hobing) 및 피닝(peening) 중 하나 이상의 방법으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 상기 템퍼링재를 밀링 및 호빙한 다음, 마이크로 피닝(쇼트피닝) 가공하여 조화감속기용 부재를 제조할 수 있다.
조화감속기용 부재 제조방법에 의해 제조된 조화감속기용 부재
본 발명의 다른 관점은 상기 조화감속기용 부재 제조방법에 의해 제조된 조화감속기용 부재에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재는 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직이 하부 베이나이트(bainite)를 포함한다.
한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재는 전체 중량에 대하여, 실리콘(Si) 0.1~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.9 중량%, 인(P) 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.03 중량% 이하 및 구리(Cu) 0 초과 0.3 중량% 이하 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 조화감속기용 부재의 합금 성분 및 함량은, 전술한 강재 성분과 동일한 것을 사용할 수 있다.
한 구체예에서 상기 조화감속기용 부재는 경도가 350~380Hv 일 수 있다. 상기 조건에서 내구성과 내피로강도 특성이 우수할 수 있다.
도 4는 본 발명의 조화감속기용 부재를 포함하는 조화감속기의 분해사시도이다. 상기 도 4를 참조하면 조화 감속기(1000)는 링 형상을 가지며, 내주면에 형성된 복수 개의 내치(齒)(110)를 포함하는 서큘러스플라인(circular spline)(100); 컵 형상을 가지며, 서큘러스플라인(100) 내주면에 배치되며, 외주면의 적어도 일부에 상기 서큘러스플라인 내치(110)에 대응하는 복수 개의 외치(210)가 형성되며, 중공부를 포함하는 가요성의 플렉스플라인(flexspline)(200); 및 비원형(타원형) 형상을 가지며, 플렉스플라인(200)의 중공부에 삽입되며, 상기 외치(210)의 일부가 상기 내치(110)와 맞물리도록 제어하는 파동발생기(웨이브 제너레이터)(300);를 포함한다.
상기 도 4를 참조하면, 파동발생기(300)는 캠플레이트(미도시) 및 상기 캠플레이트의 외주면에 형성되는 복수 개의 볼(312)을 포함하는 베어링(310)을 포함한다. 상기 베어링은 상기 캠플레이트의 외주면과 상기 플렉스스플라인의 내측 일부와 접촉할 수 있다.
한 구체예에서 본 발명의 조화감속기용 부재는 상기 플렉스플라인을 포함할 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(d)는 상기 조화감속기의 회전에 따른 감속 메커니즘을 나타낸 것이다. 상기 도 5를 참조하면, 조화 감속기(1000)는 작동시 서큘러스플라인(100)은 고정되어 있으며 플렉스플라인(200)은 비원형(타원형) 파동발생기(300)의 회전 방향(시계방향/반시계방향)에 대해 반대 방향으로 감속 회전 운동할 수 있다. 플렉스플라인(200)은 상기 조화감속기용 부재일 수 있다.
상기 플렉스플라인(200)은 파동발생기(300) 장경 및 단경의 고저차에 의해 타원 형태로 탄성 변형되어 싸인파형 운동을 구현할 수 있다.
한 구체예에서 상기 파동발생기(300) 의해 생성된 파동에 의해 플렉스 스플라인(200)이 탄성 변형되어 조화운동(하모닉 운동)을 하게 되어, 플렉스 스플라인의 외치의 일부와, 서큘러스플라인(100)의 내치의 일부가 서로 맞물리게 된다. 이 때 플렉스스플라인(200) 외치(210)의 치수(齒數)와 서큘러 스플라인(100) 내치(110)의 치수(齒數)의 차이가, 상기 외치(210)의 치수 대비 미소한 차이가 나기 때문에 감속비를 갖는 조화감속기가 구현될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 조화감속기용 부재는 피로강도, 피로저항성 및 피로 수명 증가 효과가 우수하고, 강도 및 인성이 우수하며, 결정립 미세화 및 미세조직 균질화 효과가 우수하고, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 및 비교예
실시예
(1) 중간성형체 제조: 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재(4.5mm 두께의 열연강판 및 직경 Φ28 환봉)를 통상의 방법으로 냉간 단조하여 단조품을 제조하고, 상기 단조품을 구상화 소둔 열처리한 다음, 홀 가공을 실시하는 성형을 통해 중간성형체를 제조하였다.
(2) 어닐링재 제조: 상기 중간성형체를 하기 도 6(a)와 같은 조건으로 어닐링 열처리하여 어닐링재를 제조하였다. 구체적으로, 상기 중간성형체를 880℃까지 승온하여 150분 동안 유지한 다음, 상기 승온된 중간성형체를 650℃까지 냉각하여 240분 동안 유지하고, 상온까지 공랭하여 어닐링재를 제조하였다.
(3) 템퍼링재 및 조화감속기용 부재 제조: 상기 어닐링재를 도 6(b)와 같은 조건으로 오스템퍼링 열처리하여 템퍼링재를 제조하였다. 구체적으로, 상기 어닐링재를 오스템퍼링로에서 탄소포텐셜(C.P) 0.4%의 분위기 조건으로 870℃까지 승온하여 120분 동안 유지한 다음, 상기 승온된 어닐링재를 솔트욕에 침지하고, 385℃까지 냉각하여 150분 동안 유지하고, 상온까지 냉각하여 템퍼링재를 제조하였다. 그 다음에 상기 템퍼링재를 밀링, 호빙 및 쇼트 피닝(마이크로피닝) 가공하여 조화감속기용 부재(플렉스플라인)을 제조하였다. 상기 조화감속기용 부재는 컵 형상을 가지며, 내부에 중공부가 구비되고, 외주면의 일부에 복수 개의 외치가 형성되었다.
시험예: 피로수명 측정
본 발명의 실시예와 시판되는 플렉스스플라인 제품(비교예)에 대하여, 피로수명을 측정하였다. 상기 피로수명은 하기 표 1과 같은 측정 조건에 따라 변위 조건별 반력을 평가하여 실시하였으며, 하기 도 7에 실시예 및 비교예의 피로수명 평가장치 및 이를 이용한 평가방법(반력측정방법)을 나타내었다.
상기 실시예 및 비교예에 대한 변위별 반력 측정 결과를 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다. 한편 하기 표 3에 실시예 및 비교예에 대하여 피로수명 평가장치에서 1.50mm 변위 조건에서 실시하였을 때 파손이 발생하기까지의 사이클 수를 나타내었다.
상기 표 2 및 표 3의 결과를 참조하면, 실시예는 비교예에 비해 피로 수명이 증가하였으며, 이를 통해 본 발명을 적용시 내피로특성 향상 효과가 우수한 것을 알 수 있었다.
하기 도 8(a)는 실시예 미세조직을 나타낸 것이며, 도 8(b)는 비교예 미세조직을 나타낸 광학현미경(OM) 사진이다. 도 8의 결과를 참조하면, 실시예 부재는 균일한 하부 베이나이트 미세조직이 형성되었으며, 결정립도 G8.0 및 경도 368 Hv을 가짐을 알 수 있었다. 반면, 비교예의 경우 경도 341 Hv로 상기 실시예에 비해 경도가 저하되는 것을 알 수 있었다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 서큘러스플라인 110: 내치
200: 플렉스플라인 210: 외치
300: 파동발생기 310: 베어링
312: 볼 1000: 조화감속기
200: 플렉스플라인 210: 외치
300: 파동발생기 310: 베어링
312: 볼 1000: 조화감속기
Claims (8)
- 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 성형하여 중간성형체를 제조하는 단계;
상기 중간성형체를 어닐링 열처리하여 어닐링재를 제조하는 단계; 및
상기 어닐링재를 오스템퍼링 열처리하여 템퍼링재를 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 어닐링 열처리는, 상기 중간성형체를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 중간성형체를 펄라이트(pearlite) 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하며,
상기 오스템퍼링 열처리는 상기 어닐링재를 오스테나이트 변태온도(A1) 이상까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 어닐링재를 베이나이트(bainite) 변태 영역까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하는, 조화감속기용 부재 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 강재는 전체 중량에 대하여,
실리콘(Si) 0.1~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.6~0.9 중량%, 인(P) 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.03 중량% 이하 및 구리(Cu) 0 초과 0.3 중량% 이하 중 하나 이상을 더 포함하는 조화감속기용 부재 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 어닐링 열처리는 상기 중간성형체를 830~950℃까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 중간성형체를 530~680℃까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하여 실시되며,
상기 오스템퍼링 열처리는 상기 어닐링재를 830~950℃까지 승온 및 유지하는 단계; 및 상기 승온된 어닐링재를 340~440℃까지 냉각 및 유지하는 단계;를 포함하여 실시되는 조화감속기용 부재 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 중간성형체는,
상기 강재를 냉간단조하여 단조품을 제조하는 단계;
상기 냉간단조된 단조품을 구상화 소둔 열처리하는 단계; 및
상기 구상화 소둔 열처리된 단조품을 가공하는 단계;를 포함하여 제조되는 조화감속기용 부재 제조방법.
- 제1항에 있어서, 조화감속기용 부재 제조방법은 상기 템퍼링재를 가공하는 단계;를 더 포함하며,
상기 가공은 밀링(milling), 호빙(hobing) 및 피닝(peening) 중 하나 이상의 방법으로 실시되는 조화감속기용 부재 제조방법.
- 탄소(C) 0.3~1.0 중량%, 니켈(Ni) 1.2~2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.1~0.5 중량%, 크롬(Cr) 0.5~1.5 중량% 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
미세조직이 하부 베이나이트(bainite)를 포함하는 조화감속기용 부재.
- 제6항에 있어서, 상기 조화감속기용 부재는 경도가 350~380Hv인 조화감속기용 부재.
- 제6항에 있어서, 상기 조화감속기용 부재는 플렉스플라인(flexspline)을 포함하는 조화감속기용 부재.
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