KR101367051B1 - 냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상방과 하방이 관통 형성되고 내면에 복수의 나선형의 치형이 형성된 냉간압출금형을 이용하여 원소재를 상방으로부터 가압하여 치형에 대응되도록 가공시키는 1차가공단계와, 하방으로부터 가압하여 추출하면서 가공시키는 2차가공단계를 거친 후에, 성형품의 양측을 선삭 가공하여 최종 헬리컬 기어를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법{A MANUFACTURING METHOD OF HELICAL GEAR}

본 발명은 냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상방과 하방이 관통 형성되고 내면에 복수의 나선형의 치형이 형성된 냉간압출금형을 이용하여 원소재를 상방으로부터 가압하여 치형에 대응되도록 가공시키는 1차가공단계와, 하방으로부터 가압하여 추출하면서 가공시키는 2차가공단계를 거친 후에, 성형품의 양측을 선삭 가공하여 최종 헬리컬 기어를 제조하는 방법에 관한 것이다.

기어 이를 제작하는 방법으로는 주조법에는 샌드캐스팅(Sand Casting), 인젝션 몰딩(Shell Molding), 인베스트먼트 주조법(Investment Casting), 영구주조법 (Permanent Mold Casting),다이 캐스팅(Die Casting) 및 원심 주조법(Centrifugal Casting) 등 매우 많은 방법이 있다. 또한 분말 야금(Powder-Metallurgy Process) 이나 압출(Extrus- ion) 등에 의해서도 만들어 니고, 냉간 성형(Cold Forming), 냉간 전조법(Cold Rol- ling) 등에 의해서도 기어 이를 제작할 수 있다.

그러나 고하중이 작용하거나 정밀한 치형을 얻기 위해서는 현재 대부분의 경우 절삭 가공법을 이용하고 있다. 절삭 가공법 중 대부분을 차지하는 창성 (Gene- rating Machining)가공법이다. 절삭 가공법으로는 밀링, 세이핑, 또는 호빙 등의 방법이 있으며 절삭 가공으로 가공된 기어는 세이빙, 그라인딩 또는 래핑 등의 방법으로 다듬어지게 된다.

가장 간단한 치절삭법으로 치홈과 같은 윤곽을 지닌 커터로 한 홈을 깎았으면 기어소재를 색인하여 다음 치홈을 절삭해 나가는 방법이다. 기어밀링은 스퍼기어와 헬리컬 기어의 황삭과 마무리 공정에 적용될 수 있다. 기어밀링은 다양한 용도로 적용될 수 있으나 실제로는 특별한 치형을 가진 소량 생산품이나 교체 기어용에 한정되어 사용되어진다. 기어크기와 기계의 용량에 따라서 표준 밀링기는 자동이나 수동의 색인 기구와 함께 사용한다. 기어 외에도 밀링은 스포로켓, 스플라인, 랙, 라쳇 등의 가공에도 사용된다. 아래 그림은 기어 밀링 기계의 한 예이다. 전용의 치절삭반이 아니더라도 색인대와 소용의 치절삭용 밀링커터만 있으면 일반 밀링반에서도 기어를 절삭할 수가 있다.

호브를 사용한 창성 절삭 가공법은 극히 생산성이 높고 또 높은 가공 정밀도가 얻어지므로 가장 일반적으로 채용되고 있는 기어 제작법이다. 이렇게 호브를 사용하여 창성 절삭 가공 법을 할 목적의 공작기계는 호브반이라 하고 있고 호브반이 발명된 이후 다른 기어 제조법을 압도하고 널리 보급이 되었다.

많은 기어가 한 번 절삭으로 호브 가공이 마무리된다. 그 외의 기어의 경우는 세이빙이나 그라인딩 작업전의 반마무리 호빙 가공을 하거나 마무리 호빙전의 황삭 호빙 가공으로 작업 된다. 경화 열처리 후 그라인딩 하거나 경화기어 마무리 가공으로 다듬질된다. 호빙은 양산 공정에 적합하다. 특별한 부품의 대량생산을 위하여 자동기계가 개발이 되었다. 그 외에도 호빙기는 취부가 편리하기 때문에 소량 생산에도 쉽게 채택이 된다. 호빙에 의해서 생성되는 부품의 정밀도는 호브반의 정밀도, 공구의 강성, 치형의 정도, 작업물과 호브의 취부 정도, 호브의 정밀도 등에 의하여 결정된다. 정확한 기계와 공구 선정에 주의를 기울이면 호빙가공으로 AGMA 정밀도 등급 1,2정도의 기어를 가공 할 수 있다. 적절한 공구 선정과 적은 양의 피드를 사용하면 대단히 정밀한 다듬질을 얻을 수 있다. 호빙가공은 모든 종류의 기어 재질에 적용할 수 있다. TiN코팅된 고속도강 호브는 철, 비철, 비금속 재질 등의 절 삭에 사용된다.

호브반은 특별한 동작을 할 수 있도록 할 수 있다. 표준 호브반에서 기어 이를 특수한 호 브로 모따기를 할 수 있고 호브와 작업물 사이의 중심거리를 연속적으로 변화시켜 가공함으 로 크라운 형상의 치형을 가공 할 수 있다. 원하는 결과를 얻기 위해서는 기계의 여러 요소 사이의 정확한 관계가 필요하다. 호브는 작업물 회전과 연동하여 정확하게 회전하는 것이 필요하다.

호빙과 같이 세이핑은 창성공정이다. 사용되는 툴은 호빙의 웜 (Worm)형 공구 대신에 피니 언(Pinion) 형 공구가 사용된다. 피니언 커터가 수직축을 따라 왕복하면서 기어 모재쪽으로 원하는 깊이만큼 천천히 이송된다. 피치원이 접하게 되면, 절삭 행정만큼 커터와 모재를 회전 시킨다.

브로칭은 키홈, 스프라인 등의 가공에 널리 사용되는 방법이다. 이 브로칭 가공도 기어 가공에 사용 될 수 있다. 브로칭은 높은 생상성을 가진 공정이다. 가끔씩 다른 공정으로 높은 정밀도를 얻을 수 없는 소량 생산 부품에 대하여 정밀도를 확보하기 위하여 사용된다. 브로칭은 브로치라 불리는 다수의 이빨이 가공된 공구를 당기거나 밀어서 금속을 제거하는 가공이다. 매끈한 다듬질 면을 생성하는 빠르고 정확한 공정이다. 주로 內스퍼기어나 內헬리컬 기어 가공에만이 사용된다. 황삭과 다듬질이 브로치 1회 가공에 모두 포함되어 있다. 아래 그림은 브로치 가공 원리이다. 브로칭은 원칙적으로 대량생산성을 요하는 부품에 사용된다.

자동차용 기어는 소음이 적고, 균일한 고정도의 기어를 대량으로 게다가 염가로 생산하지 않으면 안 된다. 그러므로 헬리컬기어 및 스퍼기어는 호브 또는 피니언형 커터로 되도록 고 정밀도로 치절삭한 다음 다듬질 가공으로서, 가장 생산성이 높은 세이빙 가공으로 더욱 정 밀도를 높여 치면을 매끈하게 하고 열처리 후에는 호닝다듬질을 한다. 세이빙은 관리를 철 저히 하면 연삭 다듬질에 비해 비교도 안될 정도의 짧은 시간에 아무나 쉽게 할 수 있는 작 업으로 연삭기어에 맞먹는 높은 정밀도의 기어를 싼값으로, 생산할 수 있다. 호빙이나 세이빙에 의해 표준 황삭 공정을 거친 기어의 품질을 높이는 방법에는 여러 가지가 있다. 그 중 세이빙은 열처리 전에 무른 상태에서 실시된다. 이 공정은 열처리 도중에 일어나는 변형을 보상하기 위하여 변형을 예상하여 치형을 수정한다. 세이빙은 기어치면에서 소량의 금속을 제거하여 다듬질하는 공정이다. 그 목적은 인덱스 오차, 나선각, 치형, 편심 등을 수정하는 데 있다. 세이빙은 소음을 줄이고 하중전달 능력, 안전률, 운전수명 등을 증가시키는 치형 수정을 제공한다.

열처리후 세이빙 가공과 거의 같은 방법으로 커터 대신에 헬리컬기어형의 호닝 툴을 이용 하여 소음의 발생 원인이 되는 생산 공정 중에 생긴 흠집이나 버어 (bur)를 한 개당 20~30 초란 짧은 시간에 제거하는 것이다. 치면도 매끈해지나 연삭 다듬질과 달리 치형 및 리이드 오차를 개선하는 효과는 적다. 표준 호닝 공구는 Plastic Resins과 실리콘 카바이드와 같 은 abrasive graine의 혼합 재이다. 전통적으로 정도의 표면 다듬질은 세이빙에 15~40?in 의하여 가공할 수 있다. 호닝공정은 기본적으로 치형 수정이나 표면다량제거용 공정이 아니 기 때문에 비열처리 기어에서 세이빙을 대체할 수는 없다. HRC 40이하 경도에서 호닝공 정을 사용하는 것은 실익이 없다. 따라서 호닝 공정은 열처리에 의해서 변형된 치형을 열처 리전 세이빙된 정도까지 유지하거나 더 향상시키는데 사용된다.

2개의 접시형 숫돌이 가상랙의 치면을 형성하고, 연삭 기어는 그림과 같이 맞물림 운동을 하여 치형을 창성한다. 이 맞물림 운동은 창성원의 지름에 상당하는 원통 (피치블록 ) 과 여 기에 감은 강철띠에 의해서 주어진다. 창성원에 피치원을 사용하면 작 업에 필요한 여러 계 산이 간단해 진다. 마아그(MAAG) 연삭은 아래그림과 같이 숫돌에 각도를 주어 연삭하는 방법을 보통연산이라하며 각도가 없으면 제로 연삭이라 한다. 표준 호닝 공구는 Plastic Resins과 실리콘 카바이드와 같은 abrasive graine의 혼합재이다. 전통적으로 15~40 micro in정도의 표면 다듬질은 세이빙에 의하여 가공할 수 있다.

최근에는 생산성 향상을 위하여 비절삭 가공법이 많이 연구되고 있다. 비절삭 가공법에는 기어 주조법과 분말야금, 단조, 압연 및 압출과 같은 금속성형 공정을 이용한 소성가공에 의한 기어 성형법 등이 있는데, 기어 주조법은 품질과 생산성면에서 불리하여 많이 이용되지 못하고 대량 생산화에 적합한 소성가공에 의한 기어의 성형법은 고정밀 기어 제조를 위한 새로운 해석방법의 연구를 활발하게 진행시키고 있다.

상기 소성가공에 의한 기어성형법으로는 냉간압출, 정밀단조, 온간단조 및 분말야금법 등을 들 수 있으며, 이러한 가공법 중에 최소의 마무리 가공을 요구하는 평기어와 헬리컬기어의 성형을 위하여 냉간 압출에 많은 관심이 모이게 되고 이에 대한 연구가 시작되었다.

본 발명은 헬리컬 기어를 냉간 압출 공정을 통하여 생산성을 향상시키는 것은 물론이고, 최종 생산품의 가공성능을 높이기 위한 새로운 공정의 헬리컬 기어 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

본 발명에 따르면, 상방과 하방이 관통 형성되고, 내면에 복수의 나선형의 치형이 형성된 냉간압출금형을 이용하여 헬리컬 기어를 제조하는 방법에 있어서,

중공형 원소재(100)의 성형성을 향상시키는 성형성 향상 단계; 상기 냉간압출금형에 상기 중공형 원소재(100)를 상방으로부터 삽입하고, 상방으로부터 가압하여 압출하며 1차성형품을 성형하는 1차가공단계; 상기 1차성형품을 하방으로부터 가압하여 취출하며 2차성형품을 성형함과 동시에 추출하는 2차가공단계; 상기 2차성형품의 양 단의 일부를 선삭 가공으로 제거하여 최종성형품을 성형하는 후가공단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 성형성 향상 단계에서, 소둔 처리를 이용하여 상기 중공형 원소재(100)에 열처리를 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 성형성 향상 단계에서, 상기 중공형 원소재(100)의 외면을 인산염 피막처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 1차가공단계는, 상기 중공형 원소재를 상기 냉간압출금형에 구비된 안착부(125)에 안착시키는 원소재 안착과정과, 상기 중공형 원소재(100)를 내부에 멘드렐부(21)가 삽입된 상태에서 펀치(20)로 가압하여 상기 치형(131)에 대응되는 외형을 갖는 1차성형품을 형성하는 1차성형과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 1차성형과정은, 상기 중공형 원소재(100)의 상단 일부분을 미성형 상태로 두어 미가공부분(102)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 후가공단계는, 상기 미가공부분(102)을 지그에 고정시키고 반대측을 선삭 가공하는 제1선삭과정과, 상기 반대측을 지그에 고정시키고 상기 미가공부분(102)을 선삭 가공하는 제2선삭과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 다른 실시예로서, 상방과 하방이 관통 형성되고, 내면에 복수의 나선형의 치형이 형성된 냉간압출금형을 이용하여 헬리컬기어를 제조하는 방법에 있어서, 중공형 원소재(100)의 성형성을 향상시키는 성형성 향상 단계;상기 냉간압출금형에 상기 중공형 원소재(100)를 상방으로부터 삽입하고, 상방으로부터 압출하여 1차성형품을 성형하는 과정에서 형성되는 기어치의 제1면에 가해지는 면압이 제2면에 가해지는 면압보다 크도록 제어하는 1차가공단계;상기 1차성형품을 하방으로부터 취출하여 2차성형품을 성형함과 동시에 추출하는 과정에서 형성되는 기어치의 제2면에 가해지는 면압이 제1면에 가해지는 면압보다 크도록 제어하는 2차가공단계;상기 2차성형품의 양 단의 일부를 선삭 가공으로 제거하여 최종성형품을 성형하는 후가공단계를 포함하는, 냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 헬리컬 기어를 냉간 압출 공정을 통하여 생산성을 향상시키는 것은 물론이고, 최종 생산품의 가공성능을 높이는 효과를 제공한다.

금형구조 및 가공방법을 새롭게 하여 압출하는 과정에서 기어치의 제1면과 제2면을 동시에 가공하는데 특히 제1면에 가해지는 면압을 높게 하고, 취출하는 과정에서 기어치의 제2면에 가해지는 면압을 높게 하여 압출과 취출시에 각각의 면의 가공성을 높여 향상된 기계적 성능을 얻는 효과가 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 금형 구성의 분해 사시도.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 헬리컬 기어 제조 방법의 설명도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 헬리컬 기어의 제조 공정.
도 10 내지 도 12는 금형의 치형 도입부의 각도 설계를 위한 유한 요소 해석 결과 그래프.
도 13 내지 도 15는 소재-금형 간의 윤활조건에 따른 유한 요소 해석 결과 그래프.
도 16은 소재-금형 간의 윤활 전후의 조직 사진.
도 19 내지 도 21은 소재의 성형성 향상을 위한 열처리 공정의 설명 그래프.
도 22 및 도 23은 사용되는 블랭크의 치수 결정을 위한 유한 요소 해석 결과 그래프.
도 24는 본 발명에 따라 가공시 각 기어치의 면에 작용되는 면압의 크기를 도시한 그래프.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조방법에 사용되는 금형의 분해 사시도를 도시하고 있다.

기본적으로는 중공형 원소재(100)를 금형(10)에 안착하고, 상측에서 가압부(22)와 멘드렐부(21)를 포함하는 펀치(20)를 이용하여 가압하게 된다.

금형(10)은 내면에 안착면(121)이 형성된 상부금형(12)과, 상부금형(12)에 연속적으로 제공되고 내부에 최종 형성하려고 하는 헬리컬 기어의 기어치에 대응되는 치형(131)이 형성된 하부금형(13)이 있다. 상부금형(12)과 하부금형(13)을 수용하는 수용부(111)를 가지는 하우징(11)이 그 외부를 고정시키게 된다.

하부금형(13)의 하부에는 링 형상의 고정부(14)가 위치하고, 고정부는 베이스(미도시)에 고정된다. 하부금형(13)과 하우징(11)의 하부에는 고정부(14)가 위치할 수 있는 형태의 홈이 마련되어 있다.

도 1에서는 펀치의 구조를 가압부(22)와 멘드렐부(21)를 동시에 포함하는 것으로 도시하였으나, 이는 분리하여 제공될 수 있고, 멘드렐부(21)는 금형의 하측에서 제공되는 것도 가능하다. 중공형 원소재(100)를 압출하는 것으로서 중공형 부분에 삽입되어 재료 성형시 재료의 원소재의 치형으로의 압축력을 높이기 위한 목적으로 멘드렐이 사용되는 것이며, 그 형상에 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 펀치(20)는 정해진 스트로크만큼 이동하여 중공형 원소재(100)를 성형하게 된다.

본 발명의 특징 중의 하나는, 중공형 원소재(100)가 하부금형(13) 내의 일정 스트로크만큼 압출되는 과정에서 1차 가공이 된 후에, 다시 삽입되었던 방향으로 취출되는 과정에서 2차 가공되는 것이다.

특히 동일한 치형(131)에 대하여 압출시 가공된 후, 취출시 재가공되도록 하여 동일한 형상 경로를 따라 두 번의 가공을 수행하게 되는데, 압출과 취출 과정에서 기어치의 양면이 번갈아가면서 가공되는 것이다. 이에 대해서는 아래에서 도면을 참조하여 보다 자세하게 설명하기로 한다.

본 발명에서는 이를 위해 금형의 하방에서 중공형 원소재(100)가 하부금형(13)을 통하여 성형된 1차성형품(101)을 취출하기 위한 취출부재(30)가 더 제공된다.

도 3은 금형이 하우징에 결합된 후에 베이스(미도시)에 고정되는 상태의 단면을 도시하고 있다. 상부금형의 내부 공간은 중공형 원소재(100)가 안착되는 안착부(125)를 형성하고, 하부금형의 내부 공간은 가공부(135)를 형성한다.

본 발명에서는 상부금형(12)과 하부금형(13)을 구분하여 제공하고 있으나, 일체로 되어도 무방하다. 다만, 하부금형(13) 내부의 기어치를 성형하는 단계에서의 편의성을 위해서 나뉘어지는 것이 바람직하다.

도 4 내지 도 7은 본 냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어를 제작하는 방법을 도시하고 있다.

도 4와 같이 안착부(125) 내에 중공형 원소재(100)가 안착되어 준비된다. 중공형 원소재(100)의 하측면이 하부금형(13)의 치형(131)의 상측면에 맞닿아 안착된다. 이후 펀치(20)가 상방향으로부터 금형 내부로 삽입되어 중공형 원소재(100)를 가압하게 된다.

중공형 원소재(100)의 내측에는 멘드렐부(21)가 삽입되고, 가압부(22)가 상방향으로부터 중공형 원소재(100)를 가압하면 중공형 원소재(100)는 하부금형(13)의 치형(131)의 형상대로 가공된다. 즉, 중공형 원소재(100)는 가공부(135)와 대응되는 외형을 가지는 1차성형품(101)으로 가공된다.

멘드렐부(21)는 펀치에 의해 가압시 헬리컬 기어 형상으로 변형되는 원소재 내부에 삽입됨으로써 원소재의 외측 방향 즉 원소재의 내부 중앙에서 방사상으로 압력을 가하기 위한 구성이다.

가공부(135)는 최종 헬리컬 기어의 치형에 대응되도록 나선형 치차(본 치차에 대응되어 기어치가 성형된다) 형상으로 제공된다. 중공형 원소재(100)는 나선형 치차 사이의 틈으로 압출되어 나선을 그리면서 변형된다. 본 발명은 헬리컬 기어에 적용되기 때문에 치차는 원하는 기어치를 형성하기 위해 소정의 각도가 나선으로 경사지게 제공된다.

다만, 펀치의 스트로크를 제어함에 있어서, 중공형 원소재(100)가 모두 하부금형(13)의 치형(131)에 맞닿도록 삽입시키는 것보다는, 상부의 일부에는 가공이 되지 않도록 여유부가 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 펀치(20)의 가압부(22)와 치형(131)이 직접 맞닿아 치형에 손상을 주는 것을 방지할 뿐만 아니라, 후에 성형된 부분을 선삭하기 위함이다.

이후 2차 가공인 취출 공정이 수행된다. 취출부재(30)가 금형의 하방향에서 1차성형품(101)을 상방향으로 추출하기 위해 상승한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 1차성형품(101)은 상측으로부터 가공을 위해 이동한 경로를 반대로 동일하게 이동하면서 2차 가공된다.

도 24는 본 발명에 따라 압출시 가공되는 면압과, 취출시 가공되는 면압을 도시하는 그래프이다.

도 8 및 도 9에서 도시된 바와 같이 하부금형(13)의 치형(131)에 따라 1차성형품의 기어치의 나선 방향이 형성되는 경우에는, 압출 공정시에 기어치의 우측면과 좌측면이 동시에 가공이 되나 기어치의 우측면이 주로 가공된다 도 24에 도시된 바와 같이 기어치의 우측면에 걸리는 면압이 좌측면에 걸리는 면압보다 크게 나타남을 확인할 수 있다. 다만, 기어치의 나선 방향이 반대로 형성되는 경우에는 앞의 설명에서 우측면과 좌측면이 서로 바뀌어야 함은 당연하다.

다만, 취출 공정시에는 기어치의 우측면에 걸리는 면압은 거의 없고, 기어치의 좌측면에 걸리는 면압이 압출공정시 기어치의 우측면에 걸리는 면압의 크기와 거의 유사하게 걸리는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 이와 같이 기어의 취출 공정을 통하여 기어치의 좌측면 가공이 추가로 이루어질 수 있도록 하는 것을 주요 특징으로 한다.

본 발명은 이러한 기본 개념을 특허의 주요 권리범위로 청구하고 있음은 명확하다. 다만, 이를 위한 종속적인 실시예들이 추가될 수 있다.

그 일예로, 이를 위해 취출부재(30)가 1차성형품(101)을 추출하는 과정에서 멘드렐부(21)가 1차성형품(101)의 내부에 삽입되어 있고, 취출부재(30)의 스트로크만큼 멘드렐부(21)의 스트로크를 동일한 방향으로 동일한 속도(크기)로 제어하는 것이 가능할 수 있다. 또는, 취출부재의 형상을 펀치와 마찬가지로 멘드렐부 및 가압부로 동시에 구성하는 것도 가능하다. 도 6에는 멘드렐부(21)가 표시되지 않았으나, 앞에서 설명한 바와 같이 추출을 하는 것도 가능하다.

본 발명의 주요 특징은, 원소재(100)가 펀치에 의해 압출되는 과정에서 1차성형품(101)으로 1차 가공되고, 1차성형품(101)이 취출부재(30)에 의해 추출되는 과정에서 다시 압출되면서 2차 가공되는 것이다.

특히, 압출되는 과정에서 기어치의 제1면에 가해지는 면압이 높도록 하여 제1면을 주로 가공하고, 취출되는 과정에서 기어치의 제2면에 가해지는 면압을 높이도록 하여 제2면을 주로 가공하도록 한다. 또한, 본 발명에서는 이러한 효과를 더욱 높이기 위해, 1차 가공시에는 원소재(100)가 치형에 유입되는 과정에서 금형에 형성된 치형의 1면에, 2차 가공시에는 1차성형품(101)이 치형에서 추출되는 과정에서는 치형의 2면에 밀착되도록 제어하는 것을 추가로 제공할 수도 있다.

본 명세서에서 치형의 1면과 치형의 2면에 대해 정의하면 다음과 같다. 본 발명은 헬리컬 기어에 적용되는 것이고, 헬리컬 기어의 성형 금형에는 내면에 나선형으로 홈이 형성되어 있고, 홈에는 원소재가 압출과정에서 삽입되어 기어치를 형성한다. 즉, 홈은 치형이라고 호칭할 수도 있다.

이러한 치형 중의 하나는 나선 형태로 연속적으로 제공되고, 이러한 하나하나의 치형이 소정의 간격을 가지고 형성되어 있다.

이때 치형은 양 측면이 금형의 내면과 연속적으로 이어지게 된다. 본 명세서에서는, 나선 형태를 기준으로 하여 나선의 회전방향의 아래쪽 면을 치형의 1면으로, 나선의 회전방향의 위쪽 면을 치형의 2면으로 정의하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예를 정리하면, 상방과 하방이 관통 형성되고, 내면에 복수의 나선형의 치형이 형성된 냉간압출금형을 이용하여 헬리컬기어를 제조하는 방법에 있어서, 중공형 원소재(100)의 성형성을 향상시키는 성형성 향상 단계;상기 냉간압출금형에 상기 중공형 원소재(100)를 상방으로부터 삽입하고, 상방으로부터 압출하여 1차성형품을 성형하는 과정에서 형성되는 기어치의 제1면에 가해지는 면압이 제2면에 가해지는 면압보다 크도록 제어하는 1차가공단계;상기 1차성형품을 하방으로부터 취출하여 2차성형품을 성형함과 동시에 추출하는 과정에서 형성되는 기어치의 제2면에 가해지는 면압이 제1면에 가해지는 면압보다 크도록 제어하는 2차가공단계;상기 2차성형품의 양 단의 일부를 선삭 가공으로 제거하여 최종성형품을 성형하는 후가공단계를 포함하는, 냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서는 선택적으로, 1차 가공시 원소재(100)가 압출되는 과정에서 나선 방향으로 회전하면서 유입되도록 하고, 이 경우 원소재(100)에 형성되는 기어치가 치형의 1면에 밀착하여 성형되도록 제어할 수도 있다. 이를 위해서는 1차 가공시에는 펀치를 기어치의 나선 방향으로 회전하면서 유입되도록 제어되어야 한다. 역시 이러한 효과를 높이기 위해서는 맨드렐부의 경우도 기어치의 나선 방향으로 회전하면서 이송시켜야 한다.

다만, 이는 선택적 사항일 뿐 나선 방향으로 회전하지 않고 유입되는 것도 가능함은 당연하고, 이러한 구성이 본 발명의 권리범위에 영향을 미치지 않는다.

또한, 2차 가공시에는 취출부재(30)가 1차 가공시의 펀치의 회전방향과 반대 방향으로 회전하면서 1차성형품(101)을 추출하도록 제어될 수도 있다. 내부에 멘드렐부가 있는 경우에는 1차 가공시의 회전과 반대방향으로 회전되면서 이송되도록 제어되는 것도 가능하다. 다만, 이는 본 발명의 필수적인 구성은 아니고 추가적으로 적용될 수 있음을 밝혀두는 바이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 취출부재(30)에 의해 제1성형품(101)이 추출된다. 이는 동일한 도면 부호를 사용하나 2차 가공이 이루어진 것이므로 제2성형품(101)으로 호칭하기로 한다. 제2성형품(101)은 상부의 미가공부분(102)과 하부의 가공부분(103)으로 구분된다.

도 8에서 도시된 바와 같이 미가공부분(102)을 포함하는 상단일부(104) 및 가공부분(103)의 하단일부(105)는 가공시 불완전 충진 등의 흠이 발생하고, 기계적 강도에 있어서 중심부와 차이가 있을 가능성이 높다. 따라서 제2성형품(101)의 상단일부(104) 및 하단일부(105)는 제거하여 최종성형품(106)을 제작하여야 한다.

상단일부(104) 및 하단일부(105)는 지그에 고정시킨 후에 선삭 공정을 통하여 제거하는 것이 바람직하다.

앞에서 설명한 헬리컬 기어의 제조 방법을 정리하면 다음과 같다.

본 발명에 따르면, 상방과 하방이 관통 형성되고, 내면에 복수의 나선형의 치형이 형성된 냉간압출금형을 이용하여 헬리컬 기어를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 중공형 원소재(100)의 성형성을 향상시키는 성형성 향상 단계; 상기 냉간압출금형에 상기 중공형 원소재(100)를 상방으로부터 삽입하고, 상방으로부터 가압 압출하여 1차성형품을 성형하는 1차가공단계; 상기 1차성형품을 하방으로부터 가압 취출하여 2차성형품을 성형함과 동시에 추출하는 2차가공단계; 상기 2차성형품의 양 단의 일부를 선삭 가공으로 제거하여 최종성형품을 성형하는 후가공단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상방이라는 단어는 상부방향을 하방이라는 단어는 하부방향을 의미하는 것으로서, 도 2에서와 같이 상부금형이 존재하는 방향을 상부방향, 하부금형이 존재하는 방향을 하부방향으로 정의한다.

상기 성형성 향상 단계에서, 항온 소둔 또는 구상화 소둔을 이용하여 상기 중공형 원소재(100)에 열처리를 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 성형성 향상 단계에서, 상기 중공형 원소재(100)의 외면을 인산염 피막처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 1차가공단계는, 상기 중공형 원소재를 상기 냉간압출금형에 구비된 안착부(125)에 안착시키는 원소재 안착과정과, 상기 중공형 원소재(100)를 내부에 멘드렐부(21)가 삽입된 상태에서 펀치(20)로 가압하여 상기 치형(131)에 대응되는 외형을 갖는 1차성형품을 형성하는 1차성형과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 1차성형과정은, 상기 중공형 원소재(100)의 상단 일부분을 미성형 상태로 두어 미가공부분(102)을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이러한 미가공 부분을 형성하는 이유는 후에 선삭가공시 지그에 고정시키기 위한 부분으로 활용하기 위함이다. 특히, 취출부재에 의한 2차 가공시 1차성형품이 치형으로부터 쉽게 추출될 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 2차가공단계는, 상기 1차성형품을 내부에 상기 멘드렐부(21)가 삽입된 상태에서 취출부재(30)로 가압하여 상기 치형을 따라 회전하면서 조직이 치밀해지도록 하는 것을 추가로 부가할 수도 있다. 이때, 상기 멘드렐부(21)는 상기 취출부재(30)의 상승속도와 동일하게 상승되도록 제어할 수도 있다. (이는 하나의 예시일 뿐 권리범위를 제한하는 것은 아님)

상기 후가공단계는, 상기 미가공부분(102)을 지그에 고정시키고 반대측을 선삭 가공하는 제1선삭과정과, 상기 반대측을 지그에 고정시키고 상기 미가공부분(102)을 선삭 가공하는 제2선삭과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 10은 금형의 치형 도입부의 각도 설계시 유한요소해석을 수행한 것이다. 시뮬레이션 변수는 치형 도입부 각도와 마찰값이다. 각각의 경우에 따라 충진량과 펀치의 로드를 계산하였다.

도 11은 m=0.0일 경우, 치형 도입부 각도에 따른 충진량을 해석한 결과를 도시하고 있다.

도 12는 m=0.0일 경우, 치형 도입부 각도에 따른 펀치 로드의 해석값을 도시한 그래프이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 치형 도입부 각도가 45도인 경우에 충진량이 가장 좋고, 펀치 로드도 안정적인 것으로 나타났다. 고정도의 형상을 갖는 헬리컬 기어의 냉간 성형을 위해서는 금형의 치형 도입부 각도 설계가 매우 중요하며, 치형 도입부의 각도에 따라 소재의 충진률, 펀치에 걸리는 힘이 달라질 것으로 생각된다. 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 치형 도입부가 각각 40, 45, 50, 60도로 제작 되었을 경우에 대해서 기어성형 양상을 분석하였으며, 치형 도입부가 45도로 설계 되었을 때 가장 적합한 결과가 나오는 것을 예상할 수 있다.

소재 금형간의 마찰조건은 전단마찰계수 m=0로 무마찰 조건으로 고정하여 해석을 진행하였다. 해석 결과와 같이 도입부 각도가 50도 이상일 경우 미충만 구간이 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 각도가 작아질수록 펀치에 걸리는 힘이 커지는 것을 확인하였으며, 유한요소 해석 결과를 바탕으로 치형도입부 각도를 45도로 설계되는 것이 바람직하였다.

도 13은 치형 도입부 각도가 45도인 경우에, 소재-금형 간의 윤활조건인 마찰값을 변화시켜가면서 충진량을 해석한 결과이다. 도시된 바와 같이 차이가 있으나, m=0.1인 경우에 가장 좋은 충진률을 보이고 있는 것으로 해석되었다.

도 14는 치형 도입부 각도가 45도인 경우에, 소재-금형 간의 윤활조건인 마찰값을 변화시켜가면서 다이 스트로크에 따른 형상을 보여주고 있다.

도 15는 치형 도입부 각도가 45도인 경우에, 소재-금형 간의 윤활조건인 마찰값을 변화시켜가면서 펀치 로드를 스트로크에 따라 해석한 결과값을 보여주고 있다. m=0.1 인경우에 가장 안정적인 결과치를 보여주고 있다.

금형과 소재의 윤활은 기어 성형 시 펀치에 걸리는 힘, 소재에 발생하는 결함등과 밀접한 관계가 있다. 유한요소 해석을 통하여 금형/소재 간의 전단 마찰계수가 각각 0, 0.1, 0.12, 0.2의 경우 소재의 충진량 및 펀치에 걸리는 힘을 확인하였으며, 그 결과 헬리컬 기어의 냉간 압출 성형 공정 시 0.1정도의 전단 마찰계수가 가장 적합하다고 판단된다. 도 13은 각 경우에 대한 금형, 소재간의 마찰계수에 따른 소재 충진률을 보여주는 것으로 0~0.2 사이의 범위의 경우 소재 충진률에는 크게 영향이 없음을 확인 할 수 있다. 하지만 마찰계수 0.1을 제외하고는 성형 공정 중 성형체에 folding 결함이 발생하였으며, 마찰계수가 작을수록 punch에 걸리는 하중이 줄어드는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 0.12 이하의 마찰계수를 주기 위해 기어 치형 부 성형 전 초기 블랭크에 인산염 피막처리를 이용하여 마찰계수를 낮춰 주는 것을 제안하였다.. 도 16은 인산염 피막처리 전후의 시편 사진을 보여주는 것으로 표면의 정도가 향상된 것을 볼 수 있다.

본 발명에 따른 냉간단조 공정을 이용하여 소재를 가공하기 위해서는 소재의 성형성을 확보하여야 한다. SCM920HVSI 재료는 항복응력이 900MPa 이상의 고강도 소재로 재료의 유동응력을 낮추어 성형성을 증가시킬 필요가 있다. 이에 본 발명에서는 항온소둔, 구상화소둔의 열처리를 통하여 재료의 성형성을 확보하고자 한다. 도 19와 같이 열처리 후 화학조성의 변화는 없었으며, 도 17 및 도 18은 각 경우의 표면을 관찰한 사진이다.

열처리 후 시편의 성형성 증가는 인장실험 및 시편의 경도 test를 통해서 확인할 수 있었으며, 그 결과는 도 20 및 도 21과 같다. 항온소둔을 거치면서 SCM920HVSI 재료의 경도는 154.5HV, UTS (Ultimate Tensile Stress)는 620MPa 이하로 떨어졌으며, 연실률 또한 0.3 정도로 증가하는 것으로 나타났다. 이 시험편은 구상화소둔을 열처리를 거치면서 원소재에 비해 경도는 2배 이상 감소하였으며, UTS는 600MPa 이하로 떨어졌으며, 연신률도 0.35로 증가하는 것을 확인할 수 있다. UTS의 감소와 연신률의 증가는 성형성이 증가하였다는 것을 의미하며 가공력이 감소하는 효과를 가져올 것으로 기대된다.

냉간단조 공정을 이용하여 헬리컬 기어의 치형을 성형할 때 사용되는 초기 블랭크의 형상은 냉간 성형 가공력, 기어 충진률 등에 밀접한 영향을 미치기 때문에 적절한 설계가 필요하다. 본 발명에서는 유한요소 해석을 이용하여 단면감소율에 따라 발생하는 영향을 분석하여 블랭크의 형상을 설계하였다.

도 22는 단면감소율에 따른 기어의 충진량을 나타낸 것으로 단면감소율이 15%의 경우 치형의 위쪽 부분(후가공시 그립을 잡는 부분)에 미충진을 보였으며, 40%의 단면감소율을 가질 경우 치형부분에 미충진 양상이 나타났다. 약27%정도의 단면감소율을 가질 경우 적절한 충진량을 보이는 것을 확인하였으며 성형 가공력(도 23(a)) 을 고려하여 도 23의 (b)와 같이 초기 형상을 결정하였다.

블랭크는 열간단조 공정을 통하여 형성된다. 원소재를 업세팅하고, 중공부를 성형하고, 트리밍 과정을 거치게 된다.

본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.

10 : 금형, 11 : 하우징, 12 : 상부금형, 13 : 하부금형, 20 : 펀치, 21 : 가압부, 22 : 멘드렐부, 30 : 취출부재, 100 : 중공형 원소재, 101 : 제1차성형품, 106 : 최종성형품

Claims (7)

1. 상방과 하방이 관통 형성되고, 내면에 복수의 나선형의 치형이 형성된 냉간압출금형을 이용하여 헬리컬기어를 제조하는 방법에 있어서,
   중공형 원소재(100)의 성형성을 향상시키는 성형성 향상 단계;
   상기 냉간압출금형에 상기 중공형 원소재(100)를 상방으로부터 삽입하고, 상방으로부터 압출하여 1차성형품을 성형하는 과정에서 형성되는 기어치의 제1면에 가해지는 면압이 제2면에 가해지는 면압보다 크도록 제어하는 1차가공단계;
   상기 1차성형품을 하방으로부터 취출부재(30)로 가압하여 취출하여 2차성형품을 성형함과 동시에 추출하는 과정에서 형성되는 기어치의 제2면에 가해지는 면압이 제1면에 가해지는 면압보다 크도록 제어하는 2차가공단계;
   상기 2차성형품의 양 단의 일부를 선삭 가공으로 제거하여 최종성형품을 성형하는 후가공단계를 포함하며,
   상기 1차가공단계는,
   상기 중공형 원소재를 상기 냉간압출금형에 구비된 안착부(125)에 안착시키는 원소재 안착과정과,
   상기 중공형 원소재(100)의 내부 전체에 멘드렐부(21)가 삽입된 상태에서 펀치(20)로 가압하여 상기 치형(131)에 대응되는 외형을 갖는 1차성형품을 형성하는 1차성형과정을 포함하며,
   상기 2차가공단계는,
   상기 1차성형품 내부에 상기 멘드렐부가 삽입된 상태에서 상기 취출부재로 가압하여 수행되는 것을 특징으로 하는,
   냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 성형성 향상 단계에서,
   상기 중공형 원소재(100)를 소둔 처리하는 것을 특징으로 하는,
   냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 성형성 향상 단계에서,
   상기 중공형 원소재(100)의 외면을 인산염 피막처리하는 것을 특징으로 하는,
   냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 1차성형과정은,
   상기 중공형 원소재(100)의 상단 일부분을 미성형 상태로 두어 미가공부분(102)을 형성하는 것을 특징으로 하는,
   냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 후가공단계는,
   상기 미가공부분(102)을 지그에 고정시키고 반대측을 선삭 가공하는 제1선삭과정과,
   상기 반대측을 지그에 고정시키고 상기 미가공부분(102)을 선삭 가공하는 제2선삭과정을 포함하는,
   냉간 압출을 이용한 헬리컬 기어의 제조 방법.
   
7. 삭제

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