KR101461313B1 - 5축가공기를 이용한 하이포이드기어 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 5축가공기를 이용한 하이포이드기어 가공방법에 관한 것으로서, 회전하는 모재테이블에 모재를 고정하는 단계와; X축, Y축, Z축 및 틸팅과 회전의 5축 이동이 가능한 공구를 이동하여 상기 모재에 링지지부를 황삭가공하는 단계와; 상기 공구를 이용해 상기 모재에 상기 하이포이드 기어의 형상에 대응되는 치형을 황삭가공하는 단계와; 상기 공구를 이용해 상기 모재에 상기 링지지부와 상기 치형을 정삭가공하는 단계와; 상기 치형이 가공된 모재를 열처리하는 단계와; 정삭가공이 완료된 모재를 래핑하는 단계와; 상기 치형의 프로파일을 검사하는 단계를 포함하는 것를 포함하며, 상기 치형을 정삭가공하는 단계는 상기 공구의 공구헤드가 일정각도 틸팅된 상태로 상기 치형의 벽면을 따라 이동하며 언더컷을 성형하는 단계를 포함하며, 상기 5축가공기는 상기 공구를 120분 이상 공회전시켜 상기 공구의 온도를 41℃로 일정하게 유지시킨 상태에서 상기 링지지부와 상기 치형을 가공하는 것을 특징으로 한다.

Description

5축가공기를 이용한 하이포이드기어 가공방법{HYPOID GEAR MACHINING METHOD USING 5-AXIS CNC MACHINE}

본 발명은 하이포이드기어 가공방법에 관한 것으로, 보다 자세히는 5축가공기를 이용해 언더컷 형상을 방전가공 없이 정밀하게 형성할 수 있는 하이포이드기어 가공방법에 관한 것이다.

일반적으로 기어는 피니언 등과 치합되어 회전되기 때문에 치형이 정밀하게 형성되어야 한다. 특히, 베벨기어는 동력의 전달을 수직방향으로 전달하기 위해 다양하게 사용되고 있다. 베벨기어는 치형의 형상에 따라 스트레이트와 스파이럴 및 하이포이드(hypoid),로 구분되며, 하이포이드 기어는 다른 형상에 비하여 그 제작과정이 더욱 어려워 제작에 어려움이 있다.

이러한 하이포이드 기어의 제작과 관련하여 등록특허 제10-1015206호 "하이포이드 단조기어용 금형 제작방법"에 제작방법이 개시된 바 있다.

도 1은 종래 하이포이드 기어 제조과정을 도시한 개략도이다. 종래 하이포이드 기어는 3축 가공기(10)에 의해 가공되었다. 이 경우, 3축 가공기(10)의 공구(17)는 도 1에 도시된 바와 같이 X축, Y축, Z축으로만 이동이 가능하므로, 하이포이드 기어의 치형(13)에 형성된 언더컷 부분을 가공할 수 없는 한계가 있었다.

이에 도 2에 도시된 바와 같은 방전가공을 이용해 치형(13)을 형성하였다. 이를 위해 치형(13)의 프로파일에 대응되는 전극(15)을 별도로 제작하고, 전극(15)를 이용해 치형(13)을 형성하였다.

따라서, 종래 하이포이드기어를 제조하기 위해서는 방전가공용 전극을 별도로 제작해야 하므로, 제작비용이 증가하게 된다. 또한, 방전가공에 의해 형성된 치형의 가공면이 깨끗하지 못해 표면의 래핑시간이 길어지게 되므로 생산성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 헬리컬 형상의 치형과 언더컷을 형성하기 위해 방전전극을 좌우로 요동시키며 방전가공이 이루어지므로 치형의 치수가 불안정한 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 5축가공기를 이용해 별도의 방전가공을 사용하지 않고도 정밀하고 깨끗한 치형을 가공할 수 있는 하이포이드기어 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고속가공시에 공구의 열변형으로 인한 치수변화를 예측한 후 가공하여 정확하고 정밀한 치형을 형성할 수 있는 하이포이드기어 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명의 목적은 5축가공기를 이용한 하이포이드기어 가공방법에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 5축가공기를 이용한 하이포이드기어 가공방법은, 회전하는 모재테이블에 모재를 고정하는 단계와; X축, Y축, Z축 및 틸팅과 회전의 5축 이동이 가능한 공구를 이동하여 상기 모재에 링지지부를 황삭가공하는 단계와; 상기 공구를 이용해 상기 모재에 상기 하이포이드 기어의 형상에 대응되는 치형을 황삭가공하는 단계와; 상기 공구를 이용해 상기 모재에 상기 링지지부와 상기 치형을 정삭가공하는 단계와; 상기 치형이 가공된 모재를 열처리하는 단계와; 정삭가공이 완료된 모재를 래핑하는 단계와; 상기 치형의 프로파일을 검사하는 단계를 포함하는 것를 포함하며, 상기 치형을 정삭가공하는 단계는 상기 공구의 공구헤드가 일정각도 틸팅된 상태로 상기 치형의 벽면을 따라 이동하며 언더컷을 성형하는 단계를 포함하며, 상기 5축가공기는 상기 공구를 120분 이상 공회전시켜 상기 공구의 온도를 41℃로 일정하게 유지시킨 상태에서 상기 링지지부와 상기 치형을 가공하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따른 5축가공기를 이용한 하이포이드기어 가공방법은 5축가공에 의해 하이포이드기어의 치형과 언더컷 형상을 가공할 수 있다. 이에 의해 종래 방전전극 제작에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있다.

또한, 5축가공에 의해 고속으로 치형을 가공할 수 있으므로 치형의 형상이 깨끗하고 치수가 정밀하여 래핑가공시간을 줄일 수 있고 제품불량도 줄일 수 있다. 따라서, 제품 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 5축가공 전에 공구를 공회전시켜 열팽창에 의한 길이변화를 예측하게 되므로 치수정밀도를 보다 더 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 3축가공기를 이용한 하이포이드기어 제조과정을 개략적으로 도시한 개략도,
도 2는 종래 방전가공기를 이용해 치형을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 개략도,
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 5축가공기를 이용한 하이포이드기어 제조과정을 개략적으로 도시한 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 5축가공기를 이용하여 하이포이드기어의 치형을 성형하는 과정을 확대도시한 예시도,
도 7은 본 발명에 따른 5축가공기를 이용하여 제조된 하이포이드기어를 도시한 평면도,
도 8은 본 발명에 따른 5축가공기를 이용하여 제조된 하이포이드기어의 치형을 확대하여 도시한 예시도,
도 9a 내지 9c는 본 발명에 따른 5축가공기의 공회전시간에 따른 공구온도 변화를 도시한 표, 그래프 및 공구의 형상변화를 도시한 예시도,
도 10a와 도 10b는 종래 3축가공기와 방전가공에 의해 제조된 하이포이드기어의 치형사진과 본 발명에 따른 5축가공기에 의해 제조된 하이포이드기어 치형사진이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 5축가공기(100)를 통한 하이포이드기어 제조과정을 도시한 예시도이다.

본 발명에 따른 하이포이드기어(200)는 5축가공기(100)를 통해 제조된다. 여기서, 5축가공기(100)는 5축을 구현하는 CNC 가공기계로 구비될 수 있다. 5축가공기(100)는 X, Y, Z축의 이동과, 3개의 축 중 선택된 2개의 축이 회전 및 틸팅(tilting)되도록 구성된다.

본 발명에 따른 5축가공기(100)는 5축가공을 구현하기 위해 모재테이블(110)이 회전되고, 공구헤드(120)가 3축으로 이동 및 틸팅과 회전되도록 구현된다. 경우에 따라 5축가공기(100)는 모재테이블(110)은 고정되고, 공구헤드(120)가 3축으로 이동, 회전 및 틸팅의 5축가공이 모두 구현되도록 구비될 수도 있다.

5축가공기(100)는 하이포이드기어(200)의 형상에 대응되는 공구경로의 방향을 지정하는 가공데이터를 포함한다. 이때, 황삭가공을 위한 공구경로 데이터, 정삭가공을 위한 공구경로 데이터가 모두 포함한다. 공구헤드(120)는 제어부(미도시)의 제어에 의해 가공데이터에 포함된 공구경로의 방향대로 이동하며 하이포이드기어(200)를 가공하게 된다.

하이포이드기어(200)는 도 7에 도시된 바와 같이 헬리컬 형태의 프로파일을 갖는 치형(220)과, 치형(220)의 외주연에 형성된 치형지지부(210)를 포함한다. 치형(220)은 도 8에 확대도시된 바와 같이 빨간색으로 표시한 영역이 상방향으로 갈수록 점차 면적이 줄어들면서 외측에서 보이지 않게 된다. 이 때, 보이지 않는 부분을 언더컷(220a)이라고 한다.

본 발명에 따른 5축가공기(100)는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 공구헤드(120)가 일정각도(θ) 틸팅된 상태로 이동되며 공구(121)이 치형(220)의 언더컷(220a)을 성형하게 된다. 이에 따라 별도로 방전전극을 제작할 필요없이 5축가공기(100)에서 황삭 및 정삭이 모두 가능하게 된다.

하이포이드기어(200)를 가공하기 위해 먼저 도 3에 도시된 바와 같이 모재테이블(110)에 모재(M)를 고정시킨다. 도면에 도시되지 않았으나 모재테이블(110)에 모재(M)를 고정하기 위한 복수개의 척(미도시)이 구비된다. 모재테이블(110)은 회전 가능하게 구비된다.

모재테이블(110) 상부에 공구헤드(120)가 X축, Y축, Z축으로 각각 이동되며, 일정각도(θ) 틸틸가능하게 구비된다. 공구헤드(120)에 결합되는 공구(121)는 공구체인저(미도시)에 의해 교환가능하게 구비된다. 황삭용 공구, 정삭용 공구가 각각의 용도에 맞게 선택되어 사용된다. 공구헤드(121)에 제어부(미도시)에 저장된 공구경로데이타의 위치정보에 따라 이동하게 된다.

모재(M)의 고정이 완료되면, 모재테이블(110)이 회전되고, 공구헤드(120)가 이동하며 모재(M)를 황삭가공한다. 도 4에 도시된 바와 같이 치형(220)을 제외한 치형지지부(210)의 형상을 황삭가공한다.

치형지지부(210)의 황삭가공이 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이 공구헤드(120)가 일정각도(θ) 틸팅된 상태로 이동되고 공구(121)가 치형(220)과 언더컷(220a) 부분을 가공한다. 특히, 도 6에 도시된 바와 같이 공구(121)가 경사지게 틸팅된 상태로 치형(220) 벽면을 따라 이동하며 정밀하게 언더컷(220a) 형상을 가공할 수 있다.

치형(220)의 황삭가공이 완료되면, 모재의 수명을 연장하기 위한 열처리를 진행한다. 모재(M)의 소재에 따라 열처리 방식이 결정된다. 열처리는 침탄, 담금질(가스침탄, 액체침탄, 고용침탄), 고주파열처리(표면경화), 화염담금질(회전식), 직접담금질(완전담금질) 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

모재(M)의 열처리가 완료되면, 치형지지부(210)와 치형(220)을 정삭가공한다. 공구헤드(120)에 정삭용 공구(121)로 교체하여 결합하고 정삭가공을 수행한다.

정삭가공이 완료되면, 래핑(lappinp)가공을 진행한다. 래핑가공은 열처리한 모재의 비틀림이나 모재의 변형을 잡아주기 위해 진행된다. 래핑가공은 가공이 완료된 모재의 이면을 평활하게해 기어의 소음을 줄여주고 기어의 찌그러짐 및 크랙을 발견할 수 있게 한다.

도 7은 래핑가공이 완료된 하이포이드기어(200)의 형상을 도시한 평면도이다. 래핑가공이 완료되면, 하이포이드기어(200)의 치형(220)에 대한 프로파일 검사를 수행하고, 프로파일 검사결과를 통해 하이포이드기어(200)의 제조를 완료하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 5축가공기(100)는 모재(M)를 가공하기 전에 공구헤드(120)를 미리 일정시간 공회전시켜 열팽창으로 인한 공구의 치수변화를 예측한다. 그리고, 변화된 공구의 치수를 고려하여 모재(M)를 가공하므로 치수정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 9a는 본 발명에 따른 5축가공기(100)의 공회전시간에 따른 온도의 변화를 나타낸 그래프이고, 도9b는 공구의 열팽창으로 인한 길이변화를 도시한 예시도이다.

도시된 바와 같이 공구(121)는 회전에 의해 발생된 열에 의해 가공시간에 따라 온도가 상승되게 된다. 온도 상승에 따라 열팽창이 발생되고, 공구(121)의 초기길이에 비해 일정길이(σ) 길어지게 된다. 공회전 없이 공구(121)를 처음부터 모재와 접촉시켜 가공할 경우 점차 공구(121)의 길이가 길어지게 되므로 가공치수가 달라지게 된다.

그래프에 도시된 바와 같이 공구를 공회전시켰을 때, 120분 이후에 공구의 온도가 41℃로 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 즉, 120분의 공회전 이후 공구의 열팽창이 더 이상 이루어지지 않으므로 공구의 길이변화도 없게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 5축가공기(100)는 모재(M)를 가공하기 전에 120분 동안 공회전시켜 온도의 변화가 더 이상 없는 시점에 가공을 시작하여 공구의 열팽창으로 인한 길이변형을 반영하고 가공을 하게 된다. 이에 따라 치수정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 10a는 종래 3축가공기와 방전가공에 의해 제조된 하이포이드 기어의 치형의 형상사진이고, 도 10b는 본 발명에 따른 5축가공기에 의해 제조된 하이포이드 기어의 치형의 형상사진이다. 사진에 나타낸 바와 같이 기존 방전 공법에 의해 가공된 치형의 형상보다 본 발명의 5축가공기에 의해 가공된 치형의 형상이 현저히 깨끗한 가공면을 나타내는 것을 알 수 있다.

이에 따라 랩핑가공시간도 짧아지게 되고 전체적인 제조시간이 짧아지게 된다. 또한, 방전전극의 별도 제작이 필요없으므로 제조비용도 감소될 수 있다. 따라서, 제조단가를 낮출 수 있고, 생산성도 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 하이포이드기어 제조방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 5축가공기 110 : 모재테이블
120 : 공구헤드 121 : 공구
200 : 하이포이드기어 210 : 치형지지부
220 : 치형 220a : 언더컷

Claims (3)

1. 5축가공기를 이용한 하이포이드기어 가공방법에 있어서,
   회전하는 모재테이블에 모재를 고정하는 단계와;
   X축, Y축, Z축 및 틸팅과 회전의 5축 이동이 가능한 공구를 이동하여 상기 모재에 링지지부를 황삭가공하는 단계와;
   상기 공구를 이용해 상기 모재에 상기 하이포이드 기어의 형상에 대응되는 치형을 황삭가공하는 단계와;
   상기 공구를 이용해 상기 모재에 상기 링지지부와 상기 치형을 정삭가공하는 단계와;
   상기 치형이 가공된 모재를 열처리하는 단계와;
   정삭가공이 완료된 모재를 래핑하는 단계와;
   상기 치형의 프로파일을 검사하는 단계를 포함하는 것를 포함하며,
   상기 치형을 정삭가공하는 단계는 상기 공구의 공구헤드가 일정각도 틸팅된 상태로 상기 치형의 벽면을 따라 이동하며 언더컷을 성형하는 단계를 포함하며,
   상기 5축가공기는 상기 공구를 120분 이상 공회전시켜 상기 공구의 온도를 41℃로 일정하게 유지시킨 상태에서 상기 링지지부와 상기 치형을 가공하는 것을 특징으로 하는 하이포이드기어 가공방법.
   
   
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