November 19, 2025
샤프트는 기계 공학에서 가장 기본적인 구성 요소 중 하나로, 소형 전기 모터에서 대형 산업용 터빈에 이르기까지 거의 모든 기계에서 동력 전달, 모션 제어 및 구조적 지지대의 회전 백본 역할을 합니다. 드라이브 샤프트, 차축, 스핀들 또는 로터와 같은 샤프트의 기능은 동심도, 직진도, 표면 마감 및 엄격한 치수 공차 측면에서 탁월한 정밀도를 요구합니다. 이러한 수준의 정확성을 달성하려면 특수하고 종종 복잡한 가공 공정이 필요합니다.
정밀 샤프트 가공은 단일 작업이 아니라 금속 제거 및 마감 기술의 통합된 시퀀스입니다. 이 기사에서는 원자재 준비부터 최종 표면 개선까지 고정밀 샤프트 제조에 관련된 10가지 중요한 공정을 자세히 설명합니다.
터닝은 거의 모든 샤프트의 기본 공정입니다. 터닝에서는 공작물(샤프트 블랭크)이 회전하는 동안 단일 포인트 절삭 공구가 축을 따라 선형으로 이동합니다. 이 작업은 직경을 줄이고, 숄더, 스텝, 테이퍼를 만들고, 샤프트의 기본 형상을 윤곽화하는 데 사용됩니다.
정밀 초점: 최신 CNC 선반 및 터닝 센터는 높은 정확도를 제공하며, 종종 $pm 0.0005$ 인치 ($pm 0.013 text{ mm}$) 이내의 공차를 유지합니다. 고정밀 터닝은 특수 인서트와 진동 감쇠를 사용하여 후속 공정 전에 우수한 표면 마감과 정확한 직경 정확도를 보장합니다.
터닝이 샤프트의 회전 대칭을 정의하는 반면, 밀링은 동력 전달 및 장착에 중요한 비대칭 기능을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 기능에는 기어 또는 풀리와 같은 구성 요소를 고정하기 위한 키홈(키용 슬롯), 고토크 전달을 위한 스플라인(맞물림 홈), 장착 또는 렌치 적용을 위한 평평한 표면이 포함됩니다.
정밀 초점: CNC 밀링 센터는 키홈 또는 플랫이 샤프트의 회전축과 완벽하게 정렬되도록 하여 수직성을 유지하고 깊이와 너비를 엄격한 공차로 제어하여 구성 요소가 안전하고 흔들림 없이 결합되도록 합니다.
샤프트는 윤활, 장착 핀 또는 냉각 또는 무게 감소를 위한 내부 기능에 교차 구멍이 필요한 경우가 많습니다. 태핑은 이러한 구멍 내부에 내부 나사산을 절단하는 공정입니다.
정밀 초점: 정밀 샤프트의 경우 교차 구멍은 축에 수직으로 정확하게 배치해야 합니다. 태핑은 안정적인 고정 또는 유체 밀봉을 보장하기 위해 특정 나사산 등급(예: $3A$ 또는 $4H$)을 충족해야 하며, 종종 강성 태핑 또는 나사산 밀링 기술이 필요합니다.
연삭은 일반적으로 최종 기하학적 정확도와 표면 마감을 달성하는 데 가장 중요한 공정입니다. 연마 휠을 사용하여 샤프트 표면에서 매우 적은 양의 재료를 제거합니다.
원통형 연삭: 샤프트가 회전하는 동안 고속 연삭 휠이 표면을 가로질러 이동하며, 외부 직경(OD)을 마감하고 매우 정확한 직경, 직진도 및 동심도를 만드는 데 사용됩니다.
센터리스 연삭: 샤프트는 작업대 블레이드로 지지되고 제어 휠로 조절되므로 센터가 필요하지 않습니다. 이는 매우 곧고 엄격한 공차 샤프트의 대량 생산에 매우 효율적입니다.
정밀 초점: 연삭은 $0.8 text{ Ra}$ 또는 그 이상의 표면 마감과 $pm 0.0001$ 인치 ($pm 0.0025 text{ mm}$)까지의 치수 공차를 달성할 수 있으며, 베어링 저널 및 밀봉 표면에 필수적입니다.
이들은 연삭 후 중요한 베어링 표면의 표면 질감과 기하학적 모양을 더욱 개선하는 데 사용되는 슈퍼 마감 공정입니다.
래핑: 샤프트와 회전 랩 사이에 느슨한 연마 슬러리를 사용하여 연삭으로 남은 미세 스크래치를 제거하고 초미세 표면 마감을 달성합니다.
호닝: 주로 내부 보어에 사용되지만 특정 외부 원통형 기능에 적용하여 움직이는 부품의 오일 유지를 위해 필수적인 특정 교차 해치 패턴을 보장할 수 있습니다.
정밀 초점: 이러한 방법은 표면 거칠기 요구 사항이 나노미터 범위에 있을 때 사용되며, 유압 부품 및 고속 베어링에 중요합니다.
제트 엔진, 로터 또는 고속 스핀들과 같은 고속 샤프트는 동적으로 밸런싱되어야 합니다. 약간의 불균형이라도 심한 진동, 베어링의 조기 마모 및 구조적 고장을 유발할 수 있습니다.
정밀 초점: 동적 밸런싱은 완성된 샤프트를 고속으로 회전시키고 진동력을 측정하는 것을 포함합니다. 그런 다음 소량의 재료를 전략적으로 제거(또는 덜 일반적으로 추가)하여 중력 중심을 회전축과 일치시켜 작동 속도에서 부드러운 작동을 보장합니다.
열처리는 제거 공정이 아니라 작동 환경에 맞게 재료의 특성을 수정하는 필수 단계입니다. 공정에는 강도와 내마모성을 높이기 위한 경화(예: 담금질 및 템퍼링) 또는 가공성을 개선하기 위한 어닐링이 포함됩니다.
정밀 초점: 경화는 종종 약간의 치수 변화(왜곡)를 유발합니다. 따라서 정밀 샤프트는 일반적으로 거칠게 가공되고 열처리된 다음 최종 치수로 마감 가공/연삭되어 열 왜곡을 보상합니다. 침탄 (예: 침탄)은 강하고 연성적인 코어를 유지하면서 단단하고 내마모성 표면을 만드는 데 자주 사용됩니다.
내마모성, 내식성 또는 마찰 특성을 향상시키기 위해 샤프트는 표면 증착 공정을 거칠 수 있습니다.
경질 크롬 도금: 매우 단단하고 마찰이 적으며 내식성 표면을 만들기 위해 적용되며, 일반적으로 유압 실린더 로드에 사용됩니다.
니켈 도금: 우수한 부식 방지 기능을 제공합니다.
열 스프레이(예: 세라믹 또는 금속 코팅): 극한의 마모 또는 열 장벽에 특수 재료를 증착하는 데 사용됩니다.
정밀 초점: 이러한 공정은 증착된 층의 두께(마이크론 두께일 수 있음)가 최종 샤프트 직경에 영향을 미치므로 엄격하게 제어해야 합니다. 도금된 샤프트를 공차 내로 되돌리기 위해 후속 연삭이 필요한 경우가 많습니다.
가공, 열처리 또는 심지어 단조 공정 중에 도입된 잔류 응력은 샤프트가 휘어지거나 직진도(런아웃)를 잃게 할 수 있습니다.
정밀 초점: 교정은 미세한 런아웃 오류를 수정하는 데 사용되는 수동 또는 유압 프레스 작업입니다. 여기에는 높은 기술이 필요하며 샤프트 길이에 걸쳐 런아웃이 허용 가능한 한계 내로 최소화되도록 다이얼 표시기와 V 블록과 같은 정밀 측정 도구에 의존하는 경우가 많습니다.
가공 공정은 아니지만 최종 검사는 샤프트가 모든 정밀 요구 사항을 충족하고 내부 결함이 없는지 확인하는 데 중요합니다. 기술은 다음과 같습니다.
자분 탐상 검사(MPI): 특히 강자성 샤프트의 표면 및 표면 근처의 균열을 감지합니다.
초음파 검사(UT): 재료 구조 내의 내부 결함, 공극 또는 개재물을 감지합니다.
좌표 측정기(CMM): 복잡한 형상, 구멍 위치 및 치수 공차를 고정밀도로 확인하는 데 사용됩니다.
정밀 초점: 정밀도의 절정은 품질을 정확하게 측정하고 입증하는 능력입니다. 검사 공정은 샤프트의 최종 형태, 적합성 및 기능이 엄격하게 정의된 엔지니어링 사양 내에 있는지 확인합니다.
