KR910003988B1 - 대형화물차량의 구동축용 링기어 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

대형화물차량의 구동축용 링기어 제조방법

제 1 도는 구동기어로서 링기어와 피니언기어를 이용하는 종래의 대표적 화물차량의 구동축에 대한 부분단면도.

제 2a 도 내지 제 2b 도는 구동기어용 링기어와 피니언기어로서 종래의 스파이럴베벨기어와 하이포이드기어를 각각 도시한 설명도.

제 3 도 내지 제 3a 도는 대형화물차량의 구동축용 링기어를 제조하는 종래의 방법중 금속성형과정과 금속성형 이후의 후속적 처리과정을 각각 도시한 블록도.

제 4 도 내지 제 4a 도는 대형화물차량의 구동축용 링기어를 제조하는 본 발명의 방법중 금속성형과정과 금속성형이후의 후속적 처리과정을 각각 도시한 블록도.

제 5 도는 제 4 도 내지 제 4a 도에 도시한 본 발명의 방법중 예비성형물 단조과정을 도시한 블록도.

제 6 도는 예비성형물을 단조하기 위하여 본 발명의 방법에 이용되는 단조다이를 도시한 단면도.

제 7 도 내지 제 8 도는 다이공동의 이론적체적중 약 100%와 85%를 각각 차지하는 예비성형물을 단조하는 것을 도시하는 제 6 도의 단조다이에 대한 확대 단면도.

제 9 도는 제 4 도 내지 제 4a 도에 도시한 본 발명의 방법중 링로울링 과정을 도시한 설명도.

제 10 도는 제 4 도에 도시한 본 발명의 방법으로 제조되는 근사완제기어단조물에 대한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

28 : 부설구 30 : 보울트구

102 : 예비성형물 104 : 블랭크환

106 : 근사완제링기어단조물

본 발명은 링기어의 제조방법에 관한 것이며, 특히 대형화물트럭의 구동축용 하이포이드기어, 직선베벨기어, 스파이럴베벨기어 같은 링기어의 제조방법에 관한 것이다.

좀 더 구체적으로 본 발명은 침탄열처리(Carburizing heat treatment)한 후에 기어치아윤곽에 대한 마무리 연마가공함으로서 링기어와 피니언기어를 맞물린 기어세트로 제조할 필요성을 배제한 근사완제링기어단조물(near net ring gear forgings)의 정밀단조를 포함하는 링기어의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 관한 종래의 기술을 설명하면 다음과 같다. 즉, 링기어와 피니언기어의 기어세트를 이용한 대형화물트럭의 구동축용 직각 구동계통장치가 미합중국 특허번호 3,265,173과 4,018,097; 4,046,210; 4,050,534; 4,263,834 및 1985년 8월 1일 미합중국 특허출원번호 761,262로서 출원되어 본 발명의 위임자에게 위임된바 있는 것과, SEA 논문번호 841085 등으로서 제시된 것등이 있다.

이러한 종래기술에 이용된 기어세트는 통상적인 스파이럴베벨기어 또는 하이포이드기어 및 이의 변형기어 등이다. 부분적으로 치아가 형성된 기어단조물 또는 기어블랭크, 예컨데 차동피니언기어와 측기어(side gear) 같은 소형 베벨기어의 기어단조물을 제조하기 위한 단조방법도 종래의 기술로서 공지된 것으로서, 미합중국 특허번호 3,832,763와 4,050,283 및 4,590,782 등을 참조할 수 있다.

또한 링로울링 예비성형물을 환형으로 압연하여 환으로 성형하는 링로울링 처리방법도 이미 종래의 기술로서 제시된바 있으며, 예컨데 미합중국 특허번호 1,971,027과 1,991,486; 3,230,380; 3,382,693; 4,084,419 및 금속학에 관한 미주학회 발행의 금속학 핸드불 제8판, 제5권, 페이지 106 내지 107의 "링로울링법"을 참조예로 들 수 있다.

종래로부터, 대형화물트럭용의 링기어는 비교적 부피가 크기 때문에 다음과 같은 여러공정으로 이루어진 방법으로 제조되어 왔다. 즉, 단조하여 외경부에 플래시(flash)가 달리고 중앙에 슬럭이 달린 기어블랭크를 성형하는 공정과 단조된 기어블랭크를 다듬질하는 공정과 다듬질된 기어블랭크를 노르말라이징 열처리공정과 열처리된 기어블랭크에 거친 기계가공을 실시하고 마무리 기어치아 절삭하는 공정과 표면기계가공하고 부설용 구멍을 드릴링하는 공정과 침탄열처리공정과 링기어와 피니언기어를 맞물림 화합물을 분사하면서 맞물려 회전시키는 맞물림 조작공정과 링기어와 피니언기어를 조합된 세트로서 서로 접속된 채로만 사용되게 유지시키는 공정등이다. 이와같은 공정에 의해서 대형화물트럭의 구동축용 링기어를 제조하는 방법이 수년동안 이용되었으나, 이러한 방법은 완전히 만족스런 방법이 되지 못하였다.

그 이유는 사용되는 원재료인 빌릿은 부피가 상당히 큰데 반하여 완성된 링기어의 부피가 작다는 것은 재료비 및 가열비용이 불합리하게 많이 소요되며, 기어블랭크로부터 기어치아를 절삭하는데 소요되는 비용이 고가이고, 시간의 소요가 많으며, 금속변형공정에 의해 형성되는 기어치아가 갖추어야 할 그레인 플로우 특성(grain flow characteristics)을 절삭공정에 의해 형성되는 기어치아가 소유하지 못함으로서 형성된 기어치아가 제대로 기능을 발휘하지 못하게 되는 여러 가지 문제점을 내포하는 것이다.

또한 맞물려진 링기어와 피니언기어의 기어세트는 오직 조합된 한쌍으로서만 사용가능하기 때문에 이러한 기어세트를 취급할 때 많은 주의를 필요로 하게 되며, 링기어와 피니언기어중 어느 하나가 손상되면 전제 기어세트가 무용하게 되는 문제점이 있다.

이에 대하여 재료비를 절감하기 위하여 압연된 환형재료로부터 오목부를 단조하는 방법이 이미 제시된바 있다. 그러나 이러한 방법은 오직 대형물에 대한 제조에만 경제적인 가치가 있는데, 그 이유는 블랭크를 링로울링 하여 환형의 예비성형물을 제조하려면 프레스단조 및 해머단조 같은 성형공정이 필요하기 때문이다.

재료비 절감과 이에 관련된 다른 비용의 절감이 이러한 종래의 방법으로서는 충분히 이룩될 수 없다. 왜냐하면 대형화물트럭이나 건축용 차량에 이용되는 구동축용의 링기어는 체적, 크기, 기어칫수비등이 다양하게 요구되기 때문에 상기의 방법을 사용하면 링기어의 가격이 비교적 많이 상승되기 때문이다.

좀 더 구체적으로, 종래의 방법은 다른 단조 공정에서도 마찬가지이지만 예비성형물의 제조에 있어서, 예비성형다이는 이론적 수용용량의 거의 100%를 충만시켜야 하는 것을 상식으로 하기때문에, 각각의 다른 크기의 예비성형물에 대하여 소량의 개수를 제조하더라도 개별적인 다이를 필요로 하게 되고, 따라서 재료비 절감효과는 추가적인 예비성형기구 및 프레스기구의 부설로 인하여 무산되어 버린다.

그러나 이상과 같이 종래기술의 단점은 대형화물 차량용 구동축의 링기어를 다양한 크기와 기어치수비로서 제조하는 본 발명의 방법을 제시함으로서 해소될 수 있다. 또한 본 발명의 방법은 종래의 방법과 비교했을 때 재료 및 에너지 절감효과가 크고 링기어를 피니언기어와 조합된 세트로서 제조할 필요성을 배제한 것이다.

더욱이 본 발명의 방법에서는 예비성형물의 단조에 있어서. 각기 다른 예비성형물에 대하여 개별적인 예비성형물 단조다이를 마련할 필요성이 배제된다.

이상과 같은 사실은 본 발명의 단조방법을 다음과 같이 구성함으로서 이룩된다. 즉, 빌릿을 링로울링법에 의해서 압연하여 환형의 단조블랭크를 제조하고, 이 단조블랭크를 주의깊게 체적 조절하여 단조함으로서 근사완제링기어단조물을 제조한후, 근사완제링기어단조물중 치아윤곽이 아닌 표면을 기계가공하고 침탄열처리 한후, 치아윤곽 표면을 입방질화붕소, 즉 CBN(Cubic boron nitride) 연마법으로 연마하는 것이다. 이상과 같은 본 발명의 단조방법에서는 종래의 방법에 내표되었던 기어맞물림 공정과 맞물린 기어세트를 유지시키는 공정 및 쇼트 피이닝(shot peening)처리 공정등이 배제된다.

따라서 본 발명은 대형화물차량의 구동축용 링기어의 제조방법에 있어서 상기와 같이 신규하고 개선된 방법을 제시하는 것을 본 발명의 목적으로 하고 있다.

이상과 같은 본 발명의 목적과 잇점등은 첨부도면에 따른 양호한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명에서 명확히 이해될 것이다.

본 발명의 양호한 실시예에 대한 설명에 앞서, 다음을 언급함으로서 양호한 실시예에 대한 설명의 이해를 돕고자 한다.

즉, 용어 "상측","하측","우측","좌측" 등은 도면상의 방향을 의미하며, 용어 "내측"과 "외측"은 각각 도시한 장치의 기하학적 중심에서 각각 접근하거나 이탈하는 방향을 의미한다.

본 발명의 단조방법은 대형화물차량의 구동축용 링기어를 제조하는 총공정중 일부를 접하는 것이며, 링기어를 제조하는 본 발명의 단조방법상의 주요특징은 예컨데 AISI 8620 A, 8622 A, 8625 A, 8822 A, 4817 H 및 9310 A 같은 통상 탄소함유율을 무게비율로 따져서 0.05% 내지 0.5% 가지는 저급 내지 중급탄소함유율의 탄소강 및 합금강을 재료로 하여 근사완제링기어단조물로 정밀단조하는 방법을 제시한다는데 있다.

상기에서 용어 "AISI" 는 American Iron Steel Institute의 약자로서, 그곳에서 설정한 강의 분류기준을 의미한다. 그러나 본 발명의 방법에서 사용되는 재료는 특정의 저급 내지 중급탄소강과 합금강으로 국한되지 않는다.

용어 "정밀단조"는 공작물을 가압하여 체적 변형시킴으로서 열처리만 필요하고 다른 기계적 가공이 불필요한 "완제단조물"로 단조하거나, 통상 0.030인치 이하를 기능적 표면으로부터 제거해야하는 "근사완제 단조물"로 단조하는 것을 의미한다.

대형화물차량의 구동축의 구동전달 계통장치에서 링기어와 피니언기어의 직각 기어세트를 이용하는 방법은 이미 종래의 기술로서 제시된바 있으며, 이러한 구동전달 계통장치를 도시한 제 1 도를 이제부터 참조 설명하기로 한다.

즉, 제 1 도에는 링기어(14)와 피니언기어(12)가 접속되어 이루어진 기어세트(11)를 이용하는 1단 감속 구동축(10)이 도시되었으며, 차동장치 어셈블리(16)가 보울트(17)로 링기어(14)에 접속되어 2개의 주축(18) 및 (20)을 구동시킨다. 피니언기어(12)의 회전축(22)은 링기어 (14)의 회전축(24)과 직각을 이루며, 회전축(24)은 차동장치 어셈블리(16) 및 주축(18) 및 (20)의 회전축이기도 하다.

이와같은 대형화물차랑용 구동축과 더불어 2단 감속유성기어식 2속도 구동축은 이미 종래의 기술로서 공지된 바 있으며, 상세한 설명은 상기에서 언급한바 있는 미합중국 특허번호 4,018,097과 4,263,824 그리고 1985년 8월 1일 미합중국 특허출원번호 761,262로서 출원되어 본 발명의 위임자에게 위임된 바 있는 특허등을 참조할 수 있다.

제 2a 도 및 제 2b 도를 참조 설명한다. 대개의 대형화물차량용 구동축은 제 2a 도 및 제 2b 도에 각각 도시된 바와같은 스파이럴베벨형 또는 하이포이드형의 직각 링기어 및 피니언기어 구동기어세트를 이용한다.

본 발명의 방법 및 이에 사용되는 단조다이는 상기와 같은 스파이럴베벨기어 및 하이포이드기어와 그의 변형기어를 제조하려는 의도로 발명된 것이다. 제 2a 도에서, 스파이럴베벨기어의 기어세트는 회전축(22) 및 (24)이 서로 직각 교차하는 반면, 제 2b 도의 하이포이드 기어세트에서는 회전축(22) 및 (24)이 거리(26)만큼 이격되어 있다.

이와같은 거리(26)는 링기어(14)의 피치지름이 12 내지 18인치일 때, 통상 약 1.00 내지 2.00인치이다. 링기어(14)에는 차동장치 어셈블리(16)와 주축(18) 및 (20)이 삽입되는 부설구(28)가 마련되고, 링기어(14)를 차동장치 어셈블리(16)에 부설하려는 용도로 보울트와 너트 어셈블리(17)가 삽입되는 다수의 보울트구(30)가 마련된다. 주지하는 바와같이, 스파이럴베벨기어는 이론상 피치선상에서 완전히 구르고, 미끌어짐이 없으나, 하이포이드 기어세트는 비록 빈도를 적게할 수는 있어도 피치선상에서 미끌어지는 빈도가 스파이럴베벨기어보다 많다.

그러나 최근 기어설계와 윤활유의 발전으로 인해 기어간의 접촉시 미끌어지는 것은 큰 문제가 되지 않게 되어 하이포이드 기어세트도 화물차량의 구동축용으로 점차 많이 이용되고 있다.

본 발명은 단지 설명의 편이를 위해 스파이럴베벨기어세트를 위주로 설명되나, 본 발명은 스파이럴베벨기어세트 및 하이포이드 기어세트의 양자에 공히 적합한 것임을 밝혀둔다. 스파이럴베벨기어와 하이포이드기어를 이용한 링기어와 피니언기어의 기어세트에서 이들의 특징과 장점들은 이미 제시된바 있으며, 이미 언급한 SAE 논문번호 841085를 참조할 수 있다.

대형화물차량용 구동축 링기어(14)를 제조하는 종래의 방법상 가장 주요한 단계를 블록도로서 도시한 제 3 도 및 제 3a 도를 참조 설명하기로 한다. 일단 간략히 설명하며, 제 3 도에 도시된 종래의 방법중 일부 공정은 빌릿을 초기 가열하여 예비성형하고 변형한 후 다듬질하는 공정을 도시한 것이며, 제 3a 도는 도시된 일부 공정은 다듬질된 기어블랭크(34)에 가해지는 후속적 금속변형공정을 도시한 것이다.

주목할 사실은 제 3 도 내지 제 3a 도에 도시한 종래의 방법과 제 4 도 내지 제 4a 도에 도시한 본 발명의 방법 양자에 의해 제조되는 완성품 링기어(14)의 무게는 약49.75파운드로서 동일하다는 점이다.

종래의 방법중 금속변형과정은 다음과 같은 순차적 공정으로 구성된다. 즉, 빌릿의 준비와 가열공정(36)과 업세팅공정 또는 버스팅공정(38), 블로킹공정(40), 기어블랭크로의 단조공정(42) 그리고 기어블랭크의 다듬질공정(44) 등이다.

비교 설명하기 위해서, 종래의 방법과 본 발명의 방법 양자에 의해 제조되는 링기어(14)는 단속도 링기어인 것으로 하고, 외경이 약 16과 1/2(16 1/2)인치이고, 완제품의 무게는 약 49.75파운드이며, 동일한 특징을 구비하는 것으로 한다.

빌릿(32)은 적절한 기어재료, 즉 저급 내지 중급의 탄소함유율을 가진 탄소강 또는 합금강의 봉재를 특정의 크기와 모양으로 절삭하여 마련되며, 이후 빌릿(32)을 적절한 단조온도(통상 약 2250-2350℉)로 가열하며, 이때 가열된 빌릿(32)에 생기는 산화층을 최소화하려면 빌릿(32)을 급속 가열하는 것이 바람직하다.

이후, 가열된 공작물을 업세팅 공정(38)에서 업세트하여 대체적으로 팬케이크(pancake)형 빌릿(46)으로 성형하여 산화층을 제거하고, 블로킹 공정(40)에서 블록화하여 단조예비성형물(48)로 성형한다.

이때 업세팅 공정(38)과 블로킹 공정(40)에서는 공작물의 부피가 크기 때문에 개별적인 프레스작업이 필요하며, 이러한 작업은 동시에 수행될 수 없다.

이후 단조공정(42)에서 단조예비성형물(48)을 단조하여 다듬질되지 않은 기어블랭크(50)로 성형한다. 여기서 주목할 것은 다듬질되지 않은 기어블랭크(50)에는 상당히 큰 중앙슬럭부분(52)과 역시 큰 테두리 플래시부분(54)이 형성되는데, 이와같은 부분들은 종래의 단조다이의 분리선에서 형성된 것이다. 따라서, 다듬질공정(44)에서는 이러한 중앙슬럭부분(52)과 테두리 플래시부분(54)을 기어블랭크(50)로부터 다듬질하여 제거함으로서 다듬질된 기어블랭크(56)를 마련한다. 여기서 다듬질된 기어블랭크(56)에는 기어치아가 전혀 형성되어 있지 않다.

다듬질된 기어블랭크(56)에 적어도 부분적으로 기어치아를 형성시켜서 기어블랭크를 단조하는 것이 바람직하다는 것을 종래에도 이미 인지하였으나, 대형화물차량의 구동축용 링기어는 부피가 상당히 크기 때문에 종래의 단조방법으로서 다듬질된 기어블랭크(56)에 일부 기어치아를 형성시키려면 경제적 수지타산을 맞출 수 없었다.

이러한 이유로 인하여 종래의 방법에는 다수의 공정, 즉 업세팅과 버스팅, 블로킹, 마무리단조, 다듬질 및 기어치아의 단조공정등이 수반되기 때문에 가열되었던 공작물이 냉각되어 최종적으로 치아를 단조성형하는데 부적합하게 된다. 이러한 점은 특히 공작물과 단조기구의 접촉면적이 넓을수록 더욱 그러하다.

또한, 치아성형을 버스팅과 블로킹 공정 이후에 실시함으로서 이들 공정시에 형성된 산화층 때문에 치아 표면의 품질이 저급하게 된다. 또한, 다듬질된 기어블랭크(56)를 비교적 냉각된 상태에서 치아단조 성형한다면, 공작물이 냉각되어 있기 때문에 넓은 부위를 프레스가공해야 하고 보다 강력한 프레스 압력이 필요하게 되므로 프레스기구가 빨리 마모되어 더욱 비경제적이 된다.

종래의 방법중 금속변형 공정 이후의 처리과정을 도시한 제 3a 도를 참조 설명하기로 한다. 제 3a 도에 도시된 금속변형 공정 이후의 처리과정은 다음과 같은 순차적 공정으로 구성된다.

즉, 노르말라이징 열처리공정(58), 표면회전공정(60), 보울트구의 드릴링 공정(62), 기어치아 거친 절삭공정(64), 기어치아의 마무리 절삭공정(66), 공작물의 침탄열처리공정(68), 마무리 기계가공공정(70), 링기어를 피니언기어와 맞물리는 공정(72)과 맞물려진 링기어와 피니언기어의 기어세트를 접속 유지시키는 공정(74) 등이다.

제 3 도의 공정으로 제작된 다듬질된 기어블랭크(56)는 노르말라이징 열처리를 받음으로서 기계가공에 필요한 금속조직을 최상의 상태로 준비하게 된다. 여기서, 노르말라이징 열처리공정(58)은 가열과 소오킹(soaking) 및 냉각과정으로 구성된다.

이후 노르말라이징 열처리된 기어블랭크는 표면회전공정(60)에서 이후의 기계가공할 표면을 찾기위해 회전된다. 다음 보울트구의 드릴링 공정(62)에서 보울트구(30)가 부설플랜지(76)를 관통하여 드릴 형성된다.

한편, 종래의 방법과 본 발명의 전반적 설명에서 설명의 용이함을 기하여 완성된 링기어(14)와 미완의 공작물중 동일부분은 동일부호와 명칭으로 표기하였음을 밝혀둔다. 예컨데, 다듬질된 기어블랭크(56)의 중앙 구멍은 다듬질된 기어블랭크(56)가 완성된 링기어(14)로 될 때까지 추가적인 기계가공이 필요하나 모두 부설구(28)로서 통칭하기로 한다. 거친 기어치아절삭공정(64)과 마무리 기어치아절삭공정(66)에서 공작물은 각각 거친 기어절삭 및 마무리 기어절삭된다.

여기서, 스파이럴베벨기어와 하이포이드기어 및 이와 유사한 기어절삭방법은 이미 제시된바 있는 종래의 것으로서, Oerlikom사가 제조하여 상표 "Spiromatic"으로 판매되는 기어절삭기와 Gleason 공작기사가 제조하여 상표 "Gleason Generator"로서 판매되는 기어절삭기에 의해 상기의 기어절삭작업이 수행될 수 있다.

기어절삭공정을 마친 공작물은 이후 공정(68)에서 침탄열처리를 받게된다. 주지하는 바와같이 침탄열처리는 공작물을 고탕소함유의 공기하에서 통상 1600℉ 내지 1700℉로 가열하여 탄소를 공작물 표면으로 침투시킴으로서 공작물의 표면을 강화하여 완제된 링기어가 우수한 내마모성을 갖도록 하는 것이다. 침탄열처리후 강화된 공작물을 보울트구(30)와 부설구(28)를 부설하는 마무리 기계가공된다.

이상과 같이 기어치아를 절삭한 후에 열처리를 함으로서, 마무리 열처리를 조심스럽게 시행한다할지라도 생성된 기어치아 표면은 약간 비틀리게 된다.

따라서 링기어와 피니언기어의 기어세트에서 납득할만한 기능을 보장하기 위해서는 즉 필요한 양질의 치아표면을 획득하기 위해서는 링기어와 피니언기어를 맞물리는 맞물림공정(72)이 수반되어야 한다. 이러한 맞물림공정(72)에서는 링기어와 피니언기어의 조합된 세트를 서로 접속하여 맞물려진 기어치아간에 맞물림 화합물을 분사하면서 가상부하에서 회전시켜 보게된다. 이때 피니언기어의 회전축(22)과 링기어의 회전축(24)은 피봇되므로, 링기어와 피니언기어 양자의 전체표면에 적절한 표면처리가 수반되어야 한다.

상기한 맞물림 화합물이란 윤활유에 함유된 비교적 미세한 연마제를 의미한다. 이와같이 일단 서로 맞물려진 링기어와 피니언기어는 오직 조합된 세트로서만 사용가능하며, 한쌍으로서만 교체가 가능하다. 따라서 링기어와 피니언기어의 조합된 세트는 유지상 세심한 주의를 요하게 되고, 통상 기어제작자 및 축조립자에게 특별한 팰릿 및 용기를 필요로 하게 되고, 판매후의 서어비스센터의 상설설치도 필요하게 된다.

또한 링기어와 피니언기어의 기어세트를 조합된 쌍으로서만 이용 및 유지하기 때문에 추가적인 비용의 부담이 들게된다. 이러한 사실은 특히 1985년 8월 1일 미합중국 특허출원번호 761,262로서 출원되어 본 발명의 위임자에게 위임된바 있는 것으로서, 기어치아의 개수가 다른 각종의 피니언기어에 대하여 공통적으로 이용할 수 있는 링기어를 제공하는 기어세트의 설계에 있어서 더욱 그러하다.

대형화물차량의 구동축용 링기어를 제조하는 본 발명의 방법중 가장 중요한 금속변형공정과 이후의 처리 공정을 도시한 제 4 도 및 제 4a 도를 참조 설명한다.

본 발명의 방법은 다음과 같은 순차적 공정으로 구성된다. 즉, 빌릿의 준비와 가열공정(80), 후속의 링로울링을 대비한 예비성형물 단조공정(82), 예비성형물을 링로울링함으로서 환형으로 압연된 단조블랭크로 성형하는 공정(84), 단조블랭크를 정밀 단조하여 근사완제링기어단조물로 성형하는 공정(86), 본 발명에 이용되는 합금재료에는 불필요한 노르말라이징 열처리공정(88), 반마무리 기계가공공정(90), 침탄열처리공정(92), 부설구(28)와 보울트구(30)를 드릴링하는 마무리 기계가공공정(94), 기어치아윤곽을 최정적으로 연마하는 최종연마 공정(96) 등이다.

여기서 주목할 사항은 본 발명의 방법에서는 기어치아를 최종 가공하는 최종연마공정(96)을 침탄열처리고정(92) 이후에 시행하기 때문에 이미 상술한바 있는 기어치아의 비틀림 현상은 일어나지 않는다는 것이다.

또한 피니언기어(12)도 본 발명의 단조방법과 유사한 방법에 의해서도 독립적으로 제조된다면, 후속적인 맞물림 공정과 링기어를 오직 피니언기어와 조합된 세트로서 이용해야 하는 필요성은 배제된다.

상기한 본 발명의 방법을 좀 더 상세히 설명하기로 한다. 먼저 탄소함유율상 저급 내지 중급의 탄소강 및 합금강으로 제작된 봉재를 일정크기와 모양으로 절단하여 빌릿(100)을 마련한다. 종래의 방법에서는 센터리스 연마법(centerless grinding)과 같은 연마법으로 빌릿을 연마하여 소제하였으나, 본 발명의 방법에서는 링로울링공정(84)에서 충분히 산화층을 제거하기 때문에 그러한 소제과정은 불필요하다. 빌릿(100)은 이후 적절한 온도로 가열되어 제 4 도에 도시된 형태로 변형된다. 여기서 주목할 사실은 본 발명의 방법에서는 제 3 도에 도시한 방법과는 달리 공작물의 열손실을 최소화하였기 때문에 빌릿(100)의 가열온도는 2000℉ 내지 2300℉이면 충분하다. 또한 본 발명의 방법에서 사용되는 빌릿(100)의 원재료는 예컨데 AISA 8620 A 및 9310 A 같은 합금재이기 때문에 노르말라이징 열처리공정(88)은 불필요하다.

또한 상기한 일련의 합금재료는 금속조직이 비트만스태텐 조직(Widmanstatten structure)이 없거나 최소인 다각형 페라이트입자와 퍼얼라이트입자로 구성되어 있기 때문에, 근사완제 단조물로의 정밀단조에 필요한 우수한 기계가공도를 제공한다. 상기 입자의 크기는 ASTM 단위로 번호 7 내지 8 이하인 미세한 입자이다.

또한 본 발명의 방법에서는 링로울링공정(84) 자체가 가진 산화층 제거특성 때문에 빌릿(100)을 가열할 때 주변공기를 산화방지되게 조절할 필요없다.

상기와 같이 공정(80)에서 가열된 빌릿(100)은 이후 공정(82)에서 단조되어 후속적 링로울링에 대비한 예비성형물(102)로 성형된다. 공정(82)의 예비성형물(102) 단조과정은 제 5 도, 제 6 도, 제 7 도 및 제 8 도를 참조한 설명에서 좀 더 상세히 언급하기로 한다.

예비성형물(102)은 이후 공정(84)에서 링로울링가공되어 직사각형의 단면형태를 가진 블랭크환(104)으로 성형된다. 블랭크환(104)은 이후 공정(86)에서 단조되어 근사완제링기어단조물(106)로 성형된다.

근사완제링기어단조물(106)에 대한 상세한 사항은 제 10 도의 확대도를 참조할 수 있다. 하기에서 논하겠지만, 블랭크환(104)의 높이(108), 두께(110), 내경(112) 및 외경(114)은 근사완제링기어단조물(106)의 치수와 밀접한 관계가 있고, 블랭크환(104)의 치수에 따라서 예비성형물(102)의 치수도 결정된다. 공정(84)의 링로울링 방법은 이미 종래의 기술로서 공지된 것으로서 제 9 도를 참조할 수 있다.

제 9 도를 간략히 참조 설명하면, 예비성형물(102)을 회전자재한 맨드릴(116)에 건다. 여기서 맨드릴(116)의 외경은 예비성형물(102)의 내경보다 작다. 이후, 예비성형물(102)보다 직경이 큰 킹로울러(118)를 예비성형물(102)의 외경부에 접촉시키고 회전구동함으로서 예비성형물(102)을 맨드릴(116)과 킹로울러(118) 사이에서 마찰 회전시킨다.

이후, 킹로우러(118)와 맨드릴(116)중 어느 하나를 상대 로울러를 향해 방사적으로 이동시킴으로서 이들간에 있는 예비성형물(102)를 압착시킨다.

이상과 같은 킹로울링법은 종래의 기술로서 널리 공지된 것으로서, 이미 상기한 바 있는 미합중국 특허번호 4,084,419; 3,382,693; 3,230,370; 1,991,486 및 1,971,027과 금속학에 관한 미주학회 금속학 핸드북 제8판, 제5권, 페이지 106에서 107의 "링로울링법"을 참조할 수 있다. 링로울링공정(84) 특유의 2가지 특징은 중요한 것으로서 다음과 같다.

첫째로, 링로울링공정중에 예비성형물(102)의 높이(120)는 실질적으로 증가하지 않기 때문에, 예비성형물(10)의 높이(120)는 블랭크환(104)의 높이(108)와 동일하게 된다는 점과 둘째로, 링로울링공정 특유의 산화층 제거성질에 의해서 개별적인 산화층 제거용 버스팅 공정이 불필요하고, 예비성형물(102)과 블랭크환(104)은 링로울링기구와 접촉하는 표면적이 작기 때문에 열손실이 미소하다는 점이다.

오히려 금속변형과정에서 발생되는 열이 공작물의 온도를 상승시키기 때문에 바람직한 단조온도하에서 후속적인 근사완제 링기어단조물로의 단조작업이 수행될 수 있다.

본 발명의 방법중 금속변형 공정 이후의 처리과정을 도시한 제4A도를 참조 설명한다.

상기한 바 있지만, 어떤 합금강은 종래의 방법중 공정(58)에서 정의한 바 있는 노르말라이징 열처리를 필요로 한다. 그러나 본 발명의 방법에 이용되는 합금강들은 노르말라이징 열처리를 필요로 하지 않는다.

한편, 제 4 도에 도시한 정밀단조공정(86)에 의해서 수득된 근사완제링기어단조물(106)은 제 10 도에 도시된 바와같으며, 제 10 도에서 점선 외측의 근사완제 링기어단조물(106)의 부분은 완제의 링기어(14) 제조상 제거 해야될 부분이다.

근사완제 링기어단조물(106)은 이후 공정(90)에서 부설플랜지(76)를 관통 부설되는 보울트구(30) 및 부설구(28)에 대한 드릴링가공과 후면(122)에 대한 기계가공등의 반마무리 기계가공을 받는다.

이와같은 반마무리 공정중에 근사완제 링기어단조물(106)은 그 품질에 따라 이끌 원뿔각(face angle) 및 토우구(toe bore)에 대한 약간의 기계가공이 필요할 수도 있다. 이와같은 반마무리 기계가공을 거친 공작물은 이후 종래의 방법에 대한 설명에서 정의한 바 있는 공정(68)과 동일하게 침탄열처리공정(92)을 받는다. 이후 공작물은 공정(94)에서 보울트구(30) 및 부설구(28)에 대한 마무리 기계가공을 받는다. 이후 공작물을 공정(96)에서 기어치아윤곽의 뿌리와 플랭크에 대한 마무리 연마함으로서 본 발명의 방법에 포함된 모든 공정이 완료된다.

이와같은 치아윤곽에 대한 마무리 연마가공은 침탄열처리 이후에 시행되며, 연마방법은 침탄처리된 금속표면의 연마법상 가장 경제적인 측면에서 적합한 CBN 연마법을 이용한다.

상기와 같이, 기어치아윤곽에 대한 연마가공을 침탄열처리공정 이후에 시행함으로서 치아윤곽표면이 비틀리지 않는다는 점이 본 발명의 방법상 탁월한 특징이라할 수 있다.

따라서, 피니언기어도 본 발명의 방법과 유사한 공정에 의해 독립적으로 제조된다면 링기어와 피니언기어를 맞물리는 공정 및 맞물려진 기어세트를 유지시키는 공정이 불필요하게 된다.

이상과 같은 설명에서 알 수 있듯이, 제 4 도 및 제 4a 도에 도시된 본 발명의 방법은 제 3a 도 및 제 3 도에 도시된 종래의 방법과 비교했을 때 재료비의 절감, 사용되는 에너지의 절감 및 제조공정상의 간소화를 이룩할 수 있다. 예컨데, 종래의 방법과 본 발명의 방법 양자에 의해 제조되는 최종제품인 링기어(14)는 Eaton 사의 축 및 브레이크 부서에서 제조한 부품번호 86374의 동일한 부품으로서 무게도 약 49.75파운드로서 동일하다.

그러나 종래의 방법에 이용되는 빌릿(32)은 무게가 약 103파운드인데 반하여, 본 발명의 방법에 이용되는 빌릿(100)의 무게는 약 70파운드이다.

즉, 이러한 사실은 본 발명의 방법을 이용함으로서 30% 이상의 재료를 절감할 수 있음을 나타낸다. 또한, 종래 방법에 있어 다듬질되지 않은 기어블랭크(52)는 약 100 내지 102파운드인데 반하여(산화층 제거로 인하여 빌릿의 무게가 손실됨) 본 발명의 방법에 의해 성형되는 근사완제 링기어단조물(106)의 무게는 약 64파운드이다.

따라서 이러한 사실은 본 발명의 방법에 이용되는 단조기구에 있어서, 프레스역량을 적게 이용할 수 있으므로 단조기구의 수명을 연장시킬 수 있음을 의미한다.

또한 블랭크환(104)을 이용함으로서 플래시가 없는 근사완제의 단조를 실시하는 단조다이를 이용할 수 있다는 점이 본 발명의 장점이다. 더욱이 종래의 방법에 의해 제조되는 다듬질된 기어블랭크(56)는 무게가 약 78.5파운드인 반면, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 근사완제 링기어단조물(106)의 무게는 약 64파운드이다. 이러한 사실은 종래의 방법에서는 기어치아의 거친 절삭공정과 마무리 절삭공정에서 절삭해야할 금속량이 본 발명의 경우보다 많다는 것을 의미한다.

이와같은 재료절감 이외에도 본 발명의 방법은 다음과 같은 총소요 에너지가 종래의 방법에 소요되는 총소요에너지에 비하여 거의 최소의 수준이다. 여기서, 총소요 에너지는 빌릿의 가열에너지, 단조에너지, 단조후 적절한 기계가공을 위한 열처리용 에너지, 침탄열처리의 소요에너지, 침탄열처리 이후의 기계가공에 필요한 에너지 등의 합산적 에너지이다.

또한 주목할 사실은 종래의 방법에 의해 제조되는 기어세트는 침탄열처리에 의해서 공작물내에 바람직하지 않은 장력손실이 발생되므로 쇼트 피이닝(shot peening)과 같은 장력회복처리를 필요로 하나, 본 발명의 방법에서는 CBN 연마법에 의한 연마공정이 수반되므로 공작물표면을 압축시킴으로서 장력형성을 유도하여 여타의 장력회복 처리 공정이 불필요하다. 한편, 제 4 도 내지 제 10 도를 참조하면, 본 발명의 방법을 최대한 활용하기 위해서, 블랭크환(104)의 길이, 폭, 두께와 근사완제링기어단조물(106)의 길이, 폭, 두께간에 특정한 관계를 유지해야함을 인지할 수 있을 것이다. 본 발명자가 연구검토한 결과, 본 발명의 방법에 이용되는 정밀단조다이에 공작물을 충분히 충만시키고 만족스러운 근사완제링기어단조물(106)을 획득하기 위해서는 블랭크환(104)의 높이(108)는 두께(110)에 대해서 1배 내지 4배, 양호하게는 1과 1/2배(1 1/2배) 내지 2와 1/2배(2 1/2배)의 치수를 가져야 한다는 것을 발견하였다.

또한 블랭크환(104)을 정밀단조다이내에 안착시키기 위해서는 블랭크환(104)의 내경(112)이 토우구경(124)(단조다이의 내경과 동일)과 동일해야 하고, 블랭크환(104)의 외경은 근사완제링기어단조물(106)의 외경(126)보다 작아야함을 발견하였다. 한편, 종래로부터 주지하는 바와같이 단조와 같은 금속변형과정에 의해 성형된 기어치아의 그레인 플루우특성은 절삭과 같은 금속변형 공정에 의해 기어치아에 형성되는 그레인플로우특성보다 훨씬 우수하므로 휨약화(bending fatigue)에 대해 강한 성능을 보이게 된다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 링기어가 우수한 그레인 플로우특성을 갖는 것은 대체로 단조에 의해 기어치아를 성형하는 것에 기인한다고 할 수 있으나, 이러한 특성은 블랭크환(104)을 이용한다는 점에서 더욱 좋아지게 된다.

즉, 기어치아를 단조 성형함으로서 증진된 그레인플로우특성은 블랭크환(104)과 같은 고체 블랭크를 치아 기계가공함으로서 내충격 및 내약화 특성이 더욱 증진되는 것이다. 한편, 근사완제링기어단조물(106)을 제조하는 정밀단조방법에서는 플래시가 없이 정밀하게 단조하는 단조다이를 이용해야 하므로 블랭크환(104)의 체적은 매우 주의깊게 조절되어야 한다. 따라서, 다양한 치수의 예비성형물을 처리할 수 있는 링로울링 장비를 이용하여 예비성형물(102)을 블랭크환(104)으로 링로울링함으로서 높이(108)를 조절하고 맨드릴(116)과 킹로울러(118)의 간격을 조절함으로서 블랭크환(104)의 두께(110)와 외경(114)을 조절하게 된다.

이상과 같이 근사완제링기어단조물(106)을 획득하기 위해서, 예비성형물(102)이 완전히 독특한 형태로 마련될 필요가 없고, 단조다이도 독특하게 마련되야 할 필요가 없다는 사실은 극히 바람직한 장점이 된다.

즉, 본 발명자가 발견한 바로는 블랭크환(104)의 높이(108)(예비성형물(102)와 동일)가 두께(110)의 1배 내지 4배, 바람직하게는 1과 1/2배(1 1/2배) 내지 2와 1/2배(2 1/2배)만 되면, 정밀단조작업이 만족스럽게 이룩될 수 있었다.

본 발명자는 이러한 구비사항을 근거하여 다이의 최대이론적 수용체적중 80% 내지 100%의 체적을 차지하는 예비성형물(102)을 제조하는 원추형의 다이공동이 마련된 독특한 예비성형물 단조다이를 발명하였고, 이러한 단조다이를 공통적으로 이용하여 다양한 체적의 예비성형물을 단조할 수 있었다.

한편, 제 4 도에 도시한 본 발명의 방법중 공정(80)에서 공정(82)에 이르는 과정을 구체적으로 도시한 제 5 도와 이 과정에서 이용되는 다이를 도시한 제 6 도, 그리고 단조다이의 이론적 수용체적중 80%와 100%에 달하는 예비성형물(102)을 제조한 상태의 단조다이를 각각 도시한 제 8 도와 제 7 도를 참고 설명하기로 한다.

예비성형물(102)의 형태는 원추형이나 단면형태는 원형이다. 예비성형물(102)의 단면형태가 원형이라는 사실은 직사각형의 단면형태를 가진 블랭크환(104)으로 성형하는 링로울링공정(84)에서 주요하고 바람직한 영향을 주게된다. 왜냐하면 예비성형물(102)의 원형단면으로 인해 링로울링 공정시에 피시레일(fish tail)이 형성되거나 접히는 등의 종래방법의 문제점이 발생되지 않기 때문이다. 다시 말해서 예비성형물(102)의 단면이 둥글기 때문에 링로울링 공정시에 표면이 들고 일어나거나 접히는 현상이 배제된다는 것이다.

제 5 도를 참조 설명하기로 한다.

본 발명의 방법중 공정(80)에서 모서리가 둥근 정방형의 빌릿(100)은 상기한바대로 가열되고, 이후 공정(82A)에서 팬케이크형 빌릿(120)으로 업세트된다.

이후 공정(82B)에서 팬케이크형 빌릿(130)은 다듬질되지 않은 예비성형물(132)로 단조된다. 여기서 다듬질되지 않은 예비성형물(132)로 단조하는데 이용되는 단조다이는 제 6 도와 제 7 도 및 제 8 도에 도시된 바와 같은 독특한 예비성형 단조다이(138)이고, 다듬질 되지 않은 예비성형물(132)은 환형부분(134)과 중앙슬럭부분(136)으로 구성된다.

이후, 다듬질되지 않은 예비성형물(132)은 중앙슬럭부분(136)을 다듬질하여 제거함으로서 예비성형물(102)로 성형된다. 예비성형 단조다이(138)는 분리선(144)에서 서로 결합되며 사이에 다이공동(146)이 구획된 상부(140)와 하부(142)로 구성된다. 여기서, 다이공동(146)은 내측에 형성된 원반형부분(148)과 원반형부분(148)으로부터 방사상 외측으로 연장되는 원추형부분(150)과 원추형부분(150)의 일점에 접하면서 각도(156)를 이루면서 분리선(144)쪽으로 방사상 외측으로 연장되는 한쌍의 평면(154)으로 구획된 삼각형의 과잉부분(152)으로 구성된다. 여기서, 각도(156)는 75°내지 105°이며, 원추형부분(150)의 외측경계선은 제 6 도 내지 제 8 도에 표시한 점선(158)이다.

따라서, 예비성형 단조다이(138)의 다이공동(146)에 대한 이론적 체적은 원추형부분(150)과 원반형부분(148)의 합산적 체적이 된다. 다이공동(146)의 원추형부분(150)의 이론적체적은 원추형부분(150)과 원반형부분(148)의 체적에서 원반형부분(148)의 체적을 감한 체적이 된다.

본 발명자는 원추형부분(150)의 이론적체적중 80%의 상당체적을 차지하는 원추형 예비성형물(제 8 도 참조)과 원추형부분(150)의 이론적체적중 100%의 상당체적을 차지하는 원추형 예비성형물(제 7 도 참조)이 단면상 형태가 충분히 원형인 예비성형물(102)로 성형됨으로서, 이후 예비성형물(102)이 링로울링되어 직사각형의 단면형태를 가진 블랭크환(104)으로 결점없이 성형되는 것을 발견하였다.

이러한 사실은 다이공동(146)의 원추형부분(150)과 과잉부분(152)의 형태상 빌릿(100)이 표면이 둥근환으로 성형되고, 높이(120)가 원추형부분(150)의 높이와 동일하도록 강제력을 받게 되는 현상에 기인한다.

물론, 다이공동(146)의 원반형부분(148)은 예비성형물(102)의 내경(112)과 동일한 내경(112)을 가지며, 내경(112)은 맨드릴(116)의 외경보다 약간 크다. 여기서 주목할 사항은 원반형부분(148)의 높이(162)는 그 내경(112)의 약 10%이어야 한다는 점과 본 발명의 방법에 의해서 다양한 예비성형물(102)을 제조하기 위해 1개 이상의 예비성형다이(138)가 필요할지라도 원반형부분(148)의 내경(112)가 두께(162)는 항상 일정한 치수이어야 한다는 것이다.

따라서, 예비성형물(102)이 링로울링되어 블랭크환(104)으로 성형되고, 이후 일정이론적 체적과 높이(120)를 가진 원추형부분(150)을 구비하는 예비성형다이(138)에서 일정외경(126)과 토우구경(124)과 체적을 가진 근사완제링기어단조물(106)로 정밀 단조되려면 다음과 같은 조건이 만족되어야 한다.

즉, 근사완제링기어단조물(106)의 체적은 원추형부분(150)의 이론적체적의 80% 이상 100% 이하, 양호하게는 80% 이상 85% 이하일것과 블랭크환(104)의 체적은 근사완제링기어단조물(106)의 체적과 동일할 것과 블랭크환(104)의 높이(108)가 원추형부분(150)의 높이(120)와 동일할 것과 블랭크환(104)의 내경(112)이 근사완제링기어단조물(106)의 토우구경(124)과 동일할 것과 블랭크환(104)의 외경 (114)은 근사완제링기어단조물(106)의 외경(126)보다 작을 것과 블랭크환(104)의 높이(108)는 두께(110)의 1배 내지 4배이고, 양호하게는 1.5배 내지 2.5배일 것등이다.

이상과 같은 조건이 만족되면, 예비성형물(102)은 예비성형단조다이(138)에서 단조되고, 이후 링로울링 공정을 거쳐서 블랭크환(104)으로 성형된다.

이상과 같은 구비조건을 설정함으로서 얻을 수 있는 효과는 정밀단조 성형되는 근사완제링기어다조물(106)의 물질을 저하시키지 않고서도 예비성형단조다이(138)의 부설갯수를 감소할 수 있다는 것이다.

또한, 원추형부분(150)과 과잉부분(152)으로 이루어진 다이공동(146)의 형태로 인하여 공작물이 방사상 내측으로 이동된다는 점이 본 발명의 방법상 중요한 특징이다.

이상 설명한 바와같이 본 발명의 방법은 구체적으로 빌릿을 단조하여 예비성형물로 성형하고, 예비성형물을 링로울링하여 블랭크환으로 성형하며, 이후 블랭크환을 정밀단조하여 일정높이, 두께 체적을 가진 근사완제링기어단조물로 성형하는 방법을 제시한 것으로서, 대형화물차량의 구동축용 링기어를 제조하는 신규하고 바람직한 방법을 제공하는 것이다.

Claims (11)

1. 대형화물차량의 구동축용 링기어와 피니언기어의 기어세트중 링기어를 제조하는 방법에 있어서, 근사완제링기어단조물(106)을 마련한 후에 근사완제링기어단조물(106)의 치아플랭크 표면과 치아뿌리표면중 일정치수를 초과하는 부분을 연마하여 제거하고, 근사완제링기어단조물(106)중 치아플랭크표면과 치아뿌리표면을 제외한 다른 표면을 마무리 기계가공하고, 마무리 기계가공된 공작물을 침탄열처리한후, 기어치아의 치아뿌리표면과 치아플랭크표면을 연마하여 기어치아의 윤곽을 최종적으로 마무리 기계가공하는 등의 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 근사완제링기어단조물(106)의 재료는 저급 내지 중급의 탄소함유율을 가진 탄소강과 합금강이고, 상기 연마공정에 이용되는 연마제는 입방질화붕소를 함유하는 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 근사완제링기어단조물(106)을 마무리 기계가공하기 전에 열처리를 하지 않는 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 제조된 링기어는 피니언기어와 조합된 세트로서가 아닌 여타의 상태로도 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 치아플랭크표면과 치아뿌리표면에서 연마하여 제거할 부분은 두께가 0.030인치 이하인 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
6. 제 2 항에 있어서, 연마공정에서 제거할 q분은 두께가 0.030인치 이하인 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 침탄열처리 공정 이후에 링기어의 부설구(28)를 마무리 기계가공하는 공정이 추가적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 기어치아윤곽에 대한 연마공정 이후에 링기어에 대한 장력 회복처리가 불필요한 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
9. 제 2 항에 있어서, 기어치아윤곽에 대한 연마공정 이후에 링기어에 대한 장력 회복처리가 불필요한 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
10. 제 3 항에 있어서, 기어치아윤곽에 대한 연마공정 이후에 링기어에 대한 장력 회복처리가 불필요한 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.
11. 제 5 항에 있어서, 기어치아윤곽에 대한 연마공정 이후에 링기어에 대한 장력 회복처리가 불필요한 것을 특징으로 하는 링기어 제조방법.

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