KR20150082875A - 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 모터 사이클에서 이용되는 부품, 즉 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법에 관한 것이고, 상기 기어 톱니의 형성은 주로 단조 공정을 통하여 달성된다.

Description

단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING GEAR WITH TEETH INVOLVING FORGING}

본 발명은 본 명세서에서의 톱니를 가진 기어를 제조하는 것에 관한 것이고, 이 기어는 주로 모터 사이클에서 사용되는 자동차 부품이고, 상기 기어 톱니는 주로 단조공정으로 준비된다.

주로 톱니가 제공되어 있는 기어는 중요한 자동차 부품이고, 모터 사이클의 엔진 변속기에 사용된다. 이러한 기어는 종래에는 호빙(hobbing) 공정과 디버링(deburring) 공정을 수반하는 기계가공 공정을 이용하여 제조된다.

이러한 종래의 톱니를 가진 기어의 생산 공정 때문에, 상기 자동차 부품에는 특정 유형의 결함이 있게 되는데, 이 결함에는 자원과 시간의 더 많은 소모, 중심 홀의 형성과 톱니 프로파일의 형성을 위한 여러 가지 기계가공 단계의 수반 및, 상당량의 손실 재료의 발생 등이 있다.

다수의 기계가공 공정 때문에, 워크 피스의 내부 조직과 결정조직(grain)은 영향을 받게 되고, 그 결과 높은 응력을 견디는 성능, 내부식성, 고온에 대한 내성 및 아주 높은 조직 강도(structural strength) 등과 같은 특성들은 악 영향을 받게 된다.

기어의 톱니를 준비할 때는 다수의 기계가공 공구가 수반되기 때문에, 다수의 기기 오류, 워크 피스 조작 오류 및 부수적인 오류 등이 일어날 수 있는데, 이것들은 주로 그 후의 여러 가지 공정의 적절한 조작 및 공구 설계에 관한 전문지식에 좌우된다. 톱니를 가진 기어의 생산에 수반되는 이러한 불의의 오류는, 기어 부품의 기대 수명 훨씬 전에 톱니를 가진 상기 기어의 뜻밖의 고장의 원인이 된다.

톱니를 가진 기어의 생산을 위한 단일 단계의 단조 공정의 적용은 종래에는 실시되지 않는데, 이는 주로 다음의 이유 때문이다.

(ⅰ) 상기 부품의 상업적 생산을 위한 금형 설계시 기술적인 복잡성

(ⅱ) 톱니를 가진 상업적으로 허용가능한 기어를 생산하는 이상적인 단조 조건의 미달성

(ⅲ) 상기 자동차 부품의 모든 필수적이고 바람직한 조직상 특징과 기능상 특징을 주로 달성하기 위하여 하나의 단일 표준 공정에서 고려하기 어려운 여러 가지 크기의 상기 자동차 부품의 다수의 치수 양태, 즉 중심 홀의 생성, 상기 부품의 크기 최적화, 톱니의 형성 등의 수반.

본 발명의 주된 목적은, 주로 기어 내부에 톱니를 형성할 때 호빙 공정과 디버링 공정을 실행하지 않으면서, 주로 수평방향 열간 단조 공정을 수반하여, 톱니를 가진 기어를 제조하는 것이고, 그 결과 생산된 톱니를 가진 상기 기어는 높은 응력을 견디는 성능, 내부식성, 고온에 대한 내성 및 아주 높은 조직 강도 등과 같은 보다 향상된 특성을 가지는 것이 기대된다.

본 발명의 다른 주된 목적은 톱니를 가진 기어를 제조하는 새로운 방법을 제안하는 것인데, 상기 방법은 상기 기어 부품에서의 톱니의 생성을 위한 수평방향 열간 단조를 주로 수반하고, 그 다음으로 어닐링(annealing), 쇼트 블라스팅(shot blasting), 인산염처리(phosphating) 및 톱니 냉간 압출(teeth cold extrusion)의 제 2 공정이 단계적으로 뒤따르고, 본 명세서에서 제안되는 상기 방법은 상기 기어 부품 내에서의 톱니 형성을 위하여 기어 호빙 공정과 디버링 공정을 수반하지 않는다.

본 발명의 또 다른 목적은, 본 명세서에 나타나 있는 바와 같이, 바람직한 형상, 크기, 치수, 표면 패턴 및 배치 중 다양한 조합으로 된 톱니를 가진 기어의 제조를 위하여 수평방향 열간 단조에 적합한 새로운 금형을 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법을 제안하는 것인데, 상기 방법은 수평방향 열간 단조 공정 및, 어닐링, 쇼트 블라스팅, 인산염처리 및 톱니 냉간 압출의 보조 공정을 단계적으로 실행한 후에, 주로 최종 처리된 제품을 획득하기 위하여 CNC 머시닝, 브로칭(broaching), 쉐이빙(shaving), 케이스 침탄 및 쇼트 블라스팅의 공정들을 단계적으로 수반한다.

따라서, 본 발명은 주로 제조 방법을 제안하도록 의도되어 있는데, 이 제조 방법은 톱니를 가진 자동차 부품 기어의 생산을 위하여 단조공정을 주로 수반하고, 기어 톱니 형성을 위한 상기 단조공정에 대한 제 2 보조 단계는 어닐링, 쇼트 블라스팅, 인산염처리 및 톱니 냉간 압출이다. 상기 발명은 자동차 부품인 톱니를 가진 기어를 제안하는데, 이 기어는 종래의 공정을 통하여 준비되는 종래의 유사한 자동차 부품과 비교하여 그 특성들, 즉 높은 응력을 견디는 성능, 내부식성, 고온에 대한 내성 및 아주 높은 조직 강도 등의 측면에 더욱 큰 향상이 있다.

본 발명에 관한 설명은 아래와 같이 간략히 소개된 도면들을 이용하여 더욱 뒷받침된다.
도 1에는 모터 사이클의 엔진 변속기 조립체에서 이용되는 자동차 부품, 즉 톱니를 가진 기어의 개략적인 사진이 나타나 있다.
도 2에는 톱니 프로파일을 가진 종래의 기어의 제조에서 수반되는 종래의 주된 단계를 나타내는 개략적인 도표가 나타나 있다.
도 3은 수평방향 열간 단조, 어닐링, 쇼트 블라스팅, 인산염처리 및 톱니 냉간 압출과 같은 주요 단계를 나타내고 있는 개략적인 도표이고, 이 주요 단계는 톱니를 가진 본 발명의 기어를 제조하는 현재 제안되는 방법에 수반되고, 제안되는 방법은 본 명세서의 상기 기어에서의 톱니 패턴의 형성과 중심 홀의 생성을 위하여 호빙 공정과 디버링 공정을 실행하는 단계를 특별히 포함하지는 않는다.

기어는 동력의 전달을 위하여 광범위하게 사용된다. 이 기어들은 자동차, 기어 박스, 오일 엔진, 공작 기계, 산업용 기계, 농기계, 기어식 모터 등의 응용분야에서 발견할 수 있다. 까다로운 이용 조건을 만족시키기 위하여, 기어는 튼튼한 구조, 신뢰할만한 성능, 고효율, 경제적이고 긴 수명을 갖추어야 한다. 또한 기어는 그 잦은 고장을 피하기 위해서 큰 응력과 피로가 발생하지 않아야 한다. 기어 구동은 소음과 덜컹거림이 없어야 하고, 일정한 속도비에서 고하중 적재 용량을 보장해야 한다. 모든 상술한 조건들을 만족하기 위하여, 기어 제조는 고도로 전문화된 영역이 되어왔다.

본 발명은 톱니를 가진 기어를 제조하는 새로운 방법을 설명하는데, 이 방법은 적합하게 설계된 새로운 밀폐형 금형을 이용하여 수평방향 열간 단조에 의해 톱니 형성을 달성하고, 동일한 목적을 위해 종래의 호빙 공정과 디버링 공정을 수반하지 않는다. 단조공정 후에, 워크 피스는, 어닐링, 쇼트 블라스팅, 인산염처리 및 톱니 냉간 압출이 단계적으로 실행되는 것처럼 다른 보조 공정이 가해진다.

열간 또는 온간 단조는 여러 가지 비용 절감하는 이점을 가지고 있는데, 이로 인해 제조 방법으로서 사용이 증가한다. 스틸의 온간 단조를 위한 온도 범위는 실내온도 이상으로부터 재결정 온도 이하까지, 즉 화씨 약 800도부터 화씨 1,800도 까지이다. 그러나 화씨 1,000도부터 화씨 1,330도 까지의 더 좁은 범위는 온간 단조를 위하여 가장 적합한 범위이다. 냉간 단조와 비교하면, 온간 단조는 잠재적인 이점들을 가지고 있는데, 이 이점에는 금형 하중의 감소, 단조 프레스 하중의 감소, 스틸 연성의 증가, 단조공정 전의 어닐링처리의 필요성 제거 및, 열 처리를 제거할 수 있는 유리한 단조처리 특성이 있다.

스틸 피스인 원 재료는 검사 후 수평방향 열간 단조를 거치고, 톱니 프로파일을 가진 기어의 바람직한 크기와 치수로 된 적합한 밀폐형 금형을 사용하여, 톱니를 가진 기어의 본체는 단조처리되고 준비된다. 톱니를 가진 이러한 기어 제조 공정 때문에, 기어 제조와 톱니 생성 활동에 수반되는 종래 공정의 전체 세트는 제거되거나 완전히 변경되고, 디버링 공정 다음에 오는 가장 중요한 종래의 호빙 공정은 완전히 제거된다. 다음의 개략적인 도표는 현재 제안되는 제조 방법에 수반되는 단계의 세트를 나타낸다.

단조가공에서 달성되는 구조적 신뢰성의 정도는 어떤 다른 금속가공 공정에 의해서도 뛰어넘을 수 없다. 응력이나 충격을 받는 상태에서 예기치 않은 고장을 야기할 수 있는 빈공간 또는 내부 가스 포켓은 없다. 단조가공은 부품 형상으로 배향되는 결정 조직을 만들어 내고, 최적의 강도, 연성 및, 충격과 피로에 대한 저항력을 초래한다. 기계가공된 장치나 부품은 피로와 응력 부식에 더 취약할 수 있는데, 이는 기계가공이 재료의 결정조직 패턴을 단절시키기 때문이다. 이 제안된 방법에서, 중심 홀 뿐만 아니라 완전한 톱니 프로파일과 같은 모든 주된 구조적 특징부는 수평방향 열간/온간 단조 동안 생성된다. 적절한 디자인과 치수 선택은 중심 홀 직경과 톱니 길이/형상/배향 등과 관련되고, 적합한 밀폐형 금형은 톱니를 가진 본 발명의 기어를 준비하기 위하여 제안된 수평방향 열간 단조를 실행하도록 준비되고 이용된다.

상기 단조가공을 실행한 직후에, 기어 부품의 조직 강도와 다른 특성의 강화 및, 톱니 부분을 가진 상기 기어의 결정조직 프로파일의 최적화를 위하여, 워크 피스는, 어닐링, 쇼트 블라스팅, 인산염처리 및 톱니 냉간 압출의 공정들 한 세트가 가해진다.

어닐링 동안, 단조처리된 워크 피스는 열 처리가 가해지고, 상기 워크 피스의 재료는 변경되어, 강도와 경도 같은 그 특성에 변화를 일으킨다. 이것은 재결정 온도 이상으로 가열하고 적합한 온도를 유지하고 그 후 냉각시킴으로써 조건을 만들어 내는 공정이다. 어닐링은, 워크 피스를 균질하게 만들어냄으로써 조직을 정제하고(refine) 내부 응력을 완화하며 재료를 부드럽게 하고 연성을 유발하고, 냉간 가공 특성을 향상시키는데 사용된다.

쇼트 블라스팅 또는 연마 블라스팅 단계에서, 워크 피스는 그 거친 표면의 평탄화, 거친 표면 다듬기 및 워크 피스 내의 표면 오염물질의 제거를 거친다. 통상적으로 공기와 같은 가압 유체 또는 원심 휠은 공정에서 매체를 추진하는데 사용된다.

인산염 코팅(인산염처리)은 금속(아연, 철 또는 마그네슘) 이온을 포함하는 인산 용액과 기판 금속 사이에서의 화학 반응으로 형성되는 불용성 결정질 금속 인산염으로 이루어진 컨버전 코팅(conversion coating)이다.

다음 단계에서, 톱니를 가진 상기 기어의 워크 피스는 톱니 냉간 압출이 가해지는데, 상기 워크 피스의 전체 톱니 프로파일은 실내 온도 또는 거의 실내 온도에서 냉간 압출된다. 이러한 처리공정은 대상물의 강도와 응력 내성을 더 강화하고, 우수한 표면 처리를 기어 톱니에 제공한다.

위 단조 공정 뿐만 아니라 다른 보조적인 공정을 제외하고는, 추가적인 특정 기어 제조 공정은 톱니 부분을 가진 기어를 마무리작업하기 위하여 실행되는데, 여기에는 주로 CNC 머시닝, 브로칭, 쉐이빙, 케이스 침탄 및 쇼트 블라스팅이 있다. 톱니를 가진 본 발명의 기어를 만들기 위하여 실행되는 이들 추가 단계는 톱니 부분을 가진 상기 기어의 수명과 성능, 구조적 특징을 추가로 강화한다.

브로칭 및 쉐이빙은 톱니 부분을 가지는 기어, 특히 기어의 톱니 프로파일 상에 생성되는 여러 가지 상승부와 하강부의 코너와 에지를 더 정제하고 평탄화한다. 케이스 경화 또는 표면 경화는 재료의 표면에 구성요소를 주입함으로써 종종 저탄소강인 금속의 표면을 경화하여 더 경질인 합금의 박층을 형성하는 공정이다. 케이스 경화는 대상 부분이 그 최종 형상으로 형성된 후에 행하여 지는 것이 보통이다. 침탄은 기본적으로 열 처리 공정인데, 이 열처리 공정에서는 철이나 스틸이 분해됨에 따라 탄소를 유리시키는 별도의 재료가 존재하는 상태(900℃ 내지 950℃(1,650℉ 내지 1,740℉)의 범위)에서 가열된다. 온도와 시간의 양에 따라, 영향받은 영역은 탄소 함유량이 변할 수 있다. 침탄 시간이 더 길어지고 온도가 높아질수록 더 많은 탄소가 부품 속으로의 확산되고 탄소 확산 깊이도 증가한다. 최종적으로, 쇼트 블라스팅은 톱니 부분을 가진 기어에 매끄럽고 처리된 표면을 생성한다.

본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되어 있지만, 이 설명은 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되도록 의도된 것은 아니다. 개시된 실시예의 여러 가지 변경 뿐만 아니라 본 발명의 대체 실시예는 본 발명의 설명을 참조하면 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명하게 될 것이다. 따라서, 이러한 변경이 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않으면서 행하여 질 수 있다는 것이 고려되어 있다.

Claims (9)

1. 밀폐형 금형을 이용하여 수평방향 열간 단조 공정을 수반함으로써 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법으로서,
   상기 기어에서의 톱니 형성과 중심 홀의 생성은 상기 단조 공정 동안 실행되고, 상기 방법은 호빙 공정과 디버링 공정을 실행하는 단계가 없는 것을 특징으로 하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 적합한 밀폐형 금형을 이용하여 수평방향 열간 단조를 실행하되, 톱니 형성 단계에서 호빙 공정을 실행하지 않는 것을 특징으로 하는 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   톱니를 가진 기어를 제조하는 상기 방법은 상기 단조 공정을 실행한 이 후에, 어닐링, 쇼트 블라스팅, 인산염처리 및 톱니 냉간 압출의 공정들을 단계적으로 실행하는 것을 주요 특징으로 하는 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은, 주로 높은 응력을 견디는 성능, 내부식성, 고온에 대한 내성 및 높은 조직 강도의 측면에서 톱니 부분을 가진 상기 제조된 기어의 조직상 특성과 기능적인 특성을 특징으로 하는 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 단조 공정은 중심 홀, 톱니 프로파일 및, 상기 기어 부품의 다른 주요 표면 상승부/하강부와 같은 구조적인 특징부를 생성하기 위하여 적합한 폐쇄형 금형을 이용하는 것을 특징으로 하는 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   선택적으로 다른 형상, 크기, 치수, 톱니 프로파일, 표면 패턴 및 배치로 된 상기 기어는, 대응하는 형상, 크기, 치수, 톱니 프로파일, 표면 패턴 및 그 배치로 된 적합한 밀폐형 금형을 이용하여, 수평방향 열간 단조 공정을 수반하는 상기 방법에 의해 제조되고,
   상기 방법은 호빙 공정과 디버링 공정을 실행하는 단계가 없는 것을 특징으로 하는 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 밀폐형 금형은, 바람직한 형상, 크기, 치수, 표면 패턴 및 배치 중 다양한 선택 조합으로 된 톱니를 가진 기어의 제조를 위하여, 수평방향 열간 단조에 적합한 것을 특징으로 하는 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은, 상기 단조공정 및, 어닐링, 쇼트 블라스팅, 인산염처리 및 톱니 냉간 압출의 보조 공정들을 연속하여 단계적으로 실행한 후에, CNC 머시닝, 브로칭, 쉐이빙, 케이스 침탄 및 쇼트 블라스팅의 추가 공정들을 단계적으로 실행하는 것을 특징으로 하는 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.
9. 실질적으로 첨부 도면의 형상으로 예시되고 설명되는 바와 같이, 단조공정을 수반하는 톱니를 가진 기어를 제조하는 방법.

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