많은 부분새로운 에너지 감속기 기어그리고자동차 기어이 프로젝트는 기어 연삭 후 쇼트 피닝을 필요로 하는데, 이는 기어 표면의 품질을 저하시키고 시스템의 NVH 성능에 영향을 미칩니다. 본 논문에서는 다양한 쇼트 피닝 공정 조건과 쇼트 피닝 전후의 다양한 부품의 기어 표면 거칠기를 연구합니다. 그 결과, 쇼트 피닝은 기어 표면 거칠기를 증가시키는데, 이는 부품의 특성, 쇼트 피닝 공정 변수 및 기타 요인의 영향을 받습니다. 기존 일괄 생산 공정 조건에서 쇼트 피닝 후 최대 기어 표면 거칠기는 쇼트 피닝 전의 3.1배입니다. 기어 표면 거칠기가 NVH 성능에 미치는 영향을 논의하고, 쇼트 피닝 후 거칠기를 개선하기 위한 방안을 제시합니다.

위의 배경 하에 본 논문에서는 다음의 세 가지 측면을 논의한다.

샷피닝 공정 매개변수가 치아 표면 거칠기에 미치는 영향

기존 일괄 생산 공정 조건에서 치아 표면 거칠기에 대한 샷피닝 증폭 정도;

치아 표면 거칠기 증가가 NVH 성능에 미치는 영향과 쇼트피닝 후 거칠기를 개선하기 위한 조치.

쇼트 피닝은 경도가 높고 고속으로 움직이는 수많은 작은 발사체가 부품 표면에 충돌하는 공정을 말합니다. 발사체의 고속 충격으로 부품 표면에 피트(pit)가 형성되고 소성 변형이 발생합니다. 피트 주변의 조직은 이러한 변형에 저항하여 잔류 압축 응력을 발생시킵니다. 수많은 피트가 중첩되면 부품 표면에 균일한 잔류 압축 응력층이 형성되어 부품의 피로 강도가 향상됩니다. 쇼트 피닝은 쇼트를 통해 고속을 얻는 방식에 따라 그림 1과 같이 일반적으로 압축 공기 쇼트 피닝과 원심 쇼트 피닝으로 구분됩니다.

압축 공기 쇼트 피닝은 압축 공기를 동력으로 사용하여 건에서 쇼트를 분사합니다. 원심 쇼트 블라스팅은 모터를 사용하여 임펠러를 고속으로 회전시켜 쇼트를 던집니다. 쇼트 피닝의 주요 공정 변수에는 포화 강도, 피복률 및 쇼트 피닝 매체 특성(재질, 크기, 모양, 경도)이 포함됩니다. 포화 강도는 쇼트 피닝 강도를 특성화하는 매개변수로, 아크 높이(즉, 쇼트 피닝 후 알멘 시험편의 굽힘 정도)로 표현됩니다. 피복률은 쇼트 피닝 후 피트로 덮인 면적을 쇼트 피닝된 전체 면적으로 나눈 비율을 나타냅니다. 일반적으로 사용되는 쇼트 피닝 매체에는 강선 절단 쇼트, 주강 쇼트, 세라믹 쇼트, 유리 쇼트 등이 있습니다. 쇼트 피닝 매체의 크기, 모양 및 경도는 여러 등급입니다. 변속기 기어 샤프트 부품에 대한 일반적인 공정 요구 사항은 표 1에 나와 있습니다.

시험 부품은 하이브리드 프로젝트의 1/6 중간축 기어입니다. 기어 구조는 그림 2에 나와 있습니다. 연삭 후, 치면 미세 구조는 2등급, 표면 경도는 710HV30, 유효 경화층 깊이는 0.65mm로 모두 기술 요건을 충족합니다. 숏 피닝 전 치면 거칠기는 표 3에, 치형 정밀도는 표 4에 제시되어 있습니다. 숏 피닝 전 치면 거칠기가 양호하고 치형 곡선이 매끈함을 확인할 수 있습니다.

테스트 계획 및 테스트 매개변수

시험에는 압축 공기 숏 피닝 기계가 사용되었습니다. 시험 조건으로 인해 숏 피닝 매체의 특성(재질, 크기, 경도)이 미치는 영향을 검증할 수 없습니다. 따라서 숏 피닝 매체의 특성은 시험에서 일정하게 유지됩니다. 숏 피닝 후 치면 거칠기에 미치는 포화 강도와 피복률의 영향만 검증합니다. 시험 계획은 표 2를 참조하십시오. 시험 변수의 구체적인 결정 과정은 다음과 같습니다. 알멘 쿠폰 시험을 통해 포화 곡선(그림 3)을 그려 포화점을 결정하고, 압축 공기 압력, 스틸 숏 유량, 노즐 이동 속도, 부품과의 노즐 거리 및 기타 장비 변수를 고정합니다.

검사 결과

숏 피닝 후 치아 표면 거칠기 데이터는 표 3에, 치아 형상 정확도는 표 4에 제시되어 있습니다. 네 가지 숏 피닝 조건에서 치아 표면 거칠기가 증가하고, 숏 피닝 후 치아 형상 곡선이 오목하고 볼록해지는 것을 확인할 수 있습니다. 분사 후 거칠기와 분사 전 거칠기의 비율을 사용하여 거칠기 배율을 분석했습니다(표 3). 네 가지 공정 조건에서 거칠기 배율이 서로 다른 것을 확인할 수 있습니다.

샷피닝을 통한 치아 표면 거칠기 확대의 일괄 추적

3절의 시험 결과는 다양한 공정으로 쇼트 피닝한 후 치아 표면 거칠기가 다양한 정도로 증가함을 보여줍니다. 쇼트 피닝이 치아 표면 거칠기에 미치는 증폭을 완전히 이해하고 샘플 수를 늘리기 위해 총 5개 품목, 5가지 유형, 44개 부품을 선택하여 일괄 생산 쇼트 피닝 공정 조건에서 쇼트 피닝 전후 거칠기를 추적했습니다. 기어 연삭 후 추적된 부품의 물리적, 화학적 정보와 쇼트 피닝 공정 정보는 표 5를 참조하세요. 쇼트 피닝 전 앞뒤 치아 표면의 거칠기와 배율 데이터는 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4는 쇼트 피닝 전 치아 표면 거칠기 범위가 Rz1.6μm~Rz4.3μm임을 보여줍니다. 쇼트 피닝 후 거칠기가 증가하고 분포 범위는 Rz2.3μm~Rz6.7μm입니다. 쇼트 피닝 전에 최대 거칠기를 3.1배까지 증폭할 수 있습니다.

샷피닝 후 치아 표면 거칠기에 영향을 미치는 요인

쇼트 피닝의 원리에서 볼 수 있듯이, 높은 경도와 고속 이동 쇼트는 부품 표면에 무수한 피트를 남기는데, 이것이 잔류 압축 응력의 원천입니다. 동시에 이러한 피트는 표면 거칠기를 증가시킬 수밖에 없습니다. 쇼트 피닝 전 부품의 특성과 쇼트 피닝 공정 매개변수는 표 6에 나열된 것처럼 쇼트 피닝 후 거칠기에 영향을 미칩니다. 이 논문의 3절에서는 네 가지 공정 조건에서 쇼트 피닝 후 치아 표면 거칠기가 서로 다른 정도로 증가합니다. 이 시험에는 쇼트 전 거칠기와 공정 매개변수(포화 강도 또는 피복률)의 두 가지 변수가 있으며, 이는 쇼트 피닝 후 거칠기와 각 영향 요인 간의 관계를 정확하게 결정할 수 없습니다. 현재 많은 학자들이 이에 대한 연구를 수행했으며 유한 요소 시뮬레이션을 기반으로 쇼트 피닝 후 표면 거칠기의 이론적 예측 모델을 제시했으며, 이는 다양한 쇼트 피닝 공정의 해당 거칠기 값을 예측하는 데 사용됩니다.

실제 경험과 다른 학자들의 연구를 바탕으로, 표 6과 같이 다양한 요인의 영향 모드를 추정할 수 있습니다. 숏피닝 후 거칠기는 여러 요인의 영향을 종합적으로 받는 것으로 나타났으며, 이는 잔류 압축 응력에 영향을 미치는 주요 요인이기도 합니다. 잔류 압축 응력을 확보하는 것을 전제로 숏피닝 후 거칠기를 줄이기 위해서는, 매개변수 조합을 지속적으로 최적화하기 위한 수많은 공정 시험이 필요합니다.

시스템의 NVH 성능에 대한 치아 표면 거칠기의 영향

기어 부품은 동적 변속 시스템에 포함되며, 기어 표면 거칠기는 NVH 성능에 영향을 미칩니다. 실험 결과에 따르면 동일한 하중과 속도에서 표면 거칠기가 클수록 시스템의 진동과 소음이 커집니다. 하중과 속도가 증가할수록 진동과 소음은 더욱 뚜렷하게 증가합니다.

최근 몇 년 동안 신형 에너지 감속기 프로젝트가 빠르게 증가하면서 고속, 고토크 개발 추세를 보이고 있습니다. 현재 신형 에너지 감속기의 최대 토크는 354N·m이며, 최대 속도는 16,000r/min입니다. 향후 20,000r/min 이상으로 향상될 예정입니다. 이러한 작동 조건에서는 기어 치면 거칠기 증가가 시스템의 NVH 성능에 미치는 영향을 반드시 고려해야 합니다.

샷피닝 후 치아 표면 거칠기 개선 대책

기어 연삭 후 쇼트 피닝 공정은 기어 치면의 접촉 피로 강도와 치근의 굽힘 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 기어 설계 과정에서 강도 문제로 인해 이 공정을 사용해야 하는 경우, 시스템의 NVH 성능을 고려하여 쇼트 피닝 후 기어 치면의 거칠기를 다음과 같은 측면에서 개선할 수 있습니다.

a. 쇼트 피닝 공정 매개변수를 최적화하고, 잔류 압축 응력을 확보하는 것을 전제로 쇼트 피닝 후 치면 거칠기 증폭을 제어합니다. 이를 위해서는 많은 공정 테스트가 필요하며, 공정의 다양성이 부족합니다.

b. 복합 숏 피닝 공정을 채택합니다. 즉, 일반 강도의 숏 피닝이 완료된 후 숏 피닝을 한 번 더 실시합니다. 숏 피닝 공정에서 증가된 강도는 일반적으로 작습니다. 숏 재질의 종류와 크기는 조절 가능하며, 세라믹 숏, 유리 숏, 또는 더 작은 크기의 강철 와이어 컷 숏 등이 있습니다.

c. 쇼트피닝 후, 치면 연마, 자유 호닝 등의 공정이 추가됩니다.

본 논문에서는 다양한 샷피닝 공정 조건과 샷피닝 전후의 다양한 부품의 치아 표면 거칠기를 연구하였으며, 문헌을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.

◆ 쇼트피닝은 치아 표면 거칠기를 증가시킵니다. 이는 쇼트피닝 전 부품의 특성, 쇼트피닝 공정 매개변수 및 기타 요인의 영향을 받으며 이러한 요인은 잔류 압축 응력에 영향을 미치는 주요 요인이기도 합니다.

◆ 기존 일괄 생산 공정 조건 하에서, 쇼트피닝 후 최대 치아 표면 거칠기는 쇼트피닝 전의 3.1배이다.

◆ 톱니 표면 거칠기가 증가하면 시스템의 진동과 소음이 증가합니다. 토크와 속도가 커질수록 진동과 소음 증가는 더욱 두드러집니다.

◆ 쇼트피닝 후 치아 표면 거칠기는 쇼트피닝 공정 변수 최적화, 복합 쇼트피닝, 쇼트피닝 후 연마 또는 자유 연마 추가 등을 통해 개선할 수 있습니다. 쇼트피닝 공정 변수 최적화를 통해 거칠기 증폭을 약 1.5배까지 제어할 수 있을 것으로 예상됩니다.