출력축이 파손되는 이유는 무엇인가요? 심층적인 원인 분석

보조 기어박스의 출력축은 차량 작동 시 상당한 토크를 전달하는 중요한 부품입니다. 따라서 높은 강도가 필요합니다.

도면의 기술 요구 사항에는 재료 40Cr 사용과 R각 및 스플라인에서 중주파 유도 경화가 포함됩니다. R각에서의 경화층 깊이는 5mm 이상이어야 하고 스플라인에서의 경화층은 치아 바닥에서 5-8mm여야 합니다. 또한 표면 경도는 ≥ 55HRC여야 합니다. 매트릭스는 다음과 같아야 합니다. 담금질 및 템퍼링로 설정하고 경도는 235~265HBW여야 합니다.

2019년 초, 시장에서는 고객이 30000~100,000km를 주행할 때 보조 박스의 출력축이 자주 파손된다는 보고가 있었습니다. 고장 난 부품을 분석하여 다음과 같은 파손 원인을 파악했습니다:

• 출력축의 R각 구조가 오목하여 유도 경화가 어렵습니다. 이로 인해 담금질 층이 얕아지고 담금질 균열에 대한 민감도가 증가합니다. 실제 검출 시 R각에서 유도 경화 균열이 발견되었습니다.
• 보조 박스 출력축의 오일 홀 모따기는 0.5mm × 45°입니다. 날카로운 각도 효과로 인해 담금질 균열이 큰 경향이 있으며 담금질 균열이 존재합니다.

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이 문서에서는 보조 박스에서 출력축 파손의 원인을 분석하고 이 문제를 해결하기 위한 일련의 개선 조치를 제안합니다. 이 분석은 원칙에 기반하며 보조 박스의 출력 샤프트 파손 문제를 효과적으로 해결하기 위한 조치입니다.

1. 장애 분석

1.1 장애 감지 분석

그림 1은 보조 상자에 있는 출력 샤프트의 고장난 구성 요소를 보여줍니다.

구체적으로 그림 1a는 고장난 부품의 외형과 파손 위치를 나타내며 빨간색 원은 파손 위치를 나타냅니다.

그림에서 볼 수 있듯이 보조 박스의 출력 샤프트 파손은 공구 인출 홈의 R 각도 위치에서 발생했습니다.

또한 그림 1b는 샤프트의 원주 회전에 의해 유도된 직선 골절이 특징인 골절 형태를 보여줍니다.

골절 후 양쪽 끝에 상호 마모 자국이 있으며, 이는 비틀림 골절 특성과 일치합니다.

그림 1 보조 박스 출력축의 고장 부위

완제품과 시장에서 반품된 불량 부품 모두에 대해 비파괴 검사 및 금속학적 분석을 실시했으며, 검사 결과는 표 1에 제시되어 있습니다.

표에서 볼 수 있듯이 완제품과 시장 실패 부품 모두에서 스플라인 부품의 유도 담금질 결과는 기술 요구 사항을 충족합니다. 스플라인 부품의 유효 경화 깊이는 ≥ 5mm이고 경화 층의 금속 조직 구조는 4-5 등급 침상입니다. 마텐사이트.

그러나 스플라인 오일 홀과 R 코너의 유도 담금질 결과는 다음과 같은 이유로 기술적 요구 사항을 충족하지 못합니다:

• 완제품은 R각 위치와 스플라인 오일 홀에 유도 경화 균열이 나타납니다.
• 모서리 R에서 유도 경화 층의 깊이는 얕거나 존재하지 않으며 기술 요구 사항에 명시된 대로 5mm를 넘지 않습니다.

표 1 완제품 및 고장 부품의 자성 입자 테스트 및 금속 조직 분석 결과

위의 검사 결과는 고장난 부품의 균열 특성과 일치합니다. 이는 보조 박스 출력축의 R 모서리에 있는 유도 경화 층의 깊이가 충분하지 않아 필요한 기술 요구 사항을 충족하지 못했기 때문입니다. 또한 R 모서리에서 유도 경화 균열이 발생하여 해당 위치의 강도가 낮아졌습니다.

차량 운행 중 R 코너는 큰 비틀림 응력을 견디지 못하고 결국 파손됩니다. 또한 스플라인 오일 홀에는 유도 경화 균열이 존재하며, 시중에 판매되는 여러 불량 부품에서도 이 위치에서 서브 박스의 출력 샤프트가 파손되는 문제가 발생했습니다.

그림 2 NDT 및 금속 조직학 테스트 결과

1.2 장애 원인 분석

고장 감지 결과, 보조 박스 출력축의 두 가지 파손 위험 지점인 R각 위치와 스플라인 오일 홀이 발견되었습니다.

그림 3a는 생산 중 완제품의 R각 위치 구조를 보여줍니다. R-각은 내부 R0.5mm 구조로 유도 경화에 두 가지 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.

첫째, 내부 R형 구조의 R 코너 하단에 있는 전이 필렛이 너무 작아서 R 코너 함몰 하단에 큰 가공 응력이 발생하여 유도 경화 균열의 감도가 증가합니다.

둘째, 내부 R형 구조의 R각 함몰부와 인덕터 사이의 거리가 상대적으로 큽니다.

그림 3b는 코너 R에서 유도 가열 중 유도 전류의 분포를 보여줍니다.

유도 가열의 근접 효과로 인해 센서와의 거리가 멀어질수록 유도 전류는 감소합니다. 따라서 유도 전류는 영역 1에서 4까지 점차 감소하며, 인덕터에서 가장 멀리 떨어진 R각의 하단에 위치한 영역 4에서 가장 낮은 유도 전류가 발견됩니다.

동일한 가열 시간에서 1~3번 영역은 전체적으로 필요한 담금질 가열 온도에 도달하는 반면, 4번 영역은 완전한 담금질 온도에 도달하지 못할 수 있습니다. 결과적으로 물 분무 냉각이 발생하여 다음과 같은 원인이 발생합니다. 마텐사이트 영역 1~3에서는 변형되지만, 영역 4에서는 부분적인 마텐사이트 변형만 있거나 변형이 없습니다.

영역 1~3과 영역 4의 경화층 깊이가 불일치하면 R각 안팎의 구조 변형으로 인해 고르지 않은 변형이 발생합니다. 또한 4번 영역은 구조 변형으로 인해 인장 응력이 발생하여 가공 응력 집중에 취약해져 결국 담금질 중 담금질 균열이 발생하게 됩니다.

또한 4번 영역은 인덕터에서 가장 멀리 떨어져 있어 인덕션 경화가 가장 어려운 부분이며, 이 영역의 경화층 깊이가 충분하지 않습니다.

그림 3c는 현재 생산되는 보조 탱크의 출력 샤프트에 있는 오일 홀의 모따기 구조를 보여줍니다. 오일 홀의 설계 크기는 0.5mm × 45°로, 홀 챔퍼의 유도 경화 요구 사항을 준수하지 않습니다.

유도 경화의 품질을 보장하려면 1mm × 45° 이상의 약간 더 큰 챔퍼가 필요합니다. 챔퍼가 작으면 유도 가열의 날카로운 각도 효과로 인해 오일 홀 주변의 온도가 높아져 담금질 균열이 형성되기 때문입니다.

또한 오일 홀의 존재로 인해 유도 전류가 홀의 양쪽에서 우회하게 되어 홀 주변의 와전류 밀도가 고르지 않게 됩니다. 전류 방향을 따라 구멍 양쪽의 와전류 밀도는 높은 반면, 전류 방향에 수직인 양쪽의 밀도는 낮습니다. 이로 인해 그림 3d와 같이 한쪽에는 고온 영역이, 다른 한쪽에는 저온 영역이 생성됩니다.

이러한 고르지 않은 가열로 인해 전류 침투 깊이와 담금질 후 경화 층의 두께가 달라집니다. 유도 담금질 중 조직 및 열 응력의 발생은 오일 홀 가장자리에서 담금질 균열의 근본적인 원인입니다. 또한 오일 홀 가장자리의 냉각은 냉각 중 다른 영역보다 더 강렬하여 담금질 균열이 형성되기 쉽습니다.

그림 3 R 각도 및 오일 구멍

2. 개선 조치

2.1 R 앵글 및 오일 홀 챔퍼의 구조적 최적화

위의 분석에 따르면 보조 박스 출력축의 파손은 R각 구조와 오일 홀 챔퍼의 설계 결함으로 인한 것임이 분명합니다.

이에 따라 다음과 같은 수정 조치가 마련되었습니다:

• 전환 필렛 구조가 R1.5mm로 수정되었으며, 최적화된 필렛에서 유도 경화 층의 깊이는 3mm 이상이어야 합니다.
• 오일 홀 모따기 구조가 (1~1.5) mm × 45°로 개선되었습니다.

그림 4a는 R 각도에 최적화된 구조를 표시합니다.

유도 열처리 공정 중에 공작물의 스텝 루트에 유도 경화가 필요한 경우 트랜지션 필렛을 통합해야 합니다. 필렛이 클수록 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

이 디자인은 우수한 가공성을 제공합니다:

스텝의 뿌리 부분에 응력이 집중되는 것을 줄이고 사용 중 갈라지는 경향을 최소화합니다.

유도 담금질의 어려움을 줄이고 스텝 루트의 균일한 가열을 보장하며 스텝에 균일하고 연속적인 경화 층을 형성하고 강도를 크게 향상시킵니다.

그림 4b는 챔퍼 크기가 (1~1.5) mm × 45 °로 증가된 오일 홀 챔퍼에 대한 최적화된 설계를 보여줍니다. 동일한 가열 조건에서 오일 홀 챔퍼가 클수록 오일 홀 가장자리의 전류 밀도가 높아지고 과열로 인한 오일 홀 가장자리 균열이 발생할 확률이 낮아집니다.

그림 4 구조 최적화

2.2 유도 경화 공정 최적화

스캐닝 담금질 방식은 넓은 담금질 면적과 작은 전원 공급 장치로 인해 보조 박스의 출력 샤프트 담금질을 완료하는 데 사용됩니다. 스캐닝 담금질의 가장 큰 장점은 더 작은 용량의 장비를 사용하여 대형 공작물을 처리할 수 있다는 것입니다.

스캐닝 담금질을 수행하기 위해 공작물을 인덕터 내부 또는 근처에 배치하여 인덕터와 공작물이 서로를 기준으로 움직일 수 있도록 합니다. 인덕터는 고주파 또는 중주파 전류를 연결하여 유도적으로 공작물을 담금질 온도까지 가열합니다. 동시에 인덕터 또는 워터 제트 스프레이가 담금질을 분사합니다. 냉각 매체 를 담금질 온도에 도달한 공작물 부품 위에 놓습니다.

그리고 담금질 프로세스 공작물의 전체 담금질 영역이 처리될 때까지 계속됩니다. 공정을 중지하려면 먼저 인덕터 전류를 차단한 다음 담금질 냉각 매체를 주입합니다.

그림 5는 인덕터의 유효 원에 대한 최적화된 설계를 보여줍니다. 이 구조는 특정 각도(일반적으로 45°)로 회전하는 전체 원으로 구성되어 평면의 적절한 가열과 가변 섹션의 R 각도를 보장합니다. 유효 링에는 "Π"가 장착되어 있으며 자기 도체의 슬롯은 R 각도 영역을 향해 기울어져 있습니다.

자기 도체의 슬롯 효과를 활용하여 유효 코일의 중주파 전류가 R각 영역으로 방출되어 R각 영역의 가열을 강화합니다. R 각도의 빠른 가열을 보장하기 위해 유효 코일의 프런트 엔드와 R 각도 사이에 3~5mm 간격이 있습니다. 이러한 배열을 통해 10초 이내에 담금질 온도에 도달할 수 있어 이상적인 경화층 분포가 가능합니다.

그러나 R 각을 가열할 때 인덕터는 R 각에서 충분한 경화층 깊이를 얻기 위해 특정 시간 동안 이 영역에 머물러야 합니다. 이 시간 동안 R 각도 위의 인접 스플라인도 가열됩니다. 이러한 스플라인의 경화층 깊이가 너무 깊어져 R 각과 축 방향 스플라인 사이의 전환점에서 경화층이 "부풀어 오르는" 현상을 방지하기 위해 유도 가열의 근접 효과가 사용됩니다.

특히 인덕터를 설계할 때 근접 효과를 최소화하기 위해 가열 스플라인의 표면과 스플라인 축이 7.5°의 포함 각도를 형성합니다. R 각도 영역에 가까워질수록 간격이 감소하여 그림 5에서 검은색 그림자가 나타나며, 이는 R 각도 영역과 그 인접 영역의 유도 전류 분포를 나타냅니다.

마지막으로, R 코너 영역을 가열할 때 인덕터가 위로 이동하여 스플라인 영역을 가열하고 담금질하여 균일하고 지속적인 경화 층을 생성하여 출력 샤프트의 전반적인 강도를 향상시킵니다.

그림 5 유효 서클 디자인

3. 결론

보조 박스에서 출력축 파손의 원인을 분석한 결과, 세 가지 개선 방안이 도출되었습니다:

• 트랜지션 필렛 구조 최적화: 트랜지션 필렛의 구조가 외부 필렛의 경우 r1.5mm로 개선되고, 필렛의 유도 경화 층 깊이에 대한 기술적 요구 사항이 3mm 이상으로 설정됩니다.
• 오일 홀 챔퍼 크기 최적화: 오일 홀의 챔퍼 구조가 (1 ~ 1.5) mm × 45°로 개선됩니다.
• 인덕터의 효과적인 링 구조 최적화: 스캐닝 유도 경화 방식을 채택하여 필렛과 스플라인의 경화 층을 연속적이고 균일하게 만듭니다.

이러한 조치를 시행한 후 보조 박스의 출력축을 검사하고 모니터링한 결과 상당한 개선이 관찰되었습니다:

• 서브 탱크의 출력 샤프트의 R각 강도가 크게 향상되었으며 오일 홀 챔퍼와 R각 영역에 유도 경화 균열이 더 이상 발생하지 않습니다.
• 이제 출력축의 필렛과 경화층이 연속적이고 균일합니다. R 각도의 경화 층은 4 ~ 6mm 깊이이고 스플라인 부분의 경화 층은 5 ~ 8mm 깊이입니다. 경화 층의 금속 조직 구조는 4 ~ 6 등급 침상 마르텐 사이트이며 표면 경도는 56 ~ 59HRC로 기술 요구 사항을 충족합니다.
• 서브박스의 출력축은 배송 및 적재 후에도 균열이 발생하지 않아 시장 클레임의 위험을 크게 줄이고 제품 품질과 고객 만족도를 향상시켰습니다.