많은 부분새로운 에너지 감속 기어그리고자동차 기어기어 연삭 후 쇼트피닝 공정이 요구되는 프로젝트에서는, 이 공정이 치면 품질을 저하시키고 시스템의 NVH(소음, 진동, 불쾌감) 성능에까지 영향을 미칠 수 있습니다. 본 논문에서는 다양한 쇼트피닝 공정 조건과 부품별 쇼트피닝 전후의 치면 거칠기를 연구합니다. 연구 결과, 쇼트피닝은 치면 거칠기를 증가시키며, 이는 부품 특성, 쇼트피닝 공정 변수 및 기타 요인의 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 현행 배치 생산 공정 조건에서 쇼트피닝 후 최대 치면 거칠기는 쇼트피닝 전보다 3.1배 높았습니다. 본 연구에서는 치면 거칠기가 NVH 성능에 미치는 영향을 분석하고, 쇼트피닝 후 거칠기를 개선하기 위한 방안을 제시합니다.

위와 같은 배경 하에, 본 논문은 다음 세 가지 측면에서 논의한다.

쇼트피닝 공정 변수가 치아 표면 거칠기에 미치는 영향;

기존 배치 생산 공정 조건에서 쇼트피닝이 치아 표면 거칠기에 미치는 증폭 정도;

치아 표면 거칠기 증가가 NVH 성능에 미치는 영향 및 쇼트피닝 후 거칠기 개선 방안.

쇼트피닝은 높은 경도와 고속 운동 능력을 가진 수많은 작은 입자가 부품 표면에 충돌하는 공정입니다. 고속으로 충돌하는 입자로 인해 부품 표면에 미세한 구멍(피트)이 생기고 소성 변형이 발생합니다. 이 구멍 주변의 조직은 변형에 저항하며 잔류 압축 응력을 발생시킵니다. 이러한 수많은 구멍들이 중첩되어 부품 표면에 균일한 잔류 압축 응력층을 형성함으로써 부품의 피로 강도가 향상됩니다. 쇼트피닝은 고속 충격 방식에 따라 압축 공기 쇼트피닝과 원심 쇼트피닝으로 크게 나뉘며, 그림 1에 나타낸 바와 같습니다.

압축 공기 쇼트 피닝은 압축 공기를 동력으로 사용하여 건에서 쇼트를 분사하는 방식이고, 원심 쇼트 블라스팅은 모터를 사용하여 임펠러를 고속으로 회전시켜 쇼트를 분사하는 방식입니다. 쇼트 피닝의 주요 공정 변수에는 포화 강도, 피복률 및 쇼트 피닝 매체의 특성(재질, 크기, 형상, 경도)이 포함됩니다. 포화 강도는 쇼트 피닝 강도를 나타내는 매개변수로, 아크 높이(즉, 쇼트 피닝 후 알멘 시험편의 굽힘 정도)로 표현됩니다. 피복률은 쇼트 피닝 후 피트로 덮인 면적과 쇼트 피닝 처리된 전체 면적의 비율입니다. 일반적으로 사용되는 쇼트 피닝 매체에는 강선 절단 쇼트, 주강 쇼트, 세라믹 쇼트, 유리 쇼트 등이 있습니다. 쇼트 피닝 매체의 크기, 형상 및 경도는 등급별로 다릅니다. 변속기 기어 샤프트 부품의 일반적인 공정 요구 사항은 표 1에 나와 있습니다.

시험 부품은 하이브리드 프로젝트의 1/6 중간축 기어입니다. 기어 구조는 그림 2에 나타나 있습니다. 연삭 후, 치면 미세구조는 2등급이며, 표면 경도는 710HV30, 유효 경화층 깊이는 0.65mm로 모두 기술 요구 사항을 충족합니다. 쇼트피닝 전 치면 조도는 표 3에, 치형 정밀도는 표 4에 나타나 있습니다. 쇼트피닝 전 치면 조도가 양호하고 치형 곡선이 매끄러운 것을 확인할 수 있습니다.

테스트 계획 및 테스트 매개변수

압축 공기 쇼트 피닝 장비를 사용하여 시험을 진행했습니다. 시험 조건상 쇼트 피닝 매체의 특성(재질, 입자 크기, 경도)이 미치는 영향을 확인할 수 없었으므로, 시험에서는 쇼트 피닝 매체의 특성을 일정하게 유지했습니다. 쇼트 피닝 후 치면 조도에 미치는 포화 강도와 피복률의 영향만 검증했습니다. 시험 계획은 표 2를 참조하십시오. 시험 매개변수의 구체적인 결정 과정은 다음과 같습니다. 알멘 쿠폰 시험을 통해 포화 곡선(그림 3)을 그려 포화점을 결정하고, 압축 공기 압력, 강선 유량, 노즐 이동 속도, 노즐과 부품 사이의 거리 등 장비 매개변수를 고정했습니다.

시험 결과

쇼트피닝 후 치면 조도 데이터는 표 3에, 치형 정확도는 표 4에 나타내었다. 네 가지 쇼트피닝 조건 모두에서 쇼트피닝 후 치면 조도가 증가하고 치형 곡선이 오목하거나 볼록해지는 것을 확인할 수 있다. 쇼트피닝 전후 조도의 비율로 조도 증폭률을 나타냈으며(표 3), 네 가지 공정 조건에서 조도 증폭률이 서로 다르게 나타나는 것을 알 수 있다.

쇼트피닝을 이용한 치아 표면 거칠기 확대율의 배치 추적

3절의 시험 결과는 다양한 공정의 쇼트피닝 후 치면 조도가 다양한 정도로 증가함을 보여줍니다. 쇼트피닝이 치면 조도에 미치는 영향을 충분히 이해하고 샘플 수를 늘리기 위해, 배치 생산 쇼트피닝 공정 조건에서 쇼트피닝 전후의 조도를 측정하기 위해 5개 품목, 5가지 종류, 총 44개의 부품을 선정했습니다. 기어 연삭 후 측정된 부품의 물리화학적 정보와 쇼트피닝 공정 정보는 표 5를 참조하십시오. 쇼트피닝 전 치면과 뒷면의 조도 및 확대 데이터는 그림 4에 나타나 있습니다. 그림 4에서 쇼트피닝 전 치면 조도의 범위는 Rz1.6 μm~Rz4.3 μm이고, 쇼트피닝 후 조도가 증가하여 분포 범위는 Rz2.3 μm~Rz6.7 μm임을 알 수 있습니다. 최대 조도는 쇼트피닝 전보다 3.1배 증가했습니다.

쇼트피닝 후 치아 표면 거칠기에 영향을 미치는 요인

쇼트피닝의 원리를 살펴보면, 높은 경도와 고속으로 움직이는 쇼트는 부품 표면에 수많은 미세한 구멍(피트)을 남기는데, 이는 잔류 압축 응력의 원인이 됩니다. 동시에 이러한 구멍들은 표면 거칠기를 증가시키는 원인이 됩니다. 쇼트피닝 전 부품의 특성과 쇼트피닝 공정 변수는 쇼트피닝 후 거칠기에 영향을 미치며, 이는 표 6에 나타나 있습니다. 본 논문의 3절에서는 네 가지 공정 조건에서 쇼트피닝 후 치면 거칠기가 각기 다른 정도로 증가하는 것을 보여주었습니다. 이 실험에서는 쇼트피닝 전 거칠기와 공정 변수(포화 강도 또는 피복률)라는 두 가지 변수만 고려했기 때문에, 쇼트피닝 후 거칠기와 각 영향 요인 간의 관계를 정확하게 규명하기는 어려웠습니다. 현재 많은 연구자들이 이 문제를 연구하여 유한 요소 시뮬레이션을 기반으로 쇼트피닝 후 표면 거칠기를 예측하는 이론적 모델을 제시했고, 이를 통해 다양한 쇼트피닝 공정에 따른 거칠기 값을 예측하고 있습니다.

실제 경험과 다른 학자들의 연구를 바탕으로, 다양한 요인들의 영향 양상을 표 6과 같이 추정할 수 있다. 쇼트피닝 후 표면조도에 영향을 미치는 요인들은 잔류 압축응력에 영향을 미치는 주요 요인들과 마찬가지로 여러 요인들의 복합적인 영향을 받는다. 잔류 압축응력을 유지하면서 쇼트피닝 후 표면조도를 저감하기 위해서는 수많은 공정 시험을 통해 최적의 매개변수 조합을 지속적으로 찾아야 한다.

치아 표면 거칠기가 시스템의 NVH 성능에 미치는 영향

기어 부품은 동력 전달 시스템의 동력을 전달하는 역할을 하며, 기어 톱니 표면의 거칠기는 소음·진동·불쾌감(NVH) 성능에 영향을 미칩니다. 실험 결과에 따르면 동일한 부하 및 속도 조건에서 표면 거칠기가 클수록 시스템의 진동과 소음이 커지며, 부하와 속도가 증가할수록 진동과 소음의 증가 폭이 더욱 뚜렷해집니다.

최근 몇 년 동안 신형 감속기 프로젝트가 급증하고 있으며, 고속 및 대토크 개발 추세를 보이고 있습니다. 현재 당사 신형 감속기의 최대 토크는 354N·m, 최대 회전 속도는 16,000rpm이며, 향후 20,000rpm 이상으로 향상될 예정입니다. 이러한 작동 조건에서 치면 조도 증가가 시스템의 NVH 성능에 미치는 영향을 반드시 고려해야 합니다.

쇼트피닝 후 치아 표면 거칠기 개선 조치

기어 연삭 후 쇼트피닝 공정은 기어 이면의 접촉피로강도와 이뿌리의 굽힘피로강도를 향상시킬 수 있습니다. 기어 설계 과정에서 강도 확보를 위해 이 공정을 반드시 사용해야 하는 경우, 시스템의 NVH(소음·진동·불쾌감) 성능을 고려하여 쇼트피닝 후 기어 이면의 표면 조도를 다음과 같은 측면에서 개선할 수 있습니다.

a. 쇼트피닝 공정 매개변수를 최적화하고, 잔류 압축 응력을 확보하는 전제 하에 쇼트피닝 후 치면 조도 증가를 제어해야 합니다. 이를 위해서는 많은 공정 테스트가 필요하며, 공정의 범용성이 떨어집니다.

b. 복합 쇼트피닝 공정을 채택한다. 즉, 일반 강도 쇼트피닝이 완료된 후 추가 쇼트피닝을 실시한다. 쇼트피닝 공정을 통해 향상되는 강도는 일반적으로 미미하다. 쇼트 재료의 종류와 크기는 세라믹 쇼트, 유리 쇼트 또는 크기가 작은 강선 절단 쇼트 등으로 조절할 수 있다.

c. 쇼트피닝 후, 치아 표면 연마 및 자유 호닝과 같은 공정이 추가됩니다.

본 논문에서는 쇼트피닝 공정 조건과 쇼트피닝 전후 부위별 치면 조도를 연구하고, 문헌을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.

◆ 쇼트피닝은 치면 조도를 증가시키는데, 이는 쇼트피닝 전 부품의 특성, 쇼트피닝 공정 매개변수 및 기타 요인의 영향을 받으며, 이러한 요인들은 잔류 압축 응력에 영향을 미치는 주요 요인이기도 합니다.

◆ 기존 배치 생산 공정 조건에서 쇼트피닝 후 치아 표면 거칠기는 쇼트피닝 전보다 최대 3.1배 높습니다.

◆ 치아 표면 거칠기가 증가하면 시스템의 진동과 소음이 증가합니다. 토크와 속도가 클수록 진동과 소음 증가가 더욱 두드러집니다.

◆ 쇼트피닝 후 치아 표면 조도는 쇼트피닝 공정 매개변수 최적화, 복합 쇼트피닝, 쇼트피닝 후 연마 또는 자유 호닝 추가 등을 통해 개선될 수 있다. 쇼트피닝 공정 매개변수 최적화를 통해 조도 증폭을 약 1.5배 정도로 제어할 수 있을 것으로 예상된다.