[논문]스퍼기어의 제조공정에 따른 치수변화와 잔류응력에 관한 연구 -냉간 단조기어와 기계가공기어 비교-

권용철; 이정환; 이춘만; 이영선

doi:10.5228/kspp.2007.16.8.575

스퍼기어의 제조공정에 따른 치수변화와 잔류응력에 관한 연구 -냉간 단조기어와 기계가공기어 비교-
Dimensional Changes and Residual Stress of Spur Gear According to the Manufacturing Processes -Comparison of Cold Forging Part with Machining Part- 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.16 no.8 = no.98, 2007년, pp.575 - 581

권용철 (한국기계연구원 부설 재료 연구소 융합공정연구부) , 이정환 (한국기계연구원 부설 재료 연구소 융합공정연구부) , 이춘만 (창원대학교 기계설계공학과) , 이영선 (한국기계연구원 부설 재료 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The high dimensional accuracy of the cold forged part could be acquired by the accurate dimensional modification for the die, which is, the dimensional changes from the die through forged part to final part after heat treatment were considered. The experimental and FEM analysis are performed to investigate the dimensional changes from the die to final part on cold forged part, comparing with the machined gear. The dimension of forged part is compared with the die dimension at each stage, such as, machined die, cold forged part, and heat-treated-part. The elastic characteristics and thermal influences on forging stage are analyzed numerically by the $DEFORM-3D^{TM}$. The analyzed residual stress of forged part is considered into the FE-analysis for heat treatment using the $DEFORM-HT^{TM}$. The effects of residual stress affected into the dimensional changes could be investigated by the FEA. Each residual stress of gears was measured practically by laser beam type measurement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

차원 측정기를 이용하였다. 또한, 단조 공정과 기계 가공 공정을 거치는 동안과 열처리 공정을 거치는 동안에 기어 치형의 잔류 응력을 회절분석기 X-ray 로 측정하여 공정간에 발생되고 소멸되는 응력변화를 고찰하고 치수변화에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 냉간 단조 스퍼기어의 치수 정밀도 향상을 위해 단조 공정 동안에 금형에서부터 기계 가공품과 최종 단조 제품까지 치수 변화를 실험과 유한요소해석을 통해 정량적 분석을 수행하였다. 사용된 스퍼기어는 모듈 1.
금형 치수에 고려되어야 한다. 이상의 치수 변화들은 실험과 유한요소해석을 통해 정량적으로 분석되어야 하기 때문에, 본 연구에서는 압출형 스퍼 기어에 대한 실험과 해석을 병행하여 탄성 변형과 열 변형에 대한 정량적 연구를 수행하였다. 또한, 단조품에 대한 분석과 함께 기계 가공품에 대한 분석도 수행함으로써 열처리 변형에 대한 FEM 해석 결과에 대한 신뢰성 향상을 도모하였다.

가설 설정

본 연구에서는 Table 3 에서 보는 것과 같이 금형과 소재의 치형 변화를 해석하기 위하여 금형은 탄성체(Elastic)고, 소재는 탄소성체(Elasto-Plastic)로 가정하여 유한요소해석을 수행하였다.

제안 방법

냉간 단조로 스퍼 기어를 성형하는 방법으로는 압줄형(Extrusion Type) 에 의한 방법과 단조형 (Upsetting Type)에 의한 방법이 있는데, 본 연구에서는 상대적으로 낮은 성형 하중과 높은 금형 수명의 단조 및 열처리의 장점이 있는 압출형에 의한 기어 성형에 대하여 분석하였다.
또한 각 금형의 부품별 열 박음 해석 후 전공정의 가압-제하-취출까지의 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. 또한, 냉간단조 시 발생되는 변형열에 의한 치수 변화 역시 분석하기 위해 비등온해석을 이용하였다.
또한 각 단계별 치형의 정밀치수는 접촉식 3 차 원즉정기 (Contact Coordinate Measuring Machines)을 사용하여 측정하였다. 냉간 단조 기어의 치수 변화와 정밀도에 영향을 미치는 잔류 응력의 효과는 유한 요소해석에 의해 정량적으로 분석하였다 Fig.
최근들어, 정량적인 연구를 위해 Lee 등이 단조 공정 시 금형과 단조품의 인볼류트 곡선의 변화를 연구하였다[7~8]. 또한 단순한 압축모델 (Upsetting Model)을 사용해서 열처리 후 제품의 변형을 연구하였다[9].
또한 각 금형의 부품별 열 박음 해석 후 전공정의 가압-제하-취출까지의 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. 또한, 냉간단조 시 발생되는 변형열에 의한 치수 변화 역시 분석하기 위해 비등온해석을 이용하였다. Fig.
또한, 실제 공정과 똑 같은 조건을 유한요소해석에 적용시키기 위해 냉간 단조 공정 시 발생하는 열 영향을 해석 시 적용 하였으며, 해석 결과 초기 단조품의 온도 20℃에서 단조품의 최종 온도는 취출 후 130℃에 이르렀다(Fig. 5). 유한요소해석에서 단조 전 공정 동안의 마찰계수는 0.
또한, 금형 역시 최대 80℃ 이상까지 상승 된 후 하강함을 확인할 수 있다. 스퍼 기어는 회전 대칭 이기 때문에 해석 시간 과 계산 시간을 줄이기 위하여 치형 1개의 1/2모델을 사용하여 3D 유한요소해석을 수행하였다. 탄소성 유한요소해석에 사용된 금형과 소재의 요소 수는 Fig.
열처리 공정시 치수 변화 측정을 위해 접촉식 3 차원 측정기를 이용하였다. 또한, 단조 공정과 기계 가공 공정을 거치는 동안과 열처리 공정을 거치는 동안에 기어 치형의 잔류 응력을 회절분석기 X-ray 로 측정하여 공정간에 발생되고 소멸되는 응력변화를 고찰하고 치수변화에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
5). 유한요소해석에서 단조 전 공정 동안의 마찰계수는 0.1 로하여 해석을 수행하였다.
기어의 피치원은 기어 구동시에 가장 중요한 위치이다. 인볼류트 곡선의 변화는 피치원 직경을 중심으로 상부 2곳과 하부 1곳에서 비교 . 분석하였다.

대상 데이터

밀폐형 단조로서 금형은 초경 인써트 (WC)에 SKD61 종 보강링 소재가 사용 되었으며, 단조용 소재는 침탄 기어용 소재로 많이 사용되고 있는 SCM420H(AISI 5120)를 구상화 소둔 처리 후 인산염 피막 처리한 링 소재가 사용 되었다. Fig.
본 연구에 사용한 스퍼 기어는 한국 공업 규격 KS B 1045에 규정된 스퍼 기어 제원을 사용하였다. 밀폐형 단조로서 금형은 초경 인써트 (WC)에 SKD61 종 보강링 소재가 사용 되었으며, 단조용 소재는 침탄 기어용 소재로 많이 사용되고 있는 SCM420H(AISI 5120)를 구상화 소둔 처리 후 인산염 피막 처리한 링 소재가 사용 되었다.
사용된 스퍼기어는 모듈 1.75, 잇수 15, 압력각 20°, 피치 지름 26.25mm 등으로 제원은 Table 1과 같다.
스퍼 기어는 회전 대칭 이기 때문에 해석 시간 과 계산 시간을 줄이기 위하여 치형 1개의 1/2모델을 사용하여 3D 유한요소해석을 수행하였다. 탄소성 유한요소해석에 사용된 금형과 소재의 요소 수는 Fig. 5와 같이 금형의 초경 부위는 67626개, 보강링은 25130개, 소재는 30000개의 요소수를 사용하였다.

이론/모형

탄소성 유한요소해석에서 사용한 금형은 예압 (Pre-stress)이 가해지는 상태이기 때문에 금형의 각 부위별로 열박음(Shrink-fitting)을 통하여 최종적인 기계 가공을 한 금형을 해석에 사용하였다[10]. 또한 각 금형의 부품별 열 박음 해석 후 전공정의 가압-제하-취출까지의 탄소성 유한요소해석을 수행하였다.

성능/효과

(2) 열처리 공정 동안의 치수변화는 단조품은 30~60㎛, 기 계 가공품은 50~60㎛로서 단조기어 보다 기계가 공기 어가 열변형의 편차가20㎛더 크게 발생 되었다.
(3) 기계가공기어의 열처리 치수 크기가 단조 기어에 비해 큰 변형을 보여주고 있는 이유는 잔류응력의 변화량에서 분석 할 수 있다.
6 는 전체 단조 공정 동안 실제 단조품 측정값과 유한요소해석 결과의 인볼류트 곡선의 변화를 나타내고 있다. 금형과 단조품 사이에 차이는 실제 실험 결과에서 약 12㎛로, 유한요소해석에 의해 예측한 치수가 실 단조품보다 5㎛정도 크게 측정되었다. 유한요소해석 결과를 보면 가압(Loading) 시 금형의 팽창과 더불어 단조품도 같은 크기로 3㎛ 팽창되며, 제하(Unloading)공정 후 10㎛ 수축된 후 취출(Ejecting) 후 10/zm 탄성회복이 나타남을 알 수 있다.
해석에 사용된 물성치는 참고문헌 [11]에 기술된 동일한 값을 이용하였다. 기계 가공기 어의 경우에 열처리 전, 후 잔류응력의 차이는 단조 기어보다 더 크게 측정되었다. 그러므로 기계 가공 기어에서 치수의 변화는 단조 기어 보다 20㎛ 크게 나타나고 있는데 이는 열처리 공정 동안에 기계가공 기어의 경우에300Mpa 이상의 응력변화가 발생화고 있기 때문으로 판단된다.
9에서 보여 진 것처럼 100~ 150[Mpa]으로 동일한 수준을 나타내고 있다. 또한 유한요소해석 프로그램인 DEFORMTM-HT를 이용하여 열처리 공정 후 잔류 응력을 분석한 결과 Fig. 10과 같이 퀜칭 (Quenching)시 일정 시간(25~30sec)부터는 단조 기어와 기계 가공 기어 모두 일정한 압축 잔류응력이 계산되었다. 해석에 사용된 물성치는 참고문헌 [11]에 기술된 동일한 값을 이용하였다.
이상의 치수 변화들은 실험과 유한요소해석을 통해 정량적으로 분석되어야 하기 때문에, 본 연구에서는 압출형 스퍼 기어에 대한 실험과 해석을 병행하여 탄성 변형과 열 변형에 대한 정량적 연구를 수행하였다. 또한, 단조품에 대한 분석과 함께 기계 가공품에 대한 분석도 수행함으로써 열처리 변형에 대한 FEM 해석 결과에 대한 신뢰성 향상을 도모하였다. 이상의 결과를 정리하면 다음과 같다.
6%의 탄성변형 이 발생되고 있다. 또한, 유한요소해석에서 계산된 단조 공정 동안의 치수변화는 각각 가압 시 30㎛ 팽창, 제하 시 10/ffli 수축, 취출 시 10㎛수축이 발생 되어 결국 10㎛의 탄성 팽창이 발생되는 것으로 예측되었다.
Table 2는 화학 조성을 나타내고 있다. 본 실험에 사용된 소재의 물성치를 분석하기위해 인장실험을 수행한 결과 항복강도는 805.64[Mpa], 가공경화지수는 0.2로 즉정되었다.
금형과 단조품 사이에 차이는 실제 실험 결과에서 약 12㎛로, 유한요소해석에 의해 예측한 치수가 실 단조품보다 5㎛정도 크게 측정되었다. 유한요소해석 결과를 보면 가압(Loading) 시 금형의 팽창과 더불어 단조품도 같은 크기로 3㎛ 팽창되며, 제하(Unloading)공정 후 10㎛ 수축된 후 취출(Ejecting) 후 10/zm 탄성회복이 나타남을 알 수 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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상세보기
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Y. S. Lee, J. H. Lee, Y. N. Kwon, J. R. Cho, T.Ishikawa, 2005, Analysis of the dimensional changes from the die machining to final heat-treatment for cold forging, Proceeding of ICTP2005
Y. S. Lee, Y. N. Kwon, J.H.Lee, T. Ishikawa, 2006, Experimental and finite element analysis to predict the dimensional changes of a cold-forged spur gear, Proc. IMechE Vol. 220, pp. 1051-1057
J. R. Cho, W. J. Kang, M. G. Kim, J. H. Lee, Y. S. Lee, W. B. Bae, 2004, Distortions induced by heat treatment of automotive bevel gears, J. of Materials Processing Technology Vol. 153-154, pp. 476-481

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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