2.1 공구에의한 가공 2

[소마]

2.1 공구에 의한 가공 2

5) 기어 정밀 다듬질 가공

기어의 정밀 다듬질 가공 방법에는 연삭, 랩핑, 셰이빙, 호닝 등이 있다.

셰이빙 외의 다듬질 가공은 공구에 의한 가공이 아니지만 편의상 여기서 같이 설명하도록 한다.

① 연삭

고속 회전을 하거나 큰 하중을 받는 기어, 또는 정밀 기계에 사용되는 기어는 일반적으로 표면 경화 처리 후 담금질 변형 제거를 위해 연삭 다듬질을 한다.

기어 연삭 방법은 보통 아래와 같이 구분할 수 있다.

◆ 총형 숫돌을 사용한 연삭

다이아몬드 드레서로 트루잉(Trueing)한 기어 홈 윤곽 형상의 총형 연삭 숫돌을 사용하여 연삭하는 방법을 말한다.

단, 가공할 기어 규격이 바뀔 때마다 연삭 숫돌을 새로 트루잉해야 되고, 숫돌 마모에 따라 치형 곡선에 오차가 생기는 단점이 있어 일반적인 기어에는 별로 적용되지 않는다.

사이클로이드 등 비인볼루우트 치형 기어, 내치차 등 특수 기어의 연삭에 주로 사용된다.

CNC 연삭기는 연삭 숫돌의 트루잉과 드레싱을 CNC 제어에 의해 고정도로 할 수 있어, 기어 정밀 연삭이 가능하다.

◆ 랙형 숫돌을 사용한 연삭

랙 커터를 이용한 기어 절삭과 마찬가지로 랙의 치형에 해당하는 윤곽의 연삭 숫돌로 인볼루우트 치형을 창성한다.

가상 랙의 피치선과 연삭할 기어의 피치내 윤곽면이 구름 접촉하는 것처럼 상대운동을 하고, 동시에 연삭 숫돌이 기어 중심선 축 방향으로도 기어 폭만큼 왕복운동하며, 기어 윤곽면을 연삭한다.

기어 홈 연삭은 하나씩 순차적으로 하며, 일반적으로 건식으로 사용된다.

랙형 숫돌을 사용한 연삭 방식은 연삭 숫돌의 형상이나 배치, 연삭할 기어와의 상대 운동 방식에 따라 크게 아래의 2가지로 구분한다.

a) 마그 (Maag) 방식

연삭할 기어의 피치원과 같은 직경의 원판(구름 원판 : Rolling Block)과 그것에 걸린 강으로 된 띠의 가상 구름 접촉을 이용하여 기어 윤곽면을 창성 연삭하는 방법이다.

구름 원판과 동축상에 연삭할 기어를 고정시킨 상태에서 구름 원판을 좌우로 이동시키면 그에 따라 기어도 회전과 동시에 좌우로 움직여 기어 윤곽면을 창성할 수 있다.

가상 랙을 이루는 한쌍의 벨형 연삭 숫돌로 기어 중심축 방향으로 기어의 폭만큼 왕복 운동시켜, 기어 윤곽면을 연삭하며, 일반적으로 건식으로 사용된다.

연삭할 기어와 연삭 숫돌의 배치는 아래의 3가지 형태가 사용된다.

 

구분	설 명	비고
15° 연삭법	가장 일반적인 형태로 다품종 소량 생산이나, 직경이 큰 기어의 연삭에 주로 사용된다.	보통 연삭
0° 연삭법	창성 스트로우크가 짧고 치형 수정이 가능 주로 대량 생산에 사용
K- 연삭법	0° 연삭보다도 창성 스트로우크가 짧고 대량 생산에 적합

또 다른 Maag 기어 연삭기의 특징은 연삭 숫돌 드레싱 메카니즘이라고 할 수 있다.

약 6초에 1회씩 0.001mm 씩 동시에 한쌍의 숫돌을 드레싱하고, 드레싱한 양만큼 숫돌을 앞으로 이동시켜 숫돌이 기어 윤곽과 접촉하는 위치를 항상 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

b) Niles 또는 Pratt & Whitney 방식

연삭 숫돌의 단면 형상을 랙 기어 윤곽 형상과 동일하게 성형하고, 그 숫돌로 기어 연삭을 하는 방식이다.

이 방식의 대표적인 기어 연삭기로는 Deutche Niles사와 Pratt & Whitney사의 기어 연삭기가 있다.

연삭 숫돌의 피치선 운동 방향과 연삭할 기어의 원주 방향 운동 방향이 랙과 기어의 맞물림 운동과 동일한 관계를 유지할 수 있도록 하기 위해, 마스터 웜과 마스터 웜휠을 이용한다.

마그 방식에 비해 절삭량을 크게 할 수 있고, 구름 원판을 사용하지 않아도 되므로 준비 교체 시간을 줄일 수 있으며, 폭이 넓은 기어에도 적용이 쉬워 다품종 소량 생산에 적합한 방식이다.

단, 구조상 연마 숫돌 축의 돌출이 불가피해, 연삭 저항에 의한 변형 등으로 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.

일반적으로 습식으로 사용한다.

◆ 호브형 숫돌을 사용한 연삭

호브처럼 창성 작용을 하는 워엄 형상의 연삭 숫돌을 사용해 연속적으로 기어 연삭을 하는 방법이다.

랙형 연삭 숫돌을 사용하는 방식이 치형을 한 개씩 순차적으로 연삭하는데 비해, 연속적으로 연삭하므로 능률적인 기어 연삭이 가능하다.

이 방식의 대표적인 기어 연삭기로는 Reishauer 사의 기어 연삭기가 있으며, 일반적으로 습식으로 사용된다.

◆ 베벨 기어의 창성 연삭

대표적인 하이포이드 베벨 기어의 창성 연삭기로는 미국 Gleason사의 하이포이드 기어 연삭기가 있다.

같은 회사에서 제작하는 하이포이드 베벨 기어 절삭기의 기어 절삭 공구 대신 유사 형태의 관 모양 연삭 숫돌을 사용하는 구조로 되어 있으며, 기어와 연삭 숫돌의 상대 운동에 의해 이를 한 개씩 순차적으로 연삭한다.

단, 연삭시 숫돌과 연삭되는 기어의 접촉 상태가 복잡해 버어닝(Burning)이 일어나기 쉬우므로 보통 습식으로 사용된다.

② 기어의 랩핑

랩제가 첨가된 절삭액 속에서 기어를 맞물림 회전시켜 기어 면을 랩핑하는 방법이다.

구조가 간단한 기계로 작업이 가능하고 작업도 단순하지만, 치형 곡선이 망가질 위험이 있고, 잔류 랩제에 의해 사용중 마모가 증가할 우려도 있다.

연삭이 어려운 내접 기어, 스큐우 베벨 기어, 피치가 작은 기어 등에 주로 적용된다.

기어의 랩핑 방법은 아래의 두가지로 구분할 수 있다.

a) 랩으로 전용 랩 기어를 사용

주철이나 연질 재료로 만든 랩 기어와 다듬질할 기어를 맞물림 회전시켜 랩핑하는 방법이다.

단, 랩 기어가 마모되면 치형이 부정확해지므로 주기적으로 교환해 주어야 된다.

일반적인 평기어, 헬리컬 기어 등 대부분의 기어에 적용된다.

b) 두 개의 기어를 맞물려 서로를 랩핑

별도의 랩 기어를 사용하지 않고 두 개의 기어를 맞물림 회전시켜 서로를 랩핑하도록 하는 방법이다.

주로, 베벨 기어, 스큐우 베벨 기어, 하이포이드 기어 등 연삭이 어려운 기어에 적용된다.

③ 기어 셰이빙 (Gear Shaving)

기어 셰이빙은 정확한 치형으로 제작된 셰이빙 커터와 기어를 맞물림 회전시켜 치형 정밀도의 개선, 치형 수정, 기어 윤곽면 표면 상태를 개선하는 가공 방법이다.

보통 습식으로 사용되며, 대량 생산에 적합한 방식이다.

표면에서 극히 미소한 양만 깍아내게 되므로, 연삭한 기어와 비슷할 정도의 표면 상태를 얻을 수 있고, 정확한 치형의 성능이 우수한 기어를 만들 수 있다.

◆ 기어 셰이빙의 종류

기어 셰이빙은 셰이빙 커터와 가공할 기어의 상대 이송 운동 방식에 따라 아래와 같이 구분할 수 있다.

 

구분	설명	비고
Conventional Shaving	셰이빙 커터를 맞물림 회전 운동과 동시에 기어 축 방향으로 왕복 이송 운동 시키는 방식으로, 다른 방법에 비해 가공시간이 길어지는 단점이 있다.
Tangential Shaving	가공할 기어의 접선 방향으로 셰이빙 커터를 왕복운동시켜 가공하는 방법으로 커터 날의 마모가 균일하고 수명이 긴 장점이 있다.
Diagonal Shaving	가공할 기어를 축 방향과 일정 각도 방향으로 이송하면서 셰이빙하는 방법으로, 작은 이송 운동으로 많은 양을 절삭할 수 있어 작업 능률이 높다.
Plunge-cut Shaving	기어 반경 방향 이송 운동 만으로 셰이빙하는 방법으로 가공 시간이 매우 짧은 장점이 있다(개당 약 수십초 정도). 공구 수명이 길고 치형 정밀도도 우수하다.	커터 폭이 기어 폭보다 커야 됨
Parallel Axis Shaving	가공할 기어의 축과 커터의 축을 평행으로 하고, 맞물림 회전과 동시에 고속도로 축방향 왕복 운동을 하며 가공하는 방식이다. 주로 내접 기어나 단붙이 기어의 셰이빙에 적용된다.
Rack Shaving	랙을 셰이빙 커터로 사용하는 방식으로 이송운동이 불필요해 작업이 단순한 장점이 있으나, 대형 기어에는 적용이 어렵고 능률도 높지 않아 별로 사용되지 않는다.
Crown Shaving	기어는 약간 마모된 상태에서 오히려 원활하게 작동된다. 크라운 셰이빙은 약간 마모되었을 때의 형상(중앙부가 약간 튀어나온 형상)으로 미리 만들어 주는 방식이다. 위의 셰이빙 방식들에 모두 적용이 가능하며, 예를 들면 약간의 요동을 주는 등의 방법으로 크라우닝을 실시한다.

◆ 셰이빙 커터

일반적으로 정밀도 0~1급으로 하고, 기어 윤곽면에 세레이션(Serration) 형태의 절삭날이 있으며, 고속도강으로 제작된다.

④ 기어의 호오닝

셰이빙 커터 대신에 유사한 형상의 레지노이드 숫돌을 사용하여, 셰이빙과 유사한 방법으로 기어 윤곽면을 다듬질하는 방법을 말한다.

단, 셰이빙의 경우처럼 치형 수정 효과는 기대하기 어려우며, 주로 작동중의 소음을 줄이기 위한 목적으로 사용된다.

대형 기어의 경우에는 호브형의 숫돌을 사용하는 경우도 있다.

2.1.6 브로우치 가공 (Broaching)

브로우칭은 다수의 날이 순차적으로 배열된 공구(broach)로 공작물 표면을 세게 누른 상태에서 1회 통과시켜 브로우치의 단면 형상대로 공작물을 가공하는 방법이다.

호환성이 요구되는 정밀도가 높은 제품을 1회에 가공할 수 있으며, 복잡한 형상의 제품에도 적용이 용이하다.

단, 브로우치의 제작에 많은 비용이 소요되므로 주로 대량 생산에 적용된다.

1) 브로우치의 종류

브로우치는 분류 기준에 따라 아래와 같이 여러 가지로 분류할 수 있다.

 

분류 기준	종류	특성	비고
구동 방법	인발식	- 브로우치를 끌어 당겨 가공하는 방식 - 길이가 길고 많은 날이 있는 형태	가장 일반적인 방식
	압입식	- 브로우치를 뒤에서 밀어 넣어 가공하는 방식 - 길이가 짧고 날 수가 적어 강성이 큰 형태	보통 2회 이상으로 가공 브로우치 제작 용이
	회전식	- 원판형 브로우치의 측면 날로 회전하며 가공 - 무부하 복귀운동이 불필요해 작업 능률 우수	표면 가공에 적용 효율적인 가공 가능
가공면 위치	내면	- 구멍 내면 가공 - 구멍 내벽에 의해 안내되므로 안내를 위한    별도의 특별한 장치 불필요	복잡한 단면 형상 구멍도 고정도로 쉽게 가공
	표면	- 평면 또는 곡면으로 된 공작물 외면 가공 - 강성이 높은 안내면 필요
	외면	- 공작물의 전체 외주 가공(예 ; 기어 전체이) - 보통 브로우치를 여러개로 분할 제작하고   조립하여 사용
구조	일체형	- 브로우치 전체를 일체로 제작	Solid Broach
	조립형	- 브로우치를 분할해 제작하고 조립해 사용 - 외면 브로우치에 주로 적용	Combined Broach
	심은날	- 분리된 절삭날을 본체에 부착 사용	Inserted Type Broach
기능	단능형	- 절삭 또는 소성 변형(버니싱) 중 한가지 기능   만을 가진 브로우치	예) 버니싱용 브로우치
	복합형	- 위의 두가지 기능이 복합된 브로우치 - 앞부분의 절삭날로 절삭후 맨 뒤의 둥근 날로   버니싱
가공량	거친 절삭용		아래 '절삭 깊이' 참조
	다듬질 절삭용
	버니싱용

2) 브로우치의 구조

일반 브로우치를 구성하고 있는 부분은 아래 4가지로 구분할 수 있다.

구분	설명	특기 사항
생크(shank)	기계에 브로우치를 장착하기 위한 부분 인발식에서는 주로 코터(Cotter) 사용
안내부	브로우치를 안내할 수 있도록 전가공면보다 약간 작은 칫수(0.02~0.05 mm)의 동일 단면 형상으로 한 부위	가공 구멍 길이보다 길게 함
절삭부	실지로 절삭을 행하는 날 부위 - 각 절삭날당 절삭량을 일정하게 해야 됨.
평행부	절삭부에서 절삭한 면의 치수 정밀도와 면 조도 개선을 위해 설치된 동일 칫수의 평행한 수개의 날 부위

◆ 절삭날의 피치

절삭날의 피치는 거친 절삭용에서는 칩 배출을 위해 크게 할 필요가 있으며, 다듬질용은 작게한다.

또, 유동형 칩이 나오는 재료보다 주철, 청동 등과 같이 열단형이나 전단형 칩이 나오는 재료에서 피치를 더 크게 할 필요가 있다.

단, 거친 절삭용에서도 가공시 최소 2~3개의 절삭날이 동시에 절삭을 행하도록 할 필요가 있으며, 보통 아래 식을 기준으로 결정한다.

 

피치 = 1.75 * SQRT(공작물 길이) (mm)

◆ 절삭 깊이

브로우치 가공에서 절삭 깊이는 각 절삭날 한 개당 절삭 깊이를 의미한다.

절삭 깊이가 너무 작으면 절삭날이 가공물에 파고 들기 힘들게 되어 여유면 마찰로 인한 마모로 수명이 단축된다.

반면에 너무 크면 다듬질면의 조도가 나빠지고, 진동이 생길 우려도 증가하므로, 적정한 수준에서 결정할 필요가 있다.

일반적으로 적용되는 절삭 깊이는 아래 표와 같다.

 

구분		절삭 깊이	비고
거친 절삭	대형	0.1 ~ 0.2 mm
	중소형	0.01 ~ 0.08 mm
다듬질 절삭		0.02 mm 이하
버니싱		0 ~ 0.003 mm

◆ 절삭날 형상

 - 경사각

클수록 절삭성이 좋아지고 다듬질면도 양호해지지만, 너무 커지면 절삭날의 강성이 약해져 변형으로 인한 진동 등의 문제로 수명이 짧아진다.

브로우치는 일반적으로 제작 비용이 아주 고가인 공구인 점을 고려해 수명 연장을 위해 다른 공구에 비해 경사각을 약간 작게 한다.

 - 여유각

브로우치 가공에서 여유각이 절삭성에 미치는 영향은 아주 작다.

되도록 여유각을 작게 해 절삭날의 수명을 길게 하는 것이 유리하다.

 - 랜드(Land)부

랜드부의 주 설치 목적은 재연삭시 칫수 변화를 줄이기 위한 것이다.

그러므로, 재연삭 칫수 변화가 크게 문제가 되지 않는 거친 절삭을 하는 절삭날일수록 작게 하며, 일반적으로 하나의 브로우치 내에서도 랜드 폭은 다르게 적용한다.

◆ 절삭날 경사각

표면 브로우치나 각형 내면 브로우치는 일반적으로 절삭날이 순차적으로 공작물과 접촉하도록 해 진동을 줄이고 절삭성을 개선할 수 있도록, 절삭날을 축방향에 대해 직각으로 하지 않고 경사지게 하는 경우가 많다.

절삭날 경사각(Inclination Angle)은 한 개의 절삭날 전체가 공작물 내부로 들어갔을 때, 다음 절삭날이 공작물과 접촉을 하고 있도록 해야 된다.

예) 각형 내면 브로우치의 경우 절삭날 경사각 계산

      : Tan(절삭날 경사각) > (피치 / 공작물 폭)

◆ 칩 브레이커 (Chip Breaker)

브로우치 가공에서는 보통 폭이 넓은 칩이 발생하게 되므로, 칩을 잘게 잘라 칩 배출을 용이하게 할 수 있도록 절삭날에 칩 브레이커를 만들어 준다.

보통 간격 10~15 mm, 폭 0.5~2 mm, 깊이 0.5~1 mm 정도로 하며, 인접하고 있는 절삭날과 엇갈리게 한다 (한칸씩 걸러 동일 위치).

최종 다듬질면 손상을 막기 위해 맨 뒤의 5~8개의 절삭날에는 칩 브레이커를 만들지 않는다.

◆ 버니싱용 브로우치

버니싱용 브로우치는 버니싱 전용의 단능형과 다듬질 절삭날 뒤에 버니싱날이 있는 복합형의 2가지 종류가 있다.

버니싱용 브로우치의 날당 다듬질 여유는 0.02 mm 이내, 전체 버니싱 여유는 0.15 mm 이내로 한다.

버니싱날은 다듬질면 표면조도를 위해 랩핑해 사용한다.

◆ 회전 브로우치

원판의 측면에 날이 있는 밀링 커터와 비슷한 형태의 브로우치를 말한다.

1회전하는 동안에 거친 절삭과 다듬질 절삭을 완료한다.

절삭량이 크고, 정도가 높으며 다듬질면의 조도도 우수하고, 작업 능률이 높은 장점이 있다.

3) 브로우칭 머신

브로우칭 머신의 구동은 보통 유압식이나 나사와 너트에 의한 기계식이 사용된다.

용량은 최대 인장력(톤 : ton)과 브로우치를 붙이는 슬라이드의 행정 길이로 표시한다.

브로우칭 머신은 아래와 같이 구분할 수 있다.

 

분류 기준	구분	설 명	비고
브로우치 설치방향	수평형	브로우치가 수평으로 설치 - 내면 가공용 장비를 표면 가공에도 사용 가능 - 행정 길이에 제한이 없어, 아주 긴 제품도 가공 가능
	수직형	브로우치가 수직으로 설치 - 기계 설치 면적이 작아도 됨 - 자중으로 인한 처짐이 없어 정밀도 우수
용도	내면	내면 가공용(Internal Broaching Machine)
	표면	표면 가공용(Surface Broaching Machine)
동시 설치 브로우치 수	단축형	한 개의 브로우치만 설치
	다축형	작업 능률 향상을 위해 여러개의 브로우치 사용 - 여러개의 공작물 동시 가공 또는 작업중 공작물 교체
작업방식	인발	인발식 브로우치 사용 장비
	압입	압입식 브로우치 사용 장비
	연속	다수의 공작물을 연속적으로 가공하는 장비로 주로 표면 브로우칭 장비에 적용
	회전	회전식 브로우치 사용 장비

4) 브로우치의 재연마

일반적으로 브로우치는 공작물 500~2500개 정도를 가공하면 재연마가 필요하다.

브로우치는 평행부의 절삭날이 없어질 때까지 계속 재연마 사용이 가능하다.

2.1.7 기타 공구에 의한 가공

1) 톱 가공

톱으로 금속을 절단하는 방법은 아래의 3가지로 구분할 수 있다.

구분	설명	비고
기계 활톱 Hack Sawing M/C	- 톱날의 왕복 운동으로 절단 - 보통 날끝만 담금질 경화한 고속도강제 톱날 사용 - 얇은 재료는 피치가 작은 톱날 사용
기계 둥근톱 Circular Sawing M/C	- 톱날의 회전 운동으로 절단 - 원판의 외주에 톱날이 있는 둥근 톱 사용
기계 띠톱 Band Sawing M/C	- 띠톱의 직선 운동으로 절단 - 형판 등의 윤곽 절단등에 적용 - 띠톱 맞대기 용접 및 용접부 연삭 다듬질 장치 부착

* 출처 : 엠사이트넷