KR20210072253A - 피니언 기어의 통전소성 성형방법 - Google Patents

피니언 기어의 통전소성 성형방법 Download PDF

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KR20210072253A
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김명구
윤형석
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주식회사 중원산업
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Abstract

본 발명은 통전소성을 이용하여 피니언 기어를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 프레스 금형에 통전소성용 전극을 배치하여 성형시 전류를 인가함으로써 성형성을 향상할 수 있기 때문에 제작비용과 시간을 절감하고 생산성을 극대화할 뿐만 아니라, 기계적 절삭가공에 소요되는 추가 비용을 절감할 수 있고 치수 정밀도 및 기계적 성질과 내구성이 우수한 피니언 기어를 제조할 수 있다.

Description

피니언 기어의 통전소성 성형방법{Method for electrically assisted cold forging of pinion gear}
본 발명은 통전소성을 이용하여 피니언 기어를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피니언 기어의 몸체를 형성하고 외경기어부를 형성하는 전 공정의 프레스 금형에 통전소성용 전극을 배치하여 성형성을 향상함으로써, 성형 공정에 소모되는 비용과 시간을 절감하고 생산성을 향상할 수 있는 피니언 기어의 통전소성 성형방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업은 연비 효율의 향상을 위한 경량화에 주력하면서도, 충분한 강성을 확보하기 위해 점차 초고강도화된 차체 부품을 사용하고 있는 추세이다.
즉, 무게는 상대적으로 적게 나가면서도 보다 강한 강성을 가진 제품을 성형하기 위해 보다 고강도의 소재를 사용하고자 하는데, 이러한 초고강도 소재의 경우, 일반적인 철강 합금이나 알루미늄 합금에 비해 상당히 높은 강도를 가지며, 상온 환경에서 성형이 용이하지 않기 때문에 산업적 활용에 어려움이 따른다.
이러한 초고강도 소재의 성형성을 향상시키기 위하여 높은 온도에서 금속을 가공하는 기존의 열간가공(예컨대, 핫 스탬핑 등)은 고온 환경에 따른 소재의 물성 변화, 금형과 재료 사이의 점착, 윤활의 어려움, 그리고 가열과 냉각에 필요한 시간 소모와 같은 필연적인 문제들이 뒤따른다.
따라서, 소재의 온도 상승 효과가 주된 원리가 아니면서 제조 공정을 위한 제조시설 설치에 막대한 비용이 소요되지 않고 초고강도 소재의 성형성을 향상시킬 수 있는 새로운 방법이 꾸준히 개발되고 있다.
최근에는 금속소재가 외력에 의해 변형되는 동안 전류를 통전시키면, 금속 내부의 유동응력이 저하되어 더 작은 힘으로도 소성가공이 가능해지는 현상(통전소성 현상; electroplasticity effect)을 이용한 통전 성형(EAM; Electrically Assisted Manufacturing) 기술이 연구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0076486호(고강도 부품의 트림 장치 및 트림 방법)에 통전소성 현상을 이용하여 고강도 부품의 강도를 순간적으로 약화시킨 상태에서 트림을 수행하는 장치 및 방법이 개시된다.
그런데, 실험실에서 소재에 전류를 통전시켜 통전소성 효과를 확인하는 수준이 아닌, 실제 제품의 생산 공정에 통전성형 효과를 적용하여 소재의 성형성을 극대화하기 위한 구체적인 방안에 대해서는 구체적인 언급이 없다.
한편, 상술한 열간가공과 달리, 냉간단조를 이용하여 피니언 기어(pinion gear)를 제조하는 종래의 방법은 주로 다단계의 프레스 공정을 이용하여 전체적인 형상을 결정한 다음 기계적 절삭가공을 통하여 외경기어부를 형성함으로써 피니언 기어를 완성한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1449270호에는 헬리컬 기어를 절삭 가공하여 제조하는 기술이 개시되어 있는데, 헬리컬 기어의 제조를 위하여 금속 봉재를 절삭가공하면 절삭에 의한 재료손실이 발생함은 물론, 절삭 시 금속 결정입자가 일방항으로 형성하는 단류선의 절손이 발생하여 충격에 대한 저항성이 약해지는 문제가 있다.
게다가, 기어부의 기계적 절삭가공에는 오랜 시간이 필요하고, 전문기술 인력과 고가의 전용장비가 요구되어 인건비의 상승뿐만 아니라 생산성이 저하되고 기어부의 치수 정밀도와 기계적 성질이 떨어지는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0076486호 (고강도 부품의 트림 장치 및 트림 방법) 대한민국 등록특허공보 제10-1449270호 (헬리컬 기어 후가공 공정을 포함하는 헬리컬 기어 제조방법)
본 발명은 이와 같은 종래 피니언 기어를 제조하는 방법의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명에 따르면 피니언 기어의 성형에 통전소성 현상을 이용하여 성형성을 향상할 수 있기 때문에 제작비용과 시간을 절감하고 생산성을 극대화할 뿐만 아니라, 기계적 절삭가공에 소요되는 추가 비용을 절감할 수 있고 치수 정밀도 및 기계적 성질과 내구성이 우수한 피니언 기어를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 소재에 전류를 인가하였을 때 소재 내부의 유동 응력이 저하되는 통전소성 현상을 이용하여 성형이 이루어지는 통전 성형에 있어서,
적어도 하나 이상의 전극을 구비하는 상부 금형과 하부 금형이 상기 소재를 사이에 두고 상하로 배치되어 쌍을 이루는 다수의 금형을 포함하고, 상기 상부 금형의 일측에 배치되는 전극과 상기 하부 금형의 일측에 대향배치되는 전극은 서로 다른 극성을 갖는 것을 특징으로 하되,
상기 금형을 이용한 피니언 기어의 통전소성 성형방법으로서,
봉 형태의 소재를 설정된 길이로 절단하는 단계와, 절단된 상기 소재를 냉간단조하여 피니언 기어의 몸체를 성형하는 단계와, 상기 피니언 기어의 몸체에 분말 윤활제를 코팅하는 단계와, 상기 코팅된 피니언 기어의 몸체를 압축성형하여 외경기어부를 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피니언 기어의 통전소성 성형방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 피니언 기어의 몸체를 성형하는 단계는 절단된 상기 소재를 제1 금형에서 가압하여 제1 성형물을 성형하는 단계와, 상기 제1 성형물을 제2 금형에서 가압하여 제1 성형물의 상단 중심에 홈이 형성되는 제2 성형물을 성형하는 단계와, 상기 제2 성형물을 제3 금형에서 가압하여 제2 성형물의 하단 중심에 제1 내경이 형성되는 제3 성형물을 성형하는 단계와, 상기 제3 성형물을 제4 금형에서 가압하여 제3 성형물의 상단에 외경기어부의 경사면이 형성되는 제4 성형물을 성형하는 단계와, 상기 제4 성형물을 제5 금형에서 가압하여 제4 성형물의 중심에 제2 내경이 형성되는 제5 성형물을 성형하는 단계 및 상기 제5 성형물을 제6 금형에서 가압하여 상기 제2 내경이 완전히 관통되어 중공을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 소재는 크롬몰리브덴 경화능강(SCM420H)이 사용된다.
본 발명에 있어서, 상기 분말 윤활제는 이황화몰리브덴(Molybden disulphide. MoS2)이 사용된다.
본 발명에 있어서, 이와 같이 제조된 상기 피니언 기어는 KS B 0802에 따른 인장강도는 65N/㎟ 이고, KS D 0275에 따른 표면경도는 65HrA이다.
본 발명에 따르면 합금강을 냉간단조 성형방법으로 성형하여 피니언 기어의 몸체를 형성한 다음 압축 성형에 의해 피니언 기어의 외경기어부를 형성하는 전 공정의 프레스 금형에 통전소성용 전극을 배치하여 성형성을 향상함으로써 강도와 내구성이 우수한 피니언 기어를 제작하는데 소모되는 비용과 시간을 절감하고 생산성을 극대화할 수 있다. 또한, 별도의 기계적 절삭가공이 불필요하므로 추가 비용을 절감할 수 있고 치수 정밀도 및 기계적 성질이 우수한 피니언 기어를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조되는 피니언 기어의 사시도이다.
도 2는 종래의 프레스 성형에 의한 피니언 기어 제조방법의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 통전소성 성형용 프레스 금형의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 피니언 기어의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제조방법의 냉간단조 성형단계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제조방법 중 피니언 기어의 외경기어부를 형성하는 단계를 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로서, 도면에서의 요소의 형상, 요소의 크기, 요소간의 간격 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되거나 축소되어 표현될 수 있다.
또한, 실시예를 설명하는데 있어서, 만일 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "형성되어", "포함되어", "결합되어", "고정되어" 있다고 기재된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 형성, 포함, 결합 또는 고정되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 실시예를 설명하는데 있어서 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따라 제조되는 피니언 기어(40)의 사시도로, 도 1을 참조하면, 중심을 관통하는 중공(43)이 형성되어 회전축과 결합되는 피니언 기어 몸체(41)와, 피니언 기어 몸체(41)의 하부 외면을 따라 다수의 톱니가 형성되어 래크와 맞물리는 외경기어부(42)로 이루어진다. 외경기어부(42)는 피니언 기어 몸체(41)에 비하여 보다 큰 지름을 갖도록 단차지게 형성되어 래크와 맞물릴 때 간섭을 피할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 2는 종래의 프레스 성형에 의한 피니언 기어 제조방법의 예시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 통전소성 성형용 프레스 금형의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 프레스 성형에 의한 피니언 기어 제조방법은 전 공정이 다단계의 고압 프레스 성형으로만 이루어져서 오랜 시간과 많은 인력이 요구되므로 제조비용이 높고 생산성이 저하되는 단점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 피니언 기어(40)를 제조하는 통전소성 성형방법은 소재(10)에 전류를 인가하였을 때 소재(10) 내부의 유동 응력이 저하되는 통전소성 현상을 이용하여 성형이 이루어진다.
이를 위하여 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상의 전극(21)을 구비하는 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b)이 소재(10)를 사이에 두고 상하로 배치되어 쌍을 이루는 다수의 금형을 포함하되, 상부 금형(30a)의 일측에 배치되는 전극(21)과 하부 금형(30b)의 일측에 대향배치되는 전극(21)은 서로 다른 극성을 갖도록 구성된다.
좀 더 자세하게 설명하면, 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b)은 상대 이동에 의해 소재(10)를 가압하여 원하는 형태로 성형할 수 있도록 구성되는데, 하부 금형(30b)의 중앙부에 소재(10)가 인입되는 공간이 형성되고, 하강하여 소재(10)를 가압 변형시키는 상부 금형(30a)의 중앙부에는 돌출부(미도시)가 형성된다.
이 때, 소재(10)와 직접적으로 접촉되어 가압하는 상부 금형(30a)의 하면과 하부 금형(30b)의 상면에는 절연코팅부(22)를 형성하고, 절연코팅부(22)가 형성된 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b)의 일측에는 각각 적어도 하나 이상의 전극(21)이 소재와 이격되어 구비된다.
이 전극(21)은 통전소성 성형시 소재(10)에 전류를 인가하기 위한 것으로, 여기서 '통전소성 성형'이라 함은 소재(10)에 전류를 인가하였을 때 소재(10) 내부의 유동 응력이 저하되는 현상(통전소성 현상; electroplasticity effect)을 이용하여, 프레스 가압만으로 성형할 때보다 상대적으로 낮은 성형 하중으로 소성 가공하는 것을 말한다.
통전소성 성형시 소재(10)에 전류가 인가됨에 따라 저항열에 의한 소재(10)의 온도 상승이 일부 있을 수 있으나, 열처리(heat treatment)나 핫포밍 또는 웜포밍에 필요한 온도까지는 이르지 않는다. 따라서 본 명세서에서 '상온'이라 함은, 소재(10)의 종류별로 각각 서로 다른 열처리 온도나 핫포밍 온도 또는 웜포밍보다 더낮은 온도를 가리킨다.
도 3에 예시된 개략도를 참조하면, 소재(10)를 가압 변형시키는 상부 금형(30a)의 중앙 돌출부에는 (-) 극성의 전극을 배치하고 하부 금형(30b)의 개구부를 따라 소재와 소정 간격으로 이격된 상단에 (+) 극성의 전극을 하나 이상 배치하여, (+) 극성의 전극으로부터 소재(10)의 중앙부에 접촉되는 (-) 극성의 전극으로 전류가 통전되도록 구성된다.
이는 소재(10) 전체에 고르게 전류가 통전되도록 하기 위한 것으로, 전극이 어느 한 쪽으로 치우쳐서 일측의 전류밀도가 상대적으로 높아짐에 따라 소재 내부의 유동응력이 불균일하게 분포되어 결과적으로 소재의 인장강도와 경도에 악영향을 주는 것을 방지하기 위한 것이다.
그런데, 전극과 가까울수록 전류밀도가 높게 형성되는 현상을 이용하고자 할 경우에는 전극이 프레스 성형시 소재(10)에서 응력이 집중되는 부분 즉, 크랙이나 주름 발생이 예측되는 부분과 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.
또는 소재(10)의 응력 집중부에 인접하게 배치된 전극에는 다른 전극보다 더 큰 전류가 인가되도록 하거나, 더 오랜 시간 동안 더 많은 전류가 인가되도록 하기 위하여 전원과 각각의 전극 사이에 컨트롤러를 설치하고 전류공급이 개별적으로 제어 가능하도록 구성할 수 있다.
한편, 소재(10)에 인가된 전류가 금형(30)을 통해 누설되는 것을 방지하기 위해 소재(10)와 접촉하는 금형(30)의 일측에는 절연 코팅재가 표면 코팅된 절연코팅부(22)가 형성되고, 전극(21)은 절연코팅부(22)에 의해 그 둘레가 감싸지도록 배치되는 것이 바람직하다.
이때, 절연코팅부(22)는 유지 보수가 용이하도록 금형(30)에 탈착 가능하게 결합되는 것이 바람직하고, 전극(21)은 절연코팅부(22)에 탈착 가능하게 결합되는 것이 바람직하다.
이 전극(21)은 통전소성 성형시 소재(10)에 전류를 인가하기 위한 것으로, 여기서 '통전소성 성형'이라 함은 소재(10)에 전류를 인가하였을 때 소재(10) 내부의 유동 응력이 저하되는 현상(통전소성 현상; electroplasticity effect)을 이용하여, 프레스 가압만으로 성형할 때보다 상대적으로 낮은 성형 하중으로 소성 가공하는 것을 말한다.
전술한 바와 같이, 전극(21)으로부터 소재(10)로 전류 인가시 통전소성 효과(electroplasticity effect)에 의해 상온에서 소재(10)의 내부 유동응력이 저하된다.
전류 인가중, 또는 전류 인가 후 즉시, 소재(10)의 내부 유동응력이 저하된 상태에서 프레스 작동에 의해 상금형(200)과 펀치(320)가 블랭크 홀더(310) 방향으로 승강하며, 그 가압력에 의해 소재(10)가 제품의 형태로 성형된다.
이때, 성형 하중은 그 소재(10)의 냉간성형시 하중보다 훨씬 더 작으며, 본 발명에서 전류는 저항열 발생에 의해 소재(10)의 온도를 통상의 열처리나 핫포밍 또는 웜포밍에서 필요로 하는 온도로 상승시키기 위해 공급되는 것이 아니라, 통전소성 효과의 발생을 위해 인가되는 것임은 전술한 바와 같다.
상술한 통전소성 성형용 프레스 금형(30)의 통전구조는 후술되는 피니언 기어의 통전소성 성형방법을 위한 모든 단계의 금형들(31,32,ㅇㅇㅇ,37)에 동일하게 적용되며, 따라서 각 단계마다 반복되는 전극(21) 및 절연코팅부(22)의 구성과 작용에 대한 설명은 생략한다.
상술한 통전소성 성형용 프레스 금형(30)과 같은 구조로 형성된 금형을 사용하여 다음과 같은 통전소성 성형이 진행된다.
도 4는 본 발명에 따른 피니언 기어(40)의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 5는 본 발명에 따른 제조방법의 냉간단조 성형단계(S200)를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 제조방법 중 피니언 기어(40)의 외경기어부(42)를 형성하는 단계를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6를 참조하면, 본 발명에 따른 피니언 기어(40)는 봉 형태의 소재(10)를 설정된 길이로 절단하는 단계(S100)와 절단된 상기 소재(10)를 냉간단조하여 피니언 기어의 몸체(41)을 성형하는 단계(S200)로서, 절단된 소재(10)를 제1 금형(31)에서 가압하여 제1 성형물(11)을 성형하는 단계(S210), 제1 성형물(11)을 제2 금형(32)에서 가압하여 제1 성형물(11)의 상단 중심에 홈이 형성되는 제2 성형물(12)을 성형하는 단계(S220), 제2 성형물(12)을 제3 금형(33)에서 가압하여 제2 성형물(12)의 하단 중심에 제1 내경(43-1)이 형성되는 제3 성형물(13)을 성형하는 단계(S230), 제3 성형물(13)을 제4 금형(34)에서 가압하여 제3 성형물(13)의 상단에 외경기어부(42)의 경사면(44)가 형성되는 제4 성형물(14)을 성형하는 단계(S240), 제4 성형물(14)을 제5 금형(35)에서 가압하여 제4 성형물(14)의 중심에 제2 내경(43-2)이 형성되는 제5 성형물(15)을 성형하는 단계(S250), 제5 성형물(15)을 제6 금형(36)에서 가압하여 제5 성형물(15)의 제2 내경(43-2)이 완전히 관통되어 중공(43)을 성형하는 단계(S260), 상기 중공(43)이 형성된 피니언 기어의 몸체(41)에 분말 윤활제(40)를 코팅하는 단계(S300) 및 분말 윤활제(40)를 코팅한 피니언 기어의 몸체(41)을 상ㅇ하부 금형(37a,37b)으로 압축성형하여 외경기어부(42)를 형성하는 단계(S400)를 거쳐 제조된다.
S100 단계는, 환봉 형태의 소재(10)를 설정된 길이로 절단하는 단계로, 소재(10)로는 성형성 및 내구성이 우수한 크롬몰리브덴 경화능강(SCM420H)이 사용되는 것이 바람직하다. S200 단계는, 절단된 상기 소재(10)를 냉간단조하여 피니언 기어의 몸체(41)을 성형하는 단계(S200)로, 다음과 같이 S210 단계에서 S260 단계가 순차적으로 이루어진다.
S210 단계는, 절단된 소재(10)를 제1 금형(31)에서 가압하여 제1 성형물(11)로 성형하는 단계로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 제1 성형물(11)의 제조를 위하여 제1 상부 금형(31a) 및 제1 하부 금형(31b)이 구비된다. 절단된 소재(10)를 제1 하부 금형(31b)에 인입한 후 제1 상부 금형(31a)가 제1 하부 금형(31b)의 방향으로 이동하여 가압하는데, 제1 상부 금형(31a)는 예를 들어 유압 프레스와 같은 장치에 의하여 작동될 수 있다. 제1 하부 금형(31b)은 예를 들어 초경합금 소재로 만들어질 수 있고 아래의 각각의 하부 금형(31b,32b,ㅇㅇㅇ,37b)도 마찬가지로 초경합금 또는 이와 유사한 소재로 만들어질 수 있다. 각각의 상부 금형(31a,32a,ㅇㅇㅇ,37a)도 동일하다.
S220 단계는, 제1 성형물(11)을 제2 금형(32)에서 가압하여 제1 성형물(11)의 상단 중심에 홈이 형성되는 제2 성형물(12)로 성형하는 단계로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 제2 성형물(12)의 단조 가공을 위하여 제2 상부 금형(32a) 및 제2 하부 금형(32b)이 구비된다. 제2 하부 금형(32b) 내에 제1 성형물(11)을 인입한 후 제2 하부 금형(32b)의 방향으로 제2 상부 금형(32a)가 이동하면 제2 상부 금형(32a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제1 성형물(11)의 상단 중심에 홈이 형성되는 제2 성형물(12)로 단조 가공되는데, 이것은 추후에 피니언 기어의 몸체(41)의 중심을 관통하는 제2 내경(43-2)를 형성하기 위해 필요한 전처리 공정이다.
S230 단계는, 제2 성형물(12)을 제3 금형(33)에서 가압하여 제2 성형물(12)의 하단 중심에 제1 내경(43-1)이 형성되는 제3 성형물(13)을 성형하는 단계이다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 제3 성형물(13)의 가공을 위하여 제3 상부 금형(33a) 및 제3 하부 금형(33b)이 구비되고, 제3 하부 금형(33b) 내에 제2 성형물(12)을 인입한 후 제3 하부 금형(33b)의 방향으로 제3 상부 금형(33a)가 이동하면 제3 상부 금형(33a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제3 성형물(13)이 성형된다.제2 성형물(12)의 하단 중심에 형성되는 제1 내경(43-1)은 회전축이 피니언 기어(40)에 결합되어 피니언 기어(40)를 회동시키거나 반대로 피니언 기어(40)의 회동력을 전달하도록 하기 위한 결합부이다.
S240 단계는, 제3 성형물(13)을 제4 금형(34)에서 가압하여 제3 성형물(13)을 제4 금형(34)에서 가압하여 제3 성형물(13)의 상단에 외경기어부(42)의 경사면(44)가 형성되는 제4 성형물(14)을 성형하는 단계이다. 제4 하부 금형(34b) 내에 제3 성형물(13)을 인입한 후 제4 하부 금형(34b)의 방향으로 제4 상부 금형(34a)가 이동하면 제4 상부 금형(34a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제4 성형물(14)이 성형된다.
S250 단계는, 제4 성형물(14)을 제5 금형(35)에서 가압하여 제4 성형물(14)의 중심에 제2 내경(43-2)이 형성되는 제5 성형물(15)을 성형하는 단계이다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 제2 내경(43-2)을 성형하기 위하여 제5 상부 금형(35a) 및 제5 하부 금형(35b)이 구비되고, 제5 하부 금형(35b) 내에 제4 성형물(14)을 인입한 후 제5 하부 금형(35b)의 방향으로 제5 상부 금형(35a)가 이동하면 제5 상부 금형(35a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제4 성형물(14)의 중심에 제2 내경(43-2)이 성형된다.
그런데, 제2 내경(43-2)을 성형하는 과정은 S250 단계와 S260 단계에서 두 번에 걸쳐 이루어지도록 하여 소재의 가공경화를 낮추고, 금형에 크랙이 형성되거나 파손되는 위험을 줄이는 것이 바람직하기 때문에, S250 단계에서는 제2 내경(43-2)이 완전히 관통되지 않는 형상을 갖는다.
S260 단계는, 제5 성형물(15)을 제6 금형(36)에서 가압하여 제5 성형물(15)의 제2 내경(43-2)이 완전히 관통되어 중공(43)을 성형하는 단계이다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 피니언 기어(40)의 중심을 완전히 관통하는 중공(43)을 성형하기 위하여 제6 상부 금형(36a) 및 제6 하부 금형(36b)이 구비되고, 제6 하부 금형(36b) 내에 제2 내경(43-2)이 형성된 제5 성형물(15)을 인입한다.
제6 하부 금형(36b)의 방향으로 제6 상부 금형(36a)가 이동하면 제6 상부 금형(36a)의 펀칭 및 가압 공정에 의하여 제2 내경(43-2)이 피니언 기어 몸체(41)의 중심을 완전히 관통하여 형성되므로 S250 단계에서 미완료된 제2 내경(43-2)을 형성하는 성형공정이 완료된다.
도 6에 도시된 S300 단계는 상기 중공(43)이 형성된 피니언 기어의 몸체(41)에 분말 윤활제(40)를 코팅하는 단계로, 다음 단계인 S400 단계에서 프레스의 압력에 의한 표면마모를 방지하도록 소재의 표면을 분말 윤활제로 코팅하는 단계이다.
본 발명에 따르면 분말형상의 고체 윤활제인 이황화몰리브덴(Molybden disulphide. MoS2)을 피니언 기어의 몸체(41) 표면에 코팅하여 윤활층을 형성함으로써 성형 과정에서 재료의 마모를 저감시킬 수 있다.
S400 단계는, 분말 윤활제(40)를 코팅한 피니언 기어의 몸체(41)을 상ㅇ하부 금형(37a,37b)로 압축성형하여 외경기어부(42)를 형성하는 단계로, S300 단계에서 분말 윤활제(40)를 코팅한 피니언 기어의 몸체(41)를 상하 반전하여 하부 금형(37b) 내에 인입하고 상부 금형(37a)으로 압축하여 이루어진다.
이와 같이 제조된 피니언 기어(40)가 도 1에 도시되어 있으며, 완성된 피니언 기어(40)를 아래와 같이 인장강도와 경도를 측정하였다.
1. 인장강도 측정
피니언 기어(40)의 인장강도는 KS B 0802에 따라 측정하였고, 인장강도는 도 6의 시험성적서에 나타나는 바와 같이 65N/㎟로 측정되었다.
2. 표면경도 측정
피니언 기어(40)의 표면경도는 KS D 0275에 따라 측정하였고, 표면경도는 도 7의 시험성적서에 나타나는 바와 같이 65HrA로 측정되었다.
이와 같이 본 발명에 따라 제조되는 피니언 기어(40)는 우수한 인장강도와 표면강도가 발현됨을 확인할 수 있었다.
이상 설명한 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10 : 소재 11 : 제1 성형물
12 : 제2 성형물 13 : 제3 성형물
14 : 제4 성형물 15 : 제5 성형물
20 : 전원 21 : 전극
22 : 절연코팅부 30 : 금형
30a : 상부 금형 30b : 하부 금형
31 : 제1 금형 31a : 제1 상부 금형
31b : 제1 하부 금형 32 : 제2 금형
32a : 제2 상부 금형 32b : 제2 하부 금형
33 : 제3 금형 33a : 제3 상부 금형
33b : 제3 하부 금형 34 : 제4 금형
34a : 제4 상부 금형 34b : 제4 하부 금형
35 : 제5 금형 35a : 제5 상부 금형
35b : 제5 하부 금형 36 : 제6 금형
36a : 제6 상부 금형 36b : 제6 하부 금형
37 : 프레스 금형 37a : 상부 금형
37b : 하부 금형 40 : 피니언 기어
41 : 피니언 기어 몸체 42 : 외경기어부
43 : 중공 43-1 : 제1 내경
43-2 : 제2 내경 50 : 분말 윤활제

Claims (6)

  1. 소재에 전류를 인가하였을 때 소재 내부의 유동 응력이 저하되는 통전소성 현상을 이용하여 성형이 이루어지는 통전 성형에 있어서,
    적어도 하나 이상의 전극을 구비하는 상부 금형과 하부 금형이 상기 소재를 사이에 두고 상하로 배치되어 쌍을 이루는 다수의 금형을 포함하고,
    상기 상부 금형의 일측에 배치되는 전극과 상기 하부 금형의 일측에 대향배치되는 전극은 서로 다른 극성을 갖는 것을 특징으로 하되,
    상기 금형을 이용한 피니언 기어의 통전소성 성형방법으로서,
    봉 형태의 소재를 설정된 길이로 절단하는 단계;
    절단된 상기 소재를 냉간단조하여 피니언 기어의 몸체를 성형하는 단계;
    상기 피니언 기어의 몸체에 분말 윤활제를 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 피니언 기어의 몸체를 압축성형하여 외경기어부를 형성하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피니언 기어의 통전소성 성형방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피니언 기어의 몸체를 성형하는 단계는,
    절단된 상기 소재를 제1 금형에서 가압하여 제1 성형물을 성형하는 단계;
    상기 제1 성형물을 제2 금형에서 가압하여 제1 성형물의 상단 중심에 홈이 형성되는 제2 성형물을 성형하는 단계;
    상기 제2 성형물을 제3 금형에서 가압하여 제2 성형물의 하단 중심에 제1 내경이 형성되는 제3 성형물을 성형하는 단계;
    상기 제3 성형물을 제4 금형에서 가압하여 제3 성형물의 상단에 외경기어부의 경사면이 형성되는 제4 성형물을 성형하는 단계;
    상기 제4 성형물을 제5 금형에서 가압하여 제4 성형물의 중심에 제2 내경이 형성되는 제5 성형물을 성형하는 단계; 및
    상기 제5 성형물을 제6 금형에서 가압하여 상기 제2 내경이 완전히 관통되어 중공을 형성하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피니언 기어의 통전소성 성형방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소재는 크롬몰리브덴 경화능강(SCM420H)인 것을 특징으로 하는 피니언 기어의 통전소성 성형방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분말 윤활제는 이황화몰리브덴(Molybden disulphide. MoS2)인 것을 특징으로 하는 피니언 기어의 통전소성 성형방법.
  5. 제1항에 있어서,
    KS B 0802에 따른 상기 피니언 기어의 인장강도는 65N/㎟ 인 것을 특징으로 하는 피니언 기어의 통전소성 성형방법.
  6. 제1항에 있어서,
    KS D 0275에 따른 상기 피니언 기어의 표면경도는 65HrA 인 것을 특징으로 하는 피니언 기어의 통전소성 성형방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101449270B1 (ko) 2013-04-17 2014-10-10 한국생산기술연구원 헬리컬 기어 후가공 공정을 포함하는 헬리컬 기어 제조방법

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