KR101916470B1 - 기어를 절삭하기 위한 공구, 및, 기어를 절삭하는 방법 - Google Patents

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Abstract

헬리컬 기어와 치합하는 페이스 기어를 효율적으로 절삭가공하기 위한 공구를 제공한다. 절단날부의 날끝의 원호 이빨 두께를 SatSC로 하고, 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 가상 외경 상의 원호 이빨 두께를 Sat로 하며, 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 가상 외경에서의 비틀림각을 βa로 하고, 절단날부의 이빨 폭을 bsc로 했을 때,
Figure 112012099239807-pat00029
의 관계를 만족한다.

Description

기어를 절삭하기 위한 공구, 및, 기어를 절삭하는 방법{TOOL FOR CUTTING GEAR AND METHOD FOR CUTTING GEAR}
본 발명은, 기어를 절삭하기 위한 공구, 및, 기어를 절삭하는 방법에 관한 것이다. 특히, 헬리컬 기어(helical gear)와 평행하지 않는 축으로 치합하는 페이스 기어(face gear)를 절삭하기 위한 공구, 및, 당해 페이스 기어를 절삭하는 방법에 관한 것이다.
기어의 일종인 페이스 기어(크라운 기어)는, 국내에서는 주로 낚시용의 스피닝 릴(spinning reel)에 이용되는 구동 휠의 업계에서의 사용 실적이 많지만, 최근에는, 그 실용성의 높음이 재고되어, 직교축의 기어 박스나 항공기 관련 등의 분야에서도 연구 내지 실용이 이루어지고 있다.
페이스 기어의 가공 방법으로서는, 주로, (1) 전극에 의해 제작한 암틀(female die) 치형(齒形, tooth profile)에 의한 단조나 주조, (2) 쉐이퍼 커터(shaper cutter, 피니언 커터)를 이용하는 기어 절단 가공, (3) 머시닝센터를 이용하여 볼 엔드밀과 이론 치형 좌표를 사용하여 이를 직접 깎아내는 머시닝 커팅 등을 들 수 있다.
(1)의 단조 내지 주조는, 대량생산을 위한 가공 방법이지만, 암틀 제작을 위한 수틀(male die) 전극의 정밀도나 제조기술에 의해, 달성할 수 있는 정밀도에 격차가 생긴다. 치합 정밀도 향상을 위해, 단조 후, 한 벌의 기어에 랩핑을 행하는 경우도 있다.
(2)의 쉐이퍼 커터에 의한 기어 절단법은, 현재 상태에서는, 가공 효율이 나쁘다는 점, 치면(齒面,tooth flank) 수정이 어려운 점, 적합한 가공기(쉐이퍼 머신)가 세상에 그다지 없다는 점, 공구(헬리컬 피니언 커터)의 제작과 관리가 어렵다는 점, 등의 이유에서, 현재는 그다지 이용되지 않는다.
(3)의 머시닝 커팅은, 치면에 수정을 가한 치형을 제작할 수 있어, 고정밀도의 전달 정밀도를 얻을 수 있다. 그러나, 긴 가공시간을 필요로 하기 때문에, 양산에는 적합하지 않다.
본 발명은, 이상과 같은 상황을 감안하여 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어, 특히 페이스 기어를 고정밀도이고 효율적으로 절삭가공하기 위한 공구, 및, 해당 페이스 기어를 절삭가공하는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 소정의 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어를 피삭(被削) 기어로서 절삭가공하는 평기어(spur gear) 형상의 공구로서, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 적어도 하나의 치형 곡선 형상 쌍 중 일방과 동일한 치형 곡선 형상의 절단날을 갖는 절단날부를 가지고,: 상기 절단날부의 원호 이빨 두께는, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 원호 이빨 두께보다 좁고,; 상기 절단날부의 이빨 길이는, 상기 헬리컬 기어의 이빨 길이 이상이며,; 상기 절단날부의 이빨 끝의 원호 이빨 두께를 SatSC로 하고, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 가상 외경 상의 원호 이빨 두께를 Sat로 하며, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 가상 외경에 있어서의 비틀림각을 βa로 하고, 상기 절단날부의 이빨 폭을 bsc로 했을 때,
[식 1]
Figure 112012099239807-pat00001
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 공구이다.
본 발명에 의하면, 취급하기 쉬운 평기어 형상의 공구이면서, 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어, 특히 페이스 기어를 이론적으로 올바른 치형으로 정밀하게 절삭가공할 수 있고, 가공 효율도 좋다.
바람직하게는, 상기 절단날부는, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 각 치형 곡선 형상 쌍의 일방에 대응하여, 좌우의 치형에 치형 곡선 형상의 절단날을 갖는다. 이 경우, 좌우의 치형 곡선 형상의 절단날이 효율적으로 절삭에 기여하기 때문에, 가공 효율이 좋다.
예를 들면, 상기 헬리컬 기어는, 인볼류트 원통기어이다. 또한, 예를 들면, 상기 피삭 기어는, 페이스 기어이다.
또한, 상기 절단날부를 끼우도록, 2개 보조판이 구비됨이 바람직하다. 이 경우, 2개의 보조판에 의해 공구의 강도가 보강된다. 이 경우, 바람직하게는, 2개의 보조판은 헬리컬 기어 형상이다.
또한, 본 발명은 소정의 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어를 피삭 기어로서 절삭가공하는 평기어 형상의 공구로서, 적어도 하나의 치형 곡선 형상의 절단날을 갖는 절단날부를 가지고,: 상기 절단날부의 원호 이빨 두께는, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 원호 이빨 두께보다 좁으며,; 상기 절단날부의 이빨 길이는, 상기 헬리컬 기어의 이빨 길이 이상이고,; 상기 절단날부의 이빨 폭이, 축 단면에서 절단날이 셰브런(chevron)형상으로 되는 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 공구이다.
본 발명에 의하면, 취급하기 쉬운 평기어 형상의 공구이면서, 강도적으로도 우수하다.
이 경우, 바람직하게는, 상기 절단날부의 치형 곡선 형상은,
[식 2]
Figure 112012099239807-pat00002
의 파라미터를 이용하여 표시되는 셰브런 형상의 각도가 없는 기본적인 평기어 형상 공구의 치형 곡선 형상 절단날의 엣지상의 임의점을
[식 3]
XYZ 좌표계에서. 원점은 피니언의 중심이고, Y축은 피니언 축이며, Z축은 피니언의 축 직각 단면 치형의 이빨 두께 중심이고, 셰브런각을 갖지 않는 기본 평기어를 갖는 커터의 작용 절단날 단부의 소정 점 S의 좌표 (XS, YS, ZS)는,
우측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00003
좌측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00004
으로 표시되었을 때, 셰브런 형상의 각도를 갖는 당해 공구의 치형 곡선 형상 절단날의 엣지상의 임의점이,
[식 4]
Figure 112012099239807-pat00005
라는 파라미터를 이용하여
[식 5]
XYZ 좌표계에서, 원점은 피니언의 중심이고, Y축은 피니언 축이며, Z축은 피니언의 축 직각 단면 치형의 이빨 두께 중심이고, 셰브런각을 갖는 평기어를 갖는 커터의 작용 절단날 단부의 소정 점 S의 좌표 (XS, YS, ZS)는,:
우측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00006
좌측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00007
인 관계를 만족한다.
이 경우, 헬리컬 기어와 치합하는 기어, 특히 페이스 기어를 극히 효율적으로 절삭가공할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 절단날부는, 축방향으로 복수개 설치되어 있다. 이 경우, 각 절단날부가 효율적으로 절삭에 기여하기 때문에, 가공 효율이 좋다.
이 경우, 바람직하게는, 상기 복수의 절단날부는, 동일 위상에서 등(等)피치로 설치되어 있다. 이러한 형태는, 이빨 폭이 넓은 페이스 기어의 제조에도 유효하다.
혹은, 이 경우, 바람직하게는, 상기 복수의 절단날부는, 상기 헬리컬 기어의 비틀림각에 의한 잇줄(tooth trace) 형상에 맞추어, 위상이 균등하게 옮겨져서 설치되어 있다. 이에 의하면, 가공 효율이 극히 현저하게 향상된다.
또한, 바람직하게는, 상기 절단날부의 날끝의 측면에는, 소정의 여유각(relief angle)이 마련되어 있다. 이에 의하면, 절삭성이 극히 현저하게 향상된다.
또한, 본 발명은, 상기의 몇 가지의 특징을 갖는 공구를 이용하여, 소정의 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어를 피삭 기어로 하여 절삭가공하는 방법이다.
본 발명에 의하면, 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어, 특히 페이스 기어를, 이론적으로 올바른 치형으로 정밀하면서 극히 효율적으로 절삭가공할 수 있다.
도 1은 오프셋하여 헬리컬 피니언 기어와 치합하는 일반적인 페이스 기어를 나타내는 개략도.
도 2는 페이스 기어를 절삭하는 평기어 형상 커터(본 발명의 일 실시 형태)를 절삭가공시의 배치로 나타내는 개략도.
도 3은 본 실시 형태의 평기어 형상 커터와 헬리컬 기어의 관계를 나타내는 개략도.
도 4는 평기어 형상 커터의 이빨 폭에 관한 파라미터의 정의도(定義圖).
도 5는 이빨수와 비틀림각과 이빨 폭의 관계를 나타내는 도면.
도 6은 기어 절단 가공의 축에 대해서 설명하는 도면.
도 7은 평기어 형상 커터와 헬리컬 피니언 기어와 페이스 기어를 치합 및 가공 위치에 셋팅한 상태를 나타내는 도면.
도 8은 평기어 형상 커터와 페이스 기어가 치합 위치에 있는 상태에서, 평기어 형상 커터(혹은 헬리컬 기어)의 축 직각 단면 방향에서 본 도면.
도 9는 평기어 형상 커터의 절단날과 페이스 기어(내지 피니언 기어)의 치형과의 위치 관계를 나타내는 도면.
도 10은 평기어 형상 커터의 장방형상의 잇몸 단면에서, 페이스 기어의 치면을 깎는 상태를 나타내는 도면.
도 11은 평기어 형상 커터의 절삭 패턴을 정리하여 나타내는 테이블.
도 12는 평기어 형상 커터를 해당 커터의 축방향으로 시프트하는 상태를 나타내는 도면.
도 13은 헬리컬 피니언 기어의 입력 파라미터를 계산한 예를 나타내는 도표.
도 14는 평기어 형상 커터의 파라미터의 계산 예를 나타내는 도표.
도 15는 보조판 사용형 평기어 형상 커터의 전체도.
도 16은 도 15의 보조판 사용형 평기어 형상 커터의 분해도.
도 17은 보조판의 이빨 두께 조정량에 대해 나타내는 도면.
도 18은 절단날에 셰브런각(chevron angle)을 붙인 타입의 평기어 형상 커터를 나타내는 도면.
도 19는 도 18의 평기어 형상 커터의 이빨 폭에 관한 파라미터의 정의도.
도 20은 도 18의 평기어 형상 커터의 치형에 관한 파라미터의 정의도.
도 21은 도 18의 평기어 형상 커터의 치형에 관한 파라미터의 정의도.
도 22는 실제로 프로그램을 작성하여 산출한 둔각 평기어 형상 커터의 치형을 나타내는 도면.
도 23은 복수의 절단날부가 동일 위상에 축방향 등(等)피치로 설치되어 있는 예를 나타내는 도면.
도 24는 셰브런 각도로 된 평기어 형상을 갖는 절단날과 함께, 복수의 절단날부가 동일 위상에서 축방향 등피치로 설치되어 있는 예를 나타내는 도면.
도 25는 복수의 절단날부가 위상이 균등하게 시프트되어 설치되어 있는 예를 나타내는 도면.
도 26은 평기어 형상 커터의 절단날과 페이스 기어(내지 피니언 기어)의 치형과의 위치 관계를 나타내는 도면.
도 27은 도 25의 평기어 형상 커터의 분해도.
도 28은 도 25의 평기어 형상 커터의 변형예(밀착 조립형)를 나타내는 도면.
도 29는 페이스 기어의 축 직각 단면상에서, 페이스 기어 절삭시의 평기어 형상 커터와 페이스 기어 간의 위치 관계, 및, 페이스 기어와, 이와 치합하는 피니언 간의 위치 관계를 나타내는 도면.
도 30은 절단날부의 날끝의 측면에 소정의 여유각을 마련한 경우를 설명하는 도면.
도 31은 실제로 제작한 공구에 관한 각 파라미터를 나타내는 테이블.
도 32는 실제로 제작한 공구의 외관을 나타내는 도면.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 공구는, "평기어 형상 커터(SC)"라 불리며, 피삭 기어와 치합하는 동작을 하면서 절삭하여 마무리하는 공구이다. 여기서, 피삭 기어는, 헬리컬 기어와 정확히 맞물릴 수 있는 기어 전반이다. 여기에서는, 피삭 기어로서 페이스 기어(FG)를 채용한다.
오프셋하여 헬리컬 피니언 기어(PG)와 치합하는 일반적인 페이스 기어(FG)에 대해서, 도 1(a) 내지 도 1(d)에 나타낸다. 또한, 도 2(a) 내지 도 2(d)에, 페이스 기어(FG)를 절삭하는 평기어 형상 커터(SC)를, 절삭가공시의 배치로 나타낸다. 도 2(a) 내지 도 2(d)에 나타내는 바와 같이, 헬리컬 피니언 기어(PG)와 치합하는 페이스 기어(FG)를 평기어 형상의 절단날로 절삭하는 것이, 본 실시 형태의 평기어 형상 커터(SC)의 가장 기본적인 형태이다.
본 실시 형태의 평기어 형상 커터(SC)는, 소정의 헬리컬 피니언 기어(PG)와 치합하는 기어를 피삭 기어로서 절삭가공하는 공구이고, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 축 직각 단면 치형의 적어도 하나의 치형 곡선 형상 쌍의 일방과 동일한 치형 곡선 형상의 절단날(11a)을 갖는 절단날부(11)를 갖는다(도 3(a) 내지 도 3(d) 참조). 절단날부(11)의 원호 이빨 두께는, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 축 직각 단면 치형의 원호 이빨 두께보다 좁아져 있다(도 3 (c) 참조). 또한, 절단날부(11)의 이빨 길이는, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 이빨 길이 이상이다(도 3(c) 참조). 또한, 절단날부(11)의 이빨 끝의 원호 이빨 두께를 SatSC로 하고, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 축 직각 단면 치형의 가상 외경 상의 원호 이빨 두께를 Sat로 하며, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 축 직각 단면 치형의 가상 외경에서의 비틀림각을 βa로 하고, 절단날부(11)의 이빨 폭을 bsc로 했을 때,
[식 6] (=[식 1])
Figure 112012099239807-pat00008
의 관계를 만족한다.
상기 관계를 도시한 것이, 도 4(a) 및 도 4(b)이다. SaSC=0일 때, 평기어 형상 커터(SC)의 치형의 이빨 끝은 뾰족한 형상으로 되고, 평기어 형상 커터(SC)의 이빨 폭은 이하의 값에서 최대로 된다.
[식 7]
Figure 112012099239807-pat00009
아울러, 평기어 형상 커터(SC)의 치형의 모듈은, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 축 직각 모듈(정면 모듈) mt와 같다. 헬리컬 피니언 기어(PG)의 축 직각 모듈 mt는,
[식 8]
Figure 112012099239807-pat00010
로 주어진다. 이 때문에, 비틀림각 β가 크면 평기어 형상 커터(SC)의 모듈도 커진다.
여기서, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 이빨수를 z로 하고, 비틀림각 β에 대한 평기어 형상 커터(SC)의 절단날부(11)의 이빨 폭 bsc의 관계를 그래프로 정리해 보았다. 도 5에, 예로서, 모듈 mn=0.6, 압력각 α=20°, 전위계수 xn=0의 경우를 나타낸다. 아울러 SatSC=0로 하였다(평기어 형상 커터(SC)의 치형의 날끝을 뾰족한 형상으로 하였다).
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 이빨수가 많고 비틀림각이 적은 쪽이, 절단날부(11)의 이빨 폭 혹은 절단날의 두께를 크게 취할 수 있기 때문에, 평기어 형상 커터(SC)의 설계에서 유리하다.
다음으로, 평기어 형상 커터(SC)에 의한 페이스 기어(FG)의 절삭가공(기어 절단 가공)에 대해서 설명한다. 평기어 형상 커터(SC)에 의한 페이스 기어(FG)의 기어 절단 가공은, 평기어 형상 커터(SC)의 치형 곡선 형상 절단날의 엣지를, 페이스 기어(FG)와 치합하는 피니언 기어(PG)의 치면윤곽(tooth flank profile)을 마치 따라가듯이 이동시킴으로써 실시된다.
평기어 형상 커터(SC)는, 페이스 기어(FG)와 헬리컬 피니언 기어(PG)가 치합하는 경우와 같은 속도비로, 페이스 기어(FG)의 블랭크와 동기회전(同期回轉)한다. 그리고, 평기어 형상 커터(SC)와 페이스 기어(FG)의 축 사이를 채우고, 적정한 절입량을 설정한 후, 평기어 형상 커터(SC)의 회전과 평기어 형상 커터(SC)의 축방향으로의 이동을 차동(差動) 동기시켜, 평기어 형상 커터(SC)를 페이스 기어(FG)의 이빨 폭 방향으로 보내면서 절삭가공을 행한다. 따라서, 절삭가공시는, 페이스 기어(FG)의 회전, 평기어 형상 커터(SC)의 회전, 평기어 형상 커터(SC)의 축방향으로의 이동,의 3축 동기 가공이 필요하게 된다.
각 축의 설정을, A축: 페이스 기어(FG)의 회전축, B축: 평기어 형상 커터(SC)의 회전축, X축: 평기어 형상 커터(SC)의 축방향의 이동축(이송축)으로 할 때(도 6참조), A축을 기준으로 한 경우의 동기 구동은, 다음 식에 의해 얻을 수 있다.
[식 9]
Figure 112012099239807-pat00011
다음으로, 페이스 기어(FG)의 치형 성형의 상세를 설명한다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 평기어 형상 커터(SC)와 페이스 기어(FG)가 치합 위치에 있는 상태에서, 가상적으로 헬리컬 피니언 기어를 페이스 기어와 치합시키는 위상각으로 중첩시켜, 평기어 형상 커터(SC) 혹은 헬리컬 피니언 기어(PG)의 축 직각 단면 방향에서 본 것이 도 8이다.
헬리컬 피니언 기어(PG)의 기준 피치원 직경과 접하는 평면을 나타내는 것이, 도 8의 일점쇄선이다. 해당 일점쇄선의 평면에서, 페이스 기어(FG)의 축 직각 단면을 화살표의 방향으로부터 보아, 치형부를 확대한 것이 도 9이다.
도 9에 있어서, 우측 하향의 경사형상의 영역: 페이스 기어(FG)의 잇몸으로 되는 단면, 우측 상향의 경사형상의 영역: 평기어 형상 커터(SC)의 잇몸으로 되는 단면, 점선 영역: 헬리컬 피니언 기어(PG)의 잇몸으로 되는 단면이다. 평기어 형상 커터(SC)의 잇몸으로 되는 단면은, 페이스 기어(FG)의 축 직각 단면에서 보면, 장방형이다.
평기어 형상 커터(SC)를 페이스 기어(FG)와 회전동기시키고, 또한, 평기어 형상 커터(SC)를 평기어 형상 커터(SC)의 축방향으로 차동 이송하는 동작을 시킴으로써, 장방형의 대각선상 위치에 있는 2개의 각이, 페이스 기어(FG)의 축 직각 단면 치형의 윤곽을 따라가게 된다. 이에 의해, 평기어 형상 커터(SC)로, 페이스 기어(FG)의 치형이 성형 절삭된다.
가령, 평기어 형상 커터(SC)와 페이스 기어(FG)가 치합 회전하면서, 평기어 형상 커터(SC)를 페이스 기어(FG)의 소경 방향(지면 윗방향)으로 보내는 경우, 페이스 기어(FG)의 오목 치면측은, 평기어 형상 커터(SC)의 장방형상의 잇몸 단면에서는, 도 10과 같이, 우측 하향의 각(엣지)으로 헬리컬 피니언 기어(PG)의 치면을 깎는다. 페이스 기어(FG)의 치면에서 보면, 이 엣지에서의 절삭은, 둔각의 절삭공구의 절단날로 된다.
도 10에 나타낸 평기어 형상 커터(SC)의 회전방향과 이송방향은 하나의 예이며, 실제로는, 평기어 형상 커터(SC)와 페이스 기어(FG)의 회전방향의 정방향 역방향의 2가지, 평기어 형상 커터(SC)의 이송방향 2가지(페이스 기어(FG)의 대경으로부터 소경, 소경으로부터 대경)로, 합계 4가지의 조합이 있다. 각각의 패턴 번호를 Ⅰ∼Ⅳ로 하여 도 11에 정리해서 나타낸다. 공구의 잇줄면(tooth trace surface)의 버어(burr)의 상태나, 기어 절단시의 버어의 형성상태, 절삭속도의 대소 등의 조건에 따라서, Ⅰ∼Ⅳ까지의 패턴 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
절삭 패턴의 선택은, 가공기의 성능, 피삭 기어의 재료, 가공 조건, 등에서 최적인 것을 선택하면 좋다.
페이스 기어와 피니언 기어의 파라미터, 및, 피삭재료와 커터 재료의 상성(相性), 등의 조건으로부터, 더 절삭성이 좋은 기어 절단 조건을 얻기 위해, 페이스 기어의 오목 치면측과 볼록 치면측을 별도의 절삭 패턴으로 가공할 수도 있다. 예를 들어, 오목 치면측을 먼저, 도 11의 오목-Ⅲ타입으로 가공하고, 그 후에 볼록 치면측을 도 11의 볼록-Ⅱ타입으로 가공할 수 있다. 이때, 평기어 형상 커터(SC)의 이빨 폭을 통상의 설계치보다 미리 얇게 해 두고, 오목 치면측의 가공으로부터 볼록 치면측의 가공으로 전환할 때, 평기어 형상 커터(SC)를 해당 커터의 축방향으로 이빨 폭을 얇게 한 양만큼 시프트하면 좋다(도 12참조).
이 관계를 이용하면, 평기어 형상 커터(SC)의 공구수명을 늘릴 수도 있다. 다량의 페이스 기어를 기어 절단함으로써, 평기어 형상 커터(SC)의 절단날의 엣지부는 마모되지만, 이빨 폭의 단면(端面)을 재가공(주로 연삭)함으로써, 절단날의 엣지부는 다시 예리하게 된다. 그러나, 해당 재가공에 수반하여, 평기어 형상 커터의 이빨 폭은 얇아진다. 이 때문에, 다음에 페이스 기어를 기어 절단 가공으로 마무리할 때는, 우선 오목 치면측을 기어 절단하고, 이빨 폭이 얇아진 양만큼, 커터를 커터의 축방향으로 시프트시키고나서 볼록 치면측을 마무리한다고 하는 대처가 필요하게 된다(도 12 참조).
도 13에, 페이스 기어와 치합하는 헬리컬 피니언 기어의 제원의 입력 파라미터와 계산 예를 나타낸다. 또한, 도 14에, 해당 헬리컬 피니언 기어에 대응하는 평기어 형상 커터의 계산치의 예를 정리하여 나타낸다.
그런데, 이상으로 설명해 온 평기어 형상 커터(SC)의 기본형은, 지금까지의 각 도면에 나타낸 바와 같이, 절단날부(11)가 1개의 평기어로 구성된 축 일체형의 평기어 형상 커터(SC)이다. 그러나, 다양한 응용 형태를 생각할 수 있다.
평기어 형상 커터(SC)는, 대상이 되는 피니언 PG의 파라미터(제원)에 따라서는, 절단날부(11)의 이빨 폭(두께)이 얇아져 버려, 기어 가공에 견딜 수 있는 강도를 얻을 수 없는 가능성이 있다. 특히, 이빨수가 적고, 비틀림각이 작은 경우, 절단날부(11)의 두께는 얇아지는 경향이 있다. 그 약점을 보완하는 방법의 하나로서, 판 형상으로 된 평기어 형상의 절단날부(11)의 양면을 보조판(21,22)에 끼워 넣어 고정하는 방법이 있다. 도 15 및 도 16에, 그러한 형태를 채용한 공구의 외관을 나타낸다. 여기에서는, 2개의 보조판(21,22)은, 헬리컬 기어 형상이다.
도 16에 나타내는 바와 같이, 절단날부(11)로서의 판 형상 평기어 절단날부를 제작한 후, 2개의 헬리컬 기어 형상의 보조판(21,22)으로 이를 끼우고, 공구의 모재(100)의 축부(110)에 끼워 넣어, 너트(200)로 나사부(130)를 체결한다. 이때, 위상 맞춤핀(300)이, 절단날부(11)인 판형상 스퍼(planar spur, 11)와 2개의 보조판(21,22)의 3개의 부재를, 소정의 위상에 고정한다. 위상 맞춤핀(300)은, 판형상 스퍼(11)와 보조판(21,22)의 위상을 고정할 수 있고, 절삭가공시에 해당 위상이 어긋나는 등의 불량이 없으면, 어떠한 구조·형태이어도 좋다.
이와 같이, 보조판(21,22)에 절단날부(11)를 끼워 넣음으로써, 절단날부(11)가 얇은 상태이어도, 기어의 절삭가공시에 필요 충분한 강도를 얻을 수 있다.
아울러, 보조판(21,22)은, 절삭가공시에 피삭 기어와 접촉하지 않으면, 어떠한 형상이라도 좋지만, 헬리컬 기어 형상으로 하는 것이 설계상으로도 제작상으로도 유리하다.
또한, 보조판(21,22)의 헬리컬 기어 형상은, 기어 절단되는 페이스 기어(FG)와 치합하는 헬리컬 피니언 기어(PG)의 파라미터에 대해서, 이빨 두께를 적정량만큼 줄일 필요가 있다. 도 17은, 그러한 치형부를 나타낸다. 보조판(21,22)은, 절단날부(11)에 대해서 이빨 두께가 줄어든 것을 알 수 있다. 이 줄어든 양을 이빨 두께 조정량이라고 칭한다. 이에 의해, 헬리컬 기어 형상의 보조판(21,22)은, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 잇몸에 대해 내측으로 들어가 있다. 따라서, 절입량의 상한을 넘지 않으면, 페이스 기어(FG)의 치면에 간섭·접촉하는 경우는 없다.
평기어 형상 커터의 강도를 개선하는 다른 설계 방법으로서, 평기어 형상 커터(SC)의 절단날에 산형의 각도(셰브런각)를 부여하는 형태에 대해서 설명한다(도 18 참조).
통상의 평기어 형상 커터(SC)의 절단날부(11)의 이빨 폭(두께)은, 피니언 기어(PG)의 이빨 두께와 비틀림각 β와 이빨수에 따라서 정해진다. 도 19에, 이빨 끝을, 가령, 뾰족한 지름으로 할 때(두께를 최대로 할 때)의 절단날부(11)의 이빨 폭(두께) bsc와 치형의 위상 관계를 나타낸다.
즉, 도 19의 치형의 사선부(斜線部)가, 피니언 기어(PG)의 축 직각 단면이고, 원호 a b가 피니언 기어(PG)의 가상의 외경 상의 축 직각 단면 이빨 두께이다. 예컨대, 해당 외경 상의 a점을 피니언의 피니언의 잇줄을 따라서 c점의 위치로 이동하였다고 가정했을 때, c점이 피니언의 축방향으로 이동하는 양은, 다음 식으로 된다.
[식 10]
Figure 112012099239807-pat00012
여기에서는,
[식 11]
Figure 112012099239807-pat00013
이라고 하는 파라미터가 이용된다. 그리고, 도 19에 나타내는 바와 같이, 통상의 평기어 형상 커터(SC)의 이빨 폭 bsc는, 상기 식의 2배이다.
[식 12]
Figure 112012099239807-pat00014
여기서, 도 19의 좌표계에서, 평기어 형상 커터(SC)의 좌측 치면상의 임의점을 표시하면 이하가 된다.
[식 13]
XYZ 좌표계에서. 원점은 피니언의 중심이고, Y축은 피니언 축이며, Z축은 피니언의 축 직각 단면 치형의 이빨 두께 중심이고, 셰브런각을 갖지 않는 기본 평기어를 갖는 커터의 작용 절단날 단부의 소정 점 S의 좌표 (XS, YS, ZS)는,
우측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00015
좌측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00016
이다.
이를 기점으로 하여, 이빨 폭(두께)이 bsc인 평기어 형상 커터(SC)의 이빨 끝의 이빨 폭을 바꾸지 않고, 축 단면에서 보아 절단날이 셰브런 형상으로 되는 방향으로 셰브런각을 마련하는 형태를 생각한다. 즉, 도 20 및 도 21에 나타내는 바와 같이, 셰브런각을 η으로 부여할 때, 평기어 형상 커터(SC)의 좌측 치면상의 임의점 S의 좌표는, 다음 식으로 구할 수 있다.
[식 14]
Figure 112012099239807-pat00017
여기에서는,
[식 15]
XYZ 좌표계에서, 원점은 피니언의 중심이고, Y축은 피니언 축이며, Z축은 피니언의 축 직각 단면 치형의 이빨 두께 중심이고, 셰브런각을 갖는 평기어를 갖는 커터의 작용 절단날 단부의 소정 점 S의 좌표 (XS, YS, ZS)는,:
우측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00018
좌측 치면측의 점 S의 좌표가,
Figure 112012099239807-pat00019
이다.
아울러, 이때의 평기어 형상 커터(SC)의 이빨 끝의 이빨 폭은
[식 16]
Figure 112012099239807-pat00020
인 한편, 평기어 형상 커터(SC)의 치저의 이빨 폭은,
[식 17]
Figure 112012099239807-pat00021
이다. 여기서, Rf는, 피니언의 치저원(齒底圓) 반경이다.
도 22에, 실제로 프로그램을 작성하여 산출한 셰브런각 부여의 평기어 형상 커터(SC)의 치형을 나타낸다. 이 계산에 이용된 피니언 기어(PG)의 파라미터(제원)는, mn=0.85, z=6, α=20°, β=55°, Sn=1.583, η= 6°이었다. 이때, 이빨 끝의 이빨 폭(두께)이 0.365인데 비해, 치저의 이빨 폭(두께)은 0.767이었다. 치저측의 절단날의 두께가 이빨 끝보다 2배 정도 늘어난 산형으로 되기 때문에, 절단날의 강도는 분명히 향상되고, 커터로서의 수명도 늘어나며, 가공 효율도 향상된다.
도 22로부터 알 수 있는 바와 같이, 셰브런각을 부여한 치형(3)은, 통상의 치형(2)과 비교하여, 압력각이 작아지는 경향의 자유 치형으로 된다. 또한, 셰브런각의 산 형상은, 직선 형상으로 한정되지 않고, 곡선 형상이어도 좋다. 공구의 정밀도와 제작 효율, 페이스 기어의 기어 절단시의 효율과 페이스 기어의 정밀도에 있어서 이점이 있으면, 곡선 형상으로 해도 좋다.
다음으로, 절단날부(11)가, 축방향으로 복수개 설치되어 있는 적용예에 대해서 설명한다. 도 23의 예에서는, 복수의 절단날부(11)가, 동일 위상에 축방향 등피치로 설치되어 있다. 이 경우, 동시에 복수의 위치에서 절삭을 행할 수 있기 때문에, 절삭 부하를 분산시킬 수 있다. 또한, 공구의 축방향으로의 이송 길이가 짧기 때문에(축방향피치만 보내면 됨), 가공 효율이 좋다. 따라서, 특히 이빨 폭이 넓은 페이스 기어를 절삭할 때에 효과적이다. 절단날부가 얇고, 강도에 불안이 있는 경우는, 상기의 셰브런각 부여의 평기어 형상 커터와 조합하면 좋다. 그러한 예를 도 24에 나타낸다.
다음으로, 절단날부(11)가, 축방향으로 복수개 설치되어 있는 다른 적용예에 대해서 설명한다. 도 25의 예에서는, 복수의 절단날부(11)가, 헬리컬 피니언 기어(PG)의 비틀림각 β에 의한 잇줄 형상에 맞추어, 위상이 균등하게 시프트되어 설치되어 있다. 이 경우, 도 26으로부터 알 수 있는 바와 같이, 페이스 기어(FG)의 기어 절단시의 가공 효율이 큰 폭으로 개선된다.
더 구체적으로는, 예를 들면, 도 27에 나타내는 바와 같이, 수 스플라인(male spline) 형상 혹은 세레이션(serration) 형상으로 가공된 축에, 암 스플라인(female spline) 형상이 부하(負荷)된 판형상의 평기어 형상 커터(절단날부(11))가 밀어 넣어진다. 이때, 스플라인의 이빨(한 개 혹은 복수 개의 이빨)의 위상이 연속해서 균등하게 시프트된 상태에서, 복수의 판 형상의 평기어가 조립된다. 이에 의해, 피니언 기어(PG)의 비틀림각 β에 의한 잇줄 형상과 동등한 배치가 실현된다. 축 피치 조정용 스페이서(400)는, 각 평기어가 비틀림각 β에 대응한 배치로 되기 위한 조정판으로서 기능한다. 체결은, 축에 부착된 나사에 대한 너트(200)에 의한 조임으로 행하여진다.
이 형태에서는, 축방향에 있어서의 날의 피치를, 조정용 스페이서의 두께와 스플라인의 이빨수에 따라서, 자유롭게 설정할 수 있다. 이에 의해, 이빨 폭 방향(축방향)에 있어서의 절단날을, 더 많이 배치할 수 있어, 가공 효율이 대폭 향상된다.
도 28은, 조정용 스페이서를 이용하지 않는 형태에서, 절단날부의 두께에 따라, 비틀림각 β가 정해진다. 제작상, 절단날부의 두께를 설계치와 일치시키는 번거러움은 있지만, 절단날부가 인접하고 있기 때문에, 강도는 향상된다.
페이스 기어 절삭시에 있어서의 평기어 형상 커터(SC)와 페이스 기어(FG)의 위치 관계, 및, 해당 페이스 기어와 치합하는 피니언 PG의 위치 관계를, 페이스 기어(FG)의 축 직각 단면에서 도 29에 나타낸다.
또한, 도 30에 나타내는 바와 같이, 절단날부(11)의 날끝의 측면에 소정의 여유각을 마련하는 것도 유효하다. 이때, 평기어 형상 커터(SC)의 축 직각 단면 치형을 바꾸지 않고, 마련하고자 하는 여유각의 크기만큼, 평기어 형상 커터(SC)에 비틀림 각도를 부여하여 제작하면 좋다. 평기어 형상 커터(SC)의 기본 치형은 평기어이지만, 절삭성을 향상시키는 목적에서, 헬리컬 피니언 기어(PG)와는 비틀림각이 역방향인 헬리컬 기어로, 페이스 기어(FG)를 마무리하게 된다.
마지막으로, 실제로 제작한 공구에 관한 각 파라미터를 도 31에 나타낸다. 또한, 실제로 제작한 공구의 외관을 도 32(a) 내지 도 32(d)에 나타낸다. 이러한 공구에 의해서, 헬리컬 기어와 치합하는 페이스 기어를, 이론적으로 올바르면서 효율적으로 절삭가공할 수 있었다.
11 : 절단날부
21, 22 : 보조판(헬리컬 기어 형상)
100 : 모재
110 : 축부
130 : 나사부품
200 : 너트
300 : 위상 맞춤핀
400 : 축 피치 조정용 스페이서
SC : 평기어 형상 커터
PG : 헬리컬 피니언 기어
FG : 페이스 기어

Claims (13)

  1. 소정의 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어를 피삭(被削) 기어로서 절삭가공하는 평기어 형상의 공구로서,
    상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 적어도 하나의 치형 곡선 형상 쌍의 일방과 동일한 치형 곡선 형상의 절단날을 갖는 절단날부를 가지며,
    상기 절단날부의 원호 이빨 두께는, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 원호 이빨 두께보다 좁고,
    상기 절단날부의 이빨 길이는, 상기 헬리컬 기어의 이빨 길이 이상이며,
    상기 절단날부의 이빨 끝의 원호 이빨 두께를 SatSC로 하고,
    상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 가상 외경 상의 원호 이빨 두께를 Sat로 하며,
    상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 가상 외경에서의 비틀림각을 βa로 하고,
    상기 절단날부의 이빨 폭을 bsc로 했을 때,
    [식 1]
    Figure 112012099239807-pat00022

    의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 공구.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절단날부는, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 각 치형 곡선 형상 쌍의 각각에 대응하여, 좌우의 치형에 치형 곡선 형상의 절단날을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 헬리컬 기어는, 인볼류트 원통기어인 것을 특징으로 하는 공구.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 피삭 기어는, 페이스 기어인 것을 특징으로 하는 공구.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 절단날부를 끼우도록 설치된 2개의 보조판을 더 구비한 것을 특징으로 하는 공구.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 2개의 보조판은, 헬리컬 기어 형상인 것을 특징으로 하는 공구.
  7. 소정의 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어를 피삭 기어로서 절삭가공하는 평기어 형상의 공구로서,
    적어도 하나의 치형 곡선 형상의 절단날을 갖는 절단날부를 가지며,
    상기 절단날부의 원호 이빨 두께는, 상기 헬리컬 기어의 축 직각 단면 치형의 원호 이빨 두께보다 좁고,
    상기 절단날부의 이빨 길이는, 상기 헬리컬 기어의 이빨 길이 이상이며,
    상기 절단날부의 이빨 폭이, 축 단면에서 절단날이 셰브런 형상으로 되는 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 절단날부의 치형 곡선 형상은,
    [식 2]
    Figure 112012099239807-pat00023

    의 파라미터를 이용하여 표시되는 셰브런 형상의 각도가 없는 기본적인 평기어 형상 공구의 치형 곡선 형상 절단날의 엣지상의 임의점을
    [식 3]
    XYZ 좌표계에서. 원점은 피니언의 중심이고, Y축은 피니언 축이며, Z축은 피니언의 축 직각 단면 치형의 이빨 두께 중심이고, 셰브런각을 갖지 않는 기본 평기어를 갖는 커터의 작용 절단날 단부의 소정 점 S의 좌표 (XS, YS, ZS)는,
    우측 치면측의 점 S의 좌표가,
    Figure 112012099239807-pat00024

    좌측 치면측의 점 S의 좌표가,
    Figure 112012099239807-pat00025

    으로 표시되었을 때,
    [식 4]
    Figure 112012099239807-pat00026

    라는 파라미터를 이용하여
    [식 5]
    XYZ 좌표계에서, 원점은 피니언의 중심이고, Y축은 피니언 축이며, Z축은 피니언의 축 직각 단면 치형의 이빨 두께 중심이고, 셰브런각을 갖는 평기어를 갖는 커터의 작용 절단날 단부의 소정 점 S의 좌표 (XS, YS, ZS)는,:
    우측 치면측의 점 S의 좌표가,
    Figure 112012099239807-pat00027

    좌측 치면측의 점 S의 좌표가,
    Figure 112012099239807-pat00028

    인 관계를 만족하고 있는 셰브런 형상의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 절단날부가, 축방향으로 복수개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 절단날부는, 동일 위상에 등피치로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 절단날부는, 상기 헬리컬 기어의 비틀림각에 의한 잇줄 형상에 맞추어, 위상이 균등하게 시프트되어 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 절단날부의 날끝의 측면에는, 소정의 여유각이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
  13. 제 1 항에 기재된 공구를 이용하여, 소정의 헬리컬 기어와 치합하는 스큐 기어를 피삭 기어로서 절삭가공하는 방법.
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