KR100612758B1 - 고정밀 평기어의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가장 대표적인 기어인 평기어(Spur Gear)를 기계 가공에 의하지 않고 냉간 단조에 의해 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 고정밀 평기어의 제조방법은, 기어 형상의 내면을 갖는 다이(Die) 및 기어 형상의 외면을 갖는 펀치(Punch)를 구비한 단조금형에서 평기어를 제조하는 방법에 있어서, 원형 형상의 소재(11)의 양면(11b, 11d)을 가압하여 소재의 측면 중앙부위(11c)를 볼록하게 형성하거나, 또는 상기 원형 형상의 소재를 압출하여 튜브 형상으로 한 다음, 상기 소재를 상기 다이(33)에 정치한 상태에서, 소재를 가압하는 면이 테이퍼 형상의 돌출부(31a, 32a)를 갖는 상하부 펀치(31, 32)에 의해 상기 소재의 중앙 안쪽의 상하 양단부위(11a, 11a)를 구속하면서 상기 소재의 두께방향의 양면(11b, 11d)을 가압하여 단조하는 것을 그 특징으로 한다.

이러한 방법에 의하면, 기존의 평기어 제조공정에 비하여 단조공정이 간단하고 단조 가압력을 크게 줄일 수 있으며, 무엇보다도, 제조된 평기어는, 기어의 형상 결함이 완전히 제거되며 치형 정밀도가 높기 때문에, 자동차용 부품 수준인 KS 2~4급 수준을 확보할 수 있다.

평기어, 단조, 정밀도, 펀치

Description

고정밀 평기어의 제조방법{Method for Fabrication of Spur Gear with High Precise Dimension}

도 1은, 본 발명의 제1실시예에 따라 원형 형상의 소재로부터 평기어가 제조되는 과정을 설명하기 위한 제품에 대한 사시도이다.

도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 평기어 제조과정을 도시한 금형과 제품에 대한 단면도이다.

도 3은, 본 발명의 제2실시예에 따라 원형 형상의 소재로부터 평기어가 제조되는 과정을 설명하기 위한 제품에 대한 사시도이다.

도 4는, 본 발명의 제2실시예에 따른 평기어 제조과정을 도시한 금형과 제품에 대한 단면도이다.

도 5는, 본 발명의 제조방법에 적용되는 펀치에 대한 사시도이다.

도 6은, 본 발명의 제1, 제2실시예에 따라 제조된 평기어에 대한 치수정밀도를 도시한 그래프이다.

도 7은, 종래의 압출단조방식에 따라 제조된 평기어에 대한 치수정밀도를 도시한 그래프이다.

도 8은, 종래의 압출단조방식에 의한 평기어 제조과정을 설명하기 위한 금형과 소재에 대한 도면으로서, 도 8a는 단면도이고, 도 8b는 금형에 대한 상세도이 다.

도 9는, 도 8에서 제조된 평기어에 대한 외관도이다.

도 10은, 종래의 다른 단조방식에 따라 링(Ring) 형상의 소재로부터 평기어가 제조되는 과정을 설명하기 위한 제품에 대한 사시도이다.

도 11은, 종래의 다른 단조방식에 따른 평기어 제조과정을 도시한 금형과 제품에 대한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 20 ...... 평기어

11, 21 ...... 소재

30, 40 ...... 금형

31, 32 ...... 펀치(Punch)

33 ....... 다이(Die)

본 발명은 가장 대표적인 기어인 평기어(Spur Gear)를 기계 가공에 의하지 않고 냉간 단조에 의해 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 평기어는, 주조 또는 기계가공이나 단조에 의해 제조된다. 기계가공에 의한 방법은 기어의 치수 정밀도가 높은 장점이 있으나, 점진적으로 가공이 이루어지므로, 단 한번의 타격에 의해 기어 형태가 완성되는 단조공정에 비해 생산성 측면에서 경쟁력이 없다. 그러나, 단조공정은 정밀도 측면에서 자동차 부품 적용 가능 수준인 KS 2~4급의 정밀도가 높은 기어 제작에 어려움이 있었기 때문에, 농기계용 정도 수준까지의 기어를 제조하는데 이용되어 왔다. 예컨대, 냉간 단조로 기어를 제조하게 되면, 금형보다 단조품 치수가 평균 0.1mm 이상 더 크게 제조되기 때문에, 단조품의 치수를 원하는 정밀도로 제조하기 위해서는 금형과 단조품 사이의 치수 차이가 발생되는 원인과 그 양을 정량적으로 분석하여, 이를 단조금형에 보정해야 하는 어려움이 존재한다. 이러한 이유로 최근 단조공정에 의해 기어를 제조할 때, 기어의 치수정밀도를 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그 일례로서, 기어를 냉간단조로 제조할 경우 금형 강도와 수명을 위해 대부분 압출단조공정을 이용하는데, 이러한 종래의 압출단조방식에 의한 평기어의 제조과정이 도 8에 도시되어 있다.

즉, 압출형 단조 공정은 도 8a에 도시된 바와 같이, 펀치(Punch, 2)가 금형다이(Die, 3) 내부에서 하부로 진행하게 되면, 다이(3)에 형성되어 있는 음각의 기어 형상, 즉 치형부(Tooth, 3b)에 의해 단조 소재(1)가 소성변형이 일어나 기어 모양으로 성형되게 된다. 이때, 다이(3)에는 압출이 시작되는 부위에 단조 소재(1)의 원활한 유동을 유도하기 위해 도 8b에 도시된 바와 같이, 다이(3)의 코너 부위(3a)가 둥글게 가공되어 있다. 이것은, 원주 방향으로 구성되어 있는 다이(3)의 치형부 각각에 존재하는 코너 부위를 동일한 반경으로 가공 및 사상하기가 매우 곤란하다는 것을 의미한다. 그 결과, 압출이 되는 각 위치마다 기어의 치형은 서로 다른 곡률 반경을 갖는 금형에서 압출 형태로 변형이 발생되며, 각 위치마다 압출 변형 속 도가 다르게 되므로, 이러한 각 부분의 속도 차이에 의해 기어의 정밀도 측정 항목 가운데 하나인 선단부 정밀도(Lead Accuracy)가 저하되게 된다.

도 9는 이러한 압출단조방식에 의해 실제 제조된 평기어의 일례를 보이고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 압출단조방식을 이용할 경우에는 기어(1)의 선단부(1a)에서 미성형 부위가 발생하기 때문에 정밀도 높은 기어를 제조하는데 어려움이 있다.

이러한 압출단조방식에 따른 단점을 개선하기 위하여, 일본 공개특허공보 2000-210753호에는 새로운 단조방식이 개시되어 있다. 상기 방법에 따른 평기어의 제조과정이 도 10과 도 11에 도시되어 있다.

상기 방법은 도 11에 도시된 바와 같이, 기어의 원형형상의 금형면 및 깊이방향의 중앙부에 반경 안쪽방향으로 연신된 환상의 자유공간을 갖는 황지(荒地)단조금형(113)을 이용해서, 링 형상의 소재(101)에 대하여 그 두께방향의 양면을 가압하여 반경방향으로 소성변형시켜, 상기 소재의 내주면의 두께방향의 중앙부에 자유공간(e1) 내로 팽창하는 환상의 돌출부(102c)를 형성하는 동시에, 상기 소재의 외주면에 중간치형부를 형성한 중간단조품(102)을 단조하는 제1단조공정(도 11a 및 도 11b)과, 기어형상의 금형면을 갖는 마무리 단조금형(123)을 이용해서, 상기 중간단조품의 돌출부의 선단(102c)을 구속하면서 상기 중간단조품(102)의 두께방향의 양면을 가압하여 최종단조품(103)을 형성하는 제2단조공정(도 11c 및 도 11d)으로 이루어진다.

상기 방법에 의하면, 압출단조에서 발생되는 선단부 미성형 부위를 방지하며, 제1단조공정과 제2단조공정이라는 두 단계의 단조공정만으로 공정수를 줄이는 동시에 가압의 크기를 저감할 수 있으나, 적용되는 소재가 링 형상의 소재에 국한되어 있고, 특히 여전히 공정수나 공정부하가 크다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 평기어 제조에서의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 평기어의 선단부의 리드 정밀도를 높이면서도 기존의 공정수 및 공정부하를 더욱 줄일 수 있는 고정밀 평기어의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 동일한 금형에서 다양한 소재를 단조하여 고정밀 평기어를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 고정밀 평기어의 제조방법은, 기어 형상의 내면을 갖는 다이 및 기어 형상의 외면을 갖는 펀치를 구비한 단조금형에서 평기어를 제조하는 방법에 있어서, 원형 형상의 소재의 양면을 가압하여 소재의 측면 중앙부위를 볼록하게 형성한 다음, 상기 소재를 상기 다이에 정치한 상태에서, 소재를 가압하는 면이 테이퍼 형상의 돌출부를 갖는 상하부 펀치에 의해 상기 소재의 중앙 안쪽의 상하 양단부위를 구속하면서 상기 소재의 두께방향의 양면을 가압하여 단조하는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고정밀 평기어의 제조방법은, 기어 형상의 내면을 갖는 다이 및 기어 형상의 외면을 갖는 펀치를 구비한 단조금형에서 평기어를 제조하는 방법에 있어서, 원형 형상의 소재를 압출하여 튜브 형상으로 형성한 다음, 상기 소재를 상기 다이에 정치한 상태에서, 소재를 가압하는 면이 테이퍼 형상의 돌출부를 갖는 상하부 펀치에 의해 상기 소재의 중앙 안쪽의 상하 양단부위를 구속하면서 상기 소재의 두께방향의 양면을 가압하여 단조하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은, 본 발명의 제1실시예로서, 원형 형상의 소재로부터 평기어가 제조되는 과정을 보이고 있으며, 도 2는 본 발명의 금형에서 제1실시예에 따라 평기어를 제조하는 순서를 보이고 있다. 도 2에서 중심선을 기준으로 우측은 성형 전 또는 단조 전을 나타내며, 좌측은 성형 후 또는 단조 후를 나타낸다.

본 발명의 제1실시예에 따른 평기어의 제조방법은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 우선 원형 형상의 소재(11)의 양면(11b, 11d)을 가압하여 소재의 측면 중앙부위(11c)를 볼록하게 형성하는 것이 필요하다. 도 1b는 측면 가운데 부분(11c)이 볼록한 소재(11)의 모습을 보이고 있다. 이러한 소재에 대한 예비 성형과정은, 이후에 실시되는 기어 단조과정에서 소재의 측면 양단, 즉 선단부에서의 미성형 부위를 방지하는 동시에, 단조 가압력을 저감할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 소재(11)의 양면(11b, 11d)을 가압할 때 일반적인 프레스 가압에 의해서도 가능하므로, 이 과정에서는 별도의 단조금형은 필요없다.

그 다음, 상기 예비 성형된 소재(11)를 상기 다이(33)에 정치(도 2c의 우측)하여 소재의 볼록부(11c)가 다이(33)의 치형부(33b)의 내주면 바깥에 접촉되도록 한다.

본 발명의 단조금형(30)은 상기 다이(33)의 경우 내주면(33b)에, 그리고 상하 펀치(31, 32)의 경우 외주면(31b, 32b)에 치형이 형성되어 있다. 특히, 본 발명에 부합되는 단조금형(30)은 도 5에 도시된 바와 같이, 상하 펀치(31, 32)의 가압 면(31c, 32c)에 테이퍼 형상의 돌출부(31a, 32a)가 형성되어 있다. 상기 펀치(31, 32)의 돌출부(31a, 32a)에 의해 소재(11)의 양단부(11a, 11a)는 반경 중심 방향으로 흐르지 못하고 구속되면서 가압되어 소재의 선단부가 완전히 성형될 수 있다. 즉, 상하부 펀치(31, 32)에 의해 다이(33) 내의 소재를 가압하면, 상기 소재의 중앙 안쪽의 상하 양단부위(11a, 11a)가 구속되면서 상기 소재의 두께방향의 양면(11b, 11d)이 가압(도 2c의 좌측)되어 단조된다. 도 1c에는 단조된 평기어의 형상을 보이고 있다.

도 2d는 마무리 단조금형(40)에서 빠짐없이 행하는 교정공정(Sizing)으로서 기어의 치수 정밀도를 위해 통상적으로 행해지는 공정이다.

한편, 상기 제1실시예에서와 달리, 본 발명에 따른 제2실시예에서는 동일한 단조금형을 사용하여 단조공정에서 단조 부하를 보다 저감할 수 있는 방법을 제공한다.

도 3은, 본 발명의 제2실시예로서, 원형 형상의 소재로부터 다른 평기어가 제조되는 과정을 보이고 있으며, 도 4는 본 발명의 금형에서 제2실시예에 따라 평기어를 제조하는 순서를 보이고 있다. 도 2에서와 마찬가지로, 도 4에서 중심선 우측은 성형 전 또는 단조 전을 나타내며, 좌측은 성형 후 또는 단조 후를 나타낸다.

본 발명의 제2실시예에서는, 도 4b와 같이 소재의 한쪽 또는 양단에 배압을 걸어 원형 형상의 소재(21)를 압출하여 내부를 관통함으로써, 도 4c와 같이 튜브 형상으로 형성한다. 도 3c에 튜브로 압출된 소재를 보이고 있다.

그 다음, 상기 소재를 제1실시예에서와 같은 다이(33)에 정치한 상태(도 4d 의 우측)에서 상하부 펀치(31, 32)에 의해 상기 소재의 중앙 안쪽의 상하 양단부위(21a, 21a)를 구속하면서 상기 소재의 두께방향의 양면(21b, 21d)을 가압(도 4d의 좌측)하여 단조한다. 도 3d에 단조된 평기어의 모습이 나타나 있다.

도 4e는 도 2d에서와 마찬가지로, 마무리 단조금형(40)에서 통상적으로 실시되는 교정공정이다.

제2실시예의 경우, 제1실시예에 비하여 소재 자체가 속이 비어 있는 중공형으로 성형되므로, 단조공정에서의 가압력이 클 필요가 없게 된다. 또한, 제2실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 평기어 제조방법은 봉재와 같은 원형의 소재를 이용하여 단조 공정을 통하여 평기어를 제조하고 있으나, 바로 도 4c와 같은 링 형상의 소재를 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제조방법은 다양한 형상의 소재를 이용할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 평기어에 대한 치수 정밀도를 실시예를 통하여 구체적으로 살펴본다.

[실시예]

중량%로, C: 0.17~ 0.23%, Si: 0.15~ 0.35%, Mn: 0.55~ 0.90%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, Ni: 0.25% 이하, Cr: 0.85~ 1.25%, Cu: 0.030%를 만족하는 SCr420H 기어용 소재를 이용하여, 제1, 제2실시예에 따른 방법으로, 모듈 1.75, 피치원 지름 26.25mm인 평기어를 제조하였다.

도 6은 제1실시예(발명예 1)와 제2실시예(발명예 2)에 따라 제조된 평기어에 대하여 각 부위별로 측정된 선단부 정밀도를 나타내고 있다. 제조된 평기어가 KS 3급 수준 정도를 만족하기 위해서는, 치형 오차와 선단부 정밀도의 오차가 모두 10㎛ 이내에 존재해야 고정밀도의 기어로 평가될 수 있다. 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명예 1, 2의 평기어에서는, 선단부 정밀도가 10㎛ 이내로 미성형 부위 제어가 가능하며, 목표 정밀도 또한 충분히 만족하고 있다.

한편, 비교를 위하여 압출단조를 이용하여 동일한 치수의 평기어를 제조하고 선단부 정밀도를 측정한 결과, 도 7과 같았다.

도 7에 나타나 있는 바와 같이, 종래의 평기어는, 선단부 정밀도가 ±20㎛까지 매우 큰 차이를 나타내고 있다. 이 경우 선단부 정밀도 향상을 위해 압출 성형 후 교정공정을 다시 한번 시행하면, 최대 15㎛까지 정밀도가 향상되지만, 요구 정밀도인 10㎛은 여전히 만족하지 못하고 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기존의 평기어 제조공정에 비하여 단조공정이 간단하고 단조 가압력을 크게 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 평기어는, 기어의 형상 결함이 완전히 제거되며 치형 정밀도가 높기 때문에, 자동차용 부품 수준인 KS 2~4급 수준을 확보할 수 있다.

Claims (4)

1. 기어 형상의 내면을 갖는 다이(Die) 및 기어 형상의 외면을 갖는 펀치(Punch)를 구비한 단조금형에서 평기어를 제조하는 방법에 있어서,

   원형 형상의 소재(11)의 양면(11b, 11d)을 가압하여 소재의 측면 중앙부위(11c)를 볼록하게 형성한 다음, 상기 소재를 상기 다이(33)에 정치한 상태에서, 소재를 가압하는 면이 테이퍼 형상의 돌출부(31a, 32a)를 갖는 상하부 펀치(31, 32)에 의해 상기 소재의 중앙 안쪽의 상하 양단부위(11a, 11a)를 구속하면서 상기 소재의 두께방향의 양면(11b, 11d)을 가압하여 단조하는 것을 특징으로 하는 고정밀 평기어의 제조방법.
2. 기어 형상의 내면을 갖는 다이 및 기어 형상의 외면을 갖는 펀치를 구비한 단조금형에서 평기어를 제조하는 방법에 있어서,

   원형 형상의 소재(21)를 압출하여 튜브 형상으로 형성한 다음, 상기 소재를 상기 다이(33)에 정치한 상태에서, 소재를 가압하는 면이 테이퍼 형상의 돌출부(31a, 32a)를 갖는 상하부 펀치(31, 32)에 의해 상기 소재의 중앙 안쪽의 상하 양단부위(21a, 21a)를 구속하면서 상기 소재의 두께방향의 양면(21b, 21d)을 가압하여 단조하는 것을 특징으로 하는 고정밀 평기어의 제조방법.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 소재를, 단조 후에 치수 정밀도를 위하여 마무리 단조(Sizing)를 행하는 것을 특징으로 하는 고정밀 평기어의 제조방법.

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