정밀 냉간 기어의 치수정밀도 향상 기술 지원정밀 냉간 기어의 치수정밀도 향상 기술 지원정밀 냉간 기어의 치수정밀도 향상 기술 지원정밀 냉간 기어의 치수정밀도 향상 기술 지원

2003. 8. 12003. 8. 12003. 8. 12003. 8. 1

지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원::::

지원기업 주 대연정공지원기업 주 대연정공지원기업 주 대연정공지원기업 주 대연정공: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 정밀 냉간 기어의 치수 정밀도 향상 기술 지원 지원기간“ ”( : 2002. 9.

과제의 기술지원성과 보고서로 제출합니다1. ~ 2003. 08. 31.) .

2003. 8. 1.2003. 8. 1.2003. 8. 1.2003. 8. 1.

지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원::::

대표자 황 해 웅대표자 황 해 웅대표자 황 해 웅대표자 황 해 웅( )( )( )( )

지원기업 주 대연정공지원기업 주 대연정공지원기업 주 대연정공지원기업 주 대연정공: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 김 종 우대표자 김 종 우대표자 김 종 우대표자 김 종 우( )( )( )( )

지원책임자 이 영 선지원책임자 이 영 선지원책임자 이 영 선지원책임자 이 영 선::::

- 3 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술 지원의 달성 정도기술 지원의 달성 정도기술 지원의 달성 정도기술 지원의 달성 정도1.1.1.1.

기술 지원의 구제적인 내용기술 지원의 구제적인 내용기술 지원의 구제적인 내용기술 지원의 구제적인 내용2.2.2.2.

가 기어용 냉간단조 소재의 물성치 정량화가 기어용 냉간단조 소재의 물성치 정량화가 기어용 냉간단조 소재의 물성치 정량화가 기어용 냉간단조 소재의 물성치 정량화....

나 단조 기어 성형 공정 설계 기술나 단조 기어 성형 공정 설계 기술나 단조 기어 성형 공정 설계 기술나 단조 기어 성형 공정 설계 기술....

다 단조 기어의 치수 측정 기술다 단조 기어의 치수 측정 기술다 단조 기어의 치수 측정 기술다 단조 기어의 치수 측정 기술....

라 금형 가공 기술라 금형 가공 기술라 금형 가공 기술라 금형 가공 기술....

마 해석을 이용한 최적 금형 설계 기술마 해석을 이용한 최적 금형 설계 기술마 해석을 이용한 최적 금형 설계 기술마 해석을 이용한 최적 금형 설계 기술. FEM. FEM. FEM. FEM

바 단조품의 강도 시험 및 분석바 단조품의 강도 시험 및 분석바 단조품의 강도 시험 및 분석바 단조품의 강도 시험 및 분석....

기술 지원에 따른 기여기술 지원에 따른 기여기술 지원에 따른 기여기술 지원에 따른 기여3.3.3.3.

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

부 록부 록부 록부 록

학회 세미나 전시회 등 요약보고서학회 세미나 전시회 등 요약보고서학회 세미나 전시회 등 요약보고서학회 세미나 전시회 등 요약보고서1.1.1.1. ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

기술지원 활용 기자재 및 시설 요약서기술지원 활용 기자재 및 시설 요약서기술지원 활용 기자재 및 시설 요약서기술지원 활용 기자재 및 시설 요약서2.2.2.2.

기술지원일지 및 내용 정리본기술지원일지 및 내용 정리본기술지원일지 및 내용 정리본기술지원일지 및 내용 정리본3.3.3.3.

강의 구상화 열처리 종류 및 방법강의 구상화 열처리 종류 및 방법강의 구상화 열처리 종류 및 방법강의 구상화 열처리 종류 및 방법4.4.4.4.

기어 정밀도 측정 관련 자료집기어 정밀도 측정 관련 자료집기어 정밀도 측정 관련 자료집기어 정밀도 측정 관련 자료집5.5.5.5.

- 4 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

재료에 외력을 가한 후 외력을 제거하여도 재료가 원상태로 복구되지 않고 영구 변

형이 잔존하는 성질을 소성이라 하며 재료의 이러한 성질을 이용하여 원하는 형태,

로 가공하는 대표적 기술을 단조라 한다 단조는 가공중 칩을 발생하지 않고 가공.

속도가 높으므로 소재이용률 및 대량 생산 측면에서 매우 유리한 가공 기술이며,

단조된 제품의 우수한 기계적 특성으로 인하여 자동차 항공기 전자 산업 등 산업ㆍ ㆍ

전반에 걸친 핵심부품의 생산에 널리 적용되고 있다 또한 단조 기술은 산업사회와. ,

일상 생활에 광범위하게 사용되고 있지만 일반 소비자의 눈에는 잘 드러나지 않는,

특징이 있는 기술로서 강도와 안전 신뢰성이 요구되는 부품 제조에 필요한 핵심, ㆍ

요소 기술이다 단조는 고대 대장간에서도 그 유래를 찾을 수 있는 역사 깊은 기술.

이지만 년대 형단조를 위주로 본격적인 개발이 진행된 정밀단조기술은 정형제, 1980

조 를 위한 산업계의 기술 개발 혁신과 함께 급격한 발(Net-Shape Manufacturing)

전이 이루어지므로써 기계가공을 최소화시키기 위해 차적인 형상 제조에 머물렀, 1

던 종래의 기술과 목적에서 한 단계 발전하여 단조품이 곧 최종 제품으로 사용되는

비율이 점차 증대되고 있다 특히 각종 기어류는 대표적인 정밀단조품의 하나로서. , ,

경제적 파급효과가 커서 현재까지도 세계적으로 집중적인 연구개발이 진행 되고 있

는 냉간 단조 기술의 꽃이라고 할 수 있다.

기어는 기계요소 부품 가운데 수요가 많고 기능상으로 매우 중요한 부품으로서 종

래에는 거의 절삭가공에 의해 생산되었으나 대량생산 및 기계가공을 통해서는 가공

이 어려운 축붙이 기어류 예 류 들의 경제적 생산을 위해( ; Shaft Gear, Sleeve Gear )

냉간단조에 의한 개발 생산이 활발하게 진행되어 왔다.ㆍ

- 5 -

냉간단조에 의한 기어 제조는 기어의 치형 강도가 높고 대량생산에 의한 원가 절감

이라는 장점 때문에 선진국을 우선으로 실용화 되어 왔다 그러나 이러한 장점에도. ,

불구하고 단조 기어는 정삭가공 연삭 수준의 치수 정밀도를 확보하기가 곤란하기( )

때문에 요구 정밀도가 상대적으로 낮은 농기계 가전 부품에 적용이 시작되었으며,

단조기술의 발전과 함께 일본 독일과 같은 전통 제조 기술의 강국으로부터 자동차ㆍ

용 부품과 같은 고정도의 제품을 제조하는데 성공하기 시작하여 현재 양산 단계에

있다 국내에서도 선진국과 약 년 정도의 차이를 두고 냉간 단조 기술이 계속적. 10

으로 발전되어 가전제품용 기어류는 년대부터 단조품으로 개발 생산되고 있1990 ㆍ

으며 자동차용 또한 연구 개발이 지속되어 일부 부품은 적용이 이루어지고 있다.ㆍ

그러나 정밀 단조 기어의 치수 정밀도를 만족시키는 기술은 핵심 요소 기술이기,

때문에 제품 하나 하나에 개별적으로 기술을 개발 구축하는 것이라기 보다는 기반

기술의 확립 유무에 더 비중이 있기 때문에 선진 기술의 도입이 가능하지 않았으며

현재 까지도 보호 기술군에 해당되기 때문에 자체적인 기술 개발 및 습득을 통해서

만이 보유가 가능한 기술에 해당된다 그러나 냉간단조 열간단조도 동일하지만. , , ,

산업은 중소기업형 제조업이며 또한 설비 장치 산업에 속하기 때문에 요소기술에ㆍ

해당되는 핵심기술을 기업 자체적으로 많은 연구비와 장기간의 연구기간을 투입하

기가 곤란한 특징을 지니고 있다.

그러나 이러한 어려운 여건 속에서도 경남 진주시 상평동에 위치한 주 대연정공, ( )

년에 설립되어 현재 종업원 명을 보유한 냉간 단조전문회사 은 지난(1965 42 ) 1990

년대 중반부터 오랜 동안 축적된 기술을 이용하여 기어의 정밀 냉간 단조를 실현하

고자 노력하여 해당 분야에서 현재까지 꾸준한 매출 신장을 이루고 있다 주요 생.

산품으로는 등 주로 난이도가 높은 냉간bevel gear, c.v-joint cage, sleeve gears

단조품을 생산하고 있으며 매출액은 억원 년도 기준 으로 견실한 구조를 가80 (2002 )

지고 있다.

- 6 -

하지만 이에 머무르지 않고 단조 기어의 정밀도를 향상시켜 현재 절삭가공으로 생,

산되고 있는 더 많은 기어류의 냉간단조로의 공정 전환을 위해 필요한 치수 정밀도

향상 기술의 확립을 향해 기업 자체적으로도 지속적으로 추진하고 있던 중 본 부“

품소재 종합기술지원 사업 을 통해 기업에서는 독자적으로 추진이 곤란한 이론적인”

연구 개발과 체계적인 데이터 분석 정리를 통한 기술의 진보를 도모하고자 부품,ㆍ ㆍ

소재 통합연구단의 지원으로 한국기계연구원 공정연구부의 이영선 연구원의 연구ㆍ

지도와 협력의 기회를 제공받았다 본 사업을 통해 주 대연정공은 최종적으로 현재, ( )

생산단계에 있는 베벨기어의 정밀도 향상과 개발을 추진하고 있는 스퍼어기어의 치

수 정밀도를 승용차용 수준인 고정도급으로 진보시키므로써 단조 기어의 부품 소ㆍ

재 전문 제조업체로서 자리매김을 하고자 하고 있다.

표 주요 보유 설비표 주요 보유 설비표 주요 보유 설비표 주요 보유 설비1-1.1-1.1-1.1-1.

- 7 -

그림 각종 정밀 단조 기어류 좌 베벨기어 우 스퍼어기어그림 각종 정밀 단조 기어류 좌 베벨기어 우 스퍼어기어그림 각종 정밀 단조 기어류 좌 베벨기어 우 스퍼어기어그림 각종 정밀 단조 기어류 좌 베벨기어 우 스퍼어기어1-1. ( : , : )1-1. ( : , : )1-1. ( : , : )1-1. ( : , : )

냉간단조 기술은 프레스 작업을 통해 최종 제품이 제조되는 동안 공정이 많고 공정

자체도 여러 변수에 의해 영향을 받기 때문에 최종 제품의 정밀도에 영향을 미치는

인자가 다양하고 정량적인 해석 또한 어렵다 일반적으로 냉간단조품의 정밀도에.

영향을 미치는 인자를 정리하면 그림 와 같다1-2 .

그림 냉간단조품의 치수 정밀도에 미치는 영향 인자그림 냉간단조품의 치수 정밀도에 미치는 영향 인자그림 냉간단조품의 치수 정밀도에 미치는 영향 인자그림 냉간단조품의 치수 정밀도에 미치는 영향 인자1-2.1-2.1-2.1-2.

단조품의 치수 정밀도를 향상시켜 무절삭 정밀 단조 기어를 개발하기 위해서는 어

느 특정 항목만을 분석해서는 원하는 수준의 정밀도를 얻을 수 없으며 그림 에, 1-3

나타나 있는 바와 같이 원소재에서부터 최종 열처리 후 제품에 이르기 까지 단조품

단조 금형 포함 의 치수가 변화되는 과정을 정밀 분석함으로써 가능해 질 수 있다( ) .

- 8 -

기술의 구체적인 내용을 분류 기술하면 소재의 성형성 및 탄성회복량 예측을 위1)

한 금속학 및 재료역학적 변형기구 분석금속학 및 재료역학적 변형기구 분석금속학 및 재료역학적 변형기구 분석금속학 및 재료역학적 변형기구 분석 단조 공정 설계 및 소재와 금형의 탄성2)

회복량 예측을 위한 전산모사 및 실험전산모사 및 실험전산모사 및 실험전산모사 및 실험(FEM)(FEM)(FEM)(FEM) 예측된 치수 변화량을 보정하여 금3)

형을 설계하고 가공하는 CAD/CAMCAD/CAMCAD/CAMCAD/CAM 단조품의 열처리 변형을 최소화 하기 위한4) 제제제제

어 열처리어 열처리어 열처리어 열처리 가공된 금형과 단조품의 치수정밀도 향상을 위한 측정으로 구분할 수5)

있다.

그림 냉간단조품의 치수 정밀도 향상을 위해 필요한 기술 분류그림 냉간단조품의 치수 정밀도 향상을 위해 필요한 기술 분류그림 냉간단조품의 치수 정밀도 향상을 위해 필요한 기술 분류그림 냉간단조품의 치수 정밀도 향상을 위해 필요한 기술 분류1-3.1-3.1-3.1-3.

- 9 -

그림 에서 알 수 있듯이 단조품 정밀도를 요구 수준까지 향상 시키기 위해서는1-3

어느 특정 항목의 기술 수준만 향상시켜서는 불가능하므로 주 대연정공에서 현재, ( )

까지 사용하고 있는 경험적인 데이터의 이론적 근거를 입증해주고 지도기관의 연,

구원이 보유하고 있는 정밀도 향상 기술을 현장에 적용하는 방법으로 사업을 진행

하므로써 보다 정밀하고도 신속한 지원과 협력이 이루어지도록 할 필요가 있으며,

년내에 필요한 고정밀도의 단조 기어 제조 기술을 확보하는 것은 불가능한 만큼1

체계적인 추진이 될 수 있도록 당초 사업 계획에 따라 총 년간에 단계적으로 각3

항목들의 정량화와 실용화를 추진할 필요가 절실하다.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

자동차용 차동기어 및 유성기어 용 등 정밀 단조, C.V JOINT CAGE, Sleeve Gear

품 제조 전문 부품 소재기업인 주 대연정공이 본 사업을 통해 지원받고자 하는( )ㆍ

것은 냉간단조품의 치수 정밀도를 향상시킬 수 있는 요소기술로서 이를 통해 단조

기어의 정밀도를 향상시켜 현재 생산되고 있는 제품의 품질을 향상시키고 유사 단

조 기어의 신규 제품을 생산할 수 있는 기반을 구축하는 것이다 구체적으로 항목.

별로 정리하면 다음과 같다.

항목별 연구 목표●

냉간단조 소재 등 의 물성치 정량화(1) (SCM420H SCr420 )，

단조 기어 성형 공정 설계 기술(2)

단조 기어의 치수 측정 기술(3)

- 10 -

금형 가공 기술(4)

해석을 이용한 최적 금형 설계 기술(5) FEM

단조품의 강도 시험 및 분석(6)

목표를 한가지로 다시 정리한다면 단조기어의 품질을 향상시켜 고부가가치 단조,

기어를 생산할 수 있도록 하기 위한 치수 정밀도 향상 기술을 확립하는데 있다.

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 절에서 언급한 목표를 위해 추진하고 향후에 추진하고자 하는 내용을 정리1 2

하면 다음과 같다.

냉간단조 소재 등 의 물성치 정량화(1) (SCM420H, SCr420 )

변형 저항 경도 인장 강도 구상화율 등- , , ,

단조 기어 성형 공정 설계 기술(2)

변형 에 따른 단조품의 치수 정밀도 향상 방안 분석- Mode

단조 기어의 치수 측정 기술(3)

단조 금형 치수 측정 및 측정 기준 방안 개발-

단조품의 치수 측정 및 측정 기준 방안 개발-

치수 금형 가공 치수 단조품 치수 열처리품 치수간의 치수 변화 분- Wire Cutting / / /

석 및 정량화

공정 간 치수 변화 정량분석을 통한 보정 치수값 구축- Data

금형 가공 기술(4)

정도 향상을 위한 정량화- Wire Cutting Data

- 11 -

정상 상태 부위 길이 증가를 위한 금형 구조 및 량 설계 기준 선정- Shrink Fitting

방안 개발

해석을 이용한 최적 금형 설계 기술(5) FEM

단조 소재의 탄성 변형량 금형의 탄성변형량 정량 분석을 위한 해석 기술- / FEM

개발

를 이용한 해석 결과 신뢰성 검증- Strain Gage FEM：

단조품의 강도 시험 및 분석(6)

차동 장치용 냉간 단조 의 강도 특성 분석- Spider

열간단조품과 냉간단조품의 강도 특성 비교 분석-

충격강도 인장강도 굽힘 강도, ,；

각 연구 내용을 항목별 추진일정별로 정리하면 표 와 같다/ 1-2 .

표 연구 지원 내용 항목 및 체계표 연구 지원 내용 항목 및 체계표 연구 지원 내용 항목 및 체계표 연구 지원 내용 항목 및 체계1-2.1-2.1-2.1-2.

- 12 -

본 사업의 지원 후 기대되는 효과를 정리하면 표 과 같다1-3 .

표 본 사업을 통한 기대효과표 본 사업을 통한 기대효과표 본 사업을 통한 기대효과표 본 사업을 통한 기대효과1-3.1-3.1-3.1-3.

- 13 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술 지원의 달성 정도기술 지원의 달성 정도기술 지원의 달성 정도기술 지원의 달성 정도1.1.1.1.

제 장 절에서 기술한 바와 같은 지원 내용에 따라 진행된 사업의 달성정도는 표1 3

과 같다2-1 .

표 기술 지원 달성 정도표 기술 지원 달성 정도표 기술 지원 달성 정도표 기술 지원 달성 정도2-1.2-1.2-1.2-1.

- 14 -

기술 지원의 구체적인 내용기술 지원의 구체적인 내용기술 지원의 구체적인 내용기술 지원의 구체적인 내용2.2.2.2.

가 기어용 냉간 단조 소재의 물성치 정량화가 기어용 냉간 단조 소재의 물성치 정량화가 기어용 냉간 단조 소재의 물성치 정량화가 기어용 냉간 단조 소재의 물성치 정량화....

치형 단조용 재료치형 단조용 재료치형 단조용 재료치형 단조용 재료1)1)1)1)

기어는 치면의 접촉에 의해 동력을 전달하므로 작은 면적으로 동력을 전달하기 위

해 치면에 작용하는 압력이 크고 고속 회전하면서 하중이 전달되기 때문에 큰 충,

격력에 견딜 수 있어야 한다 기어 재료에 요구되는 성질은 우선 작용압력과 충격.

력에 견딜 수 있는 강도 인성 경도 등이 필요하다 기어 재료 선정시 고려해야 할, , .

조건은 다음과 같다.

단조성이 우수할 것①

적당한 용도에 따른 신뢰성을 확보할 것②

사용 용도에 따른 신뢰성을 확보할 것③

선삭 치절 등의 기계 가공이 용이 할 것,④

재료 뿐만 아니라 열처리비 제작비를 포함하여 가격이 낮을 것,⑤

기어의 강도와 직접 연관이 있는 경도 및 열처리의 측면에서 살펴보면 조질 상태

또는 경화되지 않고 사용하는 경우 담금질만 하여 사용하는 경우 주로 이, ( Carbon

수준 이상의 강 표면경화 처리하여 사용하는 경우 이 이하0.4% ), (Carbon 0.4% ,

소량 첨가 의 세가지로 나눌 수 있다 이 가운데 자동차용 기AI-, Cr-, V-, Mo- ) .

어와 같은 고하중용 기어는 대부분 표면 경화형 기어 재료를 사용하므로 이에대해,

중점적으로 분석 정리하였다 소형 경량이면서 고하중을 받는 기어는 치면 경도가.ㆍ

이상으로 하는 것이 요구되지만 기어 전체가 경도가 높으면 충격 하HB500 600〜

중에 의한 기어 치가 절손하기 쉬게 되므로 기어의 표면만을 경하게 하고 내부는

정도로 인성을 유지하게 한다 표면 경화법으로는 침탄소입 질화 또HB250-380 . , ,

는 고주파소입 등을 행한다 침탄소입용 강으로 많이 사용되고 있는 기어 재료는.

표 와 같다2-2 .

- 15 -

표 표면 경화용 재료를 중심으로 한 기어 재료표 표면 경화용 재료를 중심으로 한 기어 재료표 표면 경화용 재료를 중심으로 한 기어 재료표 표면 경화용 재료를 중심으로 한 기어 재료2-2.2-2.2-2.2-2.

전반적으로 침탄 소입용 재료는 탄소량이 적고 내부 심부 가 너무 경하게 되지 않( )

는 재료이지만 너무 연해도 굴곡강도가 약하기 때문에 기어의 크기 작용하중에 따, ,

라 강종을 선택하여 내부를 적당한 경도로 유지하는 것이 좋다 고주파 소입을 하.

는 재료로서는 가 많이 사용되고 이 사용될때도 있고 가스질S40C ~ S50C SCM3 ,

화의 경우는 질화강 알루미늄 크롬 몰리브덴강 이 사용되며 연질화에는 구조용 합( - - ) ,

금강을 사용한다.

대연정공에서 사용하고 있는 단조용 재료의 구상화 조직 분석대연정공에서 사용하고 있는 단조용 재료의 구상화 조직 분석대연정공에서 사용하고 있는 단조용 재료의 구상화 조직 분석대연정공에서 사용하고 있는 단조용 재료의 구상화 조직 분석2)2)2)2)

가가가가)))) SCM420HSCM420HSCM420HSCM420H 소재 구상화 소둔 처리된 소재 분석소재 구상화 소둔 처리된 소재 분석소재 구상화 소둔 처리된 소재 분석소재 구상화 소둔 처리된 소재 분석

주 대연정공에서 기어용 소재로 사용하고 있는 소재는 침탄 열처리 소재인( )

와 가 주종을 차지하고 있다 표 과 표 는 와SCM420H SCr420H . 2-3 2-4 SCM420H

소재의 화학조성을 나타내고 있다SCr420H .

따라서 우선적으로 사업 계획상에 나타나 있는 바와 같이 소재의 단조, SCM420H

전 전처리 공정 열처리 에 해당되는 구상화 소둔 처리된( ) (Spherodized Annealling)

소재의 특성을 분석하였다.

- 16 -

구상화 소둔은 조직을 구상화 시켜주므로써 소재의 성형성을 향상시켜Cementite

단조 하중을 경감시켜주며 그에따라 금형의 수명을 향상시켜 주는 효과를 얻을 수,

있다.

표 소재의 화학성분표 소재의 화학성분표 소재의 화학성분표 소재의 화학성분2-3. SCM420H2-3. SCM420H2-3. SCM420H2-3. SCM420H

표 소재의 화학성분표 소재의 화학성분표 소재의 화학성분표 소재의 화학성분2-4. SCr420H2-4. SCr420H2-4. SCr420H2-4. SCr420H

구상화 처리의 방법은 대개 가지 종류 부록 참조 의 유형이 대표적인데 대연정5 ( 4 ) ,

공에서 초기에 사용하던 소재의 구상화 열처리 조건은 변태선 직SCM420H , Ac1

상 또는 변태선 이하로부터 변태선 이상의 온도 에서 일정한 시간Acm Ac1 (780°C) (6

시간 을 가열 유지한 후 노냉시키다가 변태성 이하의 일정한 온도) Ar1 (700°C X 3

시간 에서 유지하다가 서냉하는 방법이었으며 그때의 조직 변화와 경도 분포는 그) ,

림 과 같이 구상화 열처리가 좋지 않음을 알 수 있다2-1 .

- 17 -

- 18 -

- 19 -

- 20 -

- 21 -

그림 구상화 소둔 공정 조건 및 분석 결과그림 구상화 소둔 공정 조건 및 분석 결과그림 구상화 소둔 공정 조건 및 분석 결과그림 구상화 소둔 공정 조건 및 분석 결과2-1. SCM420H [Pit F'ce]2-1. SCM420H [Pit F'ce]2-1. SCM420H [Pit F'ce]2-1. SCM420H [Pit F'ce]

나 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석나 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석나 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석나 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석) SCM420H) SCM420H) SCM420H) SCM420H

소재는 표 에 나타나 있는 바와 같이 수준으로 저탄소SCM420H 2-3 Carbon 0.2%

강 소재이기 때문에 의 형성이 많지 않기 때문에 구상화 조직을 얻기에Cementite

어려움이 많으며 그림 에 나타나 있는 바와 같이 를 갖고, 2-1 (g) Band-Structure

있기 때문에 더욱 더 균일한 분포를 갖는 구상화 조직을 형성하는 것이Cementite

곤란하다 그러나 전술한 바와 같이 구상화 열처리는 금형 수명에 영향을 미칠 뿐. ,

만 아니라 절삭성에도 영향을 미치므로 공정 개선을 통하여 구상화율을 증가시키고

분포 또한 균일화시키위해 다양한 열처리 조건에 대한 실험과 분석을 수행하였다.

구상화 소둔 조건은 총 가지를 선정하여 조직 경도 인장특성 압축 변형저항을6 , , ,

측정하였다 그림 는 실험에 사용된 열처리 조건을 나타내고 있으며 그 가운데. 2-2 ,

가장 우수한 특성을 나타내고 있는 구상화 열처리 조건과SA-B1( , Bell Type)

공정 에 대한 분석 결과는 그림 에 나타내었다 그 외PA-B1( thens, Bell-Type) 2-3 .

열처리 조건에 대한 자세한 결과는 부록 에 첨부하였다3 .

- 22 -

그림 구상화 소둔 열처리 실험 조건그림 구상화 소둔 열처리 실험 조건그림 구상화 소둔 열처리 실험 조건그림 구상화 소둔 열처리 실험 조건2-2. SCM420H2-2. SCM420H2-2. SCM420H2-2. SCM420H

- 23 -

- 24 -

그림 소둔 개선 공정의 분석 결과그림 소둔 개선 공정의 분석 결과그림 소둔 개선 공정의 분석 결과그림 소둔 개선 공정의 분석 결과2-3. SCM420H [Bell type F'ce]2-3. SCM420H [Bell type F'ce]2-3. SCM420H [Bell type F'ce]2-3. SCM420H [Bell type F'ce]

- 25 -

그림 에서 알 수 있듯이 실험에 의해 선정된 구상화 열처리 조건은 기존 공정2-3

에 비해 구상화 조직을 얻는데 효과적이었으며 변형 저항 또한 표면에서는 까, 20%

지 감소함을 알 수 있었다 그러나 내부에서는 변형저항이 감소되지 않고 있어 여. ,

전히 개선의 여지가 있음을 알 수 있다. .

따라서 보다 우수한 구상화 조직을 얻기 위해 가공열처리 실험을 수행 하였다 그, .

림 는 원소재를 높이 변형으로 까지 압축 변형을 시킨 후 구상화 열처2-4 1/3, 1/2

리 를 했을 경우의 조직을 나타내는 사진으로 가 거(SA-B1, SA-K1) Band Structure

의 나타나지 않으며 조직 미세화와 구상화율 증가의 효과를 얻을 수 있음을 확인,

할 수 있다 그러므로 원소재를 직접 구상화 열처리하지 않고 소성변형을 가한 후. ,

열처리를 하는 것이 우수한 구상화 소둔 조직을 얻을 수 있음을 알 수 있으며 또,

한 원소재와 원소재를 구상화 소둔시킨 소재의 변형 저항이 큰 차이를 나타내지 않

으므로 실 공정에 사용이 가능할 것으로 예측되며 계속적인 현장 실험을 수행하고,

있다.

그림 소둔 개선 공정의 분석 결과그림 소둔 개선 공정의 분석 결과그림 소둔 개선 공정의 분석 결과그림 소둔 개선 공정의 분석 결과2-3. SCM420H [Bell type F‘ce]2-3. SCM420H [Bell type F‘ce]2-3. SCM420H [Bell type F‘ce]2-3. SCM420H [Bell type F‘ce]

- 26 -

다 베어링 강 구상화 열처리 조건 개선다 베어링 강 구상화 열처리 조건 개선다 베어링 강 구상화 열처리 조건 개선다 베어링 강 구상화 열처리 조건 개선) (SUJ2)) (SUJ2)) (SUJ2)) (SUJ2)

베어링강의 일종인 는 표 에 나타나 있는 바와 같이 함량이SUJ2 2-5 Carbon 1%

수준으로 전술한 바와 같이 의 형성이 용이하기 때문에 구상화 열처리도Cementite

저탄소상에 비해 유리하다 그러나 베어링강의 경우는 인성이 강한 소재이기 때문' . ,

에 구상화 열처리가 좋지 않으면 절삭 가공시 재료의 뜯김 현상이 발생되기 쉽기

때문에 특히 주의해야 한다 기존에 대연정공에서 사용하고 있던 구상화 열처리는.

구상화 조건이 좋지 않아 구상화율이 수준이었기 때문에 개선할 필요가 있었80%

다.

표 베어링강 의 화학조성표 베어링강 의 화학조성표 베어링강 의 화학조성표 베어링강 의 화학조성2-5 SUJ22-5 SUJ22-5 SUJ22-5 SUJ2

그림 는 개선된 구상화 열처리 조건을 이용하여 베어링강 을 소둔 처리한2-4 (SUJ2)

후의 조직으로 구상화율이 이상의 우수한 상태를 나타내고 있으며 절삭 가송95% ,

성이 향상되어 가공업체 또한 매우 만족하고 있다.

그림 베어링 강 의 개선된 구상화 소둔 조직그림 베어링 강 의 개선된 구상화 소둔 조직그림 베어링 강 의 개선된 구상화 소둔 조직그림 베어링 강 의 개선된 구상화 소둔 조직2-4 SUJ22-4 SUJ22-4 SUJ22-4 SUJ2

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라 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석라 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석라 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석라 소재 구상화 소둔 개선을 위한 실험 및 분석) SCr420H) SCr420H) SCr420H) SCr420H

소재와 함께 침탄 경화형 합금 소재인 소재는 표 와 같은SCM420H SCr420H 2-4

합금 조성을 갖고 역시 함량이 낮기 때문에 구상화가 어려운 소재이다 그Carbon .

림 는 소재의 원소재 조직 및 구상화 열처리 후의 조직을 나타내고2-5 SCr420H

있는데 원소재에 비해 경도는 정도 감소하였으나 구상화 조직은 역시 많, HRB 15 ,

은 와 구상화 되지 못한 판상 조직이 관찰되고 있다 따Band Structure Cementite .

라서 소재와 동일한 방법으로 가공 후 열처리를 통해 개선 방안을 모색, SCM420H

하였다.

그림 소재의 원소재 조직과 구상화 열처리 조직그림 소재의 원소재 조직과 구상화 열처리 조직그림 소재의 원소재 조직과 구상화 열처리 조직그림 소재의 원소재 조직과 구상화 열처리 조직2-5. SCr420H2-5. SCr420H2-5. SCr420H2-5. SCr420H

그림 은 압축 가공 후 구상화 소둔 처리한 후의 조직을 나타내고 있는데 동일2-6 ,

한 방법으로 개선했던 소재와 같이 가공 열처리 방법을 이용하면SCM420H Band

가 감소되며 구상화 의 형성을 돕기 때문에 우수한 구상화 조직Structure Cementite

을 얻을 수 있다.

- 28 -

- 29 -

그림 소재의 개선된 구상화 열처리 소재 특성그림 소재의 개선된 구상화 열처리 소재 특성그림 소재의 개선된 구상화 열처리 소재 특성그림 소재의 개선된 구상화 열처리 소재 특성2-6. SCr420H2-6. SCr420H2-6. SCr420H2-6. SCr420H

나 단조 기어 성형 공정 설계 기술나 단조 기어 성형 공정 설계 기술나 단조 기어 성형 공정 설계 기술나 단조 기어 성형 공정 설계 기술....

단조 기어 정밀도 향상 기술 지원을 위해 선정한 기어는 모듈 압력각1.75, 20°,

잇수 피자 지름이 인 스퍼어 기어로서 그림 에 최종 기계가공 후15, 26.25mm , 2-7

제품 도면을 나타내고 있다 최종 도면을 기준으로 스처어 기어를 단조할 수 있는.

방법은 압출형 과 반경방향 형태 으로 크게 가지(Extrusion Type) (Upsetting Type) 2

로 분류할 수 있다 본 사업에서 선정한 방법은 최종 년도까지 가지 모두를 이용. 2

할 것이며 차년도인 당해연도는 압출형태를 이용하였다 압출형은 반경방향 형태, 1 .

보다 금형의 강도 유지에 유리하며 성형이 용이하기 때문에 현재까지 가장 많이 사

용하는 방법이다.

- 30 -

그림 기술 지원 대상 스퍼어기어 최종 제품 도면그림 기술 지원 대상 스퍼어기어 최종 제품 도면그림 기술 지원 대상 스퍼어기어 최종 제품 도면그림 기술 지원 대상 스퍼어기어 최종 제품 도면2-72-72-72-7

압출형 스퍼어 기어 단조에서 우선적으로 수행한 모델은 그림 에 나타나 있는2-8

바와 같이 제품을 취출하지 않고 압출 방향으로 제품을 취출하는 방법을 사용하였

다 그러나 예상했던 바와 같이 정밀도에 많은 문제가 존재하여 취출을 포함하는. ,

공정으로 공정을 변경하였다 그림 는 압출과 취출 공정을 이용하여 제조된 시. 2-9

제품을 보여주고 있다.

- 31 -

그림 압출형 스퍼어 기어 단조 공정 개념도그림 압출형 스퍼어 기어 단조 공정 개념도그림 압출형 스퍼어 기어 단조 공정 개념도그림 압출형 스퍼어 기어 단조 공정 개념도2-82-82-82-8

그림 압출형 스퍼어 기어 단조품 외관그림 압출형 스퍼어 기어 단조품 외관그림 압출형 스퍼어 기어 단조품 외관그림 압출형 스퍼어 기어 단조품 외관2-92-92-92-9

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다 단조 기어의 치수 측정 기술다 단조 기어의 치수 측정 기술다 단조 기어의 치수 측정 기술다 단조 기어의 치수 측정 기술....

기어 기밀도 측정은 스퍼어 기어 및 헬리컬 기어의 정밀도 와KS B1405( ) KS

스퍼아 기어 및 헬리컬 기어의 정밀도 측정방법 에 의거하여 기어의 정도를B1406( )

급수로 표기할 수 있다 기어의 정밀도 측정 및 관련 자료는 부록 참조( 5 ).

절삭 기어와는 달리 단조 기어의 정밀도 향상을 위해서는 정밀도 측정을 통한 급수

결정보다는 치형 정밀도 향상을 위해 필요한 단조기어의 치형 치수 정밀도가 더 우

선적으로 중요시 되어야 한다 그 이유는 절삭 기어의 경우는 가공 공구인 호브.

나 기타 가공 에 의해 치형 이 결정되기 때문에 얼마나 정삭 가공(Hob) Tool Profile

이 이루어 기느냐에 기어의 정밀도가 결정된다 따라서 치형의 변화는 공구의 장시. ,

간 사용에 의한 마모나 가공기의 정밀도 저하에 의한 전체적인 급수 저하를 초래할

수 있다 반면에 단조 기어의 경우는 표준 기어의 치형으로 금형을 가공한다 하더. ,

라도 단조와 단조품 취출시 까지의 금형과 단조품의 탄성 변형에 의해 치형이 변화

되므로 이에 대한 정밀 분석과 보정이 필요하다 그림 은 단조 금형과 최종, . 2-10

제품간에 변화되는 치수 변화를 단계적으로 보여주고 있으며 각각에 미치는 영향,

인자를 정리하여 나타내고 있다.

그러므로 단조 기어의 정밀도 향상을 위해서는 치형 의 변화를 단, Involute Profile

계별로 정량적으로 분석하여 각각의 변화에 대한 원인을 분석할 필요가 있다 이들. .

데이터를 측정하기 위해서는 기어 급수 측정용 측정기를 이용해서는 불가능하며, 3

차원 측정기를 이용하여 좌표값을 정량화해야 하며 기준 치형과의 차이와 변화를,

분석해야 한다 정리가 필요한 단계는 설계 금형가공 단조품 열처리품으로 구분할. - - -

수 있으므로 설계 단계에서는 표준 기어의 좌표값을 금형 가공을 위해서는, , Wire

를 방전 가공시 발생되는 설계치수와 가공 금형 치수와의 차이Cutting Data Wire

를 단조품에서는 단조금형과 단조품간의 차이 탄성 변형량 열 처리품은 열처리, ( ),

시 발생되는 조직 변화와 그에 따른 열처리 변형에 대한 를 체계적으로 정리해Data

야 한다.

- 33 -

그림 금형 설계에서부터 최종 단조품까지의 치수 정량화 체계그림 금형 설계에서부터 최종 단조품까지의 치수 정량화 체계그림 금형 설계에서부터 최종 단조품까지의 치수 정량화 체계그림 금형 설계에서부터 최종 단조품까지의 치수 정량화 체계2-10.2-10.2-10.2-10.

압출형태로 제조된 금형은 단조 작업이전에 치형부의 치수 측정이 이루어진 후 단

조품 제조에 이용되었다 그림 은 을 이용하여 금형 및 단조품의 치수를. 2-11 CMM

측정하고 있는 모습을 나타내고 있다.

그림 차원 측정기를 이용한 단조 금형과 단조품의 치형 측정그림 차원 측정기를 이용한 단조 금형과 단조품의 치형 측정그림 차원 측정기를 이용한 단조 금형과 단조품의 치형 측정그림 차원 측정기를 이용한 단조 금형과 단조품의 치형 측정2-11 32-11 32-11 32-11 3

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금형의 치수 측정은 그림 와 같이 금형 하단에서부터 높이 방향에 따른 치수2-12

를 정밀 측정하였다.

스퍼어 기어 금형 치수 측정 부위 및 방법스퍼어 기어 금형 치수 측정 부위 및 방법스퍼어 기어 금형 치수 측정 부위 및 방법스퍼어 기어 금형 치수 측정 부위 및 방법2-122-122-122-12

측정 결과는 그림 에 나타나 있는 바와 같이 치형이 성형되는 부위인 부2-13 Land

의 길이 구간내에서는 수준의 치수 편차를 나타내고 있는 우수한 치수7mm 1㎛

정밀도를 나타내고 있었다 부를 지난 부위에서는 이상 큰 치수를 나. Land 1.2mm

타냄을 그림 를 통해 알 수 있다2-14 .

이와함께 최종 단조품의 치형을 측정하여 금형 치수와 비교한 결과는 그림 에2-15

나타내었다 치수 비교 결과 최대 편차는 수준까지 차이가 발생되어 치형의. 0.5mm

정밀도를 크게 저하시킬 수 있으므로 전술한 바와 같이 치수 편차가 발생되는 량을

정량적으로 분석하여 이를 보정해야 함을 알 수 있다.

- 35 -

그림 스퍼어 기어 금형치수 측정 결과 길이방향그림 스퍼어 기어 금형치수 측정 결과 길이방향그림 스퍼어 기어 금형치수 측정 결과 길이방향그림 스퍼어 기어 금형치수 측정 결과 길이방향2-13 ( )2-13 ( )2-13 ( )2-13 ( )

그림 길이방향별 스퍼어 기어 금형 치형 치수 측정 결과그림 길이방향별 스퍼어 기어 금형 치형 치수 측정 결과그림 길이방향별 스퍼어 기어 금형 치형 치수 측정 결과그림 길이방향별 스퍼어 기어 금형 치형 치수 측정 결과2-142-142-142-14

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그림 금형과 단조품의 치형 변화 비교그림 금형과 단조품의 치형 변화 비교그림 금형과 단조품의 치형 변화 비교그림 금형과 단조품의 치형 변화 비교2-152-152-152-15

라 금형 가공 기술라 금형 가공 기술라 금형 가공 기술라 금형 가공 기술....

기어 단조용 금형 가공은 방전가공을 이용하는 것이 일반적이며 방전가공의 가지, 2

방법인 전극 방전과 방전 모두 사용이 가능하다 전극 방전가공은 절삭기어를Wire .

가공하는 을 이용하여 동 전극을 가공한 후 이를 이용하여 금형Hobbirtg Machine

을 가공하는 것으로 연삭 공정을 이용하여 전극을 가공하므로써 전극을 급 수준까0

지 가공하여 금형을 가공 하는 것이 정밀도 높은 금형과 단조품을 제조할 수 있는

것으로 판단되어 주로 전극 방전가공법을 이용하여 금형을 가공하는 것이 더 일반

적이었다 그러나 최근에는 방전가공기의 정밀도가 매우 향상되었고 전술한. , Wire ,

바와 같이 단조 공정을 이용하여 기어를 제조할 때는 금형 기어 치형부에 가해지는

응력이 치형 의 각 부분에 따라 다르며 그로인해 단조품 또한 일정한 비율Profile ,

로 금형과 다른 단조품이 제조되는 것이 아니기 때문에 표준 치형 과는 다른Profile

단조용 을 설계하여 단조품의 치형이 표준 치형을 갖도록 해야 하므로 절삭Profile

가공법을 이용하여 표준 전극을 가공하고 전극이용하여 금형을 가공하는 것은 치,

수 정밀도 높은 단조품을 제조할 수 없게 된다.

- 37 -

따라서 본 사업에서는 방전가공법을 이용하여 금형을 제조하였다 그림, Wire . 2-16

은 방전 가공용 치형 와 가공된 금형 치수의 차이를 나타내는 것으로 가Wire Data

공된 금형 치수는 방전 치수에 비해 만큼 큰 치수를 나타내었다 그 차Wire 10 .㎛

이는 방전 가공 이상층의 제거량에 해당되는 치수이다Wire .

그림 와 금형 가공 치수 비교그림 와 금형 가공 치수 비교그림 와 금형 가공 치수 비교그림 와 금형 가공 치수 비교2-16. Wire Data2-16. Wire Data2-16. Wire Data2-16. Wire Data

와 금형 가공치수 차이에 해당되는 이상의 분석 데이터는 추후에 보정용Wire Data

치형 의 를 설계할 때 필요한 기준이 된다Profile Wire Data .

- 38 -

마 해석을 이용한 최적마 해석을 이용한 최적마 해석을 이용한 최적마 해석을 이용한 최적. FEM. FEM. FEM. FEM

전술한 바와 같이 단조품은 단조 금형과 금형과 단조품의 탄성 변형에 의해 그 치

수에 차이가 발생된다 따라서 단조품의 치수를 원하는 값으로 제조하기 위해서는. ,

각 탄성 변형량에 대한 정량적인 분석을 통해 리를 금형 가공의 목표 치수로 설정

해야 한다 그림 참조 따라서 본 사업에서는 금형의 탄성 변형량을 각 공정[ 2-10 ]. ,

에 대해 정밀 분석을 위해 를 금형 표면(Loading-Unloading-Ejecting) Strain Gage

에 부착하여 직접 측정을 하므로써 해석을 통해 수행되는 금형과 단조품의, FEM

탄성 변형에 대한 보다 세부적인 분석의 근거를 마련하였다 그림 은 단조 소. 2-17

재와 단조품 사진을 나타내고 있으며 그림 은 를 금형에 부착한, 2-18 Strain Gage

위치를 나타내고 있다 는 금형의 부에 측면에서 부착하여 원주 방. Strain gage Land

향 변형율을 측정하였으며 부 높이에 따라 금형의 탄성 변형량을 측정하기Land

위해 와 높이 방향으로 개의 게이지를 부착하였다Land 3 .

그림 단조 소재와 단조품 외관그림 단조 소재와 단조품 외관그림 단조 소재와 단조품 외관그림 단조 소재와 단조품 외관2-172-172-172-17

각 게이지에서 측정된 금형의 탄성 변형율은 그림 에 나타내었다 그림에서2-19 .

알 수 있듯이 시에 부의 탄성변형량은 압줄시작되는 비정상 상태의 경Loading Land

우는 이 와 의 탄성 변형량 보다 작고 정상 상태에 도달하면 의ch-1 ch-2 3 , ch-2

탄성변형율이 과 보다 크게 나타나고 있다ch-1 3 .

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그림 스트레이 게이지 부착 위치그림 스트레이 게이지 부착 위치그림 스트레이 게이지 부착 위치그림 스트레이 게이지 부착 위치2-18.2-18.2-18.2-18.

그림 측정된 금형 부의 탄성 변형율그림 측정된 금형 부의 탄성 변형율그림 측정된 금형 부의 탄성 변형율그림 측정된 금형 부의 탄성 변형율2-19 Land2-19 Land2-19 Land2-19 Land

- 40 -

금형의 탄성 변형율에 대한 정량 분석을 위해 수행한 해석은 기어가 차원 형FEM 3

상이기 때문에 소성 가공 해석 전문 프로그램인 를 이용하여 차원DEFORM-3D 3

실 형상으로 해석을 수행 하였다 해석에 사용된 치수는 차원 측정기를. Involute 3

이용하여 측정한 금형의 실 측정 치수를 이용하였다 설계치수를 이용할 경우는 금.

형과 단조품의 탄성 변형량을 분석할 때 금형의 설계치수와 실제 가공치수와의 차

이도 포함된 값을 분석하게 되므로 정밀한 분석이 불가능하기 때문에 차원, 3

은 보다 많은 데이터와 복잡성에도 불구하고 실제 측정된 금형 치수를 이Modelling

용하였다 그림 은 차원 해석을 위해 금형 측정과 차원 작업 해석. 2-20 3 3 Modelling ,

에 사용된 금형 물성치를 보여주고 있다 해석에 사용된 모델은 그림 에 나타. 2-21

나 있는 바와 같이 치형 개의 을 이용하므로써 해석에 필요한 수와 해, 1 1/2 Mesh

석 시간을 최소화하였다.

그림 해석을 위한 스퍼어기어 단조 차원 모델그림 해석을 위한 스퍼어기어 단조 차원 모델그림 해석을 위한 스퍼어기어 단조 차원 모델그림 해석을 위한 스퍼어기어 단조 차원 모델2-20. FEM 32-20. FEM 32-20. FEM 32-20. FEM 3

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그림 스퍼어 기어 치형부그림 스퍼어 기어 치형부그림 스퍼어 기어 치형부그림 스퍼어 기어 치형부2-21. Model2-21. Model2-21. Model2-21. Model

압출이 시작되면서 펀치가 진행됨에 따라 성형되는 과정은 그림 에 나타나 있2-22

다 그림에서도 알 수 있듯이 유효응력은 치형부에서 최대 내부에서 최소값을 나타.

내고 있으며 길이 방향으로는 많은 차이를 나타내지 않고 있다.

그림 은 해석 결과와 실 단조품을 비교하고 있는데 기어 압출 시작에서 발생2-23 ,

되는 미성형 부위 발생을 정확히 예측하고 있음을 알 수 있다 단조 기어의 성형.

해석 후 금형의 탄성 변형량 분석을 수행한 금형 응력 해석은 그림 에 나타나2-24

있는 바와 같이 성형 해석 동안에 강체 로 모델링 되었던 금형의 물성, (Rigid Body)

치를 탄성체로 변경 한 후 금형에 단조품과의 상호 압력을 내삽하여 금형의 응력

분포와 탄성 변형량을 해석하였다 압출이 진행됨에 따라 변화되는 금형의 응력 분.

포는 그림 에 나타나 있는 바와 같이 압출 후반부로 갈수록 선단부와 저면에2-25

서 응력이 증가되고 있다.

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그림 스퍼어 기어 성형 해석 결과 유효응력 분포그림 스퍼어 기어 성형 해석 결과 유효응력 분포그림 스퍼어 기어 성형 해석 결과 유효응력 분포그림 스퍼어 기어 성형 해석 결과 유효응력 분포2-22 ( )2-22 ( )2-22 ( )2-22 ( )

그림 스퍼어 기어 성형 해석과 실 단조품 비교그림 스퍼어 기어 성형 해석과 실 단조품 비교그림 스퍼어 기어 성형 해석과 실 단조품 비교그림 스퍼어 기어 성형 해석과 실 단조품 비교2-232-232-232-23

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그림 스퍼어 기어 단조 금형의 응력 해석 방법그림 스퍼어 기어 단조 금형의 응력 해석 방법그림 스퍼어 기어 단조 금형의 응력 해석 방법그림 스퍼어 기어 단조 금형의 응력 해석 방법2-24.2-24.2-24.2-24.

그림 금형의 응력 분포 변화그림 금형의 응력 분포 변화그림 금형의 응력 분포 변화그림 금형의 응력 분포 변화2-25.2-25.2-25.2-25.

금형의 응력 분포를 치형부에서 분석한 그림 와 달리 그림 은 횡단면에2-25 2-26

서 금형의 부품별 응력 분포를 나타내고 있다 그림에서 좌측 상단은 소재가 변형.

되는 시작 시점의 금형 응력 분포를 우측 상단은 압출이 시작된 시점 좌측 하단은,

정상상태에서 압출이 진행되고 있을 때로서 초경 에 가해지는 응력 분포가 점점Tip

더 증가되면서 균일해짐을 알 수 있다.

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그림 금형의 부품별 응력 분포 변화그림 금형의 부품별 응력 분포 변화그림 금형의 부품별 응력 분포 변화그림 금형의 부품별 응력 분포 변화2-262-262-262-26

해석된 치형 치수 데이터와 측정에 의해 얻은 실 치수를 치형 의 보정Profile data

를 얻기 위해 분석한 절차는 그림 과 같다 앞서 정리한 결과와 같이 치형2-27 .

의 정리 필요 시점은 가공용 설계 치수에서부터 금형 가공 치수 단조품Profile Wire -

치수 해석 결과 단계별 보정량 계산 순으로 정리할 수 있다 해석에서 얻은 결과- ( )- .

들은 비정상 상태 부분과 정상상태 부분에 대해 분리해서 분석해야 한다.

분석 결과에 의하면 그림 에서와 같이 단조품은 금형 보다 만큼 치수가2-28 10㎛

증가되며 해석에 의해 분석된 금형의 찬성 변형량은 실 단조품과 의 차이가FEM 5㎛

발생되고 있다 이를 토대로 분석 가능한 단조품의 탄성 회복량은 수준임을 알. 5㎛

수 있다.

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그림 치형 의 보정량 분석을 위한 절차그림 치형 의 보정량 분석을 위한 절차그림 치형 의 보정량 분석을 위한 절차그림 치형 의 보정량 분석을 위한 절차2-27. Profile2-27. Profile2-27. Profile2-27. Profile

그림 치형 치수 변화 분석 결과그림 치형 치수 변화 분석 결과그림 치형 치수 변화 분석 결과그림 치형 치수 변화 분석 결과2-28.2-28.2-28.2-28.

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치형부의 길이 방향별 치수 변화는 그림 에 나타나 있는 바와 같으며 비정상2-29

상태 영역내에 존재하는 치형 단면은 까지 크게 타타나고 있음을 알 수 있는20㎛

데 그 원인은 압출시 금형에 발생되는 굽힘 응력 응력에 의한 변형때문으로 분석,

할 수 있다.

그림 길이 방향에 따른 치형 치수 변화그림 길이 방향에 따른 치형 치수 변화그림 길이 방향에 따른 치형 치수 변화그림 길이 방향에 따른 치형 치수 변화2-29.2-29.2-29.2-29.

압출품의 치형 정밀도측정에 의한 단조 기어의 정밀도는 기술지원 전 급 수준5~6

이었으나 본 기술 지원 사업에 의해 현재는 급 수준의 스퍼어기어를 제조할, 3~4

수 있으며 지속적인 사업 진행을 통해 급 수준의 기어 제조가 가능할 것으로, 2 3〜

예상된다 표 은 기어 정밀도 규격과 측정 결과를 나타내고 있다. 2-6 .

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표 기술 지원 대상 단조 스퍼어 기어 정밀도표 기술 지원 대상 단조 스퍼어 기어 정밀도표 기술 지원 대상 단조 스퍼어 기어 정밀도표 기술 지원 대상 단조 스퍼어 기어 정밀도2-6 (KS B1405)2-6 (KS B1405)2-6 (KS B1405)2-6 (KS B1405)

바 단조품의 강도 시험 및 분석바 단조품의 강도 시험 및 분석바 단조품의 강도 시험 및 분석바 단조품의 강도 시험 및 분석....

높은 치수 정밀도와 그에 따른 후가공비 절감으로 점유율이 증가하고 있는 냉간단

조품의 신규 개발품에 대한 신뢰성 입증은 유사 부품의 공정 대체를 위해서도 또한

매우 중요하다 그런 차원에서 주 대연정공에서 필요한 단조품의 신뢰성 입증이 필. ( )

요한 신규 개발품이 있어 본 사업에서 이를 지원하였다 그림 은 기존에 사용. 2-30

되어 왔던 부품명 자동차 차동장치용 부품 라는 열간단조품과 개발된 냉간Spider( )

단조품의 외관 사진으로 냉간단조품은 이상의 재료이용율을 갖는 정형제조95% (Net

를 달성하는 우수한 개발품이다 그러나 납품처의 요구와 주 대연정공의Shaping) . , ( )

신뢰도 입증에 따른 파급효과를 위해 실 제품 파단 실험을 수행하였다 그림. 2-31

은 시험에 사용된 톤 압축시험기 외관을 나타내고 있으며 그림 는200 CNC 2-32

파단 시험용 의 차원 을 나타내고 있다 실 파단 시험용의 지그의 강도Jig 3 Model .

유지에 대한 평가를 위해 해석에 의해 파단 시험에 대한 전산 모사 실험을 수FEM

행하였다.

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그림 기존 제품과 개발품 외관그림 기존 제품과 개발품 외관그림 기존 제품과 개발품 외관그림 기존 제품과 개발품 외관2-30.2-30.2-30.2-30.

그림 압축 파단 시험에 사용된 톤 압축시험기그림 압축 파단 시험에 사용된 톤 압축시험기그림 압축 파단 시험에 사용된 톤 압축시험기그림 압축 파단 시험에 사용된 톤 압축시험기2-31 200 CNC2-31 200 CNC2-31 200 CNC2-31 200 CNC

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그림 파단 시험용 차원그림 파단 시험용 차원그림 파단 시험용 차원그림 파단 시험용 차원2-32 Spider Jig 3 Model2-32 Spider Jig 3 Model2-32 Spider Jig 3 Model2-32 Spider Jig 3 Model

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유한요소해석을 이용한 파단 시험에 대한 전산모사 결과 그림 지그에 발생되( 2-33)

는 응력은 지그 상부에서 최대 주응력이 하부에서 로 지그에 사용30Mpa, 110Mpa ,

소재인 금형강의 인장강도인 의 미만으로 파손의 위험은 존재하지2,500Mpa 10%

않으며 단조품의 파단강도는 톤 수준을 나타냄으로서 실제 시험을 위한 설계 밑, 7

제작에 필요한 정보를 확보하였다.

이상의 결과를 기준으로 그림 에 나타나 있는 바와 같이 굽힘 파단 시험용 지2-34

그를 제작하였으며 파단 시험 후의 단조품 외관은 그림 와 같이 열간단조품, 2-35

과 냉간단조품의 파손 부위에 미소한 차이가 나타나고 있다.

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그림 을 이용한 파단시험 모사 실험 결과그림 을 이용한 파단시험 모사 실험 결과그림 을 이용한 파단시험 모사 실험 결과그림 을 이용한 파단시험 모사 실험 결과2-33. FEM Spider2-33. FEM Spider2-33. FEM Spider2-33. FEM Spider

그림 파단 시험 외관그림 파단 시험 외관그림 파단 시험 외관그림 파단 시험 외관2-34. Spider Jig2-34. Spider Jig2-34. Spider Jig2-34. Spider Jig

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그림 파단 시험 시험 결과 시험편 외관그림 파단 시험 시험 결과 시험편 외관그림 파단 시험 시험 결과 시험편 외관그림 파단 시험 시험 결과 시험편 외관2-35. Spider [ ]2-35. Spider [ ]2-35. Spider [ ]2-35. Spider [ ]

측정된 굽힘 파단 강도 값을 비교하면 그림 에 나타나 있는 바와 같이 냉간단2-36

조품과 열간단조품이 동일한 강도를 나타내고 있으나 파단에 대한 저항은 냉간단,

조품이 정도 더 높은 특성을 갖고 있다 그 이유는 파단면 관찰결과 냉간단조10% .

품이 차 항복 이후 차 항복에 대한 저항이 더욱 크게 나타나고 있기 때문으로 판1 2

단된다 열간단조품과 냉간단조품의 미세 조직은 그림 에 나타나 있는 바와. 2-37

같이 건전한 조직을 나타내고 있다Quenching/Tempering .

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그림 파단 시험 시험 결과 파단 하중 및 파단면그림 파단 시험 시험 결과 파단 하중 및 파단면그림 파단 시험 시험 결과 파단 하중 및 파단면그림 파단 시험 시험 결과 파단 하중 및 파단면2-36. Spider [ ]2-36. Spider [ ]2-36. Spider [ ]2-36. Spider [ ]

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그림 개발 냉간단조품 파단면 조직그림 개발 냉간단조품 파단면 조직그림 개발 냉간단조품 파단면 조직그림 개발 냉간단조품 파단면 조직2-37. Spider2-37. Spider2-37. Spider2-37. Spider

기술 지원이 기업에 미친 기여기술 지원이 기업에 미친 기여기술 지원이 기업에 미친 기여기술 지원이 기업에 미친 기여3.3.3.3.

주 대연정공은 냉간단조품 가운데 정밀도가 높은( ) , bevel gear, c.v-joint cage,

제품들에 대해 개발과 생산에 주력해 온 기업이었기 때문에 냉간단조sleeve gear

품의 치수 정밀도 향상에 관심이 있는 상태에서 기술지도 사업을 신청하고 참여하

였기 때문에 최종 목표와 진행 방향에 대한 큰 흐름은 설정이 되어있었으며 따라

서 본 지도 사업 동안에 현장에서는 구축하기 곤란한 정밀한 분석과 보정 기술에,

대한 지원으로 한단계 기술의 진보가 이루어질 수 있었다 또한 경험에 의해 숙지. ,

하고 있는 현상에 대한 원인 규명이 자연스럽게 진행되면서 기업의 연구원들의 연

구 능력이 향상되므로써 궁극적으로는 향후 계속적으로 진행되어야 할 기술 개발의

가속도가 높아질 것으로 판단된다 본 기술지도 사업을 통해 기업으로 지원된 기여.

도를 항목별로 정리하면 표 과 같다 또한 기어 및 정밀단조품의 치수 정밀도2-7 . ,

향상을 위한 차원 측정기의 활용 및 구축에 대한 필요성을 다시 한번 확인시켜 주3

므로써 측정 및 개발 시설 확충 및 활용에 기여하므로써 기업의 대외신인도가 향상

되었다.

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표 기업으로 지원된 기여도표 기업으로 지원된 기여도표 기업으로 지원된 기여도표 기업으로 지원된 기여도2-7.2-7.2-7.2-7.

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제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

본 사업을 통하여 한국기계연구원은 주 대연정공의 핵심 기술진과 경영진들을 관( )

련학회인 한국소성가공학회의 학술대회 국내 단조업체들의 기술 교류를 목직으로,

구성된 단조기술교류회 파견연구원이 소속된 국가 지정실 무절삭 정밀 단조, (NRL) "

연구실 등에 초청함으로써 국내 동종 업체 기술진을 비롯하여 대학교" workshop ,

연구소에 근무하는 해당 분야의 전문 연구자들과 기업의 기술진과의 교류의 기회를

늘리는 역할을 하였다.

특히 단조 기어의 치수 정밀도 향상을 위한 기술 지원 협력 연구는 주 대연정공의, ( )

기술책임자인 노태두 대리와 직접 상호 방문 뿐만아니라 전화 및 전자메일 등과 같

은 통신 수단을 이용하여서도 수시로 상호간의 연락을 취하며 표 과 같은 계획2-8

에 따라 기술 지원을 수행하여 단조품의 고부가치화와 단조품의 신뢰성 입증을 통

한 냉간단조품의 적용 제품 확대와 산업 기반 조성에 노력하였다.

이상의 개발을 위해 한국기계연구원에서는 I-DEAS, DEFORM 2D and 3D ,™ ™

차원 측정기 경도기 조직 현미경DAS(Data Acquisition System), Strain Gage, 3 , , ,

압축시험기 등의 해석 시스템 및 분석 장비를 사용 하였다 대한금속 주 에서는 냉, . ( )

간 단조 프레스 열처리로 기 기어 맞물림 시험기, , Machine Center, Shot , , CATIA

등의 시제품 제작 장비 및 차원 및 가공기를 사용하였다3 Modelling .ㆍ

또한 지도 내용에 대한 세부 사항을 지원 테마별로 정리하여 자료로서 역할을 할,

수 있도록 지원 자료를 분류하여 기업에 제공하였으며 그때마다 기술책임자와 개,

선 사항을 위해 협의하면서 더욱 더 기술 발전이 가능한 방향을 설정하였다.

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표 기술지원 추진 일정 및 수행주체 사용표 기술지원 추진 일정 및 수행주체 사용표 기술지원 추진 일정 및 수행주체 사용표 기술지원 추진 일정 및 수행주체 사용2-8 / Tools2-8 / Tools2-8 / Tools2-8 / Tools

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

총 년 계획하에 년이 경과된 본 부품 소재 기술 지원 사업은 사업의 취지에 걸3 1 ㆍ

맞게 전문 연구원 한국기계연구원 이영선 이 기업 주 대연정공 과 기술지원 및 협( ) ( , )

력을 통해 현재 생산 및 개발중인 기어의 치수 정밀도를 향상시키므로써 단조품의

부가가치화를 실현하고 생산 품목을 확대하는 등 부품 소재 전문 기업으로서의 자ㆍ

리를 확고히 할 수 있도록 노력하였으며 그 결과로 다음과 같은 성과를 얻을 수 있

었다.

절삭 기어에 비해 측정 및 금형 가공 등 치수 정밀도 확보를 위해서는 상대적으1.

로 불리한 단조 기어 정밀도 향상이 가능함을 확인하였다.

개발 이전 정밀도 수준인 급의 정밀도를 차년도인 당해연도에는2. KS 5 6 1 3~4〜

급 수준으로 향상시킬 수 있었으며 추가적으로 급 수준의 기어 정밀도를 얻을, 2~3

수 있도록 현재까지 분석된 정량적인 를 보다 보완하고자 한다, Data .

또한 해석 기술의 현장 적용을 위한 사전 준비 작업 치수정밀도 예측에 대3. , FEM (

한 신뢰성 입증 이 완료된 만큼 보다 현실적인 를 해석을 통해 개발할 수 있음) Data

을 확인하였다.

계획에 따라 진행되고 있는 단조 기어 정밀도 향상은 차년도에 추진하였던 압4. 1

출형 기어 제조 기술을 더욱 더 확고히 하고 형태의 단조 기술 또한 개, Upsetting

발을 시작하였으며 향후 추진할 기술의 확보는 곧 바로 본 기술에서 세계 최고가

될 수 있는 기술인 만큼 기업과 적극적인 협력과 기술 지원으로 사업종료 후 경제

적인 효과와 대외경쟁력을 확립하고자 한다.

또한 지원기업은 연구소 대학의 연구진과 협력을 통하여 현장에서는 정립이 어5. , ,

려웠던 분석적인 기술을 현장에 접목하고 신제품 개발에 보다 능동적인 대처가 가

능해졌다.

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주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의1. ㆍ

기술지원보고서이다.

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시 산업자원부에서2.

시행한 부품 소재 종합기술지원사업의 기술지원 결과임을 밝혀야 한다.ㆍ

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