KR100429946B1 - 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법에 관한 것으로서,

소재를 다이 어셈블리 내부에 넣고 기어 축방향을 따라 전후로 이동 및 폐쇄압출(압출방식의 단조)시켜 상기 축방향으로 잇수가 다른 평치차를 제조하되, 상기 소재의 직경에 대한 최종 평치차의 제품 외경(外徑)의 비를 1.1∼1.5배로 하고, 상기 플랜지의 두께를 소재 직경의 0.16∼2.0배로 함으로써,

내부결함이 없는 냉간 단조 제품을 얻을 수 있고, 기계 가공품에 비하여 치형의 강도향상, 내마모성 향상, 열처리에 의한 치형변형의 최소화, 맞물림 소음의 감소 등의 기계적 특성과 소비되는 재료의 감소에 의한 경제성 확보 및 생산성 향상 등의 효과를 도모할 수 있다.

Description

냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법{Method for Manufacturing Double Spur Gear in One Body by Cold Forging}

본 발명은 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 플랜지를 사이에 두고 축방향으로 잇수가 서로 다른 더블 평치차를 냉간 단조에 의해 성형하는 방법에 관한 것이다.

더블 평치차를 제조하는 방법은 주조에 의한 방법, 절삭가공에 의한 방법 및 단조에 의한 방법 등 다양하게 존재한다.

현재는 절삭가공에 의한 방법이 가장 많이 사용되고 있는데, 그 대표적인 공정이 도 8에 도시되어 있으며 도 7에는 이에 의해 제작된 더블 평치차가 도시되어 있다. 즉, 봉재를 절단한 후 열처리(노멀라이징)를 하여 외경을 선삭한다. 다음, 중앙부의 홈을 가공하고 내경을 선삭한 상태에서 치형을 가공하게 되어 있다. 가공한 표면을 침탄 등으로 열처리하고 다듬질함으로써 최종적인 기어 제품을 얻을 수 있는 것이다.

그러나, 기계 가공품의 경우에는 소음이 120db 수준으로 매우 높기 때문에 정밀도가 높은 부품을 사용하기는 곤란한 문제점이 있다.

한편, 단조가공에 의한 방법은 상기 절삭가공에 의한 방법 등 타 방법에 비해 강도, 생산성 및 강도면에서 매우 우수하다. 그러나, 더블 평치차는 양쪽에 잇수가 서로 다르기 때문에, 단조로 제작할 경우에는 소재 중심에 변형율과 연성파괴치가 과도하게 되는 등, 내부 결함이 발생할 가능성이 매우 높은 단점이 있었다. 구체적으로는, 기어의 축방향으로 잇수가 다르기 때문에 탄성 변형량의 차이가 있게 되어 기어 정밀도 확보가 어렵게 되고, 중심축 선상에 응력 집중 등이 발생되어 내부결함이 발생하기 쉬운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 평치차 내부의 변형율을 줄이고 중심축 선상의 내부결함을 방지하여 기계가공에 비해 고품질, 고생산성 및 경제성을 확보할 수 있으며 가공시 소음을 대폭 줄일 수 있는, 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 더블 평치차의 외관을 나타내는 도면이고,

도 2는 본 발명에 따라 더블 평치차를 제조하기 위한 전후방 복합 압출장치의 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 더블 평치차의 단조공정을 나타내는 흐름도이고,

도 4은 실험예 1에 따른 결과를 나타내는 도면이고,

도 5는 실험예 2에 따른 결과를 나타내는 도면이고,

도 6는 실험예 3에 따른 결과를 나타내는 도면이고,

도 7은 종래 기계 가공에 의해 제조된 더블 평치차의 외관을 나타내는 도면이다.

도 8은 종래 기계 절삭가공의 공정을 나타내는 흐름도이다.

<주요 도면부호의 설명>

1... 다이 어셈블리(die assembly) 2... 펀치

3... 패드(pad) 4... 펀치 케이스(punch case)

5... 펀치 블럭 6... K. O. 핀

7... 소재 8... 펀치 조립체

9... 플랜지부

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 소재를 다이 어셈블리 내부에 넣고 기어 축방향을 따라 전후로 이동 및 폐쇄압출(또는, 압출 방식의 단조)시켜 상기 축방향으로 잇수가 다른 평치차를 제조하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 소재는 구상화 풀림과 윤활처리된 후 다이 어셈블리에 들어가는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다이 어셈블리로부터 가공되어 나온 평치차의 플랜지를 최종적으로 다듬질하고 표면을 열처리하게 되어 있다.

제품의 내부결함을 방지하기 위해서는 상기 소재의 직경에 대한 최종 평치차의 제품 외경(外徑)의 비를 1.1∼1.5배로 하고, 상기 플랜지의 두께를 소재 직경의 0.16∼2.0배로 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 2에 평치차를 단조가공하기 위한 전후방 복합 압출장치의 단면도가 도시되어 있고, 도 3에 본 발명에 따른 더블 평치차의 단조공정이 나타내어져 있다.

도 2 및 도 3에서와 같이, 봉재를 절단한 소재(7)를 구상화 풀림한 후에 다이(2)에 넣고 상기 다이(2)의 양편에 각각 설치되어 있는 핀(6)과 패드(3)에 의해 전후로 이동되는 동시에 폐쇄압출에 의해 성형가공된다. 이와 같은 폐쇄압출 형태는 자유압출 형태에 비해 작업속도가 느리고 금형이 복잡하다는 단점이 있으나, 기어의 내부 크랙발생을 억제할 수 있기 때문에 본 제조기술의 핵심기술을 구성한다. 각 부품의 기능 및 평치차의 가공방법을 설명하면 다음과 같다.

다이 어셈블리(1)의 내부는 기어의 치(齒) 형상으로 형성되어 있고, 펀치(2), 펀치 블럭(5), K.O. 핀(6)은 펀치 케이스(4)에 의해 결합되어 조립체(8)를 형성하고 있다. 단조시에는 우선 상기 다이 어셈블리(1)의 축방향 중앙부분에 소재(7)를 넣고 상기 다이 어셈블리(1)의 상부에 펀치 조립체(8)를 삽입하며 하부에는 패드(pad)(3)를 삽입하게 된다. 즉, 상기 펀치 조립체(8)와 패드(3) 사이에 상기 소재(7)가 끼워져 있는 형태이다. 다음, 상기 펀치 조립체(8)와 패드(3)을 구동하여 소재(7)를 전후로 이동시킴으로써, 소재(7)의 전후 단부가 상기 다이에 의해 각각 압출되어 전후 방향으로 잇수가 다른 평치차를 형성시킬 수 있는 것이다.

다음, 이와 같이 전후방 복합 압출장치로 더블 평치차를 제작하고, 실험 및 구조해석을 통해 소재 직경과 플랜지부(9)(도 1 참조)의 두께가 최종 품질에 미치는 영향을 알아보았다. 여러 실험 중 결론에 도달하기 위한 대표적인 3가지 실험 결과 및 유한요소해석 결과를 도 4 내지 도 6에 나타내었다.

실험에서의 기어 소재로는 SCM 415를 사용하였으며, 그 성분을 다음 표 1에 나타내었다.

첫째, 소재 직경을 제품 외경(플랜지 외경)과 동일한 40mm로 하고, 플랜지의 두께를 4mm로 하여 압출하였다. 도 4에서와 같이, 이와 같이 압출된 더블 평치차의 단면부를 보면, 중심부에서 변형율 및 연성 파괴치가 최대가 되고 크랙이 플랜지부까지 전파됨을 알 수 있다(실험예 1).

둘째, 소재 직경은 상기 실험예 1와 동일하게 유지하고 플랜지 두께만 4mm에서 6mm로 증가되도록 압출하였다. 도 5에서와 같이, 이 경우에는 최종 성형상태에서 중심축 선상의 최대 변형율은 실험예 1과 큰 차이가 없으나 연성 파괴치가 크게 감소하여 내부결함 발생시기가 지연됨을 알 수 있었다(실험예 2).

세째로, 플랜지 두께를 실험예 2와 동일한 6mm로 유지하고 소재의 직경을35mm로 압출하였다. 도 6에서와 같이, 이 경우에는 소재의 일부가 플랜지부를 채우기 위해 반경이 증가하는 방향으로 유동하므로 소재의 중심부에 발생하는 유효 변형율 및 연성 파괴치가 감소되어 내부결함이 발생하지 않았다. 단지, 플랜지부에 접힘현상이 발생되기는 하였지만 기계가공에 의해 제거될 수 있으므로 최종 품질에는 영향이 없게 된다(실험예 3).

이와 같은 상기 대표적인 실험 및 해석 결과로부터, 소재 직경과 플랜지 두께를 적절히 결정하면 내부결함 없이 냉간 단조에 의해 더블 평치차를 제작할 수 있다는 것을 알아내었다.

구체적으로는, 첫째, 본 발명에서 적용한 더블 평치차의 제조방법은 냉간 폐쇄 압출공정으로서, 재료 회수율 향상과 내부결함 발생을 최소화 할 수 있는 방법이다.

둘째, 내부결함 발생의 제거를 위한 플랜지 두께로서 소재 직경의 0.16∼0.2배로 설정하였다. 플랜지 두께가 0.16배 미만일 경우에는 연성파괴치가 증가하게 되어 도 4 및 도 5에서와 같은 내부결함이 발생하게 되며, 0.2배를 초과할 경우에는 기계 가공량이 증가하여 생산성이 저하되거나 가격이 상승하게 되는 단점이 있다.

세째, 소재 직경에 대한 제품 외경(플랜지 외경)의 비를 1.1∼1.5배로 유지해야 한다. 상기 비율이 1.1배 미만일 경우에는 압출 형태의 단조가 아닌 업세팅(upsetting)이 발생되어 기어 치형부에 미성형 부위가 발생되며, 1.5배를 초과하면 단조하중이 증가하여 금형 수명이 저하하게 된다.

상기 조건들에 맞는 제품을 도 1 및 도 6에 나타내었는데, 이 때 소재 직경은 35mm이고 최종 제품의 외경은 40mm로서 그 상대적인 비율이 1.2 이며, 플랜지 두께는 소재 직경의 0.17배인 6mm로서, 내부결함이 없고 생산성이 높게 유지되는 더블 평치차이다.

상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 내부결함이 없는 냉간 단조 제품을 얻을 수 있기 때문에 기계 가공품에 비하여 치형의 강도향상, 내마모성 향상, 열처리에 의한 치형변형의 최소화, 맞물림 소음의 감소 등의 기계적 특성과 소비되는 재료의 감소로 의한 경제성 확보 및 생산성 향상 등의 이점이 있다.

상기 본 발명에 따른 효과를 기계 가공과 비교하면 다음 표 2와 같다.

Claims (4)

1. 냉간성형 온도상태의 소재(7)를 다이 어셈블리(1) 내부에 넣고 기어 축방향을 따라 전후로 이동시키는 동시에 폐쇄압출시켜 상기 축방향으로 잇수가 다른 평치차를 성형하는 것을 특징으로 하는 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 소재(7)가 구상화 풀림과 윤활처리된 후 다이 어셈블리(1)에 들어가는 것을 특징으로 하는 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 다이 어셈블리(1)로부터 가공된 평치차의 플랜지를 다듬질하고 표면 열처리하는 것을 특징으로 하는 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소재의 직경에 대한 최종 평치차의 제품 외경(外徑)의 비는 1.1∼1.5배 이고, 상기 플랜지(8)의 두께는 소재(7) 직경의 0.16∼2.0배인 것을 특징으로 하는 냉간 단조에 의한 일체형 더블 평치차의 제조방법.