유무인기 감속기어 소재의 피로특성 향상을 위한 마이크로 피닝 효과

1. 서론

지능적이고 혁신적인 항공기 설계 기술의 발달로 지금 까지 기체 및 다양한 항공 부품들을 경량화하는데 적지 않은 도움이 되어왔다. 그러나 수많은 부품들 중 항공기 의 잦은 이착륙과 운항 중 불규칙적이고 반복적인 기류 등의 영향으로 핵심적인 부품들의 내구수명 향상을 위한 노력은 지금도 꾸준히 지속되어 오고 있다. 특히 최근에 전세계적으로 무인항공기 시장이 나날이 확대되어 감에 따라 기존 유인 항공부품은 물론 새로운 소형의 부품들이 새롭게 연구개발 되어¹ 순식간 생산 및 공급이 확대되고 있는 실정이다. 이와 같은 유무인 항공기들은 필수적으로 구동장치를 포함하고 있는데 보통 에일러론, 러더, 엘레베 이터 등의 조종면에 배치되어 기계적인 구동원리로 기체 를 운항할 때 방향을 전환하거나 선회, 상승, 하강 등과 같은 자세를 제어하는 역할을 한다. 지금까지는 대부분 전기-유압식 구동장치를 주로 사용했었으나 최근 무인항 공기 시장의 급격한 확대로 소형 항공기를 겨냥한 전기식 구동장치를 개발하는 연구들이 진행되고 있다.² 이와 같은 소형화된 전기식 구동장치는 그만큼 항공안전관리의 핵심적인 품목으로 지정됨에 따라 고성능은 물론 구조적 관점에서도 더 더욱 진보된 소형화 및 경량화 설계가 요구 되고 있다. 유무인 항공기용 구동장치에는 감속기 조립 체가 포함되어 있는데 이 감속기 조립체에는 항공기 종류 에 따라 다양한 기어트레인 및 하우징이 사용된다. 이때 기어트레인을 구성하는 기어부품 역시 소형경량 설계로 인해 기존 중형 기어부품에 적용되던 숏피닝 공정^3,4 이 적용되지 않을 수 있는 문제가 있다. 숏 피닝 공정은 피로강도 및 피로수명을 향상시키기 위한 매우 효과적인 기계적 가공방법중 하나로 기존 항공기 및 자동차용 내피로 부품의 반복된 인장 하중을 받는 취약 부위에 다양하게 적용되고 있으며, 상당히 폭 넓게 활용되어 오고 있다.^5,6 이와 같은 숏피닝 가공방법은 금속재료 보다 항복강도가 상대적으로 높은 무수히 많은 강구들을 고속으로 부품표면에 충돌시킴으로써 유익한 압축잔류응력을 생성시키게 되는데 이 압축잔류응력이 피로강도 및 피로 수명을 개선 또는 향상시켜 주는 주요 인자가 된다. 이에 유무인 항공기용 기어부품들도 축의 토크에 의해 기어치 차의 이뿌리 부분에서는 반복된 굽힘응력을 받으므로 숏 피닝 처리가 효과적인 방법이 될 수 있다. 하지만 소형화된 기어부품에는 기존의 숏볼 입자를 사용하는 것은 그 효과를 더 이상 보장할 수 없기 때문에 마이크로 단위의 크기를 갖는 구형 숏볼을 사용한 마이크로 피닝기술을 적용해야 한다. Fig. 1은 소형 기어부품에 기존 숏피닝 기술을 적용하는 경우와 새로운 마이크로 피닝기술을 적용하는 경우를 구분하여 도시하고 있다. 즉, 기어치의 모듈이 작아지면 기어치 이뿌리 간격이 좁아지기 때문에 기존 0.8-1.2 mm 직경의 숏볼들을 사용하면 이뿌리 부분에 효과적인 충돌이 되지 않으므로 충분한 압축 잔류응력이 부여되지 않는다. 이와 달리 높은 경도를 갖는 마이크로 단위의 세라믹 볼을 사용할 경우 반복된 인장 굽힘응력에 충분히 저항하는 유익한 압축잔류응력 생성이 가능해진다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 평균 100 mm 직경의 세라믹 볼을 사용하여 마이크로 피닝에 의한 유무인 항공 기용 기어소재의 피로특성을 살펴보고자 한다. 이때 최적 피닝(Optimum-Peening)⁷ 개념을 마이크로 피닝에 적용 하고 피닝 전 소재의 피로수명과 오히려 수명저하를 주는 오버피닝(Over-Peening)⁷ 조건의 피로수명과 비교한다. 이로부터 마이크로 피닝의 효과 및 유효성을 확인한다.

Fig. 1

Comparison of shot peening and micro-peening

2. 피닝의 개념

2.1 알멘강도(Almen Intensity)의 측정

알멘강도(Almen Intensity)는 피닝의 가공정도를 가늠하는 측량 기준의 하나로써 보통 알멘선도(Almen Saturation Curve)에서 알멘스트립(Almen Strip)의 굽은 높이, 즉 아크하이트(Arc Height) 데이터로 표현된다. 이와 같은 알멘선도는 SAE J442 규격⁸ 및 SAE J443 규격⁹을 따르며, 피닝장비의 성능 및 피닝정도를 파악하는데 있어 매우 중요한 기준표로 활용된다. 이 알멘선도를 사용하면 알멘강도에 대응되는 피닝 변수들을 쉽게 선택하거나 조절하여 효과적인 피닝공정을 선택할 수 있다. Fig. 2는 알멘 측정시 스템을, Fig. 3은 알멘 선도의 예를 보여준다.¹⁰ X축은 피닝시간(t) 분(min)을, Y축은 피닝 후 A형 알멘스트립의 굽은 만곡 높이(mmA)를 의미한다.^8,9

Fig. 2

Almen intensity measurement system

Fig. 3

The experimental almen saturation curves

2.2 마이크로 피닝의 투사 원리

Fig. 4는 마이크로 피닝의 투사 원리를 보여준다. 피닝 건 뒷쪽 에어 노즐로부터 압축공기가 공급되고 에어 노즐 끝 단의 확대된 면적에서 음압이 발생되어 그 흡입력으로 마이크로 세라믹 볼과 공기를 흡입하여 피닝 건까지 이송된다. 이송된 공기와 세라믹 볼들은 서로 혼합된 상태로 피닝 건 내부를 이동하며, 피닝 건 내부의 벤츄리 형상의 노즐을 통과하여 대기 중으로 투사된다.

Fig. 4

The air peening system

3. 실험

3.1 시험편

본 연구에 사용된 피로시험편의 재료는 항공기용 기어 소재로 많이 사용되는 AISI 합금강이며, KS D 1801 규정에 따라 화학적 조성을 분석하였으며, Table 1에 나타내었다. 또한 ASTM E8 규격을 준수하여 인장시험을 수행하였으며, 이때 얻어진 기계적 물성들은 Table 2와 같다.

Table 1

Chemical composition of AISI alloy steel(wt%)

Table 2

Mechanical properties of AISI alloy steel

Fig. 5는 4절점 회전굽힘 피로시험을 위한 피로시편의 형상과 제원을 보여준다. 시편의 형상은 환봉형이며, 중앙 부위 최소직경은 8 mm이다. 시편을 기계가공한 후 사포로 연마하였으며, 이후 AMS 2759/7 규격으로 침탄열처리를 실시하였다.

Fig. 5

Shape and dimensions of rotary bending fatigue test specimen (Unit: mm)

3.2 마이크로 세라믹 볼

본 연구에 사용된 마이크로 세라믹 볼(JZB120)은 SAE J1830 규격¹¹에 제시된 성분과 크기를 만족하는 볼을 선택하였다. ZrO₂가 68%, SiO₂가 32%로 구성되어 있으며, 밀도는 3.86 g/cm³, 경도는 700 Hv이다. 또한 볼의 직경 범위는 0.063-0.0125 mm이다. Fig. 6은 세라믹 볼의 형상을 보여준다.

Fig. 6

Zirconia ceramic balls for micro-peening treatment

3.3 마이크로 피닝 가공

본 연구에서는 Fig. 7의 에어피닝기를 사용하여 마이크로 피닝을 실시하였다. 먼저 유효한 피닝조건을 선정하기 위해 압축공기의 압력(p_i)을 2부터 6 bar까지 변화시켜가며 A형 알멘스트립 표면에 마이크로 피닝처리 하였다. 이때 분사노즐 출구 끝에서 스트립 표면까지의 거리는 100 mm이며, 투사시간은 각각 30 및 60 sec로 하였다. 알멘스트립에 마이크로 피닝후 아크하이트가 완만하게 증가하는 압력범위를 유효한 피닝 압력(p_i)들로 선정하여 이들 압력들로 피로시험편에 피닝가공하였다. 시편들은 회전 장치에 고정되어 회전되면서 균질하게 피닝되었다.

Fig. 7

Micro-Peening machine and injection system

3.4 회전굽힘 피로시험

본 연구에서는 Ono형 4절점 회전굽힘 피로시험기를 사용하여 침탄열처리 하지 않은 AISI 합금강으로 제작된 시편들의 피로시험을 수행하였다. 이후 AMS 2759/7 규정으로 침탄열처리된 시편을 시험하였다. 이때 응력비(R)는 -1이고 적용 응력 증감은 추의 무게로 조절하였다. 또한 장비의 시험속도(회전수)는 1800-2000 rpm을 유지해가며 시험시 진동이 최소화되도록 하였다. Fig. 8은 회전굽힘 피로시험기로 시험하는 모습을 보여준다.

Fig. 8

Four points rotary bending fatigue test machine

3.5 표면조도 측정

Fig. 9는 피닝 처리하지 않은 시편과 마이크로 피닝 처리한 시편들의 표면 조도를 측정하기 위해 사용된 조도 측정기를 보여준다. 기준 측정거리는 10 mm이며, 각 시편들의 최대높이 거칠기(R_max), 평균거칠기(R_a), 10점평균 거칠기(R_z)를 측정하였다.

Fig. 9

Surface roughness measurement system

4. 실험결과 및 고찰

Fig. 10은 마이크로 피닝압력 증가에 따른 알멘스트립의 굽은 만곡의 높이, 즉 아크하이트의 변화를 보여주며 Fig. 11은 마이크로 피닝 처리된 알멘스트립들을 보여준다. 30 및 60 sec 모두 피닝 압력이 4 bar가 될 때까지는 급격한 증가를 보이다 4 bar 이후부터 증가하는 기울기가 현저히 낮아진다. 이로부터 본 연구에서는 마이크로 피닝을 위한 에어 피닝장비의 유효 피닝 분사압력을 5 bar로 정하였다. Fig. 12는 유효 피닝 압력 5 bar를 기준으로 낮은 압력 3 및 4 bar와 높은 압력 6 bar로 침탄열처리 하지 않은 AISI 합금강에 마이크로 피닝처리한 후 피로 시험을 실시하여 얻은 피로수명들을 보여준다. 이때 응력 진폭(s_a)은 440 MPa 이다. 마이크로 피닝처리를 하지 않은 시편의 피로수명은 95,000 Cycles이며, 유효 피닝압력 5 bar로 마이크로 피닝처리한 시편의 피로수명은 223,800 Cycles로서, 약 236% 수명이 증가됨을 알 수 있다. 또한 유효 피닝압력 5 bar보다 낮은 3 및 4 bar로 피닝처리한 시편들은 각각 168,000 및 170,400 Cycles로써 수명이 각각 176 및 179% 증가하였다. 이와 달리 피닝 압력이 6 bar인 경우는 피로수명이 69,200 Cycles로서 오히려 28% 감소함을 확인했다. 이로부터 유효 피닝압력 5 bar를 최적 마이크로 피닝 가공 조건으로 선정하고, 6 bar를 오버피닝 조건으로 선정하여 최적 피닝의 효과를 살펴보았다. 선정된 가공조건들로 실제 항공기 감속기 기어부품에 사용 되는 침탄열처리된 AISI 합금강 시편에 각각 마이크로 피닝 처리 후 피로 파단 수명변화를 관찰하였다. Fig. 13은 침탄열처리된 회전굽힘 피로시편의 표면에 최적 피닝조건 5 bar 및 오버피닝 조건 6 bar로 각각 마이크로 피닝 처리 후 피로시험하여 얻은 피로수명들을 보여준다. 이때 응력 진폭은 976 MPa이다. 피닝 처리를 하지 않은 침탄열처리 시편의 피로수명은 63,000 Cycles이며, 최적의 마이크로 피닝된 침탄열처리 시편의 피로수명은 4,200,000 Cycles로써 약 323%의 피로수명 증가를 보였다. 한편 오버피닝 조건의 6 bar로 피닝한 시편의 피로수명은 1,900,000 Cycles로써 피닝 처리하지 않은 시편보다 약 146% 수명이 증가되었다. 그러나 최적 피닝조건보다는 오히려 수명이 221% 감소되는 경향을 보였다. 이는 Fig. 14의 표면조도 측정결과 및 Fig. 15의 파단면 이미지를 통해 설명이 가능하다. Fig. 14의 표면조도 측정 결과를 살펴보면 피닝하지 않은 시편의 경우 시편을 바이트로 가공하면서 생성된 기계가공 줄무늬가 규칙적으로 연속적임을 알 수 있다. 중심선 평균거칠기 R_a가 1.72 mm이다. 한편 최적 마이크로 피닝 조건 5 bar로 처리된 시편의 경우 중심선 평균 거칠기 R_a가 0.87 mm로써 표면조도가 상당히 개선되었음을 알 수 있다. 또한 5 bar보다 투사에너지가 큰 6 bar로 마이크로 피닝 처리된 시편은 중심선 평균거칠기 R_a가 0.96 mm로써 피닝 처리하지 않은 시편보다는 표면 조도가 양호하나 최적 피닝 조건보다는 거칠다.

Fig. 10

Almen intensity variation with nozzle pressure

Fig. 11

The micro-peened Almen strips with nozzle pressure

Fig. 12

Fatigue fracture lives with peening nozzle pressure

Fig. 13

Fracture life in optimum and over-peening specimens

Fig. 14

Roughness profiles in unpeened and micro-peened specimens

Fig. 15

Fatigue fracture cross sections in (a) Unpeend, (b) Optimum peened, (3) Over peened specimens

Fig. 15(a)는 피닝하지 않은 침탄열처리 시편과 Fig. 15(b)는 최적마이크로 피닝 조건(5 bar), 그리고 Fig. 15(c) 오버피닝 조건(6 bar)으로 가공하여 피로시험 후 시편 중앙부위의 최소 단면적 부위에서 파단된 피로시험편의 파단 이미지들을 보여준다. 세 시험편 모두에서 전형적인 피로파단 양상이 나타남을 알 수 있다. 다만, 초기 균열의 발생 위치는 각각 차이를 보인다. 마이크로 피닝 처리하지 않은 시편은 일반적인 재료에서 볼 수 있듯이 표면에서 균열이 시작되나 마이 크로 피닝처리한 시편들은 모두 표면으로부터 어느 정도 떨어진 깊이에서 시작됨을 확인할 수 있다. 이것은 마이크로 피닝시 생성되는 압축잔류응력으로 인한 균열진전에 대한 저항특성과 피닝 후 표면경화로 인한 내부 균열의 생성 때문으로 판단된다.^12,13 또한 피닝 압력이 5 bar인 경우보다 6 bar인 경우가 초기 균열의 발생위치가 더 깊은데 이는 피닝 에너지가 클수록 표면부에 생성된 압축 잔류응력 층의 크기도 증가되므로 상대적으로 더 깊은 위치에서 초기 균열이 발생되기 때문으로 판단된다. 한편 6 bar 시험편은 표면에서 내부로 진행하는 균열 위치도 보인다. 궁극적으로 Fig. 13에서, 피닝 압력이 6 bar인 시편은 피닝에 의한 압축잔류응력의 영향으로 피닝하지 않은 시편보다는 수명이 뚜렷하게 증가하지만 표면조도가 최적 마이크로 피닝처리된 시편보다 거칠어 미세 균열이 표면에 발생할 수 있어 이로 인하여 수명이 감소된 것으로 보인다.^12,13 이와 같은 이유로 본 연구에서는 피닝 분사 압력이 5 bar일 때 AISI 합금강의 피로 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였으며, 소형 및 경량 유무인 항공기용 감속기어 부품은 물론 다양한 소형화된 내피로 부품들에도 최적의 마이크로 피닝조건을 적용하여 유효하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

5. 결론

본 논문에서는 유무인 항공기용 감속기 기어부품의 굽힘 피로 수명 향상을 위한 마이크로 피닝의 효과성에 대한 연구가 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 상용 에어피닝 장비를 이용하여 피닝 투사압력에 따른 알멘 강도를 측정하여 유효한 마이크로 피닝 조건 5 bar를 선정하였다. 이후 실제 감속기어용 소재인 AISI 합금강을 AMS2759/7 규정에 기초하여 침탄 열처리한 후 마이크로 피닝을 실시하였다.

(2) 유효 피닝조건인 5 bar로 마이크로 피닝처리한 시편이 가장 높은 파단수명을 주었으며, 이를 최적 마이크로 피닝조건으로 선정하였다. 최적 조건으로 가공된 시편은 피닝 처리하지 않은 시편보다 피로 수명이 약 323% 증가했다. 이와 달리 6 bar로 오버피닝 처리한 시편은 피닝 처리하지 않은 시편보다 피로수명이 약 146% 증가하였으나, 최적 피닝된 시편보다는 오히려 수명이 221% 감소되었다.

(3) 궁극적으로 본 연구에서는 마이크로 피닝의 효과를 확인하였으며, 유무인 항공기용 감속기 기어부품의 굽힘 피로특성을 효과적으로 향상시킬 수 있음은 물론 다양한 산업용 내구부품들에도 충분히 적용이 가능하다고 판단된다.

Acknowledgments

본 논문은 2016년도 산업통상자원부 산업기술혁신사업 항공우주부품기술개발사업(No. 10067095)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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