[논문]배압성형을 이용한 냉간단조 헬리컬 기어의 치수정밀도 향상에 관한 연구

김홍석; 정현철; 이영선; 강성훈; 이일환; 최석탁

배압성형을 이용한 냉간단조 헬리컬 기어의 치수정밀도 향상에 관한 연구
A Study on Improvement of Dimensional Accuracy of Cold forged Helical Gears using Back Pressure Forming 원문보기

김홍석 (대구대학교 자동차.산업.기계공학부) , 정현철 (대구대학교 자동차.산업.기계공학부) , 이영선 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 강성훈 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 이일환 ((주)티에이케이) , 최석탁 ((주)티에이케이)

As important mechanical elements, gears have been used widely in power transferring systems such as automobile transmission and there have been several researches trying to make gear parts with cold or warm forging in order to reduce cost and time required to gear manufacturing process. Although forging processes of spur and bevel gears have been developed as practical level owing to active previous researches in Korea, the manufacturing of helical gear has been still depended on traditional gear cutting processes such as hobbing, deburring and shaving. In order to manufacture helical gears with cold forging process, a research project supported by government has been conducted by Daegu university, KIMS and TAK and this paper deals with effects of back pressure forming technique to cold forging of helical gear as a fundamental research.

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문제 정의

압출형 기어성형법은 펀치와 다이의 회전이 요구되지 않기 때문에 업세팅 방식에 비해 장비 구성이 용이하지만 소재의 유동을 적절하게 제어하지 못하면 요구되는 치형 정밀도를 확보할 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 배압성형기술(Back Pressure Forming)[3]의 적용을 통하여 치형 정밀도를 향상시키고자 하며, 본 논문에서는 이러한 연구의 기초로서 CAE 해석을 통하여 배압력의 적용이 헬리컬 기어의 치형 정밀도에 미치는 효과를 고찰하고자 한다.
그러나 헬리컬기어의 경우 스퍼기어나 베벨기어와는 달리 대칭해석이 어렵기 때문에 성형공정의 3차원 해석에는 상당한 시간이 소요된다[4]. 따라서, 본 연구에서는 압출공정에서 배압성형의 효과 분석 및 배압 조건의 설정을 위하여 Fig. 1에 나타낸 바와 같은 해석 모델과 조건으로 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 헬리컬 기어의 압출형 냉간단조 공정 개발을 위한 기초로서 배압성형법이 헬 리컬 기어의 성형에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 직경 30mm 이하의 비교적 소구경 헬리컬 기어의 냉간단조성형을 최종 목표로 하며, 이를 위하여 전방압출 형태의 성형 방식을 적용하고자 한다. 압출형 기어성형법은 펀치와 다이의 회전이 요구되지 않기 때문에 업세팅 방식에 비해 장비 구성이 용이하지만 소재의 유동을 적절하게 제어하지 못하면 요구되는 치형 정밀도를 확보할 수 없다.

제안 방법

10%부터 5。%까지 10% 단위로 변화시켜가며 해석을 수행하였다.
8 ton으로서 2차원 단순모델 결과를 고려하면 5 〜 20 ton 정도의 배압이 고려 가능한 것으로 판단되었다. 따라서 배압 펀치에 작용하는 하중을 5, 10, 15, 20 ton으로 설정하여 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

435mm로 구성되는 9개의 기어치가가 26。의 헬리컬 각도를 이루며 오른손 방향으로 회전한다. 초기소재의 지름은 27mm이며, 전절에서와 같이 마찰계수 0.1 의 조건에서 SCM415를 소재로 사용하였다.

성능/효과

(1) 전방압출 형태의 성형공정에서 성형 후 소재에 배압력을 가할 경우 압출 금형의 성형부에서 반경방향의 응력이 증가하여 소재의 채움 성이 향상될 수 있다.
(2) 배압력이 너무 클 경우 성형 후 기어 부위에 횡방향 변형이 증가하여 형상 정밀도가 떨어질 수 있다.
그러나, 배압력이 커질수록 금형에 작용하는 응력이 증가하기 때문에 금형의 수명에는 불리한 조건으로 작용될 것으로 판단된다. 또한, 성형 후 압출 부위의 직경이 배압력 20%와 50%의 경우 각각 최대 0.06mm와 0.18mm 증가하는 것을 관찰할 수 있는데, 기어 금형의 경우 배압력이 클수록 치형의 소재 채움은 향상되지만 금형 수명과 제품 정밀도의 측면에서 적절한 배압력의 설정이 요구됨을 확인할 수 있었다.
배압 미적용 시 CAE 해석을 통하여 얻은 성형 하중은 약 56.8 ton으로서 2차원 단순모델 결과를 고려하면 5 〜 20 ton 정도의 배압이 고려 가능한 것으로 판단되었다. 따라서 배압 펀치에 작용하는 하중을 5, 10, 15, 20 ton으로 설정하여 해석을 수행하였다.
4에 나타내었다. 외관상 금형면을 따라 헬리컬 기어가 원활하게 성 형된 것처럼 보이지만 압출 후 성형 단부에서 소재의 채움이 충분치 않음을 확인할 수 있었으며, 압출형 금형을 통과한 후에는 유효응력이 거의 발생하지 않고 있음을 알 수 있었다.
3에는 반경방향 응력분포를 나타내었는데, 배압력이 증가할수록 압출부위의 압축응력이 증가하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 이러한 경향을 통하여 성형품의 길이 방향으로 작용되는배압력에 의해 반경 방향으로의 소재 유동이 유발되고 있으며, 기어 금형의 경우 배압성형에 의해 치형 부위의 소재 채움이 향상될 수 있음을 유추할 수 있었다. 그러나, 배압력이 커질수록 금형에 작용하는 응력이 증가하기 때문에 금형의 수명에는 불리한 조건으로 작용될 것으로 판단된다.
그림에 나타낸 바와 같이 배압력을 가하지 않았을 경우 압출 성형된 부위에는 별도의 응력이 발생하지 않지만 배압력이 커질수록 배압 펀치에 의해 높은 응력이 발생하고 있음을 알 수 있었다. 한편, 그림에 나타내지 않은 배압력 10% 와 30%, 40%의 경우에도 배압력이 증가할 수록 압출 금형을 벗어난 성형부위의 유효응력이 커짐을 확인할 수 있었다.

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