3.11 제작 공정상 결함

Failures from the Manufacturing Process

 

3.11.1 그라인딩 龜裂 (Grinding Cracks)

그라인딩 균열은 제작 공정상 문제중의 하나다. 그라인딩 작업은 정확히 수행되면, 우수한 기어를 생산할 수 있는 과정인 반면, 만약 적절한 주의를 기울이지 않으면 이빨의 국부적인 면적이 그라인딩 소손에 영향을 미치는 위험성을 내재하고 있다. 이송 속도, 입자크기, 휠(Wheel)의 경도, 절삭유제 등이 적절하지 않을 때 휠에 의해 국부적인 Hot Spot가 생겨 소손을 가져온다. 국부열은 강의 경도 강화를 야기하거나 담금질 균열(그림 3-125와 3-126)을 형성시킨다. 이러한 균열은 응력을 증가시키는 원인이 되어 이빨을 파손시킨다.

그라인딩 소손은 제대로된 공정관리에 의해 방지될 수 있고, 소손 영역을 가시화하는 화학적 에칭에 의해 검출할 수 있다. 그라인딩 균열은 비파괴 기술을 이용하여 검사할 수 있다.

그림 3-125 중경재료(Medium Hard Material)의 담금질 균열

 

그림 3-126 그라인딩 균열(3×Size). Magna-Flux나 Magna-Flow와 같은 결함 검출 절차가 사용될 때 눈으로 관찰이
가능한 평행타입의 그라인딩 균열로 이 균열은 그라운딩 마무리가 완료된 표면 침탄의 AISI 9310 기어에서 발견되었다.

3.11.2 表面 크러싱 (Case Crushing)

표면 크러싱은 침탄, 질화, 또는 유도경화된 기어의 표면에서 일반적으로 발생하는 피로 형태의 손상으로 표면아래 어떤 점에서 재료의 내구성 한도를 초과할 때 발생하는 표면 아래의 피로손상이다.

두 이빨이 접촉할 때 야기되는 헬츠 응력은 이빨을 가로질러 확장되는 Band를 따라 발생한다. 표면으로부터 최대 전단응력점까지 접촉 Band의 폭과 깊이는 계산될 수 있는데 계산에 의한 최대응력은 표면 아래에 Band 폭의 약 0.393 되는 곳에서 발생한다.

그림 3-127은 수직평면에서 경화되고 표면 침탄된 이빨의 단면이고, 단면의 부가물은 Tukon 미세경도의 조사 결과이다. 피치원 부근 표면의 수직좌표는 측정점(횡좌표)에서의 깊이대 경도(종좌표)를 나타낸 것이다. X'S는 측정된 경도이다. 표면경화 작업이 양호한 경우의 표면은 탈탄으로 인해 표면의 주요부분 보다 비교적 덜 단단하다.

그림 3-127 표면하의 강도 대 응력의 관계

재료의 강도는 경도와 직접관계 있는데, 표면 바로 아래에 존재하는 최대경도는 코어의 경도와 강도가 떨어지는 곳의 0.020 in 정도의 깊이로 확장한다. 진한선인 “A”는 표면침탄과 경화 공정시의 이빨 표면이다.

이빨이 하중하에서 상대 이빨과 마주하여 운전될 때 표면하의 전단응력이 진전된다. 그 크기가 재료강도와 동일한 눈금으로 점 1a로 그려졌다. 이 응력은 강이 이 깊이에서 전달할 수 있는 값 이하이므로 이빨은 이 부하에서 만족스럽게 운전한다.

대부분의 표면 침탄 기어는 열처리 공정에서의 크기 변화와 뒤틀림에 의한 결함을 수정하기 위해 그라인딩 한다. 어떤 경우는 도면치수 공차에 맞게 하기 위하여 많은 량을 그라인딩 해야만 한다. 이러한 경우 이빨 표면은 그림 3-127의 점선 "B"까지 그라인딩하게 된다.

이빨이 전과 동일한 하중을 받으면 동일한 응력이 표면아래에 같은 깊이에서 발생하고, 이를 1b에 나타내었다. 이 점은 보다 취약한 코어 재질의 안쪽에 존재하여 주응력은 표면하의 전단손상을 일으킬 만큼 충분히 크다. 손상은 표면과 평행하게 진행하여 응력이 직각인 표면을 지나서 파손되거나(그림 3-128), 그림 3-129와 같이 이빨 속으로 더욱 깊게 진행한다.

그림 3-128 표면의 크러싱. 크고 작은 몇 개의 휠방향 균열이 표면침탄된 베벨기어의 접촉면에 나타났다.
주요 균열은 표면의 코어 구조물 속에서 시작하였고 표면까지 진행하였다. 긴 덩어리 재질이 표면에서 분리되려고
하며, 이 균열은 큰 이뿌리 응력으로 인해 발생하고 접촉면 아래에서 형성하는 일반적인 피로 균열과 혼동해서는 않된다.

 

그림 3-129 내부의 표면 크러싱. 보다 취약한 코어재료의 경화된 표면 바로 아래쪽에 내부균열이 시작되었다.
재료는 AISI 9310으로서, 총 표면깊이는 0.100″이고 손상의 근원지는 0.150″깊이이다. 이 균열은 재료
표면측과 이와 반대인 뿌리측으로 성장하였다.

 

3.11.3 不規則 故障 (Random Failure)

때로 이빨의 일부분만 떨어져 나가는데, 그때의 균열은 이빨의 이론상 최대

굽힘응력 부근에서 발단하는 것은 아니다 (그림 3-130).

그러한 손상은 제작공정상의 제어 불량에 기인하기도 한다. 이빨은 뿌리 근처에 노치가 나타나고, 표면에는 커터 균열이 있으며, 표면에 그라인딩 소손이 있고 이빨은 적절한 모양을 갖지 않기도 한다. 열처리 결함으로 높은 국부 응력을 유발할 수 있다. 심(Seam), 개재물, 오물 또는 그 밖의 응력 증가요소가 가득 차서 재료가 청결하지 못하기도 한다. 이같은 항목들은 손상을 유발하기에 충분한 잠재적인 국부응력 집중의 근원이다 (그림 3-131).

임계 응력부위와 떨어진 피팅이나 Spalling에 의한 국부 응력은 불규칙 손상을 유발할 수 있는 근원이다.

이뿌리 손상은 치차를 반드시 부러뜨리지는 않고, 몇몇 경우에 내부 응력 패턴이 치차의 림을 지나서 웨브(그림 3-132와 3-133)쪽으로 진행하는 피로 손상을 유발한다. 이 손상이 최종적으로 진행하면 몇몇 이빨을 포함한 덩어리가 부러진다.

그림 3-130 불규칙 피로파괴. 이것은 전형적인 빔(Beam) 굽힘 손상은 아니지만, 이빨

측면상의 높은 곳에서 발단하고, 플랭크에 높게 또는 치차면에 다소 균일하게

분포하였다. 이런 손상은 루트 필렛보다는 응력 가진 요소로부터 발단하여,

피로 손상은 제작중 이빨측면상의 그라인딩 균열 결과이었다.

 

그림 3-131 불규칙 피로 파괴. AISI 4140 중간 경도의 기어는 피치선 위 이빨 파손으로 손상되었다.
아래 이빨에서 볼 수 있듯이 손상은 직경이 큰 피트에서 발단되었다. 균열이 이빨 끝 주위까지 어떻게 진행되는지 주시하라.

 

그림 3-132 림과 웨브 손상. 경화되고 그라인딩된 평치차가 이뿌리 단면을 통해 파손되었다. 균열이 이뿌리
단면에서 기어의 웨브 아래쪽으로 진행되었다. 이러한 특징의 손상은 높은 하중을 받는
얇은 림과 웨브 단면에서는 일반적이다.

 

그림 3-133 산업용 기어 피치의 림손상. 림손상은 뿌리의 큰 응력에 반드시 관계한 것이 아니고
기어 휠 자체의 높은 잔류응력 결과임에 주시하라.

 

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