단조기술/ 단조성형 크라치기어부 헤리스피드 기어개발
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
단조성형에 의한 크라치 기어부 헤리스피드 기어의 개발
<日本 오오끼기연(주) 전무 오오끼 미츠시게 외 1명)
최근 지구환경보호 의식이 높아지고 자원절약, 에너지 절약, 리싸이클 등의 환경을 생각한 제품이나 조작법이 요청되고 있다.
자동차에 있어서도 연비규제가 실시되어 있으며 경량화,콘팩트화가 크게 요구되고 있다. 한편 자동차의 성능은 비약적으로 향상되고 있으며 transmission gear도 경령, 그리고 고강도 같은 것이 요구되고 있다.
이러한 배경에서 베벨기어나 스프트라인의 단조성형이 십 수년전부터 실용화되고 있어 그 유위성이 평가되어, 근년 자동차용 transmission 의 채용이 급속히 높아지고 있다. 헤리컬 기어의 단조성형에 관해서도 그 유위성이 주목되어, 실용화를 목표로 대학 등의 연구기관이나 기업에서 장년에 걸쳐 여러 가지 시도가 진행되고 있지만, 형제작이나 단조 등에 고도의 기술이 요구되기 때문에 아직도 성공한 예는 보이지 않은 것이 현상이다.
이번 당사에 있어서 단조성형에 의한 헤리컬 기어의 개발이 성공했음으로 그 개요를 설명하고자 한다.

2. 개발의 포인트
(1) 현행 기계가공법에 대하여 충분한 코스트 경쟁력이 있다는 것이다.
-코스트 메리트가 큰 자동차용의 크라치 기어부 스피드 기어를 개발대상으로 한다.
(2) 자동차용 transmission gear에 사용되어 있는 여러 종류의 톱니형서원도 성형가능한 공법인 것이다.
-단조성형상, 불리한 톱니의 조건인 모듈, 1.75, 비틀어진 각도 35의 고톱니의 헤리컬 기어가 성형 가능한 공법으로서 열간단조+냉간단조의 복합단조법으로 한다.
(3) 사용설비는 범용의 단조설비로 할 것이다.
-열간단조는 1600톤 4공정 tranfer press 로 하고 냉간단조에는 400톤 나클 죠인트 프레스를 사용한다.
(4) 금형제작은 열간단조시의 열습축이나 냉간단조시의 톱니 수정 등이 간단하게 할 수 있는 가공법인 것이다.
-보부나 톱니연마 등의 톱니철단기계는 사용하지 않고 와이어카트방전가공기나, 방전가공기,NC슬라이스 등을 사용한 틀제작법으로 할 것이다.
(5) 품질, 성능에 있어서도 기계가공법에 대해 유의성이 있는 것이다.
-헤리컬 기어의 정밀도는 일본 JIS 3급, 크라치 기어는 일본JIS 5급을 목표로 하지만 헤리컬 기어에는 톱니선 방향의 크라우닝을 할 수 없으므로 당연 30u의 세이브대금을 붙인 사양으로 함.

3. 개발품의 개요
이번에 개발하고 양산화에 성공한 것은 자동차용 transmission에 사용되어 있는 크라치 기어부 스피드 기어이며, 엔진부터의 출력을 스프디 기어로 동기화시켜 전달하는 크라치 기어(찬판부 역 태퍼 스프라인)와 엔진의 회전수를 변속하는 스피드 기어(헤리컬 기어)로 구성되어 있고 이 2개의 기어를 일체로 동시에 단조성형하고 기계가공에 의한 톱니 철단을 하지 않고, 단조 그대로 사용할 수 있게 한 기어이다.
이 기어는 기어소리나 조작성 등의 면에서 고 수준의 기어정밀도가 요구되어 있으며 헤리컬 기어는 일본 JIS 4급, 크라치 기어는 일본 JIS 6급의 정밀도가 일반적이다.



4. 제조공정의 개요
(1)금형제작
톱니 정밀도나 코스트에 직접 영향을 미치는 것이 금틀이다. 얼마나 고정밀도이며 수명이 긴 금틀을 값싸게 만들 수 있을까, 성공여부는 미지수이다.
당초에는 동을 보부철단한 것을 이연 완성하고, 방전가공용의 전극으로 하고 있어지만, 열간판조시의 열습측이나 냉간단조시의 성형화중에 의한 클의 변형, 제품의 스프링 백 등으로 높은 정밀도의 기어를 만들 수 없었다.
고정밀도의 기어를 만들기 위해서는 이러한 여러 인자 (因子)를 정확히 파악하고, 그것을 금틀에 반영시키는 것이 중요하며 열단시의 습축이나 냉간시의 톱니형수형으로의 대응이 간단히 할 수 있는 와이어 카트 방전가공법에 의해 방전가공용의 전극가공을 실행했다.
이 방법에 의해 어떤 서원의 기어라도 프로그램만으로는 대응할 수 있고, 금틀 제작의 리드 타임을 크게 단축시킬 수가 있었다.



(2) 단조공정
표2공정으로 톱니형성형을 진행한다.
① 재료
톱니성형하기 위해 상처, 깨짐, 스켈 등의 표면 결함이 없는 빼냄재, 아니면 피링재를 톱절단한 것을 사용한다.
② 재료가열
재료의 소성변형을 간단하게 하기 위해 유도가열로에서 1,200˚C로 가열한다. 이 경우 표면의 산화막의 발생을 억제하기 위해 노내에 불황성 가스를 흘려서 무산화가열한다.
③ 열간단조
1200˚C로 가열된 재료부터 upset→황성형→완성성형→바리빼기의 4공정을 트란스퍼 자동프레스로 연속성형한다.
와크를 틀부터 꺼 낼 때 헤리컬부의 저항이 크기 때문에 이형제 (離型劑)의 선정이 중요하다.
④ 굽어서 고르다,shot brast, 윤활처리
굽어서 고르는 처리를 할 때 장시간 고온을 맞게 됨으로 표면의 탈탄방사를 의해 무산화로 굽어서 고른다.
shot공정은 톱니형부를 상하지 않도록 핸거 타입의 shot brast를 사용하고 표면에 냉단시의 윤활처리로서 인산아연피막처리를 한다.
⑤ 냉간단조
열간단조로 황성형된 크라치기어부분의 완성성형과 tuming 공정에서의 가공기준면 만들기 등 전체의 정밀도 내기를 한다. 다음에 황성형된 헤리컬기어의 완성성형을 하고, 마지막에 크라치 기어에 역태퍼를 한다.
이상의 공정을 거치고 옵니 성형이 실행된다. 고정밀도 톱니를 조작하는데 중요한 것은 각 공정에서의 조건관리이다. 치수는 물론, 중량, 온도, 경도, 성형하차 등을 각 고정별로 정확히 컨트롤할 필요가 있다. 또 상처방사를 위해 각 공정을 연결한 한 줄의 라인을 만드는 것이 바람직하다. 그 외로 금틀이 세트되는 다이세트나 프레스의 기계정밀도 등의 설비관리가 중요하다. 당사에 있어서는 이러한 면에 대해 TPM활동(TOTAL PRODUCTIVE MAINTENACNCE)을 통하여 철저히 이상한 곳을 찾아내고 그 복원, 개성을 실행하며 제품의 향상을 도모하고 있다.

5. 톱니형 정도

(1) 크라치기어의 침탄으로의 굽은 전후의 톱니정밀도는 표 3에 나타난다.
모든 항목에 관해서 목표로 한 일본 JIS5급의 정밀도를 만족시킬 수 있었다.
(2) 헤리컬 기어의 첨단으로의 굽은 전후의 톱니정밀도를 표 4에 나타난다.
모든 항목에 관해서 목표로 한 일본의 JIS3급의 정밀도를 만족시킬 수 있었다. 그러나 톱니줄방향의 크라우닝처리가 할 수 없음으로 삭제, 또는 톱니 연마완성이 필요하다.



6. 특징
(1) 철삭품에 비해 크게 공정단축이 가능하며 콘팩트화, 경량화가 가능하다.(그림3 참조)



(2) 강도, 신뢰성이 대폭 향상한다.(그림4 참조)

(3) 시프트 감각이 현저하게 향상한다.(그림5 참조)
찬파에 바리, 차이, 평면부가 없고, 각도에 미소R이 붙어있으며 또 면조도 R210이하이기 때문에 시프트변화시의 조작력도 가볍고 순조로운 시프트감각을 얻을 수 있다. 그림 5에 데이터를 표시한다.

(4) 기타
이 성형법은 열간, 냉간의 복합단조임으로, 형상, 치수, 재질 등 선택 여유가 생기며, 설계의 자유도가 향상된다. 톱니형에 관해서는 모듈 3, 비틀어진 각도, 35고톱니로 외경 200m/m정도까지 성형할 수 있으며 성형 속도도 통상의 단조품의 생산 속도인 5~10개/분 으로 가공이 가능하다.



7.경제성
신 공법은 2피쓰 철작톱니철단 타입에 비해 단조코스트, 그리고 금틀 코스트는 상상하지만, 톱니철 단, 설치는 0이 되며 다른 코스트도 일체화에 의해 내릴 수가 있다.
전체로써의 코스트 다운은 약 25%가 된다(표5, 그림6 참조)

8.정리
이상 크라치기어부 헤리컬 기어의 단조성형법의 개요에 관한 설명을 드렸지만, 이 공법은 여러가지 장점이 있으며 자동차용 transmission gear이외로 타 산업용의 헤리컬 기어도 포암하고 가까운 미래, 철작톱니 대신으로 톱니조작의 주류가 된다고 예상된다.
또 당사에서는 정밀단조톱니가 10년전부터 국내의 주요자동차 메이커로 채용된 이래 5년전부터 미국자동차 메이커로, 2~3년전부터 유럽 주요자동차 메이커로 채용되는 등 단조톱니의 수요는 해마다 증가하고 있다.
또 당상의 공규능력부족이나 현지 생상화의 니즈도 있으며 장래에는 제품 수출만 아니라 기술공여로 세계로의 보급을 생각하고 있다.
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