전문적인 샤프트 가공:재료, 기술 및 설계 전략

기계 샤프트는 기계 설계의 중추입니다. 이러한 간단하지만 필수적인 회전 구성 요소는 기계의 다른 부분이나 다른 기계와 같이 한 위치에서 다른 위치로 동력이나 동작을 전달하는 데 사용됩니다.

모터, 기어박스, 펌프 및 기타 여러 기계에 사용되는 샤프트는 회전할 때 강한 비틀림 힘과 높은 굽힘 하중을 견디도록 설계되었습니다. 이는 적절한 샤프트 설계 및 제조가 자동차, 산업 제조, 발전과 같은 분야의 엔지니어에게 최우선 순위임을 의미합니다.

이 기사에서는 CNC 선삭과 같은 공정을 사용하여 모든 종류의 응용 분야에 적합한 견고한 샤프트를 제작하는 방법을 살펴보며 샤프트 가공의 기본 사항을 설명합니다.

샤프트란 무엇입니까? 정의 및 기계적 기능

그렇다면 샤프트란 정확히 무엇일까요? McGraw-Hill 공학사전  에서는 다음과 같은 "샤프트" 정의를 제공합니다. "도르래 및 기어와 같은 회전 기계 부품을 운반하여 동력이나 운동을 전달하는 데 사용되는 원통형 금속 조각."

Merriam-Webster는 기계 공학에서 "샤프트"에 대한 유사한 정의를 제공하며 샤프트를 "회전 부품을 지지하거나 회전을 통해 동력이나 운동을 전달하는 데 사용되는 일반적으로 원통형 막대"라고 설명합니다. 샤프트에 대한 이러한 정의는 사각형 샤프트 및 육각 샤프트와 같은 비원통형 샤프트의 존재를 암시합니다.

샤프트는 어떻게 작동하나요?

샤프트의 많은 산업 응용 분야에서는 이러한 구성 요소를 다양한 방식으로 사용합니다. 그러나 샤프트는 대체로 동일한 방식으로 작동하여 구동 장치(예:엔진 또는 모터)에서 다른 기계 구성요소로 동력, 토크 및 회전 운동을 전달합니다.

샤프트의 주요 기능은 다음과 같습니다:

• 전력이 필요한 부품에 전원을 연결하여 전력을 전달
• 구동 부품에서 피동 부품으로 토크(회전력) 전달
• 기어, 베어링 등 회전 부품을 지지하고 회전하는 동안 제자리에 고정
• 전단 응력, 굽힘, 비틀림과 같은 무거운 힘을 견디는 것

일반적인 유형의 산업용 샤프트

다양한 유형의 샤프트는 기능이나 모양에 따라 분류될 수 있습니다. 이 가이드에서는 먼저 세 가지 중요한 기능성 샤프트 유형을 살펴본 다음 사용할 수 있는 다양한 샤프트 형태를 살펴보는 등 두 가지 차이점을 모두 제공합니다.

변속기 샤프트

변속기 샤프트는 메인 샤프트 하위 유형 중 하나입니다. 이는 전원과 전력을 흡수하는 구동 기계 사이에 전력을 전달하는 수단으로 기능합니다.

변속기 샤프트의 예로는 라인 샤프트가 있습니다.  중앙 집중식 전력 분배를 위한 카운터샤프트  구동축과 피동축, 자동차 구동축을 연결하는 장치  엔진의 동력을 차동 장치로 전달합니다.

기계 샤프트

변속기 샤프트가 별도의 시스템을 연결하는 경우 기계 샤프트는 내부적으로 동력을 전달하는 기계 내의 구성 요소입니다.

기계 샤프트의 예로는 크랭크샤프트가 있습니다.  왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 장치와 캠샤프트  밸브의 움직임을 제어합니다.

축 샤프트

차축은 일반적으로 자동차의 바퀴를 구동하는 데 사용되는 별도의 샤프트 유형으로 간주될 수 있습니다.  차량의 무게를 지탱합니다.

후륜 구동 자동차의 경우 차축이 차동 장치에 연결되어 있으며, 차축은 구동축을 통해 엔진에서 동력을 얻습니다.

다양한 샤프트 모양 및 형태

아래 표에서는 모양과 디자인에 따라 다양한 샤프트 유형을 구별하고 각 유형의 주요 이점과 목적을 명시합니다.

샤프트 형상 단면 설명 원형(원통형)○가장 일반적인 축; 부드러운 회전, 기계 가공 용이, 베어링에 잘 맞습니다. 견고한 사각형 □ 키 홈 없이 토크 전달이 양호합니다. 육각 샤프트⬡ 토크 전달이 양호하고, 공구 결합이 용이합니다. 키 샤프트⚆기계 가공된 키 홈과 키를 사용하여 허브와 기어에 토크를 전달합니다.스플라인 샤프트⚙높은 토크 용량을 위한 세로 방향 홈.D 샤프트(플랫)◖간단한 허브에서 미끄러짐을 방지합니다.단차 샤프트◎베어링과 베어링의 위치 결정 표면을 제공합니다. 기어; 길이에 따라 직경이 다양합니다. 테이퍼형 축 ◎ 한쪽 끝으로 갈수록 직경이 점차 감소합니다. 허브를 위한 강력한 잠금 편심 샤프트 ㅇ엔진 밸브 작동을 위한 달걀 모양의 "로브"가 돌출된 실린더. 중공 샤프트 ⊙원형 샤프트와 비슷하지만 질량이 더 낮습니다.

샤프트 가공을 위한 소재 선택

표준 샤프트의 가장 일반적인 재료는 연강입니다. 그러나 강도를 높이기 위해 니켈이나 티타늄과 같은 다른 재료를 사용할 수도 있습니다. 아래 목록에는 최고의 샤프트 소재와 주요 장점이 자세히 나와 있습니다.

• 탄소강 :탄소강, 특히 연강은 가장 비용 효율적이고 다용도의 샤프트용 금속입니다. 강도와 가공성이 좋습니다.
• 스테인리스 스틸 :해양 환경이나 식품 가공과 같이 추가적인 내식성이 필요한 응용 분야에는 스테인레스 스틸 샤프트가 필요할 수 있습니다.
• 알루미늄 :알루미늄 합금 샤프트는 더 가벼우며 자동차나 우주항공과 같이 우수한 중량 대비 강도 비율이 요구되는 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
• 티타늄 :티타늄 샤프트는 우수한 내식성, 내열성, 우수한 중량 대비 강도 비율을 제공하여 항공우주 및 기타 분야에서 유용하게 사용됩니다.
• 니켈 :내식성, 내열성, 내피로성이 우선시되는 경우 니켈 및 니켈 합금을 샤프트 제조에 사용할 수 있습니다.
• 황동 :항균성, 저마찰성, 우수한 가공성이 요구되는 경우에는 황동 샤프트를 배치할 수 있습니다.

정밀 샤프트 가공 및 제조 공정

샤프트 제조에는 일반적으로 긴 금속 스톡을 만들기 위한 단조, 압출 또는 압연이 포함되며, 최종 기능과 치수를 얻기 위한 CNC 터닝, CNC 밀링, 정밀 연삭과 같은 정밀 CNC 가공 프로세스가 이어집니다.

1. 단조 :금속을 가열하고 압축력을 가하면 샤프트의 기본 형상이 형성되어 우수한 입자 구조를 가지게 되어 강도가 극대화됩니다.
2. CNC 가공 :기본 샤프트는 형상을 생성하기 위해 다른 방법으로 밀링, 회전 또는 기계 가공됩니다(아래 섹션 참조). 예를 들어, 단일 지점 절단 도구가 재료를 제거하는 동안 척에서 샤프트를 회전시켜 CNC 선반을 사용하여 계단형 샤프트를 생성할 수 있습니다.
3. 마무리 :샤프트를 조정하고 정밀한 공차를 얻기 위해 연삭과 같은 공정을 사용하고, 샤프트 표면 마감을 조정하기 위해 연마 및 기타 방법을 사용합니다.
4. 열처리 :샤프트의 내구성을 향상시키기 위해 경화, 템퍼링 및 기타 공정이 전개될 수 있습니다.

CNC 터닝

CNC 선반 기계 또는 선반은 황삭 및 정삭 선삭, 계단식 샤프트 생성, 테이퍼 샤프트 생성을 위한 테이퍼 선삭, 나사 가공, 홈 생성, 절단 등 샤프트 생산 과정에서 다양한 방식으로 사용됩니다.

CNC 밀링

CNC 밀링 샤프트에는 샤프트에 기능을 생성하거나 형상을 조정하는 작업이 포함됩니다. CNC 밀은 키가 있는 샤프트의 키홈과 슬롯을 가공하고 세로 홈을 스플라인 샤프트로 절단하며 평면과 윤곽을 가공하는 데 사용됩니다.

CNC 연삭

샤프트 CNC 연삭은 일반적으로 샤프트에 형상을 생성하기보다는 미세한 표면 마감과 엄격한 공차를 달성하는 데 사용됩니다. 연삭은 열처리로 인해 발생한 왜곡을 교정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

장축 가공:과제와 고급 기술

많은 샤프트가 상대적으로 짧고 단단하지만 긴 샤프트 가공에는 추가적인 엔지니어링 및 제조 문제가 발생합니다. 긴 샤프트는 일반적으로 길이 대 직경(L/D) 비율이 높기 때문에 가공 중에 편향, 진동 및 치수 불안정이 발생하기 쉽습니다. 가공 측면에서 10:1에서 20:1 사이의 L/D 비율은 어려운 것으로 간주되는 반면, 30:1을 초과하는 것(예:가는 리드 스크류 또는 제지 공장 롤러)은 '매우 긴' 샤프트로 분류됩니다.

긴 샤프트는 일반적으로 다음 용도로 사용됩니다.

• 해양 추진 시스템
• 석유 및 가스 장비
• 산업용 롤러
• 동력 전달 시스템
• 항공우주 부품

장축 가공의 주요 과제

편향 및 굽힘

가느다란 형상으로 인해 긴 샤프트는 절삭력에 의해 휘어질 수 있습니다. 도구에 대한 작은 압력이라도 측정 가능한 편향을 유발하여 진원도와 치수 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

진동 및 채터링

L/D 비율이 높으면 선삭이나 연삭 중에 진동에 대한 민감성이 높아집니다. 떨림은 표면 마감을 손상시키고 공구 수명을 단축시킬 수 있습니다.

열팽창

연장된 가공 주기 동안 열이 축적되면 팽창이 발생하여 공차 편차가 발생할 수 있습니다.

직진성 유지

전체 샤프트 길이에 걸쳐 직진성을 달성하고 유지하는 것은 특히 정밀한 회전 균형이 필요한 응용 분야에서 매우 중요합니다.

장축 가공에 사용되는 기술

이러한 문제를 해결하기 위해 제조업체는 몇 가지 특수 기술을 사용합니다.

꾸준한 휴식과 후속 휴식

CNC 선반은 회전하는 동안 샤프트를 지지하기 위해 안정 받침대나 추종 받침대를 사용하여 편향과 진동을 최소화합니다.

심압대 지원

센터 사이에 샤프트를 지지함으로써 강성이 향상되고 동심도가 유지됩니다.

최적화된 절단 매개변수

낮은 절삭력, 적절한 이송 속도 및 날카로운 툴링은 굽힘력을 줄이는 데 도움이 됩니다.

다단계 황삭 및 마무리

응력을 최소화하기 위해 거친 가공이 단계적으로 수행된 다음 엄격한 공차를 달성하기 위해 정밀 마무리가 수행됩니다.

직진성을 위한 정밀 연삭

열처리 후 긴 샤프트는 종종 원통형 연삭을 거쳐 왜곡을 교정하고 엄격한 직진도 및 진원도 공차를 달성합니다.

동적 균형

고속 응용 분야의 경우 긴 샤프트에는 부드러운 회전을 보장하고 서비스 중 진동을 줄이기 위해 동적 균형이 필요할 수 있습니다.

긴 샤프트에 대한 재료 고려사항

장축 가공에서는 재료 선택이 특히 중요합니다. 합금강은 높은 강도와 ​​피로 저항으로 인해 일반적으로 사용됩니다. 무게에 민감한 응용 분야에서는 알루미늄이나 티타늄을 선택할 수 있지만 강철에 비해 강성이 낮기 때문에 추가적인 강성 측정이 필요할 수 있습니다.

제조업체는 고급 고정 장치, 최적화된 가공 전략, 정밀 검사 방법(예:CMM 측정 및 직진성 테스트)을 결합하여 정렬, 균형 및 내구성에 대한 엄격한 산업 요구 사항을 충족하는 긴 샤프트를 생산할 수 있습니다.

작업 흐름 예:CNC 계단형 샤프트 선삭

계단형 또는 숄더형 샤프트는 CNC 터닝 기계 또는 선반이 간단한 바 스톡으로 무엇을 만들 수 있는지 보여주는 좋은 예입니다.

이 프로세스는 필렛, 모따기 및 공차와 마찬가지로 계단형 샤프트의 길이, 직경 및 숄더 위치가 정의되는 설계부터 시작됩니다. (일반적으로 고객이 이 디자인을 제공하고 나머지는 3ERP가 처리합니다.) 그런 다음 CAD 모델은 CNC 기계용 CAM 도구 경로로 변환됩니다.

선택한 스톡 바의 직경은 가장 큰 직경이나 숄더보다 약간 커야 하며 재료 선택은 최종 용도에 적합해야 합니다. (필요한 경우 3ERP가 재료 선택을 지원할 수 있습니다.) 이러한 결정이 내려지면 선택한 금속 바가 CNC 터닝 센터의 척이나 콜릿에 고정됩니다.

페이싱은 끝 부분에서 수행되고 거친 선삭은 먼저 가장 큰 직경에서 수행되고 그 다음에는 작은 직경에서 수행됩니다. 다음으로 마무리 패스를 통해 샤프트를 지정된 형상에 더 가깝게 만들어 깨끗한 숄더를 형성합니다. 지정된 위치에서 모따기와 필렛이 절단됩니다.

그런 다음 샤프트를 절단하고 필요한 추가 표면 마감 처리를 한 후 CMM으로 검사하여 적합성을 확인합니다. 완성된 샤프트는 고객에게 전달됩니다.

제조를 위한 설계(Df M) 샤프트 관련 팁

기계식 샤프트 설계에는 DfM 원칙을 준수해야 합니다. 이를 통해 샤프트는 무거운 힘을 견디고 연결 구성 요소와 원활하게 상호 작용하도록 설계되었습니다. 다음은 샤프트에 대한 몇 가지 기본 DfM 팁입니다.

• 하중 및 레이아웃을 먼저 정의 :CAD 도면에 기어, 풀리, 베어링과 같은 회전 부품을 배치한 다음 샤프트가 견뎌야 하는 힘과 토크에 따라 샤프트 형상을 만듭니다.
• 힘에 따라 직경이 결정됨 :샤프트와 샤프트를 밀고 당기는 모습을 스케치하고 베어링이 무엇을 운반하는지 파악한 다음 샤프트가 가장 많이 구부러지는 위치와 샤프트가 얼마나 비틀어지는지 확인한 후 직경을 선택합니다.
• 강성과 강도를 고려한 디자인 :특히 중요한 부분에서 편향과 비틀림은 물론 최대 응력도 제한합니다.
• 시계 L/D 비율(슬림) :길고 얇은 샤프트는 더 많이 휘어지고 진동할 수 있으므로 더 큰 직경을 사용하거나 필요한 경우 지지대를 추가합니다.
• 스트레스 집중 최소화 :날카로운 계단과 깊은 홈을 피하십시오. 대신 특히 키가 있는 샤프트와 같은 부품에는 필렛과 부드러운 전환을 사용하세요.
• 돈 ' 정밀도를 과도하게 지정하지 마세요. 부품이 밀접하게 맞아야 하는 경우(예:베어링 및 씰) 엄격한 "정확한 크기" 제한만 요구합니다. 다른 곳에서는 허용 오차를 완화하여 비용을 절감하고 제조를 더 쉽게 만듭니다.
• 절충을 위한 재료 선택 :탄소강 =저가, 합금강 =강도/피로, 스테인레스 =내식성, 알루미늄 =경량; 열처리는 강도를 향상시키지만 비용과 변형 위험을 증가시킵니다.

맞춤 샤프트 프로젝트를 위해 3ERP와 협력해야 하는 이유

금속 프로토타입 제작 및 제조 분야에서 15년 이상 경력을 쌓은 3ERP는 샤프트 설계 및 생산 분야에서 높은 수준의 전문 지식을 보유하고 있습니다. 우리와 협력하면 +/- 0.01mm 공차, 다축 CNC 기능, 부품 품질을 보장하는 정확한 CMM 검사, 프로토타입 제작에서 생산까지의 빠른 처리 등의 이점이 있습니다.

다음 샤프트 가공 프로젝트를 위해 3ERP에 견적을 요청하세요.

FAQ

샤프트 가공이란 무엇인가요?

샤프트 가공은 선삭, 밀링, 연삭, 드릴링과 같은 CNC 기술을 사용하여 정밀 회전 샤프트를 만드는 프로세스입니다(일반적으로 다른 프로세스를 통해 기본 샤프트가 형성된 후).

샤프트 가공에는 어떤 CNC 기계가 사용되나요?

대부분의 샤프트는 둥근 형상에는 CNC 선반을 사용하고, 키홈, 플랫, 구멍과 같은 형상에는 CNC 밀 또는 밀턴 센터를 사용합니다.

샤프트의 엄격한 공차는 어떻게 달성되나요?

마무리 선삭, 정밀 연삭, 제어된 고정 장치 및 마이크로미터나 CMM을 사용한 검사를 통해 엄격한 공차를 달성합니다.

일반적인 가공 샤프트 재료는 무엇입니까 ?

일반적인 샤프트 금속에는 탄소강(특히 연강), 합금강, 스테인리스강, 알루미늄이 포함되며 강도, 내마모성 및 내식성을 위해 선택됩니다.