[논문]장구형 웜 나사의 절삭 엔드밀 공구 형상에 따른 치형 정밀도 분석

강신준; 김용환

doi:10.5228/kstp.2019.28.4.183

장구형 웜 나사의 절삭 엔드밀 공구 형상에 따른 치형 정밀도 분석
Analysis of Tooth Profile Accuracy of Enveloping Worm Thread Depending on End Mill Tool Shape 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.28 no.4, 2019년, pp.183 - 189

강신준 (영신금속공업(주) 기술연구소) , 김용환

Abstract ▼ AI-Helper

Cylindrical worm reducers are generally used in various fields and forms throughout the industry, and demand is increasing due to their role as an integral part of the industry. Market trends require high-load, high-precision components, and small-sized reducers with large loads. When using a cylindrical worm reducer, a reducer designed with a reduced center distance while maintaining the same output torque results in gear wear. To overcome this difficulty, an enveloping worm gear reducer is introduced and studied. In this paper, three types of end mill tools are used to evaluate the tooth profile accuracy for each tool shape during machining of the tooth profile for a non-developed surface worm thread. The effect of the endmill shape on the accuracy of the tooth profile was analyzed by performing 3D modeling of the surrounding worm tooth profile based on the Hindley method. In this study, we analyzed tooth profile accuracy, tooth surface roughness, and tooth surface machining time, etc. Through the study, efficient machining conditions for the enveloping worm gears and the influence of parameters on the process were presented.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Worm generation
그림 Fig. 2 Coordinate systems applied for worm generation
그림 Fig. 3 Blade representation
그림 Fig. 4 3D modeling of enveloping worm
표 Table 1 Major parameter of the enveloping worm
그림 Fig. 5 Simultaneous 5-axis Turn-Mill machine
그림 Fig. 6 End mill shape (a) Flat, (b) Corner R, and (c) Ball
그림 Fig. 7 Flat end mill process
표 Table 2 Milling condition of the end mill
그림 Fig. 8 Corner R end mill process
그림 Fig. 9 Ball end mill process
그림 Fig. 10 Tooth flank measuring point
그림 Fig. 11 Tooth flank precision in ZY(+) direction
그림 Fig. 12 Tooth flank precision in ZY(-) direction
표 Table 3 Average deviation of measuring point
표 Table 4 Surface roughness and Machining time

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 복잡한 형상인 Hindley 방식의 장구형 웜 치형 설계와 설계된 치형의 모델링을 구현하고, 밀링 커터를 대신한 엔드밀 공구를 사용하여 절삭공구의 형상에 따른 웜 치형의 가공정 밀도에 대한 영향을 조사 분석하였다.

가설 설정

공구의 회전축과 장구형 웜 사이의 최단 거리는 E_c이다. 웜치면 생성 과정에서 공구 절삭날의 직선들은 반지름 R₀의 원에 대한 접선 방향을 유지한다. Fig.

제안 방법

3D 모델링과 가공품에 대한 유효성을 검증하기 위하여 3차원 형상 측정 장비(CMM)를 활용하여 가공품을 측정하였다. 일반적으로 기어의 치형을 측정하는 경우에는 기어 측정용 전용 소프트웨어를 사용하여 피치, 유효지름, 바깥지름, 기어 높이 등을 측정하지만, 장구형 웜은 기어의 치형이 표준화되어 있지 않기 때문에 전용 소프트웨어를 사용할 수 없다.
공구축인 B축 각도가 90°, 이송량이 2,000 mm/min, 절입량이 0.07 mm의 일정한 값으로 고정된 상태에서 유연하고 연속적인 치면을 가공하기 위하여 C축이 미세하게 회전을 진행하면 B축에 장착된 엔드밀 공구가 Z축의 입구측에서 출구측으로 가공을 진행 한다. 이러한 과정을 동일한 절입량으로 골밑까지 수 회 진행하면 오른쪽 치면이 완성된다.
일반적으로 기어의 치형을 측정하는 경우에는 기어 측정용 전용 소프트웨어를 사용하여 피치, 유효지름, 바깥지름, 기어 높이 등을 측정하지만, 장구형 웜은 기어의 치형이 표준화되어 있지 않기 때문에 전용 소프트웨어를 사용할 수 없다. 따라서 Fig 10과 같이 3D 모델링과 가공품의 상대 비교를 위해 측정포인트를 지정하여 웜나사 치형의 형상 정밀도를 측정하였다.
본 연구에서는 Hindley 방식의 장구형 웜 나사 가공을 위해 3종류의 엔드밀 형상에 따른 치형 정밀도, 치형 조도 및 가공시간에 대한 평가를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
10과 같이 웜나사의 앞면인 ZY(+) 방향에서 12개지점과 뒷면의 ZY(-) 방향에서 12개 지점을 지정하 였다. 엔드밀 공구에 따른 치형 정밀도의 범위는 3D 모델링의 X_1i, Y_1i, Z_1i 좌표를 기준점으로 하고, 3차원측 정기로 모델링과 동일한 지점을 측정한 X_2i, Y_2i, Z_2i의 좌표와의 편차(㎛)를 측정하였다.

대상 데이터

가공하는 웜의 재질은 합금강이고, 조질 열처리한 심부 경도는 HRC 34 이다. 또한 가공하는 공작물(작업좌표계)의 원점을 설정하기 위하여 800 rpm으로 회전하는 슈퍼 센터를 사용하여 공작물의 원점을 셋팅하였다.

성능/효과

(1) 장구형 웜 나사 가공에서 절삭공구에 따른 가공 정밀도는 코너 레디우스 엔드밀이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
(2) 웜나사 치형의 정밀도는 코너 레디우스 엔드 밀을 사용할 경우 모델링치수와 장구형 웜나사 가공품과의 편차가 가장 작은 것을 확인하였다.
(3) 치면의 조도는 볼 엔드밀의 경우가 우수하고, 가공시간은 평 엔드밀을 사용할 경우가 가장 짧은 것으로 나타내었다.
(4) 코너 레디우스 엔드밀은 장구형 웜이 필요로 하는 표면 거칠기 Rmax 기준으로 1.6 ㎛ 이하의 가공 데이터를 나타내었다.
(5) 코너 레디우스 엔드밀의 1 cycle에 대한 툴패스 가공 시간은 볼 엔드밀에 비해 약 8 % 정도 빠른 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

장구형 웜은 접촉선이 2개이면서 웜과 기어가 3개이상 맞물리는 치형으로 웜의 치면 형상이 복잡하고 치형 정밀도가 중요하다. 따라서 절삭방법과 절삭공구 종류에 따라 치형의 형상정밀도, 표면조도 등에 미치는 영향에 대한 조사 분석이 요구된다.
장구형 웜은 2개의 접촉선과 웜과 기어가 3개 이상 맞물리는 매우 복잡한 웜 치 형상으로 치 간격을 정밀하게 가공해야 한다. 이에 5축 턴-밀을 이용한 다축 가공에서는 절삭공구의 형상에 따라 공작물의 윤곽가공에 많은 영향을 미치기 때문에 엔드밀의 형상에 따른 가공정밀도에 미치는 영향을 조사/분석에 대한 연구가 요구된다[7].
향후 코너 레디우스 엔드밀로 가공한 장구형 웜에 대한 치형의 접촉면과 피치오차 등을 평가하기 위해 장구형 웜 감속기에 대한 기어 피팅시험을 실시함으로써 산업현장의 적용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장구형 웜의 치형 정밀도를 높히기 위해 어떤 연구를 해야하는가?	장구형 웜은 접촉선이 2개이면서 웜과 기어가 3개 이상 맞물리는 치형으로 웜의 치면 형상이 복잡하고 치형 정밀도가 중요하다. 따라서 절삭방법과 절삭공구 종류에 따라 치형의 형상정밀도, 표면조도 등에 미치는 영향에 대한 조사 분석이 요구된다.
	기어란?	기계공업을 고도화, 다기능화, 정밀화하는데 있어서 중요한 기계요소의 하나인 기어는 효율적인 동력전달 부품의 기계요소로서 거의 모든 기계에 사용되고 그 수요가 매우 다양하고 응용 범위가 높다. 그 중에서도 웜기어는 한 번의 감속으로 높은 감속비를 얻을 수 있고 큰 동력을 전달할 수 있으며, 소음이 적기 때문에 여러 분야에서 광범위하게 이용되고 있다.
	웜기어의 종류는 무엇이 있는가?	웜기어의 종류에는 원통형 웜과 장구형 웜으로 분류되는데, 원통형 웜기어는 구동 웜과 종동 기어가 접촉하는 것으로 기어 치의 1~2개 정도만이 웜과 맞물리지만 장구형 웜기어는 기어비에 따라 일반적으로 3개 이상 맞물린다. 웜과 맞물리는 기어 치가 증가하고 각 기어 치의 맞물림 면적이 증가하면서 동력 전달 토크 용량을 크게 증가시키고 충격 부하 저항을 증가 시킨다.

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