유도 가열 디자인
- 유도 가열 디자인
- 경화, 블레이징, 솔더링을 위한 고주파 유도 가열은 제조 방법에서 놀라운 효과를 보이고 있고 시간이 지날수록 많은생산품의 구도적인 디자인에 결정적인 영향을 가질 것이다. 반면 많은 경우 디자인 변화에 제한이 있을 것이다. 더욱 실용적인 유도 가열의 적용이 되는 어떤 수정(변경)의 예가 있다. 이러한 변화는 급격한 것이 아니라이러한 가열 방법의 특성에 맞추는 향상(노력)이 될 것이다.
거의모든 경우, 유도 가열 요구의 기술적인 요구의 경우이고 그 다음 그것의 성공적인 사용을 단순할지라도 실제적인응용에 있어서는 가장 기초적인 것이다.
유도가열이 원하거나 기대했던 대로 정확한 생산이 안될 때 점검해 본다면 원인은 디자인이 시작될 때 쉽게 수정될수 있는 어떤 디자인 특징 또는 세부적인 것이라는 것을 찾게 된다. 전체적 가능성 발전에 도움이 될 수있는 성공적인 유도 가열을 하는데 요구되는 지식은 시작에서 부터라는 것이 명확한 것이다.
유도가열은 경화나 브레이징에서 부분적인 제품 가열 방법과 급속 가열을 제공한다. 일반적으로 말해서 어려운 점은가열이 요구되는 표면에 맞거나 둘레가 되는 코일이나 유도체를 만드는데 있다. 그리고 표면 가열을 하는데충분한 출력을 가진 고주파 장치가 준비되어야 한다. 여기에서 물론, 인접한 표면의 가열 패턴 형성에 전반적인지식이 수반되어야 한다.
유도가열 코일은 그림221에서 A의 다회전, B의 일회전으로 만들어질 수 있다. 이런 두 가지 형태로 많은수의 모양과 스타일을 가지고 외부, 내부, 평면, 불규칙 표면 가열에 배치될 수 있다. 그림C에서와 같이코일 주위 자장력은 이론적으로 코일 중심에서부터 모든 방향으로 똑같다. 코일 바깥 밀도는 내부보다 약하고가열되는 제품 사이의 거리와 코일이 증가되는 것에 따라 밀도는 다양하게 변한다.
(그림221) 모든 유도 코일은 관 또는 동판으로 일회전 또는 다회전으로 만들어진다. 이 두가지 형태로부터 각기 다른모양과 크기로 제공할 수 있다.- 코일에 더 가까운 제품이 표면 또는 내부보다 더 빨리가열될 것이다.
그림222의 A에 묘사된 것과 같이 숄더 가까이 있는 샤프트 표면을 유도 가열할 때, 그림B에 묘사된 것과 같이 유도코일 끝에서 플랜지면 안으로 흐름에 의한 자속 에너지 때문에 필렛(나사) 또는 코너에서 열을 얻는 것은어렵다.
(그림222) 솔더로 만들어진 샤프트가 가열될 때, 대부분의 자속이 코일에서 플랜지 면으로 흐르는데 보통은 코너 또는윤곽쪽의 가열이 보장되도록 약갼의 디자인 변경이 요구된다.
(그림223) 유도적으로 가열되는 제품 디자인에 있어서 얇은 부분을 피하는 것이 좋은데, 제한된 부분을 통하는 자장 집중에의해 과열이 일어날 수가 있다.- 이 조건은 전도에 의해 가열될 수 있고 가열 주기에 있어추가된 시간이 요구되는 필렛에서의 "cold spot(냉점)" 결과가 된다. 이 추가된시간은 제품의 다른 부분에서 과열의 결과가 될 것이므로 디자인 수정에 의해 해결될 수 있다. 그림C에서와같이 경감(윤곽)의 추가에 의해 조건이 향상되거나 니들(바늘) 베어링에 요구되는 것과 같이 가벼운 솔더에서는그림D 디자인으로 대치될 수 있다. 이 경우 가열은 비교적 가벼운 솔더의 날카로운 코너에서 얻을 수 있다.
유도가열의 또 다른 고려 사항은 두꺼운 부분에 인접한 얇은 표면은 과열이 될 소지가 있다. 더욱 고른 가열을위해 가능하다면 일정한 부분으로 제품 디자인에 적용되어야 한다. 예를 들어 내부 구멍의 경화를 요구하는그림223의 A에 샤프트 끝이 홀의 잔여분이 퀸치 온도에 도달하기 전에 얇은 부분에 과열이 발생한 결과이다. 그림B와 같이 키웨이(열쇠구멍)의 홀과 바닥 사이에 금속을 더 추가함으로서 더욱 일정한 가열 결과가 될것이고 버닝(타버림)의 위험이 해소될 것이다.
(그림224) 베어링 동작되는 표면에 부분적인 경화가 가능한 긴 샤프트. 이 작업은 샤프트 전체를 가열할 필요가 없으며왜곡을 방지할 수 있다.- 때때로이러한 조건은 가열되는 동안 키웨이에 동 플레이트를 추가함으로써 정확하게 될 수 있는데 고주파 전류가 단지제품의 얇은 부분에 집중되지 않게 한다. 그러나 보통은 변경된 디자인이 더욱 선호적이다. 때때로 동 쉴드의다른 형태가 제한된 부분의 열 차단을 위해 사용되지만 이러한 것은 보통 유도 가열로 디자인되지 않는 제품에적용된다. 날카로운 코너가 또한 과열의 결과가 될 수 있다.
이것을 가끔 "edge effect(끝효과)"라고 언급된다. 여기에서 다시 디자인의 수정과유도 가열 요구의 지식에 의해 그런 어려움이 쉽게 해소될 수 있다.
(그림225) 위에 보이는 여러개의 볼 레이스와 같이 부분적인 베어링 유도경화가 가능하다. 스케일 또는 왜곡을 방지할 수 있다.- 부분화된 표면은 유도적으로 인접 부분의 가열없이경화될 수 있고 유도 가열 응용은 새로운 디자인 기술의 결과가 될 것이다. 여러 경우에 향상된 생산품이유용하게 만들어지고 다른 방법으로는 불가능하거나 어려운 것들이 만들어지고 다른 방법으로는 불가능하거나 어려운것들이 가능한 결과를 얻을 것이다 제조 과정은 또한 간단해진다. 예를 들어 고 카본 스틸의 대용에 의한탄소 처리가 제거될 것이고 한가지 제품 디자인이 어려운 기계장치를 필요로 하는 것을 대신하여 두 개 이상제품이 제작될 수 있을 것이다.
(그림226) 유도 가열은 한 제품의 다양한 표면을 다른 경도로 경화시키는것이 가능하며 보통은 다른 열처리 방법에 의해서는 어려운 것이다.- 감마제베어링 동작을 위한 기계 샤프트의 디자인에 있어서 스페이스(공간)는 제한적인 요소가 있고 볼 베어링을 니들베어링으로 바꾸는 것이 필요하다. 그림224의 A에 보인 전(기존)에 디자인은 사용될 수 없는데 클로즈(근접) 선테에서 동작되는 병렬 샤프트 때문이다. 그림B에 보이는 대용으로서 그림C에 묘사된 가열 코일과 퀸칭 링의사용으로 베어링 표면을 선택적으로 경화할 수 있다.
(그림227) 이 스포라킷에 대한 고카본 스틸의 대용에 의해 여러 가지 경제적인효과를 얻을 수 있는데 탄소 처리 과정의 제거와 여러 가지 머신(기계적인) 작업의 축소이다.- 0.50 카본 스틸로 만들어진 샤프트는 니들 베어링 특징에 적합한 62~64Rockwell C로 경화되고 부분 가열이 되기 때문에 보통 요구되는 스트레이트닝과 클리닝(청결) 작업이제거될 수 있다. 이것과 같은 유도 경화 방법이 그림D에 보이는 볼 베어링 특성에도 적용되는데 그런 제품의가열을 통하여 어려움이 제거된다.
내부볼 레이스(특성) 제품의 예는 그림225에 묘사된 것과 같이 한쪽 끝이 완전하게 만들어진다. 보이는 것과같이 1회전 유도 코일은 글로부 주위에 위치하고 코일에 에너지가 공급되면 제품의 가열은 볼 에이스에만 부분화될것이다. 침투 깊이와 가열 범위는 시간 주기에 의해 조정될 수 있다. 퀸치 후에 볼 레이스만 예외적으로경화되는데 가열이 작은 범위에 부분화되기 때문이고 제품 발란스는 야금술적으로 변하지 않으며 휘어짐이나 왜형이일어나지 않을 것이다.
유도가열을 통하여 보통 한가지 제품에서 얻을 수 없는 다른 경도를 얻을 수 있다. 이 예는 세 개로 분리된유도 가열 작업이 수행되는 그림226에 묘사한 기어이다. 캠 표면은 마손이 희망하는 최대 저항 60~62Rockwell C에서 경화된다. 기어 이빨은 보통 조건으로 53~55 Rockwell C 경화되고 클러치이빨은 마손을 막고 프렉쳐(깨짐)없이 충격에 견디도록 48~50 Rockwell C로 경화된다. 경화에있어 그런 수정들은 일정함이 유지되도록 자동적으로 시간 조절되는 가열과 퀸칭 주기의 가벼운 변화에 의해얻어진다.
그림227에보이는 스포라킷(사슬 바퀴)은 수정된 디자인의 예를 나타내는데 유도 경화를 통하여 제조 비용 절감을 가져온다. 먼저 이 스포라킷은 탄소처리되고 로프(거칠음) 가공, 동 플레이트, 동 플레이트 이동의 재가공, 이빨 키팅, 탄소 처리, 경화, 이빨 피치에서 그라인드 홀까지 가볍게 치기, 부싱 조립이 요구된다. 고 카본 스틸의사용에 의해 새로운 처리 과정은 블랭크 가공, 부싱 조립, 이빨 키팅, 이빨의 유도 경화만이 요구된다. 이빨은 부싱 조립 후에 키팅되고, 중심 잡기는 보장되며 다른 방법보다 더욱 쉽게 얻어진다. 오른쪽에는 이빨외형에 맞게 형성된 유도체 부분을 보이고 있는데 평면 또는 동관 코일로 일어날 수 있는 이빨의 윗부분 과열없이 일정한 가열 패턴이 얻어질 수 있다. 이 예에서 판소리 과정의 제거는 폭넓은 응용 분야를 가지고 있고기계적인 제품 디자인에 있어서 중요한 유도 가열의 권장 사항을 보여준다.
안전성의문제로는 매우 실용적이다. 전체적으로 경화시키는 것에서 한 제품의 일부분 유도 경화만이 가능해지고 합금철에서보통의 카본 스틸로 일정 부분의 두께나 크기를 더하는 변화가 가능하다.
그런 변화의기존의 예는 그림228에 묘사된 스피럴(소용돌이의) 바벨 기어이다. 전에는 S,A,E H615가 탄소 처리, 경화, 랩(겹침) 되는데 지금은 C-1141로 만들어진 것이 경화되어랩된다. 랩은 왜곡이 적고 절대 스케일이 없기 때문에 전보다 시간이 짧다. 반면에 일정한 경화를 얻을 수있다. 여분의 강도를 위해 기어 뒷면에 1/4-inch가 추가된다.
정확도와 다른 동작 특성으로 볼 때 전 방법보다 더욱 좋고 게다가 재료와 노동력 모두 비용이 덜 든다. 이 바벨 기어의 열처리 주기는 약 25초의 유도 가열 주기로 포함하고 15초의 워터-젯 퀸칭이 걸린다.
(그림228) 표면 경화를 대용할 때, 안정서으이 부분으로 어느 정도의 면적을증가시키는 것이 필요하다.- 유도가열에 의한 디자인 변화는 그림229에 보이는 플랜지 샤프트인데 우선 단조A로 만들어지고 그림B에서와 같이전체 플랜지 측면의 기계 가공이 요구된다. 그림C에서는 두 개의 피스 디자인을 보이로 있는데 스탬프 되어있는 플랜지가 샤프트에 브레이징된다. 합금 브레이징에 사용되는 일회전 유도가 결합 작업 동안의 상대적인위치를 보이고 있다. 합금링은 연결부에 놓이고 2~3초의 가열 후에 완전한 연결이 얻어진다.
브레이징과경화를 위해 유도 가열이 이용되는 제품이 그림230에 묘사되어 있다.
(그림229) 유도 가열에 의해 가능한 디자인 변화의 예에서 고정 제품으로부터몇 개의 커팅 대용으로 샤프트에 플랜지가 브레이지될 수 있다.- 여기에서 큰 기어는 샤프트에 조립되고 그 다음 보이는것과 같이 유도 가열이 된다. 물론 작은 기어 또한 샤프트에 결합된다. 이 제품은 전에는 한 가로로 만들어졌지만지금은 두 부분으로 만들어지는데 생산품 디자인에 따른 유도 가열이 가능한 범위를 보이고 있다.
이 제품의처리 과정에 있어서 큰 기어는 가공된 다음 샤프트에 브레이징되고 조립 후 기어 이빨은 쉐이브(갈림)된다. 이 작업은 오배치(불일치) 부분의 정확성을 제공하고 작은 기어에 중심성을 보장한다.
기어이빨은 지시된 코일에 의해 경화되고 이것과 같은 제품에서 또한 롤러 베어링 조립이 부착되는 샤프트의 각끝 한 곳에 경화되는 두 개의 저널(축받이)이 있는데, 샤프트의 경화된 부분이 내부 베어링 표면이 된다.
(그림230) 브레이징과 경화로 조합된 방법에 의한 유도가열은 제조 비용 절감을 위해 제조된 조립품 대신에 단조에 의한대용이 가능하다.- 유도브레이징 디자인은 몇 가지 고려사항이 요구되지만 아직까지는 많은 경우에 넓은 범위의 결합들이 어떤 변경(수정) 없이 효과적으로 다루어질 수 있다.
(그림231) 유도 브레이징에 의해 제품을 연결할 때, 정확한 가열 분배가 되도록 제품의 크기와 모양을 고려해야 한다.- 기본적인 고려 사항은 다른 부분보다 어느 한 부분에 더 많은 가열이필요한지 결정하는 연결되는 제품의 분석이고 그 다음 응용에 맞게 가열 코일을 디자인한다. 경우에 따라서가벼운 부분이 무거운 부분보다 전도 흐름에 의해 가열이 더 잘 되는데 양과 크기에 의해 결정된다. 어떤제품에 있어서는 모양의 수정이 필요할 수 있다. 예를 들어 그림231의 A에 연결부는 실제적으로 유도 브레이징이적합하지 않은데, 열이 연결부에 도달되도록 하기 위해서는 전체 플랜지가 가열되기 때문이다.
(그림232) 토셔널(뒤틀림) 강도를 요구하는 두 부분이 함께 브레이징될때, 두부분 모두 스플라인(키홈)이 가능하다.- 그림B와 같이 허브(중추, 중심)의 제공에 의해 간단한 1회전 코일이 사용될 수 있고 가열은 플랜지 바깥 부분에 영향을 주는 것 없이 연결부에 급속히 가열할 수있다. 수정된 디자인 C가 또한 실용적이다. 여기에서 미리 형성된 브레이징 합금 링은 두 제품을 조립하기전에 샤프트 안 글러브 컷에 놓여진다. 여기에서 다시 1회전 유도체는 결합되는 부분적인 표면을 가열할 것이다.
브레이징연결부에 높은 압력이 요구될 때 연결부에 나사 홈이 가능하고 그 다음 그림232에 보이는 것과 같이 조립된다. 가열 코일은 바깥쪽에서 안쪽으로 열 발생이 되도록 배치되고 브레이징 물질이 흐를 때 나사 홈을 따라 흘러갈것이고 예외적으로 강한 결속력을 형성한다.
뒤틀림 당김을견뎌내는 것뿐만 아니라 고압력 연결을 만드는데 다른 여러 가지 방법들이 있고 이러한 것 중 몇 가지는 키웨이멀티스파인(많은 바늘) 핀, 다양한 형태의 나사 홈 조립품이다.
뒤틀림 당김이극복되어야 할 때 사용되는 브레이징 연결의 형태가 그림233에 묘사되어 있다.
(그림233) 예외적으로 강한 결합이 보이는 방법에 의해 생성될 수 있고, 은 브레이징이 되는 쓰레드(실) 조립품을 포함한다. 이런 형태는 매우 강도가 크며 고압에 견딜 것이다.- 샤프트의 끝에는 암A 홀 안에 브레치(구멍이 뚫림) 세레이션(톱니모양)에 맞추기 위한 세레이션이 제공된다. 브레이징 합금이 연결부에 가해질 때 그것은 세레이션을 따라 흐르고예외적으로 강한 결속을 형성한다. 그림B에서는 유도 코일과 브레이징 합금링에 비례해 보이는 조립품이 통하는부분이 묘사되어 있다.
유도 가열에의한 결합에 필요한 또 다른 디자인 변화가 그림234에 보이고 있다. 디자인 A에서 솔더링이 요구되는 표면과코일의 커플링(결합, 겹침 정도)은 너무 커서 단지 외부 표면에서 열 손실 결과가 될 것이다. 그림B에서와같이 외부 끝에서의 결합을 위한 디자인 수정에 의해 가열은 희망하는 표면에 매우 잘 가해진다. 그런 수정들은초기 디자인에서는 어려움이 없지만 유도 가열 기술의 습득이 바람직하다는 것을 보여준다.
브레이징과경화를 요구하는 두 제품 디자인의 또 다른 예가 그림235에 묘사된 바벨 기어이다.
(그림234) 유도 가열에 있어서 때때로 약간의 디자인 변경으로 불가능한 연결을 적합하게 할 수가 있다.- 기어 이빨은 축 전체적으로 많기 때문에 커트가 어렵게 될 것이다. 반면, 기어 이빨만을 경화해야 하기 때문에 어떤 브레이징 형태 후에 경화는 어닐링 또는 드라우닝을 일으킬 수도있다. 유도 가열 방법에 의해 두 제품 브레이징은 그림A에서 보이는 것과 같이 내부형 코일로 되고 그림B에서와같이 이빨에 제한적인 가열이 되는 다회전 코일을 사용한 경화가 따른다. 스프레이 퀸치가 주기 중 가열 부분에따르고 전체 경화 작업은 분당 3개의 비율로 완성된다.
(그림235) 이 그림은 조립 수 톱니의 경화뿐만 아니라 샤프트에 바벨 기어를 브레이징하는데 있어서의 유도 가열의 적용을보여 주고 있다.
(그림236) 두 가지 조립품이 한 개의 디자인으로 대용한 예이다. 유도 가열은 클러치 톱니의 경화뿐만 아니라 두 개의제품을 서로 은 브레이징 하는데 사용된다.- 그림236에묘사된 제품은 한 개로 만들어진 클러치 샤프트이고 그림B에서는 두 부분으로 만들어지는 디자인을 보여주고있다. 유도 브레이징은 1회전 코일 C의 방법에 의하고 반면 클러치 이빨 경화는 팬 케이트형 코일 D에의한다. 이빨 경화에 요구되는 가열은 엄격히 이빨에 의한다. 이빨 경화에 요구되는 가열은 엄격히 이빨에제한되어 있어서 전에 브레이징된 연결부가 재가열되는 위험성은 없다.
그림237에서는제조에 있어 어려움이 극복된 유도 강화의 훌륭한 예를 보이고 있다. 제품은 마지막 가공 전에 30~32Rockwell C로 열처리한 0.50 카본 스틸로 만들어진 긴 서플라인(얇은 판)샤프트를 나타낸다. 짧은서플라인 각 끝은 니들 베어링이 동작하는 부분만 경화가 요구된다. 이 표면들은 연속형 유도 가열 코일에의해 동시에 61~63 Rockwell C로 경화된다.
(그림237) 이 샤프트는 니들(바늘, 침) 베어링이 동작되는 두 개의 경화된 저널(회전축 목부분)을 요구한다. 보통은, 외형의 가능성과 스트레이닝 작업의 필요성을 가지고 가열되게 될 것이다. 유도 가열은 필요한 처리 과정을간소화시킨다.- 유도경화 응용 전에 샤프트 전체적 끝을 가열하는 것이 필요하고 마찬가지로 퀸치되고 드라우닝된다. 이것은 가열된표면에 스케일이 생기는 원인이 되고 짧은 거리에서 휘어짐이 일어나기 때문에 어려운 스트레이트닝 작업을 일으키는작은 양의 외형이 있다. 유도 경화에 있어서 경화를 요구하는 부분에 제한되어 전체적으로 휘어짐이 제거된다. 또한 경화된 표면 스케일이 없기 때문에 버핑(가볍게 때려 주기)이나 클리닝(청결)이 필요 없게 된다. 이러한형태의 다른 작업에서는 경화 후에 저널(축받이)을 그라인딩(갈기) 하는 것이 바람직하는데 그 경우 매우작은 허용도로 만들어진다.
고주파 유도가열은 모든 형태의 산업 공장에서 사용되고 있고 그것의 응용은 의심의 여지없이 미래 제조 과정에 중요한역학을 할 것이다. 어떤 새로운 처리 과정인 경우 전체적인 이익을 얻기 위해(경제적인 가열, 급속 가열, 최대로 일정함 유지) 지금까지 묘사한 디자인 원리와 같은 확실한 진행 과정이 수반되어야 한다.