WO2017116127A2 - 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어 - Google Patents

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    • C21D2261/00—Machining or cutting being involved

Definitions

  • the present invention relates to a gear manufacturing method and a gear manufactured by the manufacturing method, and more particularly, a manufacturing method of the gear manufacturing method is simple, high precision and high quality gear manufacturing, manufacturing cost and time can be reduced and It is related with the gear manufactured by the manufacturing method.
  • Gears are manufactured by methods such as cutting, electric discharge, and plastic working.
  • Cutting methods include a hob cutting method, a pinion cutter method, and a rack cutter method, and CNC hobbing machines are generally used in cutting operations. After mounting the workpiece on the table of the CNC hobbing machine, the workpiece is rotated to the table and processed.
  • the shaving process of finishing the teeth after shaping the shaping process such as shaping, hobbing and broaching, is performed for the purpose of noise reduction.
  • Teeth correction such as crowning.
  • Shaving is a process that removes a small amount of metal from the gear surface and finishes it, and shaving can produce a high precision gear comparable to a grinding gear at low cost. Shaving modifies the teeth in anticipation of deformation in order to compensate for deformations occurring during the heat treatment, which is carried out with the metal soft before the heat treatment.
  • Gears used in high-end models or machine tools that require quietness or precision require high precision, and thus produce high-precision gears through heat treatment and polishing.
  • the polishing process is not basically a process of correcting the tooth shape and is not a process of removing a large amount of surface metal, shaving of the non-heat treatment gear cannot be replaced. Therefore, it is not profitable to carry out the polishing process at hardness below HRC40 (for example). Through the polishing process, the teeth deformed by heat treatment are maintained or further improved to the extent of shaving before heat treatment.
  • FIG. 1 schematically shows a part of a gear, in which the gear 10 has a plurality of teeth 11 along the circumferential direction.
  • reference numeral 13 denotes a pitch circle
  • 15 denotes an end circle
  • 19 denotes a root circle
  • ⁇ denotes a pressure angle
  • 19 denotes a basic circle in an involute tooth shape.
  • the standard pressure angles ⁇ of the gears are 14 °, 20 ° and 25 °. The detailed description thereof is omitted since it is well known.
  • Figure 2 shows a gear manufacturing step of a conventional cutting process, by cold or hot forging and heat treatment (annealing or normalizing) before processing to prepare a material having a hardness and texture suitable for cutting (ST-10 ).
  • the prepared material is machined to have the required outer and inner diameters by turning (ST-20).
  • the tooth is cut (generated) through a process such as a hobbing or shaping process, processed into a gear shape, trimmed through a shaving process (ST-30), and the processed tooth is inspected (ST-40).
  • a process such as a hobbing or shaping process
  • the processed tooth is inspected (ST-40).
  • heat treated gears the teeth of the shaved gears are examined (ST-40) and then heat treated (ST-50), and the teeth deformed by heat treatment after heat treatment are polished to improve the degree of shaving before heat treatment or further improvement. 60) and it will be shipped after inspection (ST-70).
  • the surface hardness is high and the core hardness is lower than the surface, so as to be tempered after carburizing quenching according to the material or use, or by high frequency heat treatment, the surface hardness is high while the core hardness is lower than the surface.
  • the surface hardness is in the range of HRC 55 to 63, and the heat treatment is performed so that the curing depth is in the range of 0.8 to 1.4 mm.
  • the surface should be made high frequency heat treatment in order to make the hardness higher and the core part lower than the surface.
  • high frequency heat treatment which makes the hardness high along the gear tooth surface because it has a gear tooth protruding from the outer diameter or the inner diameter. There was no problem.
  • the present invention has been proposed in order to solve the above problems, the heat treatment temperature can be lowered, so the distortion caused by heat treatment is reduced, the core hardness is low and the surface hardness can be produced high gear without high frequency heat treatment equipment, It is an object of the present invention to provide a gear manufacturing method capable of improving precision, reducing gear manufacturing time and cost, and enabling mass production of precision gears, and gears produced by the manufacturing method.
  • the present invention provides a material preparation step, a step of manufacturing a gear semi-finished product having a plurality of gear teeth by cutting teeth on the material (tooth cutting step), and a step of heat-treating the tooth-cut gear semi-finished product (heat treatment step). ), And rolling the heat treated gear semi-finished product (rolling stage);
  • the gear teeth of the tooth-cut gear semifinished product are provided with clearance parts on both sides of the circumferential direction, and in the rolling step, the clearance meat part is pressed against the rolling die to provide a gear manufacturing method in which the gear semifinished product is manufactured as a gear.
  • the thickness of the marginal portion is the maximum in the pitch circle and is characterized in that it decreases toward the end circle and tooth root circle.
  • the gear to be manufactured is an inverted gear
  • the clearance portion is provided in the range from this end circle to the base circle
  • the thickness of the clearance portion is characterized in that the maximum in the pitch circle.
  • the thickness of the marginal portion is the maximum in the pitch circle
  • the thickness of the marginal portion in the pitch circle is characterized in that it is formed in the range of 100 ⁇ 200 ⁇ m.
  • the surface hardness of the gear tooth is produced by the gear having a hardness distribution higher than the core hardness by the pressing in the rolling step.
  • the surface hardness of the spare part of the gear semi-finished product after the heat treatment step is characterized in that the heat treatment so that the range of 70 to 85% of the final hardness of the gear.
  • the rolling die is characterized in that the ultrasonic vibration is added to the rolling die.
  • the present invention provides a gear having a hardness gradient manufactured by the above-described gear manufacturing method having a high surface hardness and a low core hardness.
  • the gear manufacturing method and the gear manufactured by the manufacturing method according to the present invention as described above, since the heat treatment temperature can be lowered, distortion caused by heat treatment is reduced, heat treatment such as carburizing quenching or high frequency heat treatment must be performed in the heat treatment process. It is not necessary, and it is possible to manufacture gears with high hardness and low hardness gradient in the foreground heat treatment, improve the precision of the gear, and prepare the gear manufacturing time and cost in preparation for heat-treating gear manufacturing by cutting processing method. It is effective to reduce by about%.
  • 1 is a front view showing a part of a general gear
  • FIG. 3 is a flow chart showing a gear manufacturing method according to the present invention.
  • Figure 4 is a front view showing a part of the gear semifinished product to be produced by the gear in the gear manufacturing method according to the invention
  • Figure 5 is a schematic illustration for explaining the rolling step in the gear manufacturing method according to the present invention.
  • Figure 3 is a flow chart illustrating a gear manufacturing method according to the present invention
  • Figure 4 is a front view showing a part of the gear semi-finished product to be manufactured by the gear in the gear manufacturing method according to the invention
  • Figure 5 is a gear manufacturing according to the present invention It is schematically shown to explain the precursor steps that make up the method.
  • Gear manufacturing method is a step of preparing the material, cutting the teeth on the material to produce a gear semi-finished product 20 having a plurality of gear teeth 21 (ST-110, tooth cutting step), tooth cutting Heat-treating the finished gear semi-finished product (ST-120, heat treatment step), and rolling the heat-treated gear semi-finished product (ST-130, rolling step).
  • the gear teeth 21 of the tooth-cut gear semi-finished product 20 are formed with swell portions 28 on both sides in the circumferential direction, and in the rolling step (ST-130), the slack portions 28 are pressed by a roll die.
  • the gear semifinished product 20 is made of gears.
  • the description of the rolling die and the like in the rolling step ST-130 corresponds to the conventional art, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the material preparation step is a step of preparing a material to be manufactured by the gear, as a configuration corresponding to the material preparation step of the prior art, a material having a hardness and texture suitable for cutting is prepared.
  • Materials produced through hot or cold forging are subjected to heat treatment such as annealing or normalizing to lower the hardness and to make the structure uniform so as to be suitable for cutting. Since this is a conventionally known technique, a detailed description thereof will be omitted.
  • the tooth cutting method is to create the gear teeth by hobbing or shaping as in the prior art, the method of finishing by shaving.
  • the semi-finished gear 20 can be manufactured.
  • the gear semi-finished product 20 has a plurality of gear teeth 21 formed by being processed in the tooth cutting step (ST-110) and undergoes the heat treatment step (ST-120) and the rolling step (ST-130).
  • the intermediate product to be manufactured as a finished gear, and the intermediate product after the heat treatment step (ST-120) will also be described as a 'gear semi-finished product'.
  • the gear semi-finished product 20 processed in the tooth cutting step (ST-110) has a plurality of gear teeth 21, the gear teeth 21, both sides of the circumferential direction that is outside the outer surface 21a to be formed as a final gear
  • the spare part 28 is provided in the.
  • the outer surface 21a becomes a virtual outer surface to be formed as the final gear.
  • the thickness of the marginal portion 28 is the maximum in the pitch circle 23, the thickness t of the marginal portion 28 in the pitch circle 23 is provided so as to be in the range of 100 ⁇ 200 ⁇ m.
  • the thickness t of the marginal portion 28 preferably has a shape that decreases toward the tip circle 25 and the root circle.
  • the gear tooth 21 is molded to have the final outer surface 21a size, Since it has the thickness t, the molding deformation amount is maximum in the pitch circle 23, and the molding deformation amount decreases toward the tip circle and the tooth root circle. Therefore, the hardening depth by the rolling process becomes the largest in the pitch circle 23 after rolling, and surface hardness also becomes the largest.
  • the surface hardness does not become constant, but becomes the maximum at the pitch circle 23 as described above, and it is possible to manufacture such that it has a gradient that decreases away from the pitch circle 23. do.
  • the thickness of the clearance part 28 it is possible to make surface hardness in a pitch circle part higher than surface hardness of another part, for example.
  • the marginal portion 28 is provided in the range from the end circle to the base circle. At this time, it is preferable that the thickness t of the marginal portion 28 is maximized at the pitch circle.
  • the heat treatment step (ST-120) it is heat-treated so that the surface hardness of the spare part 28 of the gear semi-finished product 20 after the heat treatment step (ST-120) is in the range of 70 to 85% of the gear surface hardness.
  • the gear semi-finished product 20 is carburized hardened heat treatment or high frequency heat treated to harden only the surface layer. Examples of the material when the carburizing and curing heat treatment are performed include SNCM420 and SNCM518H. Since the surface hardness of a general gear is HRC55-63, in the heat processing step which comprises the gear manufacturing method which concerns on this invention, it heat-processes so that surface hardness may become HRC38-54. The surface hardness can be lowered by a method of lowering the heating temperature in the carburizing quenching heat treatment.
  • the gear manufacturing method of the present invention it is also possible to perform the foreground heat treatment in the heat treatment step (ST-120). Since the surface structure becomes dense and the surface hardness increases due to the work hardening in the rolling step (ST-130), the surface hardness after the rolling step (ST-130) is obtained even when the heat treatment step (ST-120) performs the foreground heat treatment. Gears with high hardness and low hardness gradients are produced.
  • the thickness t of the marginal portion 28 and the hardness after the heat treatment step may be manufactured to have an inverse relationship.
  • the surface hardness of the product gear is set to HRC60
  • the thickness t of the marginal portion 28 is increased, the surface hardness after the heat treatment step (ST-120) is lowered, and after the heat treatment step (ST-120)
  • the thickness of the marginal portion 28 is the maximum in the pitch circle 23, the thickness t of the marginal portion 28 in the pitch circle 23 to be in the range of 100 ⁇ 200 ⁇ m
  • the heat treatment step ST At -120
  • the surface hardness of the spare part 28 of the semifinished gear after the heat treatment step (ST-120) is in the range of 70 to 85% of the final hardness of the gear
  • the spare part is passed through the rolling step (ST-130). (28) is pressed, the gear tooth 21 is molded into the size of the final machining gear tooth, and the surface hardness is in the range of HRC55 to 63.
  • the gear semifinished product 20 which is a workpiece, is formed by rolling dies 110 and 120 having teeth that rotate in engagement with the gear semifinished product 20 on both sides with the gear semifinished product 20 therebetween. It is pressurized and the allowance part 28 is plastically deformed and manufactured into a finished gear.
  • reference numerals 111 and 121 denote rotation axes of the rolling dies 110 and 120
  • 101 denote rotation axes to which the gear semifinished product 20 is coupled.
  • One of the rotation shafts of the rolling dies 110 and 120 is rotationally driven by a motor or the like.
  • rolling step ST-130 constituting the gear manufacturing method of the present invention
  • ultrasonic vibration is added to at least one of the rolling dies 110 and 120.
  • Rolling step (ST-130) constituting the present invention gear manufacturing method is not simply a process for smoothing the surface, but is forged at room temperature because it is intended to increase the surface hardness by pressing the marginal portion 28 while smoothing the surface, The amount of roll processing is large.
  • Ultrasonic vibration is added to any one or more of the rolling dies 110 and 120 to make molding easier in the rolling process.
  • the roll is added by the ultrasonic vibration It is desirable to make it easier.
  • the ring 130 is rotatably inserted into the rotation shaft 111 of the rolling die 110, and the oscillator 131 for generating the ultrasonic vibration is attached to the ring 130 to form the rolling die ( It is possible to generate ultrasonic vibrations at 110.
  • the oscillator 131 may be installed on the rotary shaft 111 on both sides of the roll die 110 on one side, it may be installed on the rotary shaft 121 of the other roll die 120.
  • the gear is manufactured through the above steps, since the heat treatment is performed at low temperature and the hardness increase after the heat treatment is not large, distortion due to the heat treatment hardly occurs and the cost required for the heat treatment is reduced, and the surface hardness gradient of the manufactured gear is reduced. Adjustments can be made, surface texture is improved, and the surface roughness quality can be matched to high quality gears. Since the surface hardness varies depending on the thickness of the clearance 20, the thickness of the clearance 20 is formed differently on the surface of the gear tooth 21, so that it is possible to form a desired surface hardness at a desired portion.
  • the gear manufacturing method according to the present invention described above and the gear produced by the manufacturing method can lower the heat treatment temperature, so that the occurrence of distortion due to heat treatment is reduced, and heat treatment such as carburizing quenching or high frequency heat treatment is not necessarily required in the heat treatment process.
  • heat treatment such as carburizing quenching or high frequency heat treatment is not necessarily required in the heat treatment process.
  • a gear having a high surface hardness and a low hardness gradient can be manufactured, and a gear with improved precision can be manufactured.
  • the gear manufacturing time and cost can be reduced by about 30% as compared to the manufacture of heat-treated gears by the cutting process method can increase the gear production efficiency.

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Abstract

본 발명은 소재 준비 단계와, 소재에 치형을 절삭하여 복수의 기어치를 가지는 기어 반제품을 제조하는 단계(치형 절삭 단계)와, 치형 절삭된 기어 반제품을 열처리하는 단계(열처리 단계)와, 열처리 된 기어 반제품을 전조하는 단계(전조 단계)로 이루어지며; 상기 치형 절삭된 기어 반제품의 기어치에는 원주 방향 양측으로 여유살부가 구비되며, 상기 전조 단계에서는 전조 다이에 의하여 여유살부가 가압되어 기어 반제품이 기어로 제조되는 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어에 관한 것이다.

Description

기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어
본 발명은 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어에 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 연마를 통하여 고정밀도의 기어를 생산한다.
연마 공정은 기본적으로 치형을 수정하는 공정이 아니며 표면금속을 다량으로 제거하는 공정이 아니기 때문에 비열처리 기어의 셰이빙을 대체할 수 없다. 따라서 HRC40(예를 들어) 이하의 경도에서 연마 공정을 하는 것은 실익이 없다. 연마 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 치(11)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 연마 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 열처리하여 표면 경도는 높게하는 한편, 심부 경도는 표면보다 낮은 갑을 가지도록 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, 연마 공정(Tooth Grinding)의 경우는 열처리 후에 수행되기 때문에 고정밀도의 기어 생산은 가능하나 생산성의 저하로 생산단가가 높아지고 대량 생산이 어려우며, 연마 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, 전조 가공의 경우에는 압력각(θ)을 표준 압력각의 크기로 제조하는 것이 매우 어렵고, 40°정도의 크기로 제조되는 문제점이 있었다.
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 복수의 기어치를 가지는 기어 반제품을 제조하는 단계(치형 절삭 단계)와, 치형 절삭된 기어 반제품을 열처리하는 단계(열처리 단계)와, 열처리 된 기어 반제품을 전조하는 단계(전조 단계)로 이루어지며; 상기 치형 절삭된 기어 반제품의 기어치에는 원주 방향 양측으로 여유살부가 구비되며, 상기 전조 단계에서는 여유살부가 전조 다이에 가압되어 기어 반제품이 기어로 제조되는 기어 제조 방법을 제공한다.
상기에서, 여유살부의 두께는 피치원에서 최대가 되며 이끝원과 이뿌리원으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 제조되는 기어는 인버류트 기어이고, 상기 여유살부는 이끝원에서 기초원까지의 범위에서 구비되며, 상기 여유살부의 두께는 피치원에서 최대인 것을 특징으로 한다.
상기에서, 여유살부의 두께는 피치원에서 최대가 되며, 피치원에서 상기 여유살부의 두께는 100∼200㎛ 범위로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 전조 단계에서의 가압에 의하여 기어치의 표면 경도가 심부 경도보다 높은 경도 분포를 가지는 기어로 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 열처리 단계에서는 열처리 단계 후의 기어 반제품의 여유살부의 표면 경도가 기어 최종 경도의 70∼85％ 범위가 되도록 열처리되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 전조 단계에서 전조 다이에는 초음파 진동이 부가되는 것을 특징으로 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 구비된다. 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(28)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 기어 표면 경도의 70∼85％ 범위가 되도록 열처리된다. 열처리 단계(ST-120)에서 기어 반제품(20)은 침탄 경화 열처리되거나 고주파 열처리되어 표면층만 경화된다. 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 하면 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.
이상 설명한 본 발명에 따르는 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어는 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 향상된 기어가 제조될 수 있다.
또한, 기어 제조 시간과 비용이 절삭 가공 방법에 의한 열처리 기어 제조에 대비할 때 30％ 정도 감소되어 기어 생산 효율이 증가될 수 있다.

Claims (8)

  1. 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 것을 특징으로 기어 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 여유살부(28)의 두께(t)는 피치원에서 최대가 되며 이끝원과 이뿌리원으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 기어 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 제조되는 기어는 인버류트 기어이고, 상기 여유살부(28)는 이끝원에서 기초원까지의 범위에서 구비되며, 상기 여유살부(28)의 두께(t)는 피치원에서 최대인 것을 특징으로 하는 기어 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 여유살부(28)의 두께(t)는 피치원에서 최대가 되며, 피치원에서 상기 여유살부(28)의 두께(t)는 100∼200㎛ 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 기어 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 전조 단계에서의 가압에 의하여 기어치(21)의 표면 경도가 심부 경도보다 높은 경도 분포를 가지는 기어로 제조되는 것을 특징으로 하는 기어 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서, 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 것을 특징으로 하는 기어 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 전조 단계(ST-130)에서 전조 다이에는 초음파 진동이 부가되는 것을 특징을 하는 기어 제조 방법.
  8. 제5 항에 기재된 제조 방법에 의해서 제조되어 표면 경도가 높고 심부 경도가 낮은 경도 구배를 가지는 기어.
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