KR101137759B1 - 헬리컬기어 성형용 전방압출금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헬리컬기어 성형용 전방압출금형에 관한 것이다.

본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형은, 내부에 안착된 중공형 원소재(W)를 전방압출하여 평기어 형상의 1차성형품(E1)을 성형하기 위한 1차금형(100)과, 상기 1차금형(100)과 별개로 구성되고, 상기 1차성형품(E1)의 외형과 대응되는 내부 형상을 가지는 제2안착공간(222)이 구비되며, 상기 제2안착공간(222)에 안착된 1차성형품(E1)을 전방압출하여 헬리컬기어 형상의 2차성형품(E2)을 성형하기 위한 2차금형(200)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 압출 성형시 성형하중이 현저히 감소하여 전방압출금형의 수명이 연장되며, 치수정밀도가 향상된 헬리컬기어의 제조가 가능한 이점이 있다.

헬리컬기어, 압출, 성형, 냉간, 맨드렐, 치수정밀도, 성형하중

Description

헬리컬기어 성형용 전방압출금형{A Forward extrusion mold for forming of helical gear}

도 1 은 종래 기술에 따라 제조된 헬리컬기어의 구간별 치수 측정 부위를 나타낸 도면.

도 2 는 도 1의 측정 부위에서 금형과 성형품 사이의 간격을 측정한 데이터.

도 3 은 종래 기술에 따라 헬리컬기어 제조시에 발생하는 성형하중 변화를 나타낸 그래프.

도 4 는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 나타낸 사용상태도.

도 5 는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형 중 일 구성인 1차금형의 분해 사시도.

도 6 은 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형 중 일 구성인 2차금형의 분해 사시도.

도 7 은 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법을 나타낸 공정 순서도.

도 8 은 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법에서 각 단계별 성형품의 형상을 보인 실물 사진.

도 9 는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법에서 일 단계인 1차성형단계 중 원소재의 형상 변화를 나타낸 사용상태도.

도 10 은 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법에서 일 단계인 2차성형단계 중 원소재의 형상 변화를 나타낸 사용상태도.

도 11 은 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법에 따라 제조된 2차성형품과 2차금형 사이의 간격을 측정한 데이터.

도 12 는 도 11의 결과를 표시한 그래프.

도 13 은 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법에서 일단계인 2차성형과정 중에 발생하는 성형하중 변화를 나타낸 그래프.

도 14 는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형의 일 구성인 제2맨드렐의 다른 실시예의 외형을 보인 부분 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100. 1차금형 120. 제1금형본체

122. 제1안착공간 124. 제1성형공간

140. 제1펀치 160. 제1맨드렐

200. 2차금형 220. 제2금형본체

222. 제2안착공간 240. 제3금형본체

242. 제2성형공간 260. 제2펀치

280. 제2맨드렐 E1. 1차성형품

E2. 2차성형품 S100. 소재준비단계

S200. 1차성형단계 S220. 소재안착과정

S240. 1차성형과정 S250. 응력제거과정

S300. 2차성형단계 S320. 성형품안착과정

S340. 2차성형과정 S400. 후가공단계

W . 원소재

본 발명은 헬리컬기어 성형용 전방압출금형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원소재를 평기어 형태로 1차성형하고 평기어 형태의 1차성형품을 2차성형하여 헬리컬기어의 성형이 완성되도록 한 헬리컬기어 성형용전방압출금형에 관한 것이다.

부피성형가공은 다양한 구조 및 기능적 기계 부품을 생산하기 위해 널리 사용되고 있다. 특히, 부피성형가공은 원하는 형상에 가까운 성형이 가능하므로, 일반적으로 성형공정 후에 따르는 후공정이 간단해지고, 소재 절약 및 공정수의 절감효과를 기대할 수 있다.

또한, 부피성형 가공시에 재료의 가공경화로 인하여 성형제품에 우수한 기계적 성질을 부여할 수 있는 장점이 있다.

통상적으로, 기어의 제조방법은 크게 절삭 가공법과 비절삭 가공법으로 나눌 수 있다. 절삭 가공법에는 호빙, 기어세이빙 등 여러 가지 방법이 있으나 자동차용 기어는 일반적으로 호빙 가공한 후 세이빙 가공을 하고 버어니싱 연마 혹은 래핑 등의 공정을 거쳐 가공된다.

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.

한편, 고정밀 헬리컬기어 제조를 위한 종래의 제조방법은 연속적인 금형을 통해 최대전단응력이 작용하는 다이인서트부에서 압출금형 다이랜드의 치형과 재료에 미치는 소성가공 응력이 압출방향과 일치한 방향으로 작용하지 않고 일정한 리이드각을 형성하며 작용하기 때문에 큰 성형압력이 필요하고 그에 따라 금형에 무리를 주어 금형의 안정성을 신뢰할 수 없는 단점이 있다.

그리고 제품의 가공초기 부위가 큰 가공응력으로 인해 손상을 입을 뿐만 아니라 과다한 마찰 및 저항응력으로 인해 높은 마찰열이 발생되어 정밀한 제품을 얻 을 수 없으며, 또한 압출속도가 낮아 대량생산이 어려운 문제점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 공개번호 특2003-0082237호에는 압출시에 다이에 작용하는 반발 압력을 최소화시켜 치수정밀도를 높이고 치형오차가 감소되도록 한 "헬리컬 피니언기어의 제조방법 및 그 제조장치"가 공개된 바 있다.

또한, 대한민국 공개특허공보 공개번호 제1992-16165호에는 한 개의 금형을 이용하여 헬리컬기어를 성형하는 방법 및 금형장치가 공개된바 있다.

즉, 평기어와 헬리컬기어 성형을 위한 나선각이 한개의 금형 자체에 성형되어 있기 때문에 최대 20개 정도의 헬리컬기어를 성형하고 나면 금형의 파손이 야기되고 또한 과다한 마찰 및 저항응력으로 인해 높은 마찰열이 발생되어 정밀하고 치수정밀도가 높은 제품을 얻을 수 없고 특히 압출속도가 낮아 대량생산이 어려운 문제점이 있었다.

또한, 상기 공개특허와 같이 금형을 제작한 후 재현하여 실험한 결과, 치형의 치수정밀도가 낮게 나타났다.

즉, 도 1은 종래 기술에 따라 제조된 헬리컬기어의 구간별 치수 측정 부위를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 측정 부위에서 금형과 성형품 사이의 간격을 측정한 데이터로서, 금형과 성형품 사이의 간격 편차가 크게 발생하여 치수 정밀도가 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다.

그리고, 도 3과 같이 헬리컬기어 제조시에 발생하는 성형하중의 변화를 살펴보면, 성형 초기에 성형하중이 급격하게 증가하다가 성형 말기에는 급격하게 감소하였으며, 가장 높은 성형하중은 95ton 에 이르러 압출금형에 큰 하중이 작용하게 되므로 결국 금형의 파손을 야기할 뿐만 아니라, 이런 이유로 제품의 제조 원가를 높이게 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 원소재를 평기어 형태로 1차성형하고, 평기어 형태의 1차성형품을 2차성형하여 낮은 성형하중 하에서 헬리컬기어의 성형이 가능하도록 한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 2차성형시에 맨드렐(mandrel)을 회전 또는 직선 왕복운동시켜 소재의 유동성 및 충진률을 높임으로써 헬리컬기어의 치수정밀도가 극대화되도록 한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 2차성형과정에서 성형하중을 현저히 낮추어 금형의 수명을 연장하고, 생산성이 극대화될 수 있도록 한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형은, 내부에 안착된 중공형 원소재를 전방압출하여 평기어 형상의 1차성형품을 성형하기 위한 1차금형과, 상기 1차금형과 별개로 구성되고, 상기 1차성형품의 외형과 대응되는 내부 형상을 가지는 제2안착공간이 구비되며, 상기 제2안착공간에 안착된 1차성형품을 전방압출하여 헬리컬기어 형상의 2차성형품을 성형하기 위한 2차금형을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 1차금형은, 상기 원소재의 외형과 대응되는 내부형상을 가지는 제1안착공간과, 상기 제1안착공간의 일단에서 평기어의 외관 형상을 갖는 제1성형공간을 동시에 구비한 제1금형본체와, 상기 제1안착공간에 안착된 원소재에 직선방향 하중을 가하는 제1펀치와, 상기 원소재의 내부에 삽입되어 원소재에 방사상 압력을 제공하는 제1맨드렐을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 2차금형은, 상기 제2안착공간을 구비한 제2금형본체와, 상기 제2금형본체와 별개로 구성되고, 상기 2차성형품의 외형과 대응되는 내부형상을 가지는 제2성형공간을 구비한 제3금형본체와, 상기 제2안착공간에 안착된 1차성형품에 직선방향 하중을 가하는 제2편치와, 상기 1차성형품 내부에 삽입되어 1차성형품에 방사상 압력을 제공하는 제2맨드렐을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 제1성형공간과 제2안착공간은 서로 대응되는 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 제1맨드렐과 제2맨드렐은 일방향으로 갈수록 외경 크기가 증가하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1맨드렐과 제2맨드렐의 외면은 길이 방향으로 갈수록 단차져 외경이 확대됨을 특징으로 한다.

상기 제2맨드렐은 제2펀치가 직선 운동시에 회전운동과 직선운동 중 하나 이상을 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2맨드렐은 제2성형공간에 형성된 나선의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2금형본체와 제3금형본체는, 상기 제2안착공간과 제2성형공간이 연통하도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2안착공간과 제2성형공간은, 각각의 중심이 하나의 가상직선 상에 위치하며, 서로 접하는 면은 동일한 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 1차성형품은, 상기 제3금형본체의 일측과 접촉하여 상기 제2안착공간에 안착된 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 1차성형품은, 상기 제2성형공간 일측과 접촉하여 상기 제2안착공간에 안착된 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 높은 치수정밀도를 갖는 헬리컬기어의 제조가 가능한 이점이 있다.

이하 첨부된 도 4 를 참조하여 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형의 구성을 설명한다.

도 4에는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형(이하 '전방압출금형'이라 칭함)을 나타낸 사용상태도가 도시되어 있다.

도면과 같이, 전방압출금형은 원소재(도 5의 도면부호 'W')를 전방압출하여 1차성형품(도 6의 도면부호 'E1')을 성형하고, 1차성형품(E1)을 한번 더 전방압출하여 헬리컬 기어 형상을 가지는 2차성형품(도 8의 도면부호 'E2')을 성형할 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 전방압출금형은 내부에 안착된 중공형 원소재(W)를 전방압출하여 평기어 형상의 1차성형품(E1)을 성형하는 1차금형(100)과, 내부에 안착된 상기 1차 성형품(E1)을 전방압출하여 헬리컬기어 형상의 2차성형품(E2)을 형성하는 2차금형(200)을 포함하여 구성된다.

상기 1차금형(100)과 2차금형(200)은 별개로 만들어진 것으로, 상기 1차금형(100)은 2차금형(200)을 이용한 압출 성형시에 워크피스(work-piece) 역할을 하게 될 1차성형품(E1)을 만들기 위한 구성이다.

이하 첨부된 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 1차금형(100) 및 2차금형(200)의 상세구성을 설명하기로 한다.

도 5에는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형 중 일 구성인 1차금형(100)의 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형 중 일 구성인 2차금형(200)의 분해 사시도가 도시되어 있다.

먼저, 도 5를 참조하여 1차금형(100)의 구성을 살펴보면, 상기 1차금형(100)은 원소재(W)가 안착된 상태로 전방압출이 가능하도록 하는 제1금형본체(120)와, 상기 제1금형본체(120) 내부에 안착된 원소재(W)에 직선 방향 하중을 가하는 제1펀치(140)와, 상기 원소재(W)의 내부에 삽입되어 원소재(W)의 방사상 압력을 제공하는 제1맨드렐(160)을 포함하여 구성된다.

상기 원소재(W)는 내부가 비어 있는 중공형 관을 일정 높이만큼 절단한 형상을 가지며, 이러한 원소재(W)는 제1금형본체(120) 내부에 삽입 및 안착된 상태로 가압되어 1차성형품(E1)이 된다.

이를 위해 상기 제1금형본체(120) 내측 상부에는 제1안착공간(122)이 형성된다. 상기 제1안착공간(122)은 원소재(W)의 높이보다 깊게 형성되고 원소재(W)의 외 경과 대응되는 내경을 가지도록 형성된다.

따라서, 상기 제1안착공간(122) 내부에 원소재(W)는 삽입 가능하게 되며, 아래에서 설명하게 될 제1성형공간(124)의 상단에 의해 간섭되어 제1안착공간(122) 내부에 안착된 상태를 유지할 수 있게 된다.

보다 상세하게는, 상기 제1안착공간(122)은 제1금형본체(120)의 상단에서 중앙부까지 형성되고, 상기 제1안착공간(122)의 하측에는 제1성형공간(124)이 형성된다. 그리고, 상기 제1성형공간(124)은 1차성형품(E1)의 외형과 대응되는 내부면 형상을 가진다.

따라서, 상기 원소재(W)는 제1안착공간(122) 내부에 흔들림 없이 삽입 가능하며, 상기 원소재(W)의 하면과 제1성형공간(124)의 상단이 서로 접촉함으로써 원소재(W)의 하방향 삽입깊이가 제한되어 안착 상태를 유지할 수 있게 된다.

상기 제1금형본체(120) 상측에는 제1펀치(140)가 구비된다. 상기 제1펀치(140)는 원소재(W)와 유사한 형상을 갖도록 구성되어 상/하 방향으로 직선 운동하게 되며, 하방향 운동시에 상기 원소재(W)의 상면을 하방향으로 가압하게 된다.

보다 상세하게는 상기 제1펀치(140)의 횡단면 형상은 상기 원소재(W) 및 제1안착공간(122)의 횡단면 형상과 동일하게 구성되어 제1안착공간(122)에 안착된 원소재(W)를 가압시에 후방압출되지 않은 상태로 전방 압출이 가능하게 된다.

상기 제1금형본체(120) 하측에는 제1맨드렐(160)이 구비된다. 상기 제1맨드렐(160)은 제1펀치(140)가 하방향으로 직선 운동시에 상방향으로 직선 운동하여 헬리컬 기어 형상으로 변형되는 원소재(W) 내부에 삽입됨으로써 원소재(W)의 외측 방 향 즉 원소재(W)의 내부 중앙에서 방사상으로 압력을 가하기 위한 구성이다.

따라서, 상기 제1펀치(140)와 제2펀치(260)의 상호작용에 의해 상기 원소재(W)의 외면에는 평기어의 외면과 같은 직선형의 치차가 형성되며, 이러한 치차는 제1맨드렐(160)의 외측방향 가압력에 의해 제1성형공간(124)에 효과적으로 채워져 정밀도가 높아질 수 있게 된다.

그리고, 상기 제1맨드렐(160)은 직선운동하지 않고 고정된 상태를 유지하도록 구성 가능하다. 즉, 상기 제1맨드렐(160)을 도 4와 같이 원소재(W) 중앙부에 삽입된 상태가 되도록 고정하고 상기 제1펀치(140)를 하방향으로 가압함으로써, 제1맨드렐(160)의 외면과 제1성형공간(124)의 내면에 동시에 대응되는 형상을 가지는 1차성형품(E1)을 성형할 수 있을 것이다.

이때 상기 제1맨드렐(160)의 외면은 하방향으로 갈수록 점차 외경 크기가 증가하도록 구성됨이 바람직하다.

즉, 상기 제1맨드렐(160)의 상단부에서 하측 방향으로 갈수록 외경크기를 증가시킴으로써, 상기 원소재(W)가 제1펀치(140)에 의해 하방향으로 가압되면서 평기어 치차 형상을 형성할 때 외측방향으로 압력을 제공하여 원소재(W)가 보다 잘 충진되도록 함으로써 치차의 정밀도가 높아지도록 할 수 있다.

이하 첨부된 도 6을 참조하여 2차금형(200)의 구성을 설명한다.

상기 2차금형(200)은, 상기 1차성형품(E1)의 외형과 대응되는 내부 형상을 가지는 제2안착공간(222)을 구비한 제2금형본체(220)와, 상기 제2금형본체(220)와 별개로 구성되고, 상기 2차성형품(E2)의 외형과 대응되는 내부형상을 가지는 제2성 형공간(242)을 구비한 제3금형본체(240)와, 상기 제2안착공간(222)에 안착된 1차성형품(E1)에 직선방향 하중을 가하는 제2펀치(260)와, 상기 1차성형품(E1) 내부에 삽입되어 1차성형품(E1)에 방사상 압력을 제공하는 제2맨드렐(280)을 포함하여 구성된다.

상기 제2금형본체(220)는 1차성형품(E1)의 높이보다 조금 큰 높이를 가지며, 내부에는 1차성형품(E1)의 외면 형상과 대응되는 형상의 치차가 형성되어 제2안착공간(222)을 형성하게 된다.

그리고, 상기 제2금형본체(220) 하측에는 제3금형본체(240)가 구비된다. 상기 제3금형본체(240)는 제2금형본체(220)와 별개로 구성되며, 선택적으로 접촉함으로써 상기 1차성형품(E1)의 하방향 낙하를 간섭하여 안착되게 한다.

따라서, 상기 제2안착공간(222)에 1차성형품(E1)이 삽입되면 2차성형품(E2)의 하단부는 제3금형본체(240)의 제2성형공간(242) 상단부와 접촉하게 되어 상기 1차성형품(E1)은 제2금형본체(220) 내부에 안착된 상태를 유지할 수 있게 된다.

상기 제3금형본체(240)의 내부에는 제2성형공간(242)이 형성된다. 제2성형공간(242)은 1차성형품(E1)을 하방향으로 가압시에 평치차 형상이 나선형의 헬리컬 기어 형상을 갖도록 나선으로 형성된다.

그리고, 상기 제2성형공간(242)에 형성된 나선은 제2안착공간(222)에 평치차 형상의 치차와 대응되는 개수로 구비되며, 제2안착공간(222)과 제2성형공간(242)은 서로 연통하도록 배치된다.

즉, 상기 제2안착공간(222)과 제2성형공간(242) 각각의 중심은 하나의 가상 직선 상에 위치하며, 서로 접하는 면은 동일한 형상 및 크기를 갖는다.

보다 구체적으로는, 상기 제2안착공간(222)의 하면과 제2성형공간(242)의 개구된 상면은 동일한 형상 및 크기를 가지며, 제2금형본체(220)와 제3금형본체(240)가 면접촉하였을 때 상기 제2안착공간(222)에 형성된 치차는 제2성형공간(242)의 상단에 형성된 치차와 완전하게 일치되도록 구성된다.

그리고, 상기 제2펀치(260)는 1차성형품(E1)의 횡단면형상과 대응되는 형상을 갖도록 구성되며, 상기 1차성형품(E1)의 높이와 대응되거나 높게 형성된다.

따라서, 상기 제2안착공간(222)에 안착된 1차성형품(E1)의 상측에서 제2펀치(260)가 하방향으로 직선 운동하여 2차성형품(E2)을 가압하게 되면, 상기 1차성형품(E1)은 물이 관로를 따라 흐르듯이 제2성형공간(242)으로 밀려 들어가게 되며, 이때 1차성형품(E1) 외면에 형성된 평치차는 제2성형공간(242) 내면에 형성된 나선형 치차 사이의 틈으로 압출되어 나선을 그리면서 변형된다.

이때 상기 제1펀치(140)는 제2안착공간(222) 내부로 점차 삽입된다.

상기 제3금형본체(240) 하측에는 제2맨드렐(280)이 구비된다. 상기 제2맨드렐(280)은 제1맨드렐(160)과 같이 상방향으로 직선 운동하여 1차성형품(E1)의 내측에서 외측방향의 가압력이 가해지도록 하는 구성이다.

즉, 상기 제2맨드렐(280)은 상단부의 외경이 1차성형품(E1)의 내경크기와 대응되며, 하측으로 갈수록 외경이 점차 증가하도록 구성된다.

그리고, 상기 제2맨드렐(280)은 상방향을 직선 운동하거나 중심을 기준으로 회전 가능하도록 구성된다.

이것은, 상기 1차성형품(E1)이 제2성형공간(242)으로 압출될 때 외면에 형성되는 나선이 보다 정밀하게 성형될 수 있도록 하는 것으로, 상기 제2맨드렐(280)의 상방향 움직임은 1차성형품(E1) 내부에서 외측 방향으로 압력이 가해지도록 하여 제2성형공간(242)의 나선 사이사이에 충진율이 높아지도록 하기 위함이다.

그리고, 상기 제2맨드렐(280)의 회전은 1차성형품(E1)의 외측에 형성되는 나선의 방향과 대응되는 방향으로 실시됨으로써 이 또한 제2성형공간(242)의 나선 사이사이에 충진율이 높아지도록 하기 위함이다.

이하 상기와 같이 구성되는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용하여 헬리컬기어를 제조하는 방법을 첨부된 도 7 내지 도 8을 참조하여 설명한다.

도 7에는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법을 나타낸 공정 순서도가 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법에서 각 단계별 성형품의 형상을 보인 실물 사진이 도시되어 있다.

먼저, 도 7과 같이, 본 발명의 바람직한 제조방법은, 중공형 원소재(W)를 준비하는 소재준비단계(S100)와; 헬리컬기어 성형용 전방압출금형의 일 구성인 1차금형(100)으로 원소재(W)를 전방압출하여 평기어 형상의 1차성형품(E1)을 성형하는 1차성형단계(S200)와, 헬리컬기어 성형용 전방압출금형의 나머지 구성인 2차금형(200)으로 1차성형품(E1)을 전방압출하여 헬리컬기어 형상의 2차성형품(E2)을 성형하는 2차성형단계(S300)와; 상기 2차성형품(E2)의 일부를 가공하는 후가공단계(S400)로 이루어진다.

상기 소재준비단계(S100)는 1차성형단계(S200)에서 전방압출시에 성형성을 높이기 위한 과정으로서, 본 발명의 실시예에서는 원소재(W)를 가열하여 풀림처리(annealing)하고 윤활재등을 도포하여 피막처리하게 된다.

상기 1차성형단계(S200)는 도 8의 사진과 같이 평기어 형상의 1차성형품(E1)을 성형하는 과정이다. 이를 위해 상기 1차성형단계(S200)는, 원소재(W)를 제1안착공간(122)에 안착하는 소재안착과정(S220)과, 안착된 원소재(W)를 제1펀치(140)로 가압하여 제1성형공간(124)과 대응되는 외형을 갖는 1차성형품(E1)을 형성하는 1차성형과정(S240)으로 이루어진다.

상기 소재안착과정에서 원소재(W)는 도 9의 좌측 사진과 같이 제1성형공간(124)의 상단에 간섭되어 제1안착공간(122) 내부에 안착된 상태를 유지하며, 상기 제1맨드렐(160)은 원소재(W) 중앙부에 삽입된 상태를 유지하게 된다.

이후 상기 제1펀치(140)가 도 9의 중앙 사진과 같이 하방향으로 이동하게 되면 상기 원소재(W)의 하부는 점차 제1성형공간(124)으로 압출되어 상기 원소재(W)의 외면에는 하단부에서 상방향으로 평치아 형상이 성형된다.

그리고, 상기 제1펀치(140)가 제1안착공간(122) 내부로 완전히 삽입되면, 상기 원소재(W)는 도 9의 우측사진과 같이 평치차 형상을 갖는 1차성형품(E1)을 형성하면서 제1성형공간(124) 하측으로 낙하하게 된다.

상기와 같이 1차성형단계(S200)가 완료되면, 1차성형품(E1)은 2차성형단계(S300)를 거치게 된다.

상기 2차성형단계(S300)는, 1차성형품(E1)을 제2안착공간(222)에 안착하는 성형품안착과정(S320)과, 상기 1차성형품(E1)을 제2펀치(260)로 가압하여 제2성형공간(242)과 대응되는 외형을 갖는 2차성형품(E2)을 형성하는 2차성형과정(S340)으로 이루어진다.

상기 성형품안착과정에서 1차성형품(E1)은 도 10의 사진과 같이, 제2안착공간(222)에 삽입된 상태이며, 이때 1차성형품(E1)의 하단은 제2성형공간(242)의 상단과 간섭되어 하측으로 낙하하지 않고 안착된 상태를 유지하게 된다.

이후 상기 2차성형과정이 실시되면, 상기 제2펀치(260)는 하방향으로 이동하여 1차성형품(E1)의 상면을 가압하게 되며, 이와 동시에 상기 제2펀치(260)는 제2안착공간(222)으로 삽입되면서 1차성형품(E1)을 전방 압출하게 된다.

따라서, 상기 1차성형품(E1)의 외면에 형성된 평치차 형상의 돌기는 상기 제2성형공간(242)에 형성된 나선 모양의 돌기 사이에 채워져 헬리컬 기어 형상을 가질 수 있게 된다.

이때 상기 제2맨드렐(280)은 도 10의 화살표 방향으로 회전하게 되어 나선 형성시 충진율을 높일 수 있게 된다. 이와 함께 상기 제2맨드렐(280)은 제2펀치(260)와 대향되는 방향으로 직선 운동함으로써 충진율을 보다 더 높일 수도 있다.

한편, 상기 1차성형단계(S200)와 2차성형단계(S300) 사이에는, 응력제거과정(S250)이 실시될 수 있다.

상기 응력제거과정은 1차성형품(E1)의 내부 조직을 고르게 하고 응력을 제거하기 위한 과정으로, 1차성형품(E1)의 전방압출시에 성형성을 높게하기 위함이다.

따라서, 상기 응력제거과정은 풀림처리(annealing)가 적용됨이 바람직하다.

상기 2차성형단계(S300) 이후에는 후가공단계(S400)가 실시된다. 상기 후가공단계(S400)는 2차성형품(E2)의 외면에 부착된 스케일이나 이물을 제거하거나, 별도의 절삭 가공을 실시하여 보다 정밀한 치수 및 외형을 갖도록 하는 과정이다.

이하 상기와 같은 단계를 거쳐 제조된 2차성형품(E2)의 치수 정밀도를 도 11 내지 도 12를 참조하여 설명한다.

도 11은 본 발명에 의한 헬리컬기어 성형용 전방압출금형을 이용한 헬리컬기어 제조방법에 따라 제조된 2차성형품(E2)과 2차금형(200) 사이의 간격을 측정한 데이터이고, 도 12 는 도 11의 결과를 표시한 그래프이다.

도 11의 데이터는 도 1을 기준으로 측정하였다.

즉, 제2성형품의 상면에서 5㎜ 씩 아래로 내려온 각 지점을 Region A, Region B, Region C 라 칭하고, 제2성형품의 중심으로부터 동일한 동심원 상에 교차하는 나선형 치차의 표면부를 P1 내지 P9로 정하여 제2성형공간(242)과의 간격을 측정하였다. 단, 상기 2차성형과정에서 제2맨드렐(280)은 회전 및 직선운동하지 않고 정지된 상태를 유지하였다.

그 결과, 도 11 및 도 12와 같이 P1 내지 P8 에서는 Region A, Region B, Region C 모두 2㎛ 이내의 틈간격을 나타내었고, P9 에서는 Region A, Region B, Region C 모두 10㎛ 이상의 틈간격을 나타내었다.

그러나, P9 지점은 한 쌍의 헬리컬기어가 맞물려 회전시에 접촉하지 않는 부위이다. 즉, 한 쌍의 헬리컬기어가 맞물려 회전시에 맞물림 부위는 P2 내지 P8 영 역이므로 이러한 틈간격 수치는 헬리컬기어의 회전시 발생될 수 있는 소음이나, 기계적 강도 및 내구성에는 전혀 지장을 주지 않을 것으로 판단된다.

또한 도 13과 같이 2차성형과정(S340) 중에 발생하는 성형하중 변화를 살펴보면, 도 3의 비교예와 대비할 때 현저히 낮은 성형하중이 작용하는 것을 알 수 있다.

이에 부가하여, 상기 2차성형과정(S340)의 성형초기와 성형말기에서는 도 3의 비교예와는 달리 본 발명의 실시예에 따르면 급격한 성형하중 변화를 나타내지 않고 완만한 곡선을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서는, 제2맨드렐의 외형이 하측으로 갈수록 경사지게 구성하였으나, 제2맨드렐의 외측 방향 가압 작용이 가능한 범위 내라면 도 14와 같이 하측으로 갈수록 외경이 점차 증가하되, 단차지게 형성할 수도 있음은 자명하다.

또한 본 발명의 실시예에서는, 맨드렐이 고정된 상태를 유지하도록 구성되어있으나, 단조 성형시 충진율을 높이기 위해서 필요에 따라서는 길이 방향으로 직선 운동하거나, 회전 가능하도록 구성할 수도 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는, 원소재(W)를 평기어 형태로 1차성형하고, 평기어 형태의 1차성형품을 2차성형하여 헬리컬기어 형상의 2차성형품이 성형 가능하도록 구성하였다.

그리고, 본 발명에서는 제2맨드렐이 하측으로 갈수록 외경이 증가하도록 구성하였다.

따라서, 2차성형품의 나선형 기어 형성시에 충진율이 높아지므로 불량율이 현저히 감소하고 치수정밀도가 높아지는 이점이 있다.

뿐만 아니라, 1차성형품과 2차성형품을 전방압출하기 위한 1차금형과 2차금형을 별개로 구성함으로써, 특히 2차성형품 성형시에 성형하중이 현저히 감소하게 되므로, 금형수명이 현저히 증가, 생산성 극대화로 인해 제조 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 중공형 원소재의 외형과 대응되어 원소재가 안착되는 제1안착공간과, 상기 제1안착공간의 일단에서 평기어의 외관 형상을 갖는 제1성형공간을 동시에 구비한 제1금형본체와, 상기 제1안착공간과 대응되는 외형크기를 가지고 원소재에 직선방향 하중을 가하는 제1펀치와, 상기 원소재의 내부에 삽입되어 원소재에 방사상 압력을 제공하는 제1맨드렐로 이루어져 상기 원소재를 전방 압출하여 평기어 형상의 1차성형품을 성형하기 위한 1차금형과;

   상기 1차금형과 별개로 구성되고, 상기 제1성형공간과 대응되는 제2안착공간을 구비하여 1차성형품이 안착되는 제2금형본체와, 상기 1차성형품의 외형과 대응되는 외형을 가지며, 상기 제2안착공간에 안착된 1차성형품에 직선방향 하중을 가하는 제2펀치와, 상기 제2금형본체와 별개로 구성되어 제2금형본체의 일측과 결합되고, 헬리컬기어 형상의 제2성형공간을 구비하여 제2안착공간에 수용된 1차성형품을 전방압출하여 제2성형공간과 대응하는 헬리컬기어 형상의 2차성형품을 성형하는 제3금형본체와, 상기 1차성형품 내부에 삽입된 상태로 회전 및 직선 운동하여 1차성형품에 방사상 압력을 제공하는 제2맨드렐로 이루어진 2차금형;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제2맨드렐은 일방향으로 갈수록 외경 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 제2맨드렐의 외면은 길이 방향으로 갈수록 단차져 외경이 확대됨을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.
7. 삭제
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 제2맨드렐은 제2성형공간에 형성된 나선의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제2금형본체와 제3금형본체는,

   상기 제2안착공간과 제2성형공간이 연통하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제2안착공간과 제2성형공간은,

    각각의 중심이 하나의 가상직선 상에 위치하며, 서로 접하는 면은 동일한 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 1차성형품은,

    상기 제3금형본체의 일측과 접촉하여 상기 제2안착공간에 안착된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 1차성형품은,

    상기 제2성형공간 일측과 접촉하여 상기 제2안착공간에 안착된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 헬리컬기어 성형용 전방압출금형.

Images