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단비 낭
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1 한국소성가공학회 2008 년도추계학술대회논문집 pp. 405~409 베벨기어제조공정에서베벨기어의정도및급수에미치는인자 전병윤 1 엄재근 2 박정휘 1 전만수 # Factors affecting accuracy or grade of bevel gears during manufacturing B. Y. Jun, J. G. Eom, J. H. Park, M. S. Joun Abstract In this paper, factors affecting accuracy or grade of forged bevel gears are investigated in the experimental way. Two materials of SKD-11 and copper, two machining conditions and two machines of WIA-V50 and oders-fm600 are particularly investigated to reveal their effects on the grade of bevel gear forging dies in this study. It has been shown that the bevel gear grades are much affected by all the factors tested, revealing that it is of great significance to find the optimal machining process of die making to develop or manufacture a high precision bevel gear and that the bevel gear is degraded by one from the grade of its related die during forging. Keywords : Bevel gear, Forging, Accuracy or grade, Die making 1. 서론 단조산업은한국가의산업발전을좌우하는중요한기간산업이다. 특히대량생산을업의특성으로하는자동차산업과전자산업등에서단조는가격과품질을동시에만족시킬수있는장점이있기때문에많은주목을끌어왔다. 우리나라의경우, 자동차산업과전자산업의급성장으로단조가양과질양면에서큰발전을이룩하였다. 그러나아직선진국과는여전히수년또는 10 년이상의격차를보이고있는분야, 가령단조장비와정밀금형등의분야가존재하며, 젊고유능한인력의확보가매우어렵고, 산업적인관점에서볼때질적으로국제적인수준에이르지못한상태에서사향산업의전조가나타나고있으며, 산업현장에서중국의추격이가시권에온것으로 느끼고있는점등이위기의징표가되고있는것이작금의현실이다. 베벨기어냉간단조 [1-8] 는 1970 년경에시작되었으며, 우리나라는 1990 년경에시작한것으로추정되고있다. 이기술은이미국내에서십수년간활용되어왔지만, 아직선진업체에요소기술을의존하고있는실정이다. 우리나라에서승용차용베벨기어는대부분절삭가공되고있는반면, 일본에서는단조로생산되고있다. 국내에서생산중인일부의승용차용베벨기어도금형등의요소기술을대부분해외의선진업체에의존하고있는실정이다. 단조로생산된베벨기어의정도에영향을주는인자로는금형, 설비, 열처리, 윤활, 원재료등이있다. 이중에서도가장크게영향을미치는인자로는금형으로서, 본연구에서는금형의정도에 1. 경상대학교대학원기계공학과 2. ( 사 ) 경상대수송기계부품기술혁신센터 # 교신저자 : 경상대학교기계항공공학부, msjoun@gnu.ac.kr

2 영향을미치는인자를연구하고자한다. 주요인으로는금형재료, 보강링, 열처리, 금형제작방법등을들수있으며, 금형제작방법으로는방전가공과직접가공두가지방법이있다. 방전가공의경우전극을제작하여가공하는방법으로초경금형의경우에주로이용되었으며, 합금강의경우에는종래에는상기방식을해왔으나설비의발달로인하여직접가공하는방식을채택하고있다. 기어의급수를판정하는기준은인접피치오차, 단일피치오차, 누적피치오차등이있으며, 각수치에대한등급은등급표 [9] 에나타나있다. 본연구에서는합금강의금형에대해서금형가공조건과정도의변화등에대해서논하고자한다. 2. 베벨기어금형가공을위한실험조건 베벨기어급수에금형이미치는영향을분석하기위해서는베벨기어금형의측정이필수적이다. 그러나오목한부위, 크기및중량등의문제로금형을직접측정하기는쉽지않다. 이런이유로베벨기어금형의가공조건과동일한조건하에서시험베벨기어 (Trial gear) 를제작하여베벨기어의정도를측정하여평가하는방법이널리활용되고있다. 본연구에서도이방법을사용한다. 실험에사용된베벨기어는모듈이 3 이고, 피치원지름이 45 mm 이며, 잇수가 15 개이다. 베벨기어의정도에미치는영향을밝히기위하여본연구에서는금형가공장비, 가공조건, 재료등의영향을실험적으로규명하고자한다. 사용된금형가공장비는고속가공기이며 ( 사 ) 경상대 TIC 의보유장비인 WIA-V50[10] 과 oders- FM600[10] 이다. 재료로는베벨기어의단조금형소재로많이사용되는 SKD-11 과베벨기어단조금형의방전가공을위한전극으로널리사용되는동을비교하였다. 그리고 2 가지의고속가공조건을선택하여가공조건이금형의정도에미치는영향에대하여조사하였다. Table 1 에정리되어있는가공조건 1 에서는주축회전수가황삭 7200 rpm, 중삭 rpm, 정삭 rpm 이며, 절입량은 0.05 ~ 0.2mm 이다. 가공방식은상향절삭이다. Table 2 네요약되어있는가공조건 2 에서는주축회전수는황삭 7500 rpm, 중삭 rpm, 정삭 rpm 이며, 절입량은 0.04 ~ 0.15 mm 이다. 가공방식은황삭과중삭에서는상향절삭이며, 정삭에서는하향절삭후상향절삭이다. Table 1 Machining condition 1 Condition 1 ough Medium Final Tool dia. Ø5 Ø3 Ø2 PM velocity direction Conventional Conventional Conventional Incremental Table 2 Machining condition 2 Condition 2 ough Medium Final Tool dia. Ø5 Ø3 Ø2 PM velocity Conventional Conventional Conventional direction after climb Incremental 베벨기어금형가공 Fig. 1 은 SKD-11 의소재를가공조건 1 로 WIA- V50 의고속가공기를이용하여가공한시험베벨기어이다. Fig. 2 는 SKD-11 의소재를가공조건 1 로 oders-fm600 의고속가공기를이용하여가공한시험베벨기어이다. 그리고그림 3 은 SKD-11 의소재를가공조건 2 로 oder-fm600 의고속가공기를이용하여가공한시험베벨기어이다. 베벨기어의급수판정을위하여 Fig. 4 의 CP- 35 의베벨기어시험기를사용하였다. Fig. 1 과 Fig. 2 의시험베벨기어는 JIS 3 급으로판정되었으며, Fig. 3 의시험베벨기어는 JIS 2 급으로판정되었다. 시험베벨기어에대한상세한측정결과는제 4 장의측정결과표에서확인할수있다. 전술한조건으로금형을제작하여시제품제작을실시하였으며, 그결과를 Fig. 5 와 Fig. 6 에나타내었다. 시제품제작은 ( 사 ) 경상대 TIC 에보유중인정밀냉간단조공정시험평가시스템을이용하여실시되었다

Fig. 5 는금형에대응하는시험베벨기어의등급이 JIS 3 급으로판정된금형으로시험생산된제품이며, Fig. 6 은 JIS2 급으로판정된금형으로시험생산된제품이다. 제품에대한베벨기어급수는각각 JIS 4 급과 JSI 3 급으로판정되었다. 따라서단조과정에서급수가 1 급강등되었음을알수있다. 고속가공에의한직접금형제작방법이외에방전가공방법이있다.

이결과는 SDK-11 에비하여 1 급강등한것으로피삭재의재질과고속가공기의절삭조건이긴밀한관계가있음을의미하는것이다. Fig. 3, machined by oders-fm600 under the machining condition 2 Fig.

3 Fig. 5 는금형에대응하는시험베벨기어의등급이 JIS 3 급으로판정된금형으로시험생산된제품이며, Fig. 6 은 JIS2 급으로판정된금형으로시험생산된제품이다. 제품에대한베벨기어급수는각각 JIS 4 급과 JSI 3 급으로판정되었다. 따라서단조과정에서급수가 1 급강등되었음을알수있다. 고속가공에의한직접금형제작방법이외에방전가공방법이있다. 방전가공으로금형을제작하기위해서는전극을가공하여야한다. 전극의재료로는대개동이사용되고있다. 따라서본연구에서는피가공재료에따른금형가공정도를분석하기위하여가공조건 1 로동전극을제작하였다. 전극의재료는동이며, Fig. 7 의전극을만들수있었다. 이를측정한결과, 전극의급수는 4 급으로판정되었다. 이결과는 SDK-11 에비하여 1 급강등한것으로피삭재의재질과고속가공기의절삭조건이긴밀한관계가있음을의미하는것이다. Fig. 3, machined by oders-fm600 under the machining condition 2 Fig. 4 Bevel gear measurement machine(osaka Seimitsu Kiko, CP-35) Fig. 1, machined by WIA-V50 under the machining condition 1 Fig. 5 Bevel gear forged with the JIS 3 grade die () Fig. 2, machined by oders-fm600 under the machining condition 1 Fig. 6 Bevel gear forged with the JIS 2 grade die ()

Table 4 Measured single pitch errors and grades Single pitch error Fig. 7 Copper bevel gear machined by WIA-V50 under the machining condition 1(Copper electrode) 3.

4 Table 4 Measured single pitch errors and grades Single pitch error Fig. 7 Copper bevel gear machined by WIA-V50 under the machining condition 1(Copper electrode) 3. 베벨기어정도측정결과 시험베벨기어, 방전전극용구리베벨기어, 단조베벨기어에대하여 Fig. 4 의베벨기어측정기를사용하여베벨기어급수판정을위한측정을실시하였다. 베벨기어급수의판정기준인인접피치오차, 단일피치오차, 누적피치오차에대한측정결과를각각 Table 3, Table 4, Table 5 에나타내었다. 테이블에제시된베벨기어의등급은전술한세가지의피치오차에대한실측치를바탕으로베벨기어표준등급표 [9] 에기준하여결정된세부등급이다. 그리고 Table 6 에세항목에대한 JIS 등급을표시하였다. Table 3 Measured adjacent pitch errors and grades Adjacent pitch error Measured Measured Measured Copper Measured electrode Grade 3 3 Measured Grade 4 4 Measured Grade 3 3 Measured Measured Measured Copper Measured electrode Grade 3 4 Measured Grade 3 4 Measured Grade 2 3 Table 5 Measured accumulative pitch errors and grades Accumulative pitch error Measured Measured Measured Copper Measured electrode Grade 4 4 Measured Grade 4 4 Measured Grade 3 3 Table 6 JIS grades of the JIS grade Copper electrode

5 4. 결론 본연구에서는단조베벨기어의정도또는급수에미치는가공조건, 가공장비, 피가공재료등의영향을실험적으로분석하였다. 실험에사용된가공조건에따라금형의정도는 1 급정도영향을받았으며, 동일가공조건하에서금형강과구리는 1 급정도의급수차이를나타내었다. 그리고최종단조품은금형보다 1 급떨어진품질을나타내었다. 결론적으로고정도의단조베벨기어를생산하기위해서는그이상의정도를지닌금형이만들어져야한다. 그러기위해서는공구, 설비, 절삭조건등을바꾸어서최적의조건을찾는연구가지속되어야할것이다. 물론금형의탄성변형을고려한설계기술에관한체계적인연구가필요하다. 후기 본연구는산업자원부지방기술혁신사업 [TI ] 지원으로수행되었다. 참고문헌 [1] 박종진, 이정환, 이영선, 1996, 베벨기어폐쇄단조의유한요소해석, 대한기계학회논문집 A 권, 제 20 권, 제 8 호, pp. 2458~2467. [2] 김동환, 정구섭, 김병민, 2004, 자동차용차동베벨기어의최적예비성형체설계, 한국자동차공학회논문집, 제 12 권, 제 1 호, pp. 184~189. [3] 김용조, 박성대, 2003, 베벨기어의밀폐단조공정설계를위한유한요소해석, 한국기계가공학회지, 제 2 권, 제 1 호, pp. 92~99. [4] Y. K. ee, S.. ee, C. H. ee, D. Y. Yang, 2001, Process modification of bevel gear forging using three-dimension finite element analysis, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 113, No. 1-3, pp. 59~63. [5] A. G. Mamalis, D. E. Manolakos, A. K. Baldoukas, 1996, Simulation of the precision forging of bevel gears using implicit and explicit FE technique, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 57, No. 1-2, pp. 164~171. [6] M. Fu, B. Shang, 1995, Stress analysis of the precision forging die for a bevel gear and its optimal design using the boundary-element method, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 53, No. 3-4, pp. 511~520. [7] M. Meidert, M. Knoerr, K. Westphal, T. Altan, 1992, Numerical and physical modelling of cold forging of bevel gears, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 33, No. 1-2, 75~93. [8] J. H. Yoon, D, Y, Yang, 1990, A three-demensional rigid-plastic finite element analysis of bevel gear forging by using a remeshing technique, Int. J. Mech. Sci., Vol. 32, No. 4, pp. 277~291. [9] 기어편람해설, 기전연구사, ISBN , [10]

전용]

전용] A Study of select the apropos processing mechanical method by the presume of transformation of teeth s surface degree ABSTRACT This study has been tried to select the apropos processing method by the