개념 한 쪽
기계요소의 표면 열화와 고장 유형을 이해하면 고장 원인 규명과 적절한 수리가 가능하다. 대표적 열화로는 표면피로에 의한 피칭과 베어링의 박리(flaking)가 있으며, 축의 휘어짐이나 부러진 볼트 같은 현장 고장은 전용 공구로 교정하거나 제거한다.
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출제기준 단원 「제어용 기계요소」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 표면피로(피칭) 판별 | 1 | 균열·윤활유 침투로 표면이 벗겨지는 현상을 가려내기 |
| 축 교정 공구 식별 | 1 | 현장서 휘어진 축을 바로잡는 전용 공구를 고르기 |
| 표면피로 유형 구분 | 1 | 기어 표면 열화에서 표면피로와 다른 현상을 구분하기 |
표면피로는 기어나 베어링 표면이 반복적인 접촉 압력에 의해 피로 누적이 발생하여 표면 조각이 떨어져 나가는 현상이다. 기어의 경우 초기 단계에 작은 구멍이 패이는 형식으로 나타나며 이를 피칭(Pitting)이라고 한다. 피칭의 진행 과정에는 반복 접촉응력으로 인한 균열 형성과, 균열 속으로 윤활유가 침투하면서 고압 상태로 균열이 확장되어 표면이 박리되는 메커니즘이 포함된다.
피칭은 윤활 상태와 국부 응력 집중과 밀접한 관련이 있다. 윤활이 부족하거나 접촉응력이 집중되는 부위에서는 균열 발생과 진행이 촉진되며, 이로 인해 금속 표면 일부가 떨어져 나간다. 스코어링(Scoring)은 윤활 불량으로 금속이 달라붙는 현상이고, 절손은 기계적 파단이나 큰 조각의 박리로 피칭과 구별된다.
베어링의 박리(flaking)는 반복 하중으로 인한 피로 누적으로 표면이 비늘 모양으로 벗겨지는 현상이다. 이 현상은 베어링 수명이 다해감의 신호로 해석하며, 박리와 피칭은 모두 피로 관련 열화이지만 발생 부위와 형태에서 차이를 보인다.
축의 구부러짐이나 국부 변형은 현장에서 교정 공구로 처리할 수 있다. 휘어진 축을 바로잡기 위해 사용하는 대표적인 공구는 짐크로(Jim Crow)로, 축을 지지하고 수압력 또는 지렛대 원리로 변형을 제거하여 원래 형태로 교정한다. 반면 부러진 볼트의 잔해는 스크류 엑스트랙터 같은 역나사 구조의 전용 추출 공구로 제거한다.
나사와 베어링의 조립에서는 끼워 맞춤의 원칙을 따른다. 내륜과 축 사이에는 회전 전달을 위해 억지 끼워 맞춤을 주어 미끄러짐을 방지하고, 외륜과 하우징 사이에는 고정체로서 헐거운 맞춤을 적용하는 것이 일반적이다. 볼트 너트의 풀림 방지에서는 두 개의 너트를 이용해 두 번째 너트를 고정한 뒤 최초 너트를 약간 역회전하여 너트 간 압착력으로 풀림을 억제하는 로크 너트 방식이 있다.
피칭과 스코어링 판별 문제는 설명의 핵심 키워드로 구별한다. '반복 접촉응력으로 균열이 생기고 윤활유가 균열 속으로 침투하여 표면이 일부 떨어져 나간다'는 서술이 있으면 피칭을 정답으로 선택한다. 반대로 윤활 부족으로 마찰열과 용착 현상이 언급되면 스코어링을 선택해야 한다.
현장 공구 선지에서 '축 교정'이 문제의 의도일 때는 짐크로를, '부러진 볼트 제거'가 의도일 때는 스크류 엑스트랙터를 선택하는 방식으로 접근한다. 공구의 고유 기능과 용도를 기준으로 선지를 소거하면 정답을 도출하기 쉽다.
기어가 회전할 때 이의 면에 반복되는 접촉압력에 의해 균열이 발생하고 균열 속에 윤활유가 침투하여 이의 면의 일부가 떨어져 나가는 현상은?
정답 ④ · 기어의 피칭(Pitting)은 치면이 반복적인 접촉 압력을 받으면서 표면 아래에 미세한 균열이 발생하고, 그 균열 사이로 윤활유가 침투하여 압력이 높아지다가 결국 표면의 금속 조직이 떨져 나가 피트(작은 구멍)가 생기는 현상입니다. 이는 주로 기어의 표면 경도가 불충분하거나 과부하가 걸릴 때 발생하는 대표적인 표면 피로 파손 형태입니다.
기어 표면의 반복 압력으로 균열이 생기고 윤활유 침투로 금속이 떨어지는 현상을 피칭(Pitting)이라고 합니다.
박리현상(flaking)에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ② · 박리 현상(Flaking)은 베어링이 반복적인 하중을 받아 재료에 피로가 누적됨에 따라, 궤도면이나 전동체 표면에서 미세한 균열이 생기고 표면이 비늘 모양으로 떨어져 나가는 현상입니다. 이는 베어링 수명의 한계를 나타내는 주요 징후입니다.
박리현상은 반복 하중으로 인한 피로 누적에 의해 베어링 표면이 비늘 모양으로 벗겨지는 현상이다.
베어링을 축이나 하우징에 조립할 때 일반적인 끼워 맞춤의 관계가 적당한 것은?
정답 ① · 베어링을 조립할 때, 회전력을 전달하는 내륜과 축 사이에는 미끄러짐을 방지하기 위해 억지 끼워 맞춤(Interference fit)을 합니다. 반면 외륜과 하우징 사이는 일반적으로 헐거운 끼워 맞춤 또는 고정 끼워 맞춤을 하여 온도 변화에 의한 팽창을 수용합니다.
회전력 전달용 내륜과 축은 미끄러짐 방지를 위해 억지 끼워 맞춤을 한다.
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