(주)대화모터

기어 이를 제작하는 방법으로는 주조법에는 샌드캐스팅(Sand Casting), 인젝션 몰딩(Shell Molding), 인베스트먼트 주조법(Investment Casting), 영구주조법(Permanent Mold Casting), 다이 캐스팅(Die Casting) 및 원심 주조법(Centrifugal Casting) 등 매우 많은 방법이 있다. 또한 분말 야금(Powder-Metallurgy Process)이나 압출(Extrus- ion) 등에 의해서도 만들어진다. 냉간 성형(Cold Forming), 이나 냉간 전조법(Cold Rol-ling)등에 의해서도 기어 이를 제작할 수 있다. 그러나 고하중이 작용하거나 정밀한 치형을 얻기 위해서는 현재까지는 절삭 가공법을 이용하여야 한다. 절삭 가공법 중 대부분을 차지하는 창성(Gene-rating Machining) 가공법이다. 절삭 가공법으로는 밀링, 세이핑, 또는 호빙 등의 방법이 있으며 절삭 가공으로 가공된 기어는 세이빙, 그라인딩 또는 래핑 등의 방법으로 다듬어 진다.

(1) Gear Milling

가장 간단한 치절삭법으로 치홈과 같은 윤곽을 지닌 커터로 한 홈을 깎았으면 기어소재를 색인하여 다음 치홈을 절삭해 나가는 방법이다. 기어밀링은 스퍼기어와 헬리컬 기어의 황삭과 마무리 공정에 적용될 수 있다. 기어밀링은 다양한 용도로 적용될 수 있으나 실제로는 특별한 치형을 가진 소량 생산품이나 교체 기어용에 한정되어 사용되어진다. 기어크기와 기계의 용량에 따라서 표준 밀링기는 자동이나 수동의 색인 기구와 함께 사용한다. 기어 외에도 밀링은 스포로켓, 스플라인, 랙, 라쳇 등의 가공에도 사용된다. 아래 그림은 기어 밀링 기계의 한 예이다. 전용의 치절삭반이 아니더라도 색인대와 소용의 치절삭용 밀링커터만 있으면 일반 밀링반에서도 기어를 절삭할 수가 있다.

(2) Gear Hobbing

호브를 사용한 창성 절삭 가공법은 극히 생산성이 높고 또 높은 가공 정밀도가 얻어지므로 가장 일반적으로 채용되고 있는 기어 제작법이다. 이렇게 호브를 사용하여 창성 절삭 가공 법을 할 목적의 공작기계는 호브반이라 하고 있고 호브반이 발명된 이후 다른 기어 제조법을 압도하고 널리 보급이 되었다.
아래 그림은 호브반의 기본 구성을 보여준다.

많은 기어가 한 번 절식으로 호브 가공이 마무리 된다. 그 외의 기어의 경우는 세이빙이나 그라인딩 작업 전의 반마무리 호빙 가공을 하거나 마무리 호빙전의 황삭 호빙 가공으로 작업 된다. 경화 열처리 후 그라인딩 하거나 경화기어 마무리 가공으로 다듬질된다. 호빙은 양산 공정에 적합하다. 특별한 부품의 대량생산을 위하여 자동기계가 개발이 되었다. 그 외에도 호빙기는 취부가 편리하기 때문에 소량 생산에도 쉽게 채택이 된다. 호빙에 의해서 생성되는 부품의 정밀도는 호브반의 정밀도, 공구의 강성, 치형의 정도, 작업물과 호브의 취부 정도, 호브의 정밀도 등에 의하여 결정된다. 정확한 기계의 공구 선정에 주의를 기울이면 호빙가공으로 AGMA 정밀도 등급 1,2정도의 기어를 가공할 수 있다. 적절한 공구 선정과 적은 양의 피드를 사용하면 대단히 정밀한 다듬질을 얻을 수 있다. 호빙가공은 모든 종류의 기어 재질에 적용할 수 있다. TiN코팅된 고속도강 호브는 철, 비철, 비금속 재질 등의 절삭에 사용된다.
호브반은 특별한 동작을 할 수 있도록 할 수 있다. 표준 호브반에서 기어 이를 특수한 호 브로 모따기를 할 수 있고 호브와 작업물 사이의 중심거리를 연속적으로 변화시켜 가공함으 로 크라운 형상의 치형을 가공 할 수 있다. 원하는 결과를 얻기 위해서는 기계의 여러 요소 사이의 정확한 관계가 필요하다. 호브는 작업물 회전과 연동하여 정확하게 회전하는 것이 필요하다. 기어 호빙은 아래와 같이 2가지로 나눌수 있는데, 당사에서는 다음과 같은 치절이 가능하다.

① Profile에 의한 분류 - 전용 Hob 필요 (당사는 Semi-topping Hob만 준비되어 있음)

② Lead에 대한 분류 - 호브와 작업물 사이의 중심거리를 연속적으로 변화시켜 가공

(3) Gear Shaping

호빙과 같이 세이핑은 창성공정이다. 사용되는 둘은 호빙의 (Worm)형 공구 대신에 피니 언(Pinion)형 공구가 사용된다. 피니언 커터가 수직축을 따라 왕복하면서 기어 모재쪽으로 원하는 깊이만큼 천천히 이송된다. 피치원이 접하게 되면, 절삭 행정만큼 커터와 모재를 회전 시킨다. 아래 그림은 세이퍼 커터의 창성 동작을 나타낸다.

기어 세이핑은 기어생산시 아주 유용하고 정확한 방법이다. 스퍼기어와 헤리컬기어를 가공하고 내기어와 외기어를 가공할 수 있다. 그 외에도 헤링본(Herringbone)기어를 가공할 수 있다. 특히 이빨 근처에 단차를 가진 부분이 있는 기어는 특히 호빙으로 가공할 수 없으나 세이핑은 이런 기어를 가공하는데 유리하다. 생산 관점에서 보면 좁은 치폭을 가공하는데 유리하다. 세이핑 가공의 제한사항은 절삭 길이이다. 긴 축에 있는 기어는 취부하기 힘들기 때문에 가공하기 힘들고 또 다른 제약사항은 각각의 나선각에 대하여 별도의 헬리컬 가이드가 필요하다.

(4) Gear Broaching

브로칭은 키홈, 스프라인 등의 가공에 널리 사용되는 방법이다. 이 브로칭 가공도 기어 가공에 사용 될 수 있다. 브로칭은 높은 생산성을 가진 공정이다. 가끔씩 다른 공정으로 높은 정밀도를 얻을 수 없는 소량 생산 부품에 대하여 정밀도를 확보하기 위하여 사용된다. 브로칭은 브로치라 불리는 다수의 이빨이 가공된 공구를 당기거나 밀어서 금속을 제거하는 가공이다. 매끈한 다듬질 면을 생성하는 빠르고 정확한 공정이다.
주로 內스퍼가 어나 內헬리컬기어 가공에만이 사용된다. 황삭과 다듬질이 브로치 1회 가공에 모두 포함되어 있다. 아래 그림은 브로치 가공 원리이다. 브로칭은 원칙적으로 대량 생산성을 요하는 부품에 사용된다.

(5) Gear shaving

자동차용 기어는 소음이 적고, 균일한 고정도의 기어를 대량으로 게다가 염가로 생산하지 않으면 안된다. 그러므로 헬리컬기어 및 스퍼기어는 호브 또는 피니언형 커터로 되도록 고 정밀도로 치절식한 다음 다듬질 가공으로서, 가장 생산성이 높은 세이빙 가공으로 더욱 정밀도를 높여 치면을 매끈하게 하고 열처리 후에는 호닝다듬질을 한다.
세이빙은 관리를 철저히 하면 연삭 다듬질에 비해 비교도 안 될 정도의 짧은 시간에 아무나 쉽게 할 수 있는 작업으로 연삭기어에 맞먹는 높은 정밀도의 기어를 싼 값으로, 생산할 수 있다. 호빙이나 세이빙에 의해 표준 황삭 공정을 거친 기어의 품질을 높이는 방법에는 여러가지가 있다. 그 중 세이빙은 열처리 전에 무른 상태에서 실시된다. 이 공정은 열처리 도중에 일어나는 변형을 보상하기 위하여 변형을 예상하여 치형을 수정한다. 세이빙은 기어치면에서 소량의 금속을 제거하여 다듬질하는 공정이다. 그 목적은 인덱스 오차, 나선각, 치형, 편심 등을 수정하는데 있다. 세이빙은 소음을 줄이고 하중전달 능력, 안전률, 운전수명 등을 증가시키는 치형 수정을 제공한다. 아래 그림은 인볼류트와 리드 오차를 비교한 그래프이다.

(6) Gear Honing

열처리후 세이빙 가공과 거의 같은 방법으로 커터 대신에 헬리컬기어형의 호닝 툴을 이용 하여 소음의 발생 원인이 되는 생산 공정 중에 생긴 흠집이나 버어(bur)를 한 개당 20~30초란 짧은 시간에 제거하는 것이다. 치면도 매끈해지나 연삭 다듬질과 달리 치형 및 리이드 오차를 개선하는 효과는 적다. 표준 호닝 공구는 Plastic Resins과 실리콘 카바이드와 같 은 abrasive graine의 혼합 재이다. 전통적으로 정도의 표면 다듬질은 세이빙에 15~40 micro in 의하여 가공할 수 있다. 호닝공정은 기본적으로 치형 수정이나 표면다량제거용 공정이 아니기 때문에 비열처리 기어에서 세이빙을 대체할 수는 없다. HRC 40이하 경도에서 호닝공 정을 사용하는 것은 실익이 없다. 따라서 호닝 공정은 열처리에 의해서 변형된 치형을 열처 리전 세이빙된 정도까지 유지하거나 더 향상시키는데 사용된다. 아래 그림은 호닝에 의해서 향상된 정도를 보여준다.

(7) Gear Grinding

2개의 접시형 숫돌이 가상랙의 치면을 형성하고, 연삭 기어는 그림과 같이 맞물림 운동을 하여 치형을 창성한다. 이 맞물림 운동은 창성원의 지름에 상당하는 원통(피치블록)과 여기에 감은 강철띠에 의해서 주어진다. 창성원에 피치원을 사용하면 작업에 필요한 여러 계산이 간단해 진다. 마아그(MAAG) 연삭은 아래그림과 같이 숫돌에 각도를 주어 연삭하는 방법을 보통연산이라하며 각도가 없으면 제로 연삭이라 한다. 표준 호닝 공구는 Plastic Resins과 실리콘 카바이드와 같은 abrasive graine의 혼합재이다. 전통적으로 15~40 micro in정도의 표면 다듬질은 세이빙에 의하여 가공할 수 있다

숫돌의 반경방향단면이 치형곡선이 되도록 툴링(tooling)하고, 이것으로 치면을 연삭하는 방법이 성형식 기어연식이다. 창성운동이 없으므로 창성식에 비하여 연삭 시간이 매우 짧은 이점이 있다. 창성식에 비하여 동시연삭량이 많아서 연삭소착, 연삭 균열 등이 생기기 쉬우므로 결합도가 낮은 숫돌을 쓰는 것이 바람직하나 숫돌의 마모가 문제시 되는 고정밀도의 기어나 잇수가 많은 기어에 대해서는 연삭 조건을 다소 희생하더라도 약간 굳은 것을 사용한다.