KR20180075115A

KR20180075115A - 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어

Info

Publication number: KR20180075115A
Application number: KR1020160179078A
Authority: KR
Inventors: 이광희
Original assignee: 이광희
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2018-07-04
Also published as: KR101954757B9; KR101954757B1

Abstract

본 발명은 소재 준비 단계와, 소재에 치형을 절삭하여 복수의 기어치(21)를 가지는 기어 반제품을 제조하는 단계(ST-110, 치형 절삭 단계)와, 치형 절삭된 기어 반제품을 열처리하는 단계(ST-120, 열처리 단계)와, 열처리 된 기어 반제품을 전조하는 단계(ST-130, 전조 단계)로 이루어지며; 상기 치형 절삭된 기어 반제품(20)의 기어치(21)에는 원주 방향 양측으로 여유살부(28)가 구비되며, 상기 전조 단계(ST-130)에서는 전조 다이에 의하여 여유살부가 가압되어 기어 반제품이 기어로 제조되는 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의하여 제조된 기어에 관한 것이다.

Description

기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어{A Manufacturing Method Of Gear And The Gear Manufactured Thereby}

본 발명은 기어 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조 공정이 간단하고, 고정밀 및 고품질의 기어 제조가 가능하며, 제조 비용과 시간이 절감되는 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어에 관한 것이다.

기어는 절삭 가공, 방전 가공 및 소성 가공 등의 방법에 의하여 제조된다. 절삭 가공방법으로는 호브 절삭법, 피니언 커터법, 랙 커터법이 있으며, 절삭 가공에서는 일반적으로 CNC 호빙머신을 이용한다. CNC 호빙머신의 테이블에 가공물을 장착한 후에 가공물을 테이블로 회전시키면서 가공한다.

일반적으로 차량의 감속기 등에 사용되는 기어를 가공할 경우에는 소음저감의 목적으로 셰이핑, 호빙 및 브로칭과 같이 치형 가공 공정인 창성 단계 후에 치형을 다듬질하는 셰이빙(Shaving) 가공을 하여 표면 조도 개선과 동시에 크라우닝 등 치형 수정을 하게 된다.

셰이빙은 기어치면에서 소량의 금속을 제거하여 다듬질하는 공정으로서, 셰이빙을 통하여 연삭 기어에 버금가는 높은 정밀도의 기어를 저렴하게 생산할 수 있다. 셰이빙은 열처리 도중에 일어나는 변형을 보상하기 위하여 변형을 예상하여 치형을 수정하는 것으로, 열처리 전에 금속이 무른 상태에서 실시된다.

정숙성이나 정밀도를 요구하는 고급 차종 또는 공작 기계에 사용되는 기어는 고정밀도가 요구되므로, 열처리 후 호닝이나 그라인딩을 통하여 고정밀도의 기어를 생산한다.

호닝이나 그라인딩 공정은 기본적으로 치형을 수정하는 공정이 아니며 표면금속을 다량으로 제거하는 공정이 아니기 때문에 비열처리 기어의 셰이빙을 대체할 수 없다. 따라서 HRC40(예를 들어) 이하의 경도에서 호닝 공정을 하는 것은 실익이 없다. 호닝 공정을 통하여 열처리에 의해서 변형된 치형을 열처리 전 셰이빙된 정도까지 유지하거나 더 향상시키게 된다.

도 1은 기어의 일부를 개략적으로 도시한 것으로, 기어(10)는 원주 방향을 따라 복수의 이(11, 齒)를 가진다. 도 1에서 도면부호 13은 피치원을, 15는 이끝원을, 19는 이뿌리원을, θ은 압력각을, 19는 인벌류트 치형에서의 기초원을 도시한 것이다. 기어의 표준 압력각(θ)은 14°, 20°, 25°이다. 이들에 대한 구체적인 설명은 주지의 내용이므로 생략한다.

도 2는 종래의 절삭 가공에 의한 기어 제조 단계를 도시한 것으로, 냉간 또는 열간 단조를 하고 가공 전 열처리(어닐링 또는 노멀라이징)를 하여 절삭 가공에 적합한 경도와 조직을 가지는 소재를 준비한다(ST-10). 준비된 소재는 선삭에 의하여 필요한 외경 및 내경을 가지도록 가공된다(ST-20). 그리고 호빙이나 셰이핑 공정과 같은 과정을 통하여 치형 절삭(창성)을 하여 기어 형태로 가공하고, 셰이빙 공정을 통하여 다듬질하고(ST-30), 가공된 치형을 검사한다(ST-40). 열처리 기어에서는 셰이빙된 기어의 치형 검사를 한 후(ST-40) 열처리를 하며(ST-50), 열처리 후 열처리에 의해서 변형된 치형을 열처리 전 셰이빙 된 정도 또는 더 향상시키기 위하여 호닝이나 그라인딩 가공(ST-60)을 하고 검사(ST-70)를 거쳐 출하하게 된다.

상기 열처리 공정에서 표면 경도는 높게 하고 심부 경도는 표면보다 낮게 되도록 재료나 용도 등에 따라 침탄 담금질 후 템퍼링을 하거나 고주파 열처리를 한다. 일반적으로 표면 경도는 HRC 55∼63 범위가 되도록 하며, 경화깊이는 0.8∼1.4㎜ 범위가 되도록 열처리한다.

상기와 같이 치형 절삭(ST-30) 후 열처리 공정(ST-50)을 통하여 기어를 제조하는 경우, 열처리에 의하여 변형이 발생하고 정밀도가 떨어지는 단점이 있다. 또한, 호닝이나 그라인딩 공정(Tooth Grinding)의 경우는 열처리 후에 수행되기 때문에 고정밀도의 기어 생산은 가능하나 생산성의 저하로 생산단가가 높아지고 대량 생산이 어려우며, 호닝이나 그라인딩 공정에서는 치면의 금속 미소량이 제거되므로 열처리에 의한 변형이 큰 불량의 경우 폐기할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

그리고 열처리 기어에서는 표면은 경도를 높게 하고 심부는 표면보다 낮은 경도로 하기 위하여 고주파열처리를 하여야 하였으나, 외경 또는 내경에 돌출된 기어치를 가지는 형태이므로 기어치 표면을 따라 경도를 높게 하는 고주파열처리가 용이하지 않은 문제점이 있었다. 또한, 종래 전조 가공의 경우에는 압력각(θ)을 표준 압력각의 크기로 제조하는 것이 매우 어렵고, 40°정도의 크기로 제조되는 문제점이 있었다.

1) 대한민국 등록번호 제10-0237124호 등록특허공보 2) 대한민국 공개번호 제10-2003-0033032호 공개특허공보 3)대한민국 등록번호 제10-0716344호 등록특허공보 4) 대한민국 등록번호 제10-0848784호 등록특허공보

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 열처리 온도를 낮출 수 있으므로 열처리에 의한 왜곡 발생이 감소하고, 고주파열처리 설비 없이도 심부 경도는 낮고 표면 경도는 높은 기어를 생산할 수 있으며, 기어의 정밀도는 향상되고, 기어 제조 시간과 비용이 절감되며, 정밀 기어의 대량 생산이 가능한 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 소재 준비 단계와, 소재에 치형을 절삭하여 원주 방향 양측으로 여유살부가 형성된 복수의 기어치를 가지는 기어 반제품을 제조하는 단계(치형 절삭 단계)와, 상기 기어 반제품을 열처리하는 단계(열처리 단계)와, 열처리 된 기어 반제품을 전조하는 단계(전조 단계)로 이루어지며; 상기 전조 단계에서는 전조 다이에 의하여 여유살부가 가압되어 복수의 기어치를 가지는 기어로 성형되며, 전조 단계에서의 가압에 의하여 기어치의 표면 경도가 심부 경도보다 높은 경도 분포를 가지는 기어로 제조되는 기어 제조 방법을 제공한다.

상기에서, 열처리 단계에서는 열처리 단계 후의 기어 반제품의 여유살부의 표면 경도는 전조 단계 후 기어치 표면의 경도의 70∼85％ 범위가 되도록 열처리되는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 전조 단계에서 전조 다이에는 초음파 진동이 부가되는 것을 특징을 한다.

한편, 본 발명은 상기의 기어 제조 방법에 의해서 제조되어 표면 경도가 높고 심부 경도가 낮은 경도 구배를 가지는 기어를 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 따르는 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어에 따르면, 열처리 온도를 낮출 수 있으므로 열처리에 의한 왜곡 발생이 감소하고, 열처리 공정에서 침탄 담금질이나 고주파열처리와 같은 열처리가 반드시 필요하지 않고 전경화 열처리에 의해서도 표면 경도는 높고 심부 경도는 낮은 경도 구배를 가지는 기어 제조가 가능하며, 기어의 정밀도가 향상되고, 기어 제조 시간과 비용이 절삭 가공 방법에 의한 열처리 기어 제조에 대비할 때 30％ 정도 감소되는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 기어의 일부를 도시한 정면도이며,
도 2는 종래 기술에 의한 치형 절삭 기어 제조 방법을 도시한 순서도이며,
도 3은 본 발명에 따르는 기어 제조 방법을 도시한 순서도이며,
도 4는 본 발명에 따르는 기어 제조 방법에서 기어로 제조될 기어 반제품의 일부를 도시한 정면도이며,
도 5는 본 발명에 따르는 기어 제조 방법에서 전조 단계를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 것이다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어에 대하여 설명한다. 설명에서 종래 기술과 중복되는 부분에 대한 기재는 생략한다.

도 3은 본 발명에 따르는 기어 제조 방법을 도시한 순서도이며, 도 4는 본 발명에 따르는 기어 제조 방법에서 기어로 제조될 기어 반제품의 일부를 도시한 정면도이며, 도 5는 본 발명에 따르는 기어 제조 방법을 이루는 전조 단계를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명에 따르는 기어 제조 방법은 소재 준비 단계와, 소재에 치형을 절삭하여 복수의 기어치(21)를 가지는 기어 반제품(20)을 제조하는 단계(ST-110, 치형 절삭 단계)와, 치형 절삭된 기어 반제품을 열처리하는 단계(ST-120, 열처리 단계)와, 열처리 된 기어 반제품을 전조하는 단계(ST-130, 전조 단계)로 이루어진다.

상기 치형 절삭된 기어 반제품(20)의 기어치(21)에는 원주 방향 양측으로 여유살부(28)가 형성되며, 상기 전조 단계(ST-130)에서는 전조 다이에 의하여 여유살부(28)가 가압되어 기어 반제품(20)이 기어로 제조된다. 전조 단계(ST-130)에서의 전조 다이 등에 대한 기술 내용은 종래의 기술에 대응되는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 소재 준비 단계에서는 기어로 제조될 소재를 준비하는 단계이며, 종래 기술의 소재 준비 단계에 대응되는 구성으로서, 절삭에 적합한 경도와 조직을 가지는 소재가 준비된다. 열간이나 냉간 단조를 통하여 제조된 소재는 절삭에 적합하도록 경도를 낮추고 조직이 균일하게 되도록 어닐링이나 노멀라이징 등과 같은 열처리를 한다. 이는 종래 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 치형 절삭 단계(ST-110)에서는 소재 준비 단계에서 준비된 소재의 외경 또는 내경에 치형을 절삭하며, 치형 절삭 방법은 종래 기술과 같이 호빙이나 쉐이핑 등으로 기어이를 창성하며, 셰이빙에 의하여 다듬질하는 방법으로 기어 반제품(20)을 제조할 수 있다.

본 발명의 설명에서 기어 반제품(20)은 치형 절삭 단계(ST-110)에서 가공되어 형성된 복수의 기어치(21)를 가지는 것으로 열처리 단계(ST-120)를 거치고 전조 단계(ST-130)를 거쳐 기어 완제품으로 제조될 중간 제품을 의미하며, 열처리 단계(ST-120) 후의 중간 제품도 '기어 반제품'으로 하여 설명한다.

상기 치형 절삭 단계(ST-110)에서 가공된 기어 반제품(20)은 복수의 기어치(21)를 가지며, 상기 기어치(21)에는 최종 기어로 형성될 외면(21a)의 외측인 원주 방향 양측에 여유살부(28)가 형성된다. 상기에서 외면(21a)은 최종 기어로 형성될 가상의 외면이 된다.

상기 여유살부(28)의 두께는 피치원(23)에서 최대가 되며, 피치원(23)에서 여유살부(28)의 두께(t)는 100∼200㎛ 범위가 되도록 구비된다. 상기 여유살부(28)의 두께(t)는 이끝원(25)과 이뿌리원으로 갈수록 감소하는 형태를 가지는 것이 바람직하다.

열처리 단계(ST-120) 후 여유살부(20)의 표면이 전조 다이에 의하여 가압되어 기어치(21)가 최종의 외면(21a) 크기를 가지도록 성형될 때, 피치원(23)에서 최대의 두께(t)를 가지므로 피치원(23)에서 성형 변형량이 최대로 되고, 이끝원과 이뿌리원으로 갈수록 성형 변형량이 감소하게 된다. 따라서 전조 가공 후 피치원(23)에서 전조 가공에 의한 경화 깊이가 최대가 되고, 표면 경도도 최대가 된다. 본 발명에 따르는 제조 방법에 의하는 경우 표면 경도가 일정하게 되지 않고 상기와 같이 피치원(23)에서 최대가 되며, 피치원(23)에 멀어질수록 감소하는 구배를 가지도록 제조하는 것이 가능하게 된다. 여유살부(28)의 두께를 조정함으로써 예를 들면 피치원 부분에서의 표면 경도를 다른 부분의 표면 경도보다 높게 되도록 하는 것이 가능하다.

제조되는 기어가 인벌류트 기어인 경우에, 상기 여유살부(28)는 이끝원에서 기초원까지의 범위에서 구비된다. 이때도, 상기 여유살부(28)의 두께(t)가 피치원에서 최대가 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 열처리 단계(ST-120)에서는 열처리 단계(ST-120) 후의 기어 반제품(20)의 여유살부(28)의 표면 경도가 목표 경도값인 기어 표면 경도의 70∼85％ 범위가 되도록 열처리된다. 열처리 단계(ST-120)에서 기어 반제품(20)은 침탄 경화 열처리되거나 고주파 열처리되어 표면층만 경화될 수 있다. 침탄 경화 열처리되는 경우 소재의 예로 SNCM420, SNCM518H 등을 들 수 있다. 일반적인 기어의 표면 경도가 HRC55∼63이므로, 본 발명에 따르는 기어 제조 방법을 이루는 열처리 단계에서는 표면 경도가 HRC38∼54 범위가 되도록 열처리된다. 침탄 담금질 열처리에서 가열 온도를 낮게 하는 방법에 의하여 표면 경도를 낮출 수 있다.

한편, 본 발명 기어 제조 방법에서는 열처리 단계(ST-120)에서 전경화 열처리를 하는 것도 가능하다. 전조 단계(ST-130)에서 가공 경화에 의하여 표면 조직이 치밀해지고 표면 경도가 증가하게 되므로, 열처리 단계(ST-120)에서 심부까지 전경화 열처리를 하여도 전조 단계(ST-130) 후에 표면 경도는 높고 심부 경도는 낮은 경도 구배를 가지는 기어가 제조된다.

상기에서 여유살부(28)의 두께(t)와 열처리 단계 후의 경도는 반비례 관계를 가지도록 설정하여 제조하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제품 기어의 표면 경도를 HRC60으로 하는 경우, 여유살부(28)의 두께(t)를 크게 하는 경우 열처리 단계(ST-120) 후의 표면 경도를 낮게 하고, 열처리 단계(ST-120) 후의 열처리 경도를 높게 하는 경우 여유살부(28)의 두께(t)를 작게 하는 것이 가능하다.

상기 여유살부(28)의 두께는 피치원(23)에서 최대가 되며, 피치원(23)에서 여유살부(28)의 두께(t)는 100∼200㎛ 범위가 되도록 하며, 상기 열처리 단계(ST-120)에서는 열처리 단계(ST-120) 후의 기어 반제품의 여유살부(28)의 표면 경도가 기어 최종 경도의 70∼85％ 범위가 되도록 열처리되는 경우, 전조 단계(ST-130)를 거쳐 여유살부(28)가 가압되고, 기어치(21)가 최종 가공 기어치의 크기로 성형되며, 표면 경도는 HRC55∼63 범위로 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 피전조물인 기어 반제품(20)은 기어 반제품(20)을 사이에 두고 양측에서 기어 반제품(20)과 치합하여 회전하는 치형을 가지는 전조 다이(110, 120)에 의하여 가압되고 여유살부(28)가 소성 변형되어 완제품인 기어로 제조된다. 도 5에서 도면부호 111과 121은 전조 다이(110, 120)의 회전축을 나타내며, 101은 기어 반제품(20)이 결합되는 회전축을 도시한 것이다. 전조 다이(110, 120)의 회전축 중 어느 하나는 모터 등에 의하여 회전 구동된다.

본 발명 기어 제조 방법을 이루는 전조 단계(ST-130)에서, 전조 다이(110, 120) 중 어느 하나 이상에는 초음파 진동이 부가된다. 본 발명 기어 제조 방법을 이루는 전조 단계(ST-130)는 단순히 표면을 매끈하게 하는 공정이 아니고 표면을 매끈하게 하면서 여유살부(28)의 압착에 의하여 표면 경도를 높이기 위한 것이므로 상온에서 전조되는 한편, 전조 가공량이 많게 된다. 전조 다이(110, 120) 중 어느 하나 이상에 초음파 진동이 부가됨으로써 전조 공정에서 성형이 보다 용이하게 이루어진다. 본 발명을 이루는 전조 단계(ST-130)에서는 열처리 기어의 표면 경도보다는 낮지만 전조 단계(ST-130) 전에 기어 반제품(20)의 표면 경도가 HRC38∼54 범위이므로, 초음파 진동을 부가하여 전조가 보다 용이하게 되도록 하는 것이 바람직하다. 도 5에 도시된 바와 같이 전조 다이(110)의 회전축(111)에 회전 가능하게 링(130)이 삽입되도록 하고, 링(130)에 초음파 진동을 발생시키는 발진기(131)를 부착하여 전조 다이(110)에 초음파 진동을 발생시키는 것이 가능하다. 상기 발진기(131)는 일측의 전조 다이(110)의 양측의 회전축(111)에 설치되는 것이 가능하며, 타측 전조 다이(120)의 회전축(121)에 설치되는 것도 가능하다.

상기와 같은 단계를 거쳐 기어가 제조됨으로써, 낮은 온도로 열처리되고 열처리 후의 경도 증가가 크지 않으므로 열처리에 의한 왜곡은 거의 발생하지 않고 열처리에 소요되는 비용이 절감되는 한편, 제조된 기어의 표면 경도 구배의 조정이 가능하게 되고, 표면 조직도 개선되며, 표면 거칠기 품질도 고품질의 기어 정도로 맞출 수 있게 된다. 표면 경도는 여유살부(20)의 두께에 따라 달라지므로 여유살부(20)의 두께를 기어치(21)의 표면에 다르게 형성함으로써 원하는 부분에서 원하는 표면 경도를 형성하는 것이 가능하게 된다.

20: 기어 반제품 21: 기어치
28: 여유살부

Claims

소재 준비 단계와, 소재에 치형을 절삭하여 원주 방향 양측으로 여유살부(28)가 형성된 복수의 기어치(21)를 가지는 기어 반제품을 제조하는 단계(ST-110, 치형 절삭 단계)와, 상기 기어 반제품을 열처리하는 단계(ST-120, 열처리 단계)와, 열처리 된 기어 반제품을 전조하는 단계(ST-130, 전조 단계)로 이루어지며; 상기 전조 단계(ST-130)에서는 전조 다이에 의하여 여유살부(28)가 가압되어 복수의 기어치(21)를 가지는 기어로 성형되며, 전조 단계에서의 가압에 의하여 기어치(21)의 표면 경도가 심부 경도보다 높은 경도 분포를 가지는 기어로 제조되는 것을 특징으로 하는 기어 제조 방법.
제1 항에 있어서, 상기 열처리 단계(ST-120)에서는 열처리 단계(ST-120) 후의 기어 반제품의 여유살부(28)의 표면 경도는 전조 단계(ST-130) 후 기어치(21) 표면의 경도의 70∼85％ 범위가 되도록 열처리되는 것을 특징으로 하는 기어 제조 방법.
제1 항에 있어서, 상기 전조 단계(ST-130)에서 전조 다이에는 초음파 진동이 부가되는 것을 특징을 하는 기어 제조 방법.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해서 제조되어 표면 경도가 높고 심부 경도가 낮은 경도 구배를 가지는 기어.