KR20230138750A - Cold Forging Die for Helical gear shaft and Helical gear shaft Manufacturing Method Using it - Google Patents

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KR20230138750A
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Abstract

본 발명의 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형은, 냉간 Former 설비에 부착되며, 공급되는 선재를 자동으로 절단하는 절단 DIE 및 Knife 금형; 다단으로 형성되며, 상기 절단 DIE 및 Knife 금형에 의해 절단된 선재를 순차적으로 성형되도록 하되, 냉간단조에 의해 면취형상 가공과 외경 가공 및 헬리컬 기어를 치형가공을 수행하는 헬리컬 기어 성형용 금형; 상기 헬리컬 기어 성형용 금형에 의해 성형된 헬리컬 기어에 탭가공을 하도록 하는 탭가공부;를 포함하여 이루어진다.The cold forging mold for a helical gear shaft of the present invention includes a cutting DIE and knife mold that is attached to a cold former facility and automatically cuts the supplied wire rod; A helical gear forming mold that is formed in multiple stages and sequentially molds the wires cut by the cutting die and knife mold, and performs chamfering, outer diameter processing, and tooth processing of the helical gear by cold forging; It includes a tab processing part that performs tapping processing on the helical gear formed by the helical gear molding mold.

Description

헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형 및 헬리컬 기어 샤프트 제조방법{Cold Forging Die for Helical gear shaft and Helical gear shaft Manufacturing Method Using it}Cold forging die for helical gear shaft and helical gear shaft manufacturing method {Cold Forging Die for Helical gear shaft and Helical gear shaft Manufacturing Method Using it}

본 발명은 헬리컬 기어 샤프트를 냉간단조로 제조할 수 있도록 하는 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형과 헬리컬 기어 샤프트 제조공정을 줄여 제조비용을 절감하고 생산성을 향상시키도록 하는 헬리컬 기어 샤프트 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cold forging mold for a helical gear shaft that allows a helical gear shaft to be manufactured by cold forging, and a helical gear shaft manufacturing method that reduces manufacturing costs and improves productivity by reducing the helical gear shaft manufacturing process.

일반적으로 헬리컬 기어는, 톱니 줄기가 비스듬히 경사져 있는 나선 곡선인 원통기어이다.In general, a helical gear is a cylindrical gear whose tooth stems are inclined at an angle and have a spiral curve.

최근 자동차용 변속기의 성능 향상을 위하여 헬리컬 기어(Helical Gear)의 적용이 확대되고 있다.Recently, the application of helical gears has been expanding to improve the performance of automobile transmissions.

헬리컬 기어는 스퍼기어(평기어)보다 접촉선의 길이가 길어서 치면 접촉 효율이 높기 때문에 기어 두께를 줄일 수 있고 큰 힘을 전달할 수 있으며, 원활하게 회전하므로 소음이 작아 주로 고급형 차량의 변속기나, 감속기 등에 광범위하게 사용되고 있다.Helical gears have a longer contact line than spur gears, so their contact efficiency is high, so the thickness of the gear can be reduced and large forces can be transmitted. Since they rotate smoothly, they make less noise, so they are mainly used in transmissions and reducers of high-end vehicles, etc. It is widely used.

호빙(Hobbing)과 디버링(Deburring), 쉐이빙(Shaving)으로 이어지는 기존의 전통적인 기어 생산 방식의 경우 상당한 가공시간과 고가의 장비 및 공구가 요구되기 때문에 보다 효율적으로 기어를 생산하고자 하는 노력이 지속적으로 이루어져 왔다.In the case of the existing traditional gear production method consisting of hobbing, deburring, and shaving, considerable processing time and expensive equipment and tools are required, so efforts are being made to produce gears more efficiently. come.

특히, 단조공정은 기존의 절삭방식을 대체할 수 있는 효율적인 기어의 생산법으로 주목되어 왔다.In particular, the forging process has been attracting attention as an efficient gear production method that can replace existing cutting methods.

국내에서도 꾸준한 연구를 통하여 평기어와 베벨기어(Bevel Gear)의 경우 상당한 성과를 거두어 현장 기술 수준의 기어 성형기술이 확보되었으나, 헬리컬 기어의 경우 아직 충분한 단조기술이 확보되지 못한 상태로 남아 있다.Through consistent research in Korea, significant results have been achieved in the case of spur gears and bevel gears, and gear forming technology at the field level has been secured. However, in the case of helical gears, sufficient forging technology has not yet been secured.

종래 헬리컬기어 제작시 원소재 - 절단 - 면취 - 외경가공 - 단조 - 탭가공을 거치게 되고, 단조를 이용한 헬리컬기어 부품생산방식은 다단성형공정 후 단일 PRESS 단조공법을 활용하여 비대칭의 기어 산을 성형하는 방법으로 생산하고 있다.Conventionally, when manufacturing a helical gear, it goes through raw materials - cutting - chamfering - external processing - forging - tapping processing, and the method of producing helical gear parts using forging involves forming an asymmetrical gear mountain using a single PRESS forging method after a multi-stage forming process. It is produced in a way.

이러한 가공방식은 자동차부품의 제조 생산성 향상에 많은 문제점을 갖고 있어, 대책 마련이 시급하다.This processing method has many problems in improving the manufacturing productivity of automobile parts, so measures are urgently needed.

또한, 기존의 헬리컬 기어 생산방식은, 원 소재 및 반제품 중량물 취급, 과도한 공구 마모(tool wear), 생산성 한계 도달에 따른 제품 출하량 제약 등의 문제점이 있다.In addition, the existing helical gear production method has problems such as handling heavy raw materials and semi-finished products, excessive tool wear, and product shipment volume restrictions due to reaching productivity limits.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 본 발명은 원소재를 단조를 통해 헬리컬 기어 샤프트를 제조하도록 하여 절단, 면취, 외경가공이 필요없도록 하여 제조공정을 줄일 수 있는 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형 및 헬리컬 기어 샤프트 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention was created to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to manufacture a helical gear shaft through forging raw materials, thereby eliminating the need for cutting, chamfering, and external processing, thereby improving the manufacturing process. The aim is to provide a cold forging mold for a helical gear shaft that can be reduced and a helical gear shaft manufacturing method.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형은 냉간 Former 설비에 부착되며, 공급되는 선재를 자동으로 절단하는 절단 DIE 및 Knife 금형; 다단으로 형성되며, 상기 절단 DIE 및 Knife 금형에 의해 절단된 선재를 순차적으로 성형되도록 하되, 냉간단조에 의해 면취형상 가공과 외경 가공 및 헬리컬 기어를 치형가공을 수행하는 헬리컬 기어 성형용 금형; 상기 헬리컬 기어 성형용 금형에 의해 성형된 헬리컬 기어에 탭가공을 하도록 하는 탭가공부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The cold forging mold for the helical gear shaft of the present invention to achieve the above object is attached to the cold former equipment, and includes a cutting DIE and knife mold that automatically cuts the supplied wire rod; A helical gear forming mold that is formed in multiple stages and sequentially molds the wires cut by the cutting die and knife mold, and performs chamfering, outer diameter processing, and tooth processing of the helical gear by cold forging; It is characterized in that it comprises a; tab processing part for performing tapping processing on the helical gear formed by the helical gear forming mold.

또한, 상기 헬리컬 기어 성형용 금형은 일정각도를 이루어 방사형으로 분할되어 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the mold for forming helical gears is characterized in that it is formed by being divided radially at a certain angle.

아울러, 본 발명의 헬리컬 기어 샤프트 제조방법은, 선재를 일정 크기로 절단하는 단계; 절단된 선재로부터 기어의 외경을 형성하도록 후방압출하는 단계; 후방압출되어 외경이 형성된 기어의 중앙이 중공되도록 피어싱으로 압출 블랭크를 성형하는 단계; 피어싱으로 압출 블랭크를 성형하여 형성된 기어에 헬리컬 치형이 형성되도록 전방압출로 성형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the helical gear shaft manufacturing method of the present invention includes the steps of cutting a wire rod to a certain size; Back extruding the cut wire to form the outer diameter of the gear; Forming the extrusion blank by piercing so that the center of the gear whose outer diameter is formed by rearward extrusion is hollow; It is characterized by comprising the step of forming the extrusion blank by piercing and forming it by forward extrusion so that helical teeth are formed in the formed gear.

또한, 상기 전방압출로 성형단계에서, 성형된 압출 블랭크의 내경부에 맨드렐을 삽입하여 펀칭함으로써 헬리컬 치형이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the front extrusion molding step, a helical tooth shape is formed by inserting a mandrel into the inner diameter of the molded extrusion blank and punching it.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형을 이용하여 헬리컬 기어 샤프트를 제조하게 되면, 원가절감을 가져오게 되어 비용이 저렴하며, 제품의 치수정밀도가 좋으므로 후공정의 기계 가공이 불필요하거나 가공공수가 대폭으로 저감할 수 있다.When a helical gear shaft is manufactured using the cold forging mold for a helical gear shaft of the present invention according to the above configuration, the cost is reduced due to cost reduction, and the dimensional accuracy of the product is good, so machining in the post-process is carried out. This unnecessary processing time can be greatly reduced.

아울러, 표면 사상 층이 품질향상에 따라 평활한 상 SCALE, 탈탄층 등이 없으므로 가공이 불필요 또는 가공공수가 저감하게 되는 효과가 있다.In addition, as the surface finishing layer improves the quality, there is no smooth phase scale or decarburization layer, so processing is unnecessary or processing man-hours are reduced.

또한, 소성변형 시 가공경화를 이용하여 기계적 성질의 향상을 가져오게 되므로 재료를 열처리하지 않고 사용가능한 장점이 있다.In addition, because mechanical properties are improved through work hardening during plastic deformation, there is an advantage that the material can be used without heat treatment.

또, 헬리컬기어 부품용 금형 설계기법과 금형 시제품을 개발함으로써 단조 시 발생하는 문제점(PIN 파손 등)을 보완하고 금형의 수명을 향상시킬 수 있다.In addition, by developing mold design techniques and mold prototypes for helical gear parts, problems that occur during forging (PIN damage, etc.) can be corrected and the lifespan of the mold can be improved.

도 1은 본 발명의 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형을 나타낸 분해사시도이다.
도 2는 헬리컬 기어의 단조 성형공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 응력-변형률을 나타낸 그래프이다.
도 4는 성형하중 분포를 나타낸 그래프이다.
도 5는 헬리컬 기어의 냉간 전방 압출과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 맨드렐을 사용하지 않은 경우의 유효 변형률과 변형된 형상을 나타낸 도면이다.
도 7은 맨드렐을 블랭크의 내경부에 삽입한 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 맨드렐을 사용한 경우의 유효 변형률과 변형된 형상을 나타낸 도면이다.
도 9는 맨드렐을 사용한 경우의 금형 치형부에 대한 소재의 변형형상을 나타낸 도면이다.
도 10은 금형의 하측 조합과 프레스에 설치된 전체 금형세트를 나타낸 사진이다.
도 11은 성형된 헬리컬 기어의 시제품을 나타낸 사진이다.
도 12는 3차원 기어 측정으로 얻은 기어 톱니 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 13은 헬리컬 기어의 치형 굽힘 강도 시험기를 나타낸 사진이다.
도 14는 치형 굽힘 강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is an exploded perspective view showing a cold forging mold for a helical gear shaft of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the forging forming process of a helical gear.
Figure 3 is a graph showing stress-strain.
Figure 4 is a graph showing the molding load distribution.
Figure 5 is a diagram showing the cold front extrusion process of a helical gear.
Figure 6 is a diagram showing the effective strain and deformed shape when a mandrel is not used.
Figure 7 is a diagram showing a state in which the mandrel is inserted into the inner diameter portion of the blank.
Figure 8 is a diagram showing the effective strain and deformed shape when a mandrel is used.
Figure 9 is a diagram showing the deformed shape of the material on the mold teeth when a mandrel is used.
Figure 10 is a photograph showing the lower assembly of the mold and the entire mold set installed on the press.
Figure 11 is a photograph showing a prototype of a molded helical gear.
Figure 12 is a diagram showing a gear tooth profile obtained by three-dimensional gear measurement.
Figure 13 is a photograph showing a tooth bending strength tester of a helical gear.
Figure 14 is a graph showing the results of the tooth bending strength test.

이하, 본 발명의 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형 및 헬리컬 기어 샤프트 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the cold forging mold for a helical gear shaft and the method for manufacturing a helical gear shaft of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형을 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 헬리컬 기어의 단조 성형공정을 나타낸 도면이며, 도 3은 응력-변형률을 나타낸 그래프이고, 도 4는 성형하중 분포를 나타낸 그래프이며, 도 5는 헬리컬 기어의 냉간 전방 압출과정을 나타낸 도면이고, 도 6은 맨드렐을 사용하지 않은 경우의 유효 변형률과 변형된 형상을 나타낸 도면이며, 도 7은 맨드렐을 블랭크의 내경부에 삽입한 상태를 나타낸 도면이고, 도 8은 맨드렐을 사용한 경우의 유효 변형률과 변형된 형상을 나타낸 도면이며, 도 9는 맨드렐을 사용한 경우의 금형 치형부에 대한 소재의 변형형상을 나타낸 도면이고, 도 10은 금형의 하측 조합과 프레스에 설치된 전체 금형세트를 나타낸 사진이며, 도 11은 성형된 헬리컬 기어의 시제품을 나타낸 사진이고, 도 12는 3차원 기어 측정으로 얻은 기어 톱니 프로파일을 나타낸 도면이며, 도 13은 헬리컬 기어의 치형 굽힘 강도 시험기를 나타낸 사진이고, 도 14는 치형 굽힘 강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 1 is an exploded perspective view showing a cold forging mold for a helical gear shaft of the present invention, Figure 2 is a diagram showing the forging forming process of a helical gear, Figure 3 is a graph showing stress-strain, and Figure 4 is a forming load distribution. is a graph showing, Figure 5 is a diagram showing the cold forward extrusion process of a helical gear, Figure 6 is a diagram showing the effective strain and deformed shape when a mandrel is not used, and Figure 7 is a diagram showing the mandrel of the blank. It is a drawing showing the state inserted into the inner diameter part, Figure 8 is a drawing showing the effective strain rate and deformed shape when a mandrel is used, and Figure 9 is a drawing showing the deformed shape of the material for the mold teeth when a mandrel is used. Figure 10 is a photograph showing the lower assembly of the mold and the entire mold set installed on the press, Figure 11 is a photograph showing a prototype of a molded helical gear, and Figure 12 is a gear tooth profile obtained by three-dimensional gear measurement. Figure 13 is a photograph showing a tooth bending strength tester of a helical gear, and Figure 14 is a graph showing the results of a tooth bending strength test.

본 발명에 의한 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형은, 냉간 Former 설비에 부착되며, 공급되는 선재를 자동으로 절단하는 절단 DIE 및 Knife 금형; 다단으로 형성되며, 상기 절단 DIE 및 Knife 금형에 의해 절단된 선재를 순차적으로 성형되도록 하되, 냉간단조에 의해 면취형상 가공과 외경 가공 및 헬리컬 기어를 치형가공을 수행하는 헬리컬 기어 성형용 금형; 상기 헬리컬 기어 성형용 금형에 의해 성형된 헬리컬 기어에 탭가공을 하도록 하는 탭가공부;를 포함하여 이루어진다.The cold forging mold for a helical gear shaft according to the present invention includes a cutting DIE and knife mold that is attached to a cold former facility and automatically cuts the supplied wire rod; A helical gear forming mold that is formed in multiple stages and sequentially molds the wires cut by the cutting die and knife mold, and performs chamfering, outer diameter processing, and tooth processing of the helical gear by cold forging; It includes a tab processing part that performs tapping processing on the helical gear formed by the helical gear molding mold.

이때, 상기 헬리컬 기어 성형용 금형은 일정각도를 이루어 방사형으로 분할되어 형성되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the mold for forming the helical gear is formed by dividing it radially at a certain angle.

본 발명에 의한 헬리컬 기어 샤프트 제조방법은, 선재를 일정 크기로 절단하는 단계; 절단된 선재로부터 기어의 외경을 형성하도록 후방압출하는 단계; 후방압출되어 외경이 형성된 기어의 중앙이 중공되도록 피어싱으로 압출 블랭크를 성형하는 단계; 피어싱으로 압출 블랭크를 성형하여 형성된 기어에 헬리컬 치형이 형성되도록 전방압출로 성형하는 단계;를 포함하여 이루어진다.The helical gear shaft manufacturing method according to the present invention includes the steps of cutting a wire rod to a certain size; Back extruding the cut wire to form the outer diameter of the gear; Forming the extrusion blank by piercing so that the center of the gear whose outer diameter is formed by rearward extrusion is hollow; It includes the step of forming the extrusion blank by piercing and forming it by forward extrusion so that helical teeth are formed in the formed gear.

이때, 상기 전방압출로 성형단계에서, 성형된 압출 블랭크의 내경부에 맨드렐을 삽입하여 펀칭함으로써 헬리컬 치형이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.At this time, in the front extrusion furnace forming step, it is preferable to insert a mandrel into the inner diameter of the formed extrusion blank and punch it to form a helical tooth shape.

일체형 단조 금형의 압입 순서는 다음과 같다.The press-fitting sequence of the integrated forging mold is as follows.

초경(WC-Co) ⇒ 보강 링 케이스(RING-CASE) ⇒ 1차 압입(냉간) ⇒ 초경 금형(WC-Co_DIE) ⇒ 금형 케이스(DIE-CASE) ⇒ 2차 압입(냉간) ⇒ 금형 받침(FEELER_DIE) ⇒ 2차 압입(냉간) ⇒ 제작 완료Carbide (WC-Co) ⇒ Reinforced ring case (RING-CASE) ⇒ Primary press-fit (cold) ⇒ Carbide mold (WC-Co_DIE) ⇒ Mold case (DIE-CASE) ⇒ Secondary press-fit (cold) ⇒ Mold support (FEELER_DIE) ) ⇒ 2nd pressing (cold) ⇒ Production completed

① WC-Co_DIE, RING CASE, FEELER, CASE등이 압입 되어 #1DIE 완성① WC-Co_DIE, RING CASE, FEELER, CASE, etc. are press-fitted to complete #1DIE

② 초경(WC-Co) : 외경 Φ50 * 길이 60mm의 규격을 가진 초경 소결체를 연마공정으로 내경, 외경 및 평면 가공② Carbide (WC-Co): Machining the inner diameter, outer diameter, and plane of the carbide sintered body with an outer diameter of Φ50 * length of 60mm through a polishing process.

③ RING CASE : 1차 가공으로 CNC 자동선반 설비로 HOLE(내경), 외경, 평면구간 가공. 이때 2차 가공 공차를 위하여 +2mm의 여유 치수를 미가공. 2차 선반 가공전 SKD??61종의 고속도공구강의 경도(HRC)를 높이기 위하여 열처리(가열, 냉각을 이용하여 공업재료의 특성을 향상하는 기술. 물질을 가열하거나 냉각시키면 내부 구조에 변화가 일어나서 성질이 현저하게 개량) 공정 후 선반 가공으로 압입 공차 약 70%(0.07mm) 수준으로 가공③ RING CASE: In the first processing, HOLE (inner diameter), outer diameter, and flat section are processed using CNC automatic lathe equipment. At this time, an extra dimension of +2mm is left unprocessed for secondary processing tolerance. A technology that improves the properties of industrial materials by using heat treatment (heating and cooling) to increase the hardness (HRC) of 61 types of SKD high-speed tool steel before secondary lathe processing. When the material is heated or cooled, the internal structure changes. After the process (the properties are significantly improved), the press-fit tolerance is processed to about 70% (0.07mm) through lathe processing.

④ 1차 압입(냉간) : 가공된 RING_CASE를 전기로에서 약 280~320˚C의 온도로 2~3시간을 가열 후 가공된 초경 압입④ First pressing (cold): Heating the processed RING_CASE in an electric furnace at a temperature of about 280~320˚C for 2~3 hours and then press fitting the processed carbide.

⑤ CASE & FEELER : 초경과 RING_CASE가 압입된 WC-CO_DIE를 둘러서 덮는 형상으로 CASE가 압입. 이때 공차는 냉간압입 약 50% 조건으로 가공.⑤ CASE & FEELER: The CASE is press-fitted in a shape that surrounds and covers the WC-CO_DIE in which carbide and RING_CASE are press-fitted. At this time, the tolerance is about 50% for cold pressing.

⑥ 2차 압입(냉간) : CASE를 200ton급 PRESS를 이용하여 RING_CASE와 받침대 역할을 하는 FEELER_DIE을 동시 압입⑥ 2nd press fit (cold): Simultaneous press fit of RING_CASE and FEELER_DIE, which acts as a stand, using a 200 ton press.

⑦ 정밀가공 : 2차 압입 완료된 금형은 선반, CNC선반, 방전, 연마, 표면처리 등의 공정을 거처 완료⑦ Precision processing: The mold after secondary press fitting is completed through processes such as lathe, CNC lathe, discharge, polishing, and surface treatment.

(실시예)(Example)

본 발명의 대상은 피치원 지름이 43.5mm인 헬리컬 기어로서 18.4o 의 헬리컬각을 갖는 자동차 변속기용 기어이다. 헬리컬 기어의 치형 성형을 위해서는 폐쇄단조 또는 전방압출 형태의 공정 구상이 가능한데, 본 발명의 대상 제품은 비교적 작은 직경의 헬리컬 기어로서 전방압출 형식의 공정을 적용하는 것이 적합한 것으로 판단되었다. 본 발명에서는 CAE 해석을 통하여 전방압출형 기어성형의 소재 유동 및 치형 창생 경향을 파악하였으며, 성형 실험을 통하여 시제품을 제작하였다. 또한, 제작된 시제품에 대한 3차원 기어측정 및 치형 굽힘강도시험을 통하여 치형 정밀도 및 기계적 특성이 자동차 변속기에 적용 가능함을 확인하였다.The subject of the present invention is a helical gear with a pitch circle diameter of 43.5 mm and a helical angle of 18.4o for an automobile transmission. For tooth forming of helical gears, it is possible to design a closed forging or forward extrusion type process, but the target product of the present invention is a helical gear with a relatively small diameter, and it was judged appropriate to apply the forward extrusion type process. In the present invention, the material flow and tooth formation trends of forward extrusion type gear molding were identified through CAE analysis, and a prototype was manufactured through molding experiments. In addition, through 3D gear measurement and tooth bending strength tests on the manufactured prototype, it was confirmed that the tooth shape precision and mechanical properties are applicable to automobile transmissions.

1. 제품 분석 및 공정 구상1. Product analysis and process design

본 발명에서 목표로 하는 헬리컬 기어의 형상 조건을 아래 표에 나타내었다. 자동차 변속기에 사용되는 헬리컬 기어로서는 기어두께 16.8mm, 피치원 지름 43.5mm의 비교적 소형 제품이며 헬리컬각도는 18.4도로서 완만한 편에 속한다. 소재로는 자동차 기어용 침탄강인 SCM920HVSI가 사용되었으며 절삭가공 또는 단조성형 후 침탄열처리가 수행된다.The shape conditions of the helical gear targeted in the present invention are shown in the table below. As a helical gear used in automobile transmissions, it is a relatively small product with a gear thickness of 16.8mm and a pitch circle diameter of 43.5mm, and the helical angle is 18.4 degrees, which is gentle. The material used was SCM920HVSI, a carburized steel for automobile gears, and carburizing heat treatment is performed after cutting or forging.

일반적으로 헬리컬 기어의 단조 성형공정은 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 밀폐형 금형 내에 소재 의 상하를 가압하여 측면 방향으로 치형을 창생시키는 폐쇄단조공정과 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 소재의 상면에 하중으로 가하여 길이 방향 으로 치형을 생성시켜 하방향으로 취출하는 전방 압출공정으로 구분된다.In general, the forging process of a helical gear is a closed forging process in which teeth are created in the lateral direction by pressing the top and bottom of the material in a closed mold, as shown in Figure 2 (a), and the material is formed as shown in Figure 2 (b). It is divided into a forward extrusion process in which a load is applied to the upper surface of the machine to create a tooth shape in the longitudinal direction and then extracted in the downward direction.

본 발명에서는 상기 두 가지 공정 중 대상 제품에 적절한 단조 공정의 선택을 위하여 상용소프트웨어인 Deform-3D를 이용하여 CAE 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 소재의 응력-변형률 선도는 도 3에 나타낸 바와 같고, 마찰상수는 0.08을 사용하였다. 해석을 위한 형상모델은 사면체요소(Tetrahedral Element)를 이용하여 구성하였는데, 폐쇄단조공정과 전방압출공정 각각에 대하여 약 180,000개와 330,000개의 격자를 구성하였다. 또한, 두 공정 모두 금형은 강체(Rigid-body)를 가정하였으며, 가압 속도는 실제 사용될 성형장비의 사양을 고려하여 70mm/sec로 설정하였다.In the present invention, CAE analysis was performed using Deform-3D, a commercial software, to select the forging process appropriate for the target product among the two processes. The stress-strain diagram of the material used in the analysis is as shown in Figure 3, and the friction constant was 0.08. The shape model for analysis was constructed using tetrahedral elements, with approximately 180,000 and 330,000 grids for the closed forging process and forward extrusion process, respectively. In addition, in both processes, the mold was assumed to be a rigid body, and the pressing speed was set at 70 mm/sec in consideration of the specifications of the molding equipment to be actually used.

CAE 해석에서 얻어진 두 공정의 성형하중 분포를 도 4에 나타내었는데, 전방압출공정의 경우 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이 성형초기에 하중이 급격히 증가 하지만 일반적인 전방압출공정과 유사하게 정상상태(Steady State)에 도달하면 성형하 중이 일정하게 형성되어 약 120톤 정도로 유지됨을 알 수 있었다. 그러나 폐쇄단조공정의 경우 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 기어치의 형상이 뚜 렷해질수록 하중이 급격하게 증가하여 500톤 이상의 하중이 공급되어야 고른 치형이 형성됨을 관찰할 수 있었다.The forming load distribution of the two processes obtained from the CAE analysis is shown in Figure 4. In the case of the forward extrusion process, the load increases rapidly at the beginning of forming as shown in Figure 4 (a), but, similar to the general forward extrusion process, it remains in a steady state (Figure 4). It was found that once the Steady State was reached, the forming load was maintained at a constant level of about 120 tons. However, in the case of the closed forging process, as shown in Figure 4 (b), as the shape of the gear teeth became clearer, the load increased rapidly, and it was observed that an even tooth shape was formed only when a load of 500 tons or more was supplied.

본 제품의 경우 기어의 피치원 지름이 43.5mm 로서 비교적 소형 제품에 속하기 때문에 소재의 가열은 고려하지 않았으며, 폐쇄단조공정이 사용될 경우 충분한 성형하중이 공급되지 않는다면 요구되는 치형 정밀도를 얻기 힘들 것으로 판단되었다. 또한, 전방압출공정의 경우 성형 완료 후 에 제품을 금형의 하방향으로 자연스럽게 배출시 킬 수 있으나 폐쇄단조공정의 경우 제품의 취출 을 위해서는 금형 또는 소재가 회전되어야 하기 때문에 보다 복잡한 금형 구조가 요구될 것으로 예측되었다. 따라서, 본 제품과 같은 소구경 헬리컬 기어의 경우 전방압출공정을 적용하는 것이 보다 효율적이라고 판단되었으며, 도 5에 나타낸 바와 같이 후방압출과 피어싱으로 압출 블랭크를 성형하고 최종적으로 전방압출을 적용하는 3단계 공정을 구상하였다.In the case of this product, since it is a relatively small product with a pitch circle diameter of 43.5 mm, heating of the material was not considered. If a closed forging process is used, it will be difficult to obtain the required tooth shape precision if sufficient forming load is not supplied. It was judged. In addition, in the case of the forward extrusion process, the product can be naturally discharged downward from the mold after molding is completed, but in the case of the closed forging process, a more complex mold structure is expected to be required because the mold or material must be rotated to eject the product. It was predicted. Therefore, in the case of small-diameter helical gears such as this product, it was judged to be more efficient to apply the front extrusion process. As shown in Figure 5, the extrusion blank is formed by rear extrusion and piercing, and finally the front extrusion is applied in three steps. The process was designed.

2. CAE 해석을 통한 성형특성 분석2. Analysis of molding characteristics through CAE analysis

가. 맨드렐 미적용 자유형 압출go. Freeform extrusion without mandrel

중공형 제품의 전방압출은 내경부에 맨드렐 (Mandrel)을 삽입하여 성형을 수행하는 구속형과 맨드렐을 사용하지 않는 자유형으로 나눌 수 있다. 그러나, 본 제품과 같이 내경 부위가 비어 있는 중공형의 경우 맨드렐을 사용하지 않는다면 반경 방향의 압축력에 의해 소재가 금형면에서 이탈하여 치형의 정밀도를 확보하기 어려울 것으로 예상되었다. 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 자유형 전방압출의 경우 블랭크의 길이 방향으로 유효변형률에 차이가 발생하며, 도 6의 (b)의 'A'로 표시된 바와 같이 소재가 성형 중에 금형의 치형부에서 이탈하여 요구되는 치수정밀도를 만족할 수 없음을 CAE 해석을 통하여 확인할 수 있었다.Forward extrusion of hollow products can be divided into a constrained type, which performs molding by inserting a mandrel into the inner diameter, and a free type, which does not use a mandrel. However, in the case of a hollow mold with an empty inner diameter area like this product, if a mandrel is not used, it is expected that the material will separate from the mold surface due to radial compression force, making it difficult to secure the precision of the tooth shape. As shown in Figure 6 (a), in the case of free-form forward extrusion, a difference occurs in the effective strain in the longitudinal direction of the blank, and as indicated by 'A' in Figure 6 (b), the material is exposed to the teeth of the mold during molding. It was confirmed through CAE analysis that the required dimensional accuracy could not be satisfied due to deviation from .

나. 맨드렐 적용 구속형 압출me. Mandrel-applied constrained extrusion

전술한 바와 같이 맨드렐을 사용하지 않을 경우, 내경 방향의 소재 유동으로 인하여 성형 제품의 치형정밀도를 확보할 수 없을 것으로 판단되었다. 따라서, 치형 정밀도의 향상을 위하여 도 7에 나타낸 바와 같이 블랭크의 내경부에 맨드렐을 삽입하여 CAE 해석을 수행하였다. 이때, 치형 성형부의 도입각은 65도, 랜드부의 길이는 10mm로 설정하였다.As mentioned above, if the mandrel is not used, it was determined that the tooth shape precision of the molded product cannot be secured due to the material flow in the inner diameter direction. Therefore, in order to improve tooth shape precision, CAE analysis was performed by inserting a mandrel into the inner diameter of the blank as shown in Figure 7. At this time, the introduction angle of the tooth forming part was set to 65 degrees, and the length of the land part was set to 10 mm.

도 8에 해석을 통하여 얻은 변형형상과 유효변형률 분포를 나타내었는데, 맨드렐의 삽입을 통한 내경 방향으로의 소재 유동이 제어되어 블랭크 길이 방향의 유효변형률 편차가 감소되고 있음을 확인할 수 있었다.Figure 8 shows the deformed shape and effective strain distribution obtained through analysis. It was confirmed that the material flow in the inner diameter direction was controlled through the insertion of the mandrel, thereby reducing the effective strain deviation in the blank length direction.

또한, 도 9에 나타낸 바와 같이 맨드렐을 삽입할 경우에 대한 소재의 유동 경향을 파악하기 위하여 금형의 하단부를 기준으로 3, 7, 12mm를 절단하여 금형 치형부에 대한 소재의 변형형상을 비교하여 보았다. 블랭크의 길이방향 위치에 대한 소재 유동 특성은 특별한 차이를 보이지 않았으며, 그림에 나타낸 출구부 'Z-3.0' 에서의 변형형상을 도 6의 (b)와 비교하면 맨드렐 삽입을 통하여 내경 방향의 소재 유동이 제한되어 소재와 금형면의 접촉이 금형의 압출 출구부까지 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 다만, 약 330,000개의 격자를 사용했음에도 불구하고 해석 모델이 미세한 치형단부를 모사하기에는 다소 불충분한 면이 있지만 도 6의 (b)와 도 9에 각각 'A', 'B'로 표시된 부위를 비교하면 변형소재와 금형면의 접촉 범위가 증가하였음을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in Figure 9, in order to determine the flow tendency of the material when inserting the mandrel, 3, 7, and 12 mm were cut based on the lower part of the mold and the deformed shape of the material with respect to the mold teeth was compared. saw. There was no particular difference in the material flow characteristics with respect to the longitudinal position of the blank, and comparing the deformed shape at the outlet 'Z-3.0' shown in the figure with Figure 6(b), the material flow characteristics in the inner diameter direction through mandrel insertion showed no particular difference. It was confirmed that the material flow was restricted and the contact between the material and the mold surface was maintained up to the extrusion outlet of the mold. However, despite using about 330,000 grids, the analysis model is somewhat insufficient to simulate fine tooth edges. However, when comparing the areas marked as 'A' and 'B' in Figure 6(b) and Figure 9, respectively, It was confirmed that the contact range between the deformed material and the mold surface increased.

3. 시제품 제작 및 검증3. Prototype production and verification

가. 시제품 제작go. Prototyping

도 10에 제작된 금형의 하측 조합과 프레스에 설치된 전체 금형세트를 나타내었다. 금형 랜드부의 길이와 압출각은 전절에서 수행된 CAE 해석에서의 조건과 동일하게 각각 10mm와 65도를 적용하였다. 성형 실험에는 450톤 너클프레스를 사용 하였으며, 성형된 헬리컬 기어의 시제품을 도 11에 나타내었다. 전방압출공정의 특성을 활용하여 초기 소재의 길이를 20~60mm 범위로 변화시켜 시험 작업을 수행하였는데, 그림에 나타낸 시제품은 초기 소재의 길이가 44mm인 경우로서 단조품을 최종 제품의 치수에 맞게 절단하면 한번의 성형으로 2개의 제품을 얻을 수 있다.Figure 10 shows the lower combination of the manufactured mold and the entire mold set installed on the press. The length and extrusion angle of the mold land part were 10 mm and 65 degrees, respectively, identical to the conditions in the CAE analysis performed in the previous section. A 450-ton knuckle press was used in the forming experiment, and the prototype of the formed helical gear is shown in Figure 11. Utilizing the characteristics of the forward extrusion process, testing was performed by varying the length of the initial material in the range of 20 to 60 mm. The prototype shown in the picture is a case where the initial material length is 44 mm. When the forged product is cut to fit the dimensions of the final product, Two products can be obtained through one molding.

나. 치형 정밀도 및 기계적 특성 검증me. Verification of tooth shape precision and mechanical properties

헬리컬 기어의 단조에서는 전극의 가공 오차 및 금형의 방전 오차, 단조 성형 시의 탄성 회복, 열처리에 따른 변형 오차 등 다양한 오차 발생의 원인을 제어해야 치형의 정밀도를 구현할 수 있다. 본 발명에서는 금형 제작 및 단조 성형, 열처리의 각 과정에서 전극 및 금형, 시제품에 대한 3차원 측정을 통하여 치수 정밀도를 검토하였다. 제품에 요구되는 치수 정밀도를 확보하기 위하여 3 차례의 금형 보정이 수행되었는데, 도 12에 나타낸 바와 같이 전극 및 방전가공의 정밀도 향상을 통하여 단조품의 치형 정밀도가 향상됨을 알 수 있었다.In the forging of helical gears, the causes of various errors, such as electrode processing errors, mold discharge errors, elasticity recovery during forging forming, and deformation errors due to heat treatment, must be controlled to achieve tooth shape precision. In the present invention, dimensional accuracy was examined through three-dimensional measurements of electrodes, molds, and prototypes in each process of mold production, forging, and heat treatment. In order to secure the dimensional precision required for the product, three rounds of mold correction were performed. As shown in Figure 12, it was found that the tooth shape precision of the forged product was improved through the improvement of the precision of electrode and electric discharge machining.

또한, 도 13에 나타낸 장치를 사용하여 단조성형 및 기계가공된 헬리컬 기어의 치형 굽힘 강도 시험(Gear Tooth Bending Test)을 수행하였다. 상단 지그가 헬리컬 치형의 측면에 고르게 접촉되어야 하기 때문에 우측 그림에 나타낸 바와 같이 일부 치형을 절삭가공으로 제거한 후 하단 지그에 설치하였다. 본 발명에서는 단조품을 절단 및 쉐이빙 가공한 후 열처리를 수행하였는데, 기존 기계 가공품과 동일하게 800~900℃ 범위에서 점진적으로 승온시키며 침탄, 확산시킨 후 담금질 및 뜨임 열처리를 수행하였다. 치형굽힘강도시험의 결과를 도 14에 나타내었는데, 전방압출공정을 통하여 얻어진 시제품이 기존 절삭 방식으로 제작된 헬리컬 기어에 비하여 보다 큰 파단강도와 연신율을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.Additionally, a gear tooth bending test was performed on the forged and machined helical gear using the device shown in FIG. 13. Because the upper jig had to contact the sides of the helical teeth evenly, some of the teeth were removed by cutting, as shown in the picture on the right, and then installed on the lower jig. In the present invention, heat treatment was performed after cutting and shaving the forged product. In the same way as existing machined products, the temperature was gradually raised in the range of 800 to 900°C, carburization and diffusion were performed, and then quenching and tempering heat treatment were performed. The results of the tooth bending strength test are shown in Figure 14, and it was confirmed that the prototype obtained through the forward extrusion process had greater breaking strength and elongation than the helical gear manufactured by the existing cutting method.

본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.The technical idea of the present invention should not be interpreted as limited to the above-described embodiments. Not only is the scope of application diverse, but various modifications can be made at the level of those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Therefore, such improvements and changes fall within the scope of protection of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

Claims (4)

냉간 Former 설비에 부착되며, 공급되는 선재를 자동으로 절단하는 절단 DIE 및 Knife 금형;
다단으로 형성되며, 상기 절단 DIE 및 Knife 금형에 의해 절단된 선재를 순차적으로 성형되도록 하되, 냉간단조에 의해 면취형상 가공과 외경 가공 및 헬리컬 기어를 치형가공을 수행하는 헬리컬 기어 성형용 금형;
상기 헬리컬 기어 성형용 금형에 의해 성형된 헬리컬 기어에 탭가공을 하도록 하는 탭가공부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형.
A cutting DIE and knife mold that is attached to the cold former equipment and automatically cuts the supplied wire;
A helical gear forming mold that is formed in multiple stages and sequentially molds the wires cut by the cutting die and knife mold, and performs chamfering, outer diameter processing, and tooth processing of the helical gear by cold forging;
A cold forging mold for a helical gear shaft, characterized in that it includes a tab processing portion for performing tapping processing on the helical gear formed by the helical gear molding mold.
제 1 항에 있어서,
상기 헬리컬 기어 성형용 금형은 일정각도를 이루어 방사형으로 분할되어 형성되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 기어 샤프트용 냉간단조 금형.
According to claim 1,
A cold forging mold for a helical gear shaft, characterized in that the mold for forming a helical gear is formed by dividing radially at a certain angle.
선재를 일정 크기로 절단하는 단계;
절단된 선재로부터 기어의 외경을 형성하도록 후방압출하는 단계;
후방압출되어 외경이 형성된 기어의 중앙이 중공되도록 피어싱으로 압출 블랭크를 성형하는 단계;
피어싱으로 압출 블랭크를 성형하여 형성된 기어에 헬리컬 치형이 형성되도록 전방압출로 성형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 헬리컬 기어 샤프트 제조방법.
Cutting the wire rod to a certain size;
Back extruding the cut wire to form the outer diameter of the gear;
Forming the extrusion blank by piercing so that the center of the gear whose outer diameter is formed by rearward extrusion is hollow;
A helical gear shaft manufacturing method comprising: forming an extrusion blank by piercing and forming it by forward extrusion so that helical teeth are formed on the gear formed.
제 3 항에 있어서,
상기 전방압출로 성형단계에서, 성형된 압출 블랭크의 내경부에 맨드렐을 삽입하여 펀칭함으로써 헬리컬 치형이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 기어 샤프트 제조방법.
According to claim 3,
A helical gear shaft manufacturing method characterized in that, in the front extrusion molding step, a helical tooth shape is formed by inserting a mandrel into the inner diameter of the molded extrusion blank and punching it.
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