축 가공: 재료, 열처리, 솔루션

축은 기계의 핵심 구성 요소입니다. 축은 베어링을 통해 프레임에 연결되며, 축에 장착된 부품들은 축의 중심선을 기준으로 회전 운동을 합니다. 이러한 요소들이 모여 축을 기반으로 하는 축 조립체를 구성합니다.

샤프트 개요

축은 기계의 회전 부품으로, 원형 단면을 가지며 한 부분에서 다른 부분으로 또는 동력원에서 동력 소비 장치로 동력을 전달하는 데 사용됩니다. 이러한 동력 전달을 위해 축의 한쪽 끝은 구동 장치에 연결되고 다른 쪽 끝은 기계에 연결됩니다. 축은 용도에 따라 속이 꽉 찬 축 또는 속이 빈 축일 수 있으며, 속이 빈 축은 무게를 줄이는 데 유리합니다. 축은 풀리와 기어와 같은 회전 부품을 지지하는 중요한 기계 요소입니다. 일반적으로 축은 견고한 하우징 내부에 베어링으로 ​​지지되어 기어와 풀리가 효율적으로 동력을 전달할 수 있도록 합니다.

다른 여러 회전 요소들이 키를 통해 축에 장착됩니다. 따라서 축은 지지되는 구성 요소들의 반력과 동력 전달 중에 발생하는 토크로 인해 굽힘 모멘트와 토크를 모두 받게 됩니다.

하중 유형에 따라 축은 다음과 같은 세 가지 유형으로 분류됩니다.

• 스핀들 샤프트: 토크 없이 굽힘 모멘트만 받는 샤프트입니다. 스핀들 샤프트는 회전 스핀들 샤프트와 비회전 스핀들 샤프트로 further 나눌 수 있습니다.
• 구동축: 상당한 굽힘 모멘트를 받지 않거나, 받더라도 그 굽힘 모멘트가 무시할 수 있을 정도로 작은 축을 말합니다. 예를 들어, 자동차에서 변속기와 후륜 차축을 연결하는 축이 이에 해당합니다.
• 변속축: 감속기 등에 사용되는 축처럼 굽힘 모멘트와 토크를 모두 견뎌야 하는 축입니다. 예를 들어 자동차의 변속기와 후륜 차축을 연결하는 구동축이 있습니다.

샤프트는 모양에 따라 여러 유형으로 분류할 수 있습니다. 아래 표는 샤프트의 모양과 설계에 따른 다양한 유형을 보여줍니다.

샤프트 가공 정밀도

축 구성 요소의 표면은 일반적으로 지지 저널과 매칭 저널로 나뉩니다.

• 지지 저널: 이 저널은 베어링의 내륜과 결합되어 축을 고정하고 지지하는 역할을 합니다. 일반적으로 IT5~IT7의 높은 치수 공차가 요구됩니다.
• 매칭 저널: 이들은 다양한 변속기 부품과 연결됩니다. 일반적으로 허용 오차 요구 사항이 더 낮으며, 보통 IT6~IT9입니다.

기하학적 정확성주로 저널 표면, 외부 테이퍼, 테이퍼형 구멍과 같은 중요 표면의 원형도 및 원통도를 나타냅니다. 오차는 일반적으로 치수 공차 범위 내에 있어야 합니다. 정밀 축의 경우, 기하학적 공차는 기술 도면에 명확하게 정의되어야 합니다.

위치 정확도: 내부 및 외부 표면의 동축성, 반경 방향 흔들림, 주요 단면의 축에 대한 직각도, 그리고 단면 간의 평행도를 포함합니다.

표면 거칠기모든 가공 표면은 가공 가능성과 비용 효율성에 따라 특정 조도 요구 사항을 충족해야 합니다. 지지 저널은 일반적으로 Ra 0.2~1.6μm의 조도 요구 사항을 충족해야 하며, 변속기 부품용 매칭 저널은 Ra 0.4~3.2μm의 조도 요구 사항을 충족해야 합니다.

샤프트용 재료

샤프트는 주로 탄소강과 합금강으로 제작됩니다. 1045 탄소강이 가장 흔하게 사용되며, 기계적 특성 향상을 위해 일반적으로 노멀라이징 또는 담금질 및 템퍼링(Q&T) 처리가 필요합니다. 합금강은 탄소강에 비해 우수한 기계적 특성과 열처리 성능을 제공하지만, 응력 집중 현상에 더 민감하고 가격이 높습니다. 따라서 고속, 고하중 또는 특수 조건(예: 내마모성, 고온/저온 환경)에 사용됩니다. 상온에서 합금강과 탄소강의 탄성 계수가 거의 동일하기 때문에 탄소강을 합금강으로 대체해도 샤프트의 강성이 크게 증가하지는 않는다는 점에 유의해야 합니다.

무거운 하중을 견뎌야 하거나 높은 강도, 컴팩트한 설계 또는 우수한 내마모성이 요구되는 축에는 5140, 5120 또는 9255와 같은 합금강이 사용됩니다. 합금강은 응력 집중 현상에 매우 민감하기 때문에 구조 설계 시 이러한 영향을 최소화해야 합니다. 재료의 특성을 최대한 활용하기 위해서는 적절한 열처리가 필수적입니다.

샤프트 블랭크는 열간압연 원형 봉이나 단조품으로 제작됩니다. 크랭크축이나 캠축과 같은 복잡한 형상에는 주강이나 연성 주철이 사용될 수 있으며, 특히 연성 주철은 진동 감쇠 성능이 우수하고 응력 집중 현상에 대한 민감도가 낮으며 비용 효율성이 뛰어납니다.

샤프트의 열처리

중탄소강 및 중탄소합금강(예: 1035, 1040, 1045, 1050, 5140, 3140 또는 1541)이 표준적인 선택입니다. 이러한 강재는 일반적으로 노멀라이징 또는 Q&T 처리를 거칩니다. 저널 부분에서 높은 내마모성이 요구되는 경우 표면 경화 처리를 적용할 수 있습니다.

재료 선택은 하중 유형, 부품 치수 및 경화성에 따라 달라집니다. 굽힘 및 비틀림 하중을 받는 축의 경우, 응력이 표면에서 중심으로 갈수록 감소하므로 높은 경화성이 반드시 요구되는 것은 아닙니다. 그러나 인장 또는 압축 하중을 받는 축의 경우, 응력이 단면 전체에 걸쳐 균일하므로 높은 경화성을 가진 강재가 필요합니다.

높은 충격 하중이나 극한의 인성 및 내마모성이 요구되는 경우에는 5120 또는 4320과 같은 합금 침탄강을 사용한 후 침탄, 담금질 및 저온 템퍼링을 거칩니다. 하중이 최소화되는 중요도가 낮은 축에는 1015 및 1025와 같은 범용 탄소강을 사용할 수 있습니다.

그림은 축 가공 시 열처리 과정을 보여줍니다.

1. 정규화 또는 어닐링가공 전에 배열하여 결정립을 미세화하고, 단조 응력을 제거하며, 가공성을 향상시킵니다.
2. 담금질 및 템퍼링(Q&T): 일반적으로 황삭 가공 후, 반삭 가공 전에 수행하여 최적의 종합적인 기계적 특성을 얻습니다.
3. 표면 경화: 최종 마감 처리 전에 실시하여 담금질로 인한 변형을 보정합니다.
4. 저온 시효 처리: 국부 담금질 또는 황삭 가공 후 고정밀 샤프트에 필요합니다.

위치 결정 기준점 선택

샤프트 부품의 일반적인 위치 결정 기준점은 두 개의 중심 구멍입니다. 동축성과 직각도가 주요 정확도 요구 사항이며, 설계 기준점은 일반적으로 샤프트 중심선입니다.

단, 다음과 같은 경우에는 중앙 구멍을 사용할 수 없습니다.

• 황삭 가공에는 더 높은 강성이 요구되며, 이 경우 외경 표면이 사용됩니다.
• 축은 속이 비어 있고 관통 구멍이 있습니다.

중공축용 방법:

1. 작은 구멍: 구멍 입구에 60° 각도의 내부 원뿔형 모서리 가공(폭 ≤ 2mm)을 합니다.
2. 원통형 구멍: 테이퍼 플러그(1:500 테이퍼)를 사용하십시오.
3. 큰 테이퍼 구멍: 테이퍼 플러그가 있는 맨드릴을 사용하십시오.

가공 공정 경로

가공의 초점은 저널의 외부 원통형 표면에 맞춰져 있습니다. 가공 경로는 외경 가공 순서를 중심으로 설계되며, 나사산, 스플라인, 키홈과 같은 부가적인 형상 가공이 중간중간 포함됩니다.

(1) 침탄강 샤프트

재료 준비 → 단조 → 노멀라이징 → 중심 구멍 드릴링 → 황삭 선삭 → 반정삭/정삭 선삭 → 침탄 → 담금질 및 저온 템퍼링 → 황삭 연삭 → 2차 형상 가공 → 정삭 연삭.

(2) 표준 정밀 Q&T 강철 샤프트

재료 준비 → 단조 → 노멀라이징(어닐링) → 중심 구멍 드릴링 → 황삭 선삭 → Q&T → 반정삭/정삭 선삭 → 표면 경화 및 템퍼링 → 황삭 연삭 → 2차 형상 가공 → 정삭 연삭.

(3) 질화강 샤프트

재료 준비 → 단조 → 노멀라이징(어닐링) → 중심 구멍 드릴링 → 황삭 선삭 → Q&T → 반정삭/정삭 선삭 → 저온 시효 처리 → 황삭 연삭 → 질화 → 2차 형상 가공 → 마무리 연삭 → 래핑/폴리싱.

가공 예시: 계단형 샤프트

이 부품은 원통형 표면, 축 어깨부, 나사산 및 사각 머리 부분으로 구성된 계단형 축입니다.

(1) 재료 및 블랭크 제조

샤프트는 45강(AISI 1045 상당)으로 제작됩니다. 생산량은 적지만 저널의 직경은 최대 ø50mm에서 최소 ø13mm까지 상당히 다양합니다. 재료 활용도를 최적화하기 위해 단조 가공 후 노멀라이징 처리를 합니다.

(2) 기술적 요구 사항

치수 정밀도: 직경 25mm 저널은 IT7 공차 등급을 충족해야 합니다. 표면 거칠기는 Ra 0.8μm로 지정됩니다. 직경 50mm 숄더를 기준으로 할 때, 직경 25mm 축의 직각도 공차는 0.02mm이고, 숄더의 양 끝면 사이의 평행도 공차는 0.02mm입니다.

(3) 위치기준점

다양한 저널의 동축성을 확보하기 위해 양쪽 끝의 중심 구멍을 정밀 기준점으로 사용합니다. 이 위치 기준점은 선삭, 밀링 및 연삭 공정 전반에 걸쳐 일관되게 유지되어 설정 오류를 최소화합니다.

(4) 가공 방법

축은 주로 회전면으로 구성되어 있으므로 선삭과 연삭이 주요 성형 공정입니다. 직경 25mm의 저널면과 직경 50mm의 숄더면은 치수 정확도뿐만 아니라 높은 기하학적 정밀도가 요구되므로 선삭 후 연삭을 수행합니다. 외면 가공 순서는 황삭 선삭 → 반정삭 선삭 → 연삭입니다.

(5) 가공 경로

높은 정밀도가 요구되는 부품의 경우, 품질을 보장하기 위해 황삭과 정삭 단계를 분리해야 합니다. 이 샤프트의 가공은 황삭 선삭, 준정삭, 연삭의 세 단계로 나뉩니다.

(6) 열처리

직경 25mm × 높이 35mm 단면과 사각 헤드 표면은 경화 처리가 필요합니다. 이 처리는 반가공 후 최종 연삭 공정 전에 진행됩니다. 노멀라이징은 블랭크 단조 후 내부 응력을 완화하고 결정립 구조를 미세화하며 가공성을 향상시키기 위해 수행됩니다.

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