웜기어문제

[이만성]

20대부터 시작한 가대제작에 쉬운듯하면서 어렵고 머리를 아프게 했던 것이 웜기어 문제였습니다. 정밀한 웜기어를 제작한다는

것은 한계효용체감의 법칙이 따르므로 90년대부터는 디스크드라이브로 바꾸었어요. 이부분에 대해서는 망원경 제작강좌에

수록되어 있으니 참고하세요.
다만 웜기어는 주변의 필요에 의해서 어느정도 극복하여(?) MC 시리즈를 통해 이웃나라에도 판매도 하였기에 핵심이 되는

웜기어부분만 올리겠습니다. 웜기어의 전동효율(동력전달효율)은 스퍼기어의 98~99.5%에 비해 30~90%(평균 60%)로 낮아요.

평기어의 물림은 대부분 회전이고 미끄럼이 적으나 웜기어는 미끄럼에 의해 회전하여 동력전달이 되므로 마찰의 영향이 크므로 

동력전달 효율이 나빠지게 됩니다. 그러나 치면의 진행각이 적을 경우 웜휠로 웜을 회전할 수 없는 역전방지가 가능하다는

장점이 있어요.

미끄럼접촉이 원활히 이루어지지않으면 피리어딕에러(PE)가 생겨 관측이나 사진촬영에 영 밥맛이 않나요. 이젠 오토가이더

라는 분이 있으니 상당부분 해결해주겠지만 그래도 바탕이 어느정도는 되어야 하겠기에 MC 시리즈 설계시 잔머릴 굴렸어요.

(1) Matching 
  1) 이 용어는 정식용어는 아닙니다.  제가편의상 붙인 용어인데 PE 원인을 분석하다보니 웜휠과 웜나사가 밀착되어 미끄러지면서

      동전하기에 밀착이 완벽하여야 하는데 가공상 두 부품이 각자 가공되므로 100%기대할 수 없다는데 착안한 것입니다.

      즉, 웜휠을 호빙하는데도 호브(hob)를 약간 틀어서 하고 새롭게 만들어진 진입각에 맞추어 웜나사를  가공하여 밀착시키는데,

     또 한번 변수가 생깁니다. 베어링위에 웜휠을 수평으로 결합하니 웜휠센터 역시 계산상의 센터일뿐 정확한 센터는 아닙니다.

     베어링을 잡아당기는 로크너트의 힘에 따라 유막의 두께에 달라지지요. 또한 Disc Spring에서 설명했던 웜나사의 높이의 변수

     까지 겹치면 기준점이 흐트러집니다. 
       
     기어공장에서 많이 사용하는 범용호브입니다. 커터날의 배열이 나사형태/ 와셔형태 두 종류가 있어요. 호빙기의 대부분은 이

     호브를 아머에 걸어 진입각을 맞추려는지 비스듬하게 장착해요. 장착 형태의 차이와 이유를 현장에서 물어보아도, 자료를

     검색해보아도 명확한 설명이 없어요. 기술자들은 다른 소리만 하여, 웜기어에 대해서 글을 올린다는 게 여간 부담스러운 게

     아닙니다. 나름대로 어께너머로  터득한 것을 아는 범위에서 알려드리는 것이니 훗날 좀더 깊이 연구하신분이 계시거든

     가필이나 댓글을 달아주세요. 
      
     Matching의 기법은 래핑의 일종이기도 합니다. 웜휠의 1차 호빙(hobbing)은 기어공장에서 해옵니다. 웜나사는 동시(당일에,

     같은기계로, 같은작업자가)에  두 개를 만들어요. 하나는 사용될 웜나사용 나머지 하나는 2차 호빙 호브용입니다.  실제로는

     웜나사 6개를 만들어 5개는 웜나사용으로 1개는 2차호빙용으로 사용합니다. 
      
      사진은 사용했던 웜나사 사진입니다. 위쪽은 웜나사용이고 아래는 2차 호빙용입니다. 재질은 SCM 415강입니다.

      크롬몰리브덴강이지요.  

  2) 웜나사 치면연마 + 원통연마
      웜나사 열처리 후 웜나사 두 개를 치면연마를 하고 그 상태(척에 물린상태)에서 나사부분/ 베어링부분 연마도 해주어야

      합니다. 그런데 후자 원통 연마에 대해서는 기어공장에서 수용치 않더라구요. 말도 되지않는다는 것이지요. 치면 연마만하면

      되었지  원통연마는 필요없다는 것이지요. 맞는 말입니다. 그러나 현실은 그렇지 않아요. 원래 웜나사는 재료를 가공척에 물린

      상태에서 나사만들기 베어링자리 센터자리가공 치면연마 이 모든게 척에 한번 물린상태에서 이루어져야 편심이 되지 않는데

      이렇게 해주는 곳이 없어요. 설비도 비싸거니와 수지타산이 맞지 않는다는 것이지요. 인터넷에 나오는 웜나사가공 동영상은

      꿈속에서나 볼 수 있는 가공방식입니다. 이렇게 해주는 곳은 없어요. 수천개를 하면 몰라도 소량은 불가능합니다.
      현실은 재료를 척에 물리기를 적어도 3~4회 거치므로 편심이 생길 수밖에 없어요. 그러니 믿지못하고 원통연마를 해달라는

      것이지요. 가공자 입장에서는 펄펄뛸수밖에....
      이점을 설명하고 부탁해도 가공기계 구조상 어쩔수 없대요. 이렇게 원통 연마를 한들 완전치는 않아요. 하지 않은것보담 조금

      개선이 될뿐... 더러는 CNC로 하기도 한다 하지만 들은 이야기일뿐이고 웜나사에 국한된 이야기입니다.

  3) 2차 호빙
    - 2차 호빙하기 전에 웜나사하나는 측면을 90도 간격으로 성형연마기로 4곳을 15°로 홈을 파내어 호브를 만듭니다. 오리지날

      호브형태로 만들 수는 없어요. 호브는 한방향으로 날이 서있는데(탭처럼) 2차호빙은 두 방향으로 래핑 전단계로 하는

      작업이므로 날카롭게 할 수 없네요. 이 부분에 대해서 불만을 갖는 분이 더러 있어요. 너무 느리다는 이야기이지요. 홈은 깊이

       2mm x 폭 3mm로합니다.  너무 심하게 깎이어 본바탕을 상하게하지는 않을까하는 노파심에서 얕게한 것인데 사실 답답한

      면도 있어요. 
          
    - 웜나사하우징에 호빙용 웜나사를 끼우고 수동손잡이로 웜나사를 돌려 웜휠이 우측으로 2~3 회전 좌측으로 2~3회전하도록

       합니다.(필히 절삭유 추가) 회전이 바뀔 때는 웜나사밀대를 밀어줍니다. 금가루 같이 깎여 나와요. 반드시 손으로 회전하세요. 

       전동으로하면 절삭면이 거칠어집니다. 이렇게 하면 높이의 편차 등 밀착부분의 편차가 어느정도 사라져요. 물론 웜사나의

       편심이 약간 있을 경우 웜나사를 1회전할 때 특정위치에서 촉감이 뻑뻑해요. 웜휠의 편심(조립문제이건 가공문제이건)

       있으면 웜휠이 1회전할 때 특정위치에서 촉감이 뻑뻑하거나 헐렁해요. 이것이 만족스러울때까지 돌리세요. 1대를 만들때는

       밤새돌리고 여러대 만들때는 각종 기준치와 타협하시고...   
    - 만족스러운 촉감을 얻으면 웜휠과 웜나사를 분해하여 신너에 담구어 세척하세요. 

(2) Lapping
    - Matching과 다른 것은 사용할 정상적인 웜나사로 교체하는 것뿐입니다. 래핑에 대해선 대해서는 망원경 제작강좌에

      수록되어 있는 요령과 동일합니다. 다시한번 요약하면 2000번 연마재에 모빌유(자동차엔진오일 남은 것을 주로 사용합니다)

      를 섞어 래핑유로 사용하시거나, 20000번 다이어먼드 패이스트를 혼합하여 사용하십시오.
    - 래핑후 세척해야 합니다. 래핑후 분해하기 아까우면(?) 세척 신너가 흘러가도록 하여 말린 후 구리스를 발라 사용하세요.

       다소간의 래핑유가 남아 있어도 괜찮을 듯해요. 70년대 중반 Y대 옥상에 있는 망원경 가대의 웜기어부분을 보니 구리스에

       연마재가 아주 섞여있더라구요. 
    - MC시리즈 초창기 일본으로 수출하였는데 중간역할 하던분이 가대별로 여러 테스트후  PE가 평균 2.5초각이라 하였습니다.

       그때 여러자료를 보내왔는데 그 중 제 수중에 있는 것은 아래 사진 뿐입니다. 테스트목적으로 찍은 사진인듯합니다. 
           
       MC-300에 다카하시 뮤론 10인치를 장착하고 테스트 촬영하였다했어요.

 (3) ATM 방식
    - Primitive worm gear hobbing (+ 선반척)
      Youtube를 검색해보면 이 방식이 자주 나와요. 비용도 얼마들지 않아 한번쯤 구미가 당기는 방식입니다. 일반탭을 웜휠에

      나사를 Cutting툴로 사용합니다. 주로 M10/ M12를 많이 사용합니다. 웜나사로 M10/ M12 전산볼트를 잘라 사용합니다.
      그런데 M10/ M12 전산볼트는 보통 사용하는 나사로서 UTS (Unified Thread Standard) 나사입니다. UTS 볼트 즉, 일반

      볼트는 나사산과 골짜기가 이루는 각도가 60°입니다. 
      본래의 웜기어에 사용하는 나사는 ACME(애크미)나사 혹은 사다리꼴나사라고 하는데 나사산과 골짜기가 이루는 각도가 29°

      입니다. 그래서 UTS 나사로 만든 웜기어는 오래 사용할 수 없어요. 빨리 뭉개지는 단점이 있지만 해볼만합니다. 대신 웜나사

      베어링자리 가공을 잘하시고 편심을 각오해야 하니 웜나사를 스프링 텐션을 주어 밀어주세요.  
           ACME 나사)
         UTS 나사 

         동일치수로 볼트 비교표

         29° 60°라는 각도만으로는 비교치가 실감이 나지 않을듯하여 동일치수로 그렸습니다. 외경은 20㎜입니다. 4㎜볼트라고는

             하지만 치수를 측정해보면 3.8㎜근처인 것은 UTS나사 그림에서 보듯이 머리 점선부분이 사라집니다. 참고하세요. 

 
             
          미안합니다. 잠시 애크미로 빠졌어요.  사진에서 보듯이 일자형탭을 사용하는 구닥다리방법입니다. 제목에도 있듯이

          Primitive입니다. 지금처럼 호빙머신이 발달되지 않았던 시절에 맥가이버 기법인듯합니다. 동영상으로 보면 매우

          흥미로워요. 호빙 머신을 사용치 않을 때 사용하는 홈파기 (Gashing) 과정이 없어요. 정밀도가 다소 떨어지더라도 간단한

          감속장치용으로 해볼만하겠어요. 웜휠 재료는 황동입니다. 물론 웜은 일반 UTS 나사로 만듭니다. 
           
           스파이럴탭(기계탭) 사용하는분도 있군요.

    - Worm Wheel Free Hobbing
      위의 방법보다 개량된 타입인데 1998년9월 Chris Heapy가 Telescope Making 지에 소개했던 내용인데 저에게 많은 것을

      깨우치게한 기사였어요. 이찌보면 위에서 설명한 Matching + Lapping 방법의 원조입니다. 전용커터(간이호브)와 웜기어를

      한라인에서 동일한 환봉으로(주로 Silver steel) 가공하여 하나는 웜휠로 사용하고 다른 하나는 Cutting Tool로 사용합니다.

      제가 제시한 방법과 차이점은 저는 전용호브를 제작하여 호빙기에 물려 웜휠을 가공하였고, Worm Wheel Free Hobbing 방법은

      일반 선반에서 작업했기에 별도의 Gashing(홈파기)라는 절차를 거쳐야 했어요. 이 방법은 작업장에 선반이 있는 경우에 한 두

      개  제작하는 경우이고,  (1)에서 소개한 것은 선반없이  오형제만 있고 다량으로 제작하며 손 않대고 코풀기 방식이었습니다.

      Free Hobbing 순서는

      ① ∅20mm 부근의 Carbon Steel 환봉으로 웜나사 2개 만들기  
          

          
      ② 웜나사 한 개의  나사선을 Slitting Saw로 커팅하여 여러줄 날을 만들어 Hobbing Cutter(Hob라는 용어를 쓸수 있는지?)를

          만든다. 

      ③ Gear Blank측면 원주에 인덱스 홈(Gashing)을 만든다.  호빙기에 호브를 장착한 것이 아니고 밀링머신에 장착했기에 홈을

         파주어야만 호브가 원주를 따라 커팅이 되는가 봅니다. 실험해보지 않았으니 이렇게 밖에 표현할 수 없네요.  
          

           
      ④ 웜휠기어커팅 
         선반 베드에 웜휠 Blank가 자유롭게 회전할 수 있게하였습니다. 이후의 과정은  Primitive hobbing 방법과 동일합니다.

      ⑤ 래핑과정은 동일합니다.  이렇게 래핑까지 끝내면 『Perpectly matched worm and worm gear』라는 표현을 하였습니다.

          이렇게하여 테스트해보니 PE가 3~4초각이었는데 중간 감속기어의 스퍼기어에 이물질이 있어 이를 제거후 테스트해보니

          PE가 전혀 없었다하였습니다.  믿어야지요. 아무튼 가장 신뢰도가 높은 방법이었습니다. 그래서 제가 제시한 방법은 기계

          장치가 없이는 작업하기 힘든부분은 전문 가공업체에 의뢰하고 나머지 부분은 수작업처리한 것입니다. 

  (4)  완전 수작업방식
    - ACME 나사를 이용한 웜기어
      아마추어는 되도록 모든 것을 제작하지 않고 반제품을 활용하는 재미가 있어요. ACME나사를 파는곳이 있어요. 그다지 바싸지

      않아요. DIY CNC 리드스크류가 ACME 나사입니다. 좀 굵직한 ∅19mm를 사용하세요. 잘라서 베어링자리를 가공하여 사용

      하세요. SUS 304계열인데 Hob를 만들어 사용하시려면 질화열처리하셔야 합니다. SUS중 300계열은 오스테나이트계로 질화

      열처리하기 어렵지만 303/ 304는 질화열처리가  가능합니다. 확인보고 열처리해야 합니다. 아님 고속강 ACME 나사를 구입

      하세요. 이도저도 귀찮으면  3/8인치 10tpi ACME Tap을 구입하여 Primitive worm gear hobbing 방법으로 작업하세요. 

        
        이 사진은 ACME 볼트의 실물사진입니다. 잘 만들어온 웜나사와 같아요.  

    - 직접해보지 않았으니 가능성만 제시합니다.
     

                     
      Primitive worm gear hobbing은 선반이 필요합니다. 이방법은 선반이 필요없어요. 선반은 탭을 수평이 되도록 단단히

      잡아주고 회전시키는 역할을 하는 것인데, 이 것은  탭을 손으로  돌리는 것이지요. 국내에서도 ACME 탭을 제작하여 파는

      곳이 있어요. 해외직구 방법도 있구요. 위 ACME 볼트 사진도 국내 기업에서 인터넷으로 광고하는 사진을 발췌한 것입니다.

      원형구멍을 내어 탭을 내기는 쉬우나 측면 가공은 어려워요. 인터넷으로 ATM자료를 검색해보니 그림과 같은 아니디어가

      있어 대강을 그렸습니다.Slave Disc라는 표현이 이상하기 하나 작업후에는 웜휠이 두개 만들어집니다. 적경 적위용으로

      사용하면 일석이조가 아닐까요.  

[이만성]

량을 많이 줄였습니다. 너무 많으면 머리속에서 정리하는데 혼란이 오게 되니 간략히 요약하였습니다. 어느 한 단계 곱게 쉽게 넘어가는게 없었어요. 한 단계 넘어갈 때마다 관련자들이 속을 북북 긁어 놓았습니다. 차라리 내가 작업하고 말지 왜 맡기는가하는 의구심이 들 때도 한두번이 아니었어요. 그래도 이렇게 정리해두니 속이 편합니다. 그러나 이렇게 작업하지 마세요. 적금들어 좋은 것 사서보세요. 제발

[이만성]

전용 호브를 만드는데 M=0.7로 하되 직경을 작게 만들고 호빙 머신에 장작하기 쉽게 제작되는데 웜기어의 접촉면적을 넓게하여 되도록이면 백래쉬를 줄이도록 웜직경은 호브의 85%~95%가 되도록 합니다. 이렇게 전용호브를 만드는데 비용이 매우 커요. 기간도 3개월이상 소요됩니다. 직경을 작게 만들다보니 제작중에 중간이 열처리과정에서 부러지기도 한다합니다. 아무튼 시리즈별로 전용 호브를 제작했던 것으로 기억됩니다. 처음 웜나사를 제작시 원통연마를 해주지 않아 납품받은 후 별도로 원통 연마를 하였는데, 연마장인(?) 왈 편심이 많이 졌다 하였습니다. 그럼 그렇지