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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.6 pp.91-97
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.6.091

Study on Effect of Micro Tooth Shape Modification on Power Transmission Characteristics based on the Driving Gear of Rotating Machining Unit

Jeong-Hwan Jang*, Zhen Qin**, Dong-Seon Kim**, Yu-Ting Wu**, Sung Ki Lyu**#
*Department of Automotive Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology
**School of Mechanical & Aerospace Eng., ERI, Gyeongsang national University
Corresponding Author : sklyu@gnu.ac.kr Tel: +82-55-772-1632, Fax: +82-55-772-1578
26/03/2019 15/04/2019 13/05/2019

Abstract


Rotating machining unit is a revolutionary product that can process worm shaft or spiral shaft with fast and precise, a rotary type cutting tool, which is attached to automatic lathe and processes spiral groove on outer circumference of round bar. In this work, a study on micro tooth shape modification method of driving gear train in the rotating machining unit was presented. To observe the effect on power transmission characteristics of the driving gear pair, visualize the gear meshing condition and the load distribution on the gear teeth by using the professional gear train analysis program RomaxDesigner. By comparing the repeated analysis results, the effect of micro tooth shape modification on power transmission characteristics on driving gear can be summarized. The optimized gears were fabricated and measured by precision tester as a validation in this research.



마이크로 치형수정이 선회가공 유닛 구동기어의 동력전달 특성에 미치는 영향에 관한 연구

장 정환*, 진 진**, 김 동선**, 우 위팅**, 류 성기**#
*경남과학기술대학교 자동차공학과
**경상대학교 대학원 기계항공공학부, 공학연구원

초록


    Ministry of SMEs and Startups

    National Research Foundation of Korea
    NRF-2016R1D1A09920105

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    자동선반에 부착하여 나선형 홈을 가공하는 회전 형 절삭공구인 고정밀 선회가공장치는 웜 샤프트나 나선축을 빠르고 정밀하게 가공할 수 있는 공구유 니트다. 나선형 리드각에 따라 각도를 조절하고 나 사형상에 따라 가공 인서트를 교환 할 수 있는 유 연성을 가지고 있다. 다수의 인서트가 고속으로 회 전하면서 연속적으로 홈을 가공함으로써, 통상의 선반용 바이트에 비하여 가공의 정밀도 및 속도 등 을 혁신적으로 향상 할 수 있다. 가공물의 형상에 따라 공구의 고속 회전 동작과 몸체의 틸트 동작을 동시에 실현시키는 고정밀선회가공 유닛은 가공정 밀도의 향상을 위해 높은 회전정밀도와 저진동/저 소음 특성이 필수로 요구된다. 이러한 문제점을 해 결하기 위하여 기어의 마이크로 치형설계 및 정밀 부품설계관련 연구를 많이 수행하고 있다.[1-13] 기어 설계는 설계대상에 따라 매크로 지오메트리과 마이 크로 지오메트리방식으로 나눌 수 있다. 매크로 지 오메트리 설계는 최초 설계단계에서 수행하고 마이 크로 지오메트리는 매크로 요소를 결정한 후에 치 면에 미소수정의 방식으로 수행한다.

    본 연구에서는 기어쌍의 접촉조건과 동력전달시 치면에 있는 하중응력분포를 관찰하기 위해 기어박 스 해석 전문프로그램 Romax Designer를 사용하였 다. 기어표준의 제공된 여러 가지 공식에 의해서 최적 설계를 수행하는 프로그램이다. 본 논문은 선 회가공 유닛의 구동기어에 대해 Romax Designer에 제공된 micro geometry방법을 이용하여 마이크로 치형수정 및 접촉해석을 수행하였다. 기어의 치형 을 수정하여 결과에 따른 응력분포와 전달오차를 반복확인을 통해 기어 동력전달 특성에 최적화된 기어치형 수정량을 찾는다. 최종적으로 수정된 구 동기어를 제작하여 기어의 정밀도를 측정하여 측정 결과를 고찰하였다.

    2. 모델링 및 기어 강도 고찰

    선회가공 유닛의 구동부 시스템은 입력부 shaft 의 동력으로 스파이럴 베벨기어를 통하여 수직방향 으로 동력전달이 이루어진다. 스퍼기어 한 쌍의 구동방식으로 동력의 전달이 된다. 구동축의 입력 회전수는 6000 rpm 이고 토크는 7.5 Nm 이다. 매 크로 지오매트리 설계단계에서 받은 제원을 이용하 여 기어 시스템의 모델링을 수행하였다. ISO 6336 표준을 바탕으로 기어 강도계산을 실시하였다.

    Root safety factor 와 Flank safety factor가 모두 1.0보다 큰 것으로 확인되었다. 이는 실제가동시 강 도측면에서 문제가 없을것 이라고 판단되었다.

    3. 치형 수정 및 동력전달 특성

    Micro geometry방식은 기어 치면의 윤곽을 미세 하게 수정함으로써 기어 전달효율을 향상시키고 제 작 단가에 영향을 미치지 않는다는 장점을 가지고 있다.[14-23] 기어의 매크로 지오매트리 치형수정 방 법은 수정대상에 따라 크게 Flank modification과 Profile modification 2가지 수정법으로 분류된다. 프 로파일 방향의 가공 및 리드 방향의 가공으로 기존 치면의 윤곽을 미세하게 제거하거나 보충하는 방식 으로 새로운 기어 이의 치면을 생성한다. 기어 이 의 끝에서 응력집중현상은 기어의 수명에도 영향을 주게 된다. 또한 이러한 현상은 치면의 국부에서 마모 및 마찰을 야기하게 되고 이는 소음의 주요 원인이다. 게다가 기어끝단은 중심부보다 취약하고 이는 쉽게 부러진다. 기어이의 맞물림에 따라서 기 어끝단에서의 파손은 기어시스템 전체의 고장으로 이어지는 사례가 많다. 따라서 최대응력이 기어이 의 중심부로 이동시키는 최적설계를 진행해야 한 다. 프로파일 방향의 치형 수정은 치 끝의 접촉을 최소화하고 동적진동 및 소음을 개선할 수 있는 효 과가 있다. 리드 수정의 방식으로 기어 치면적을 조절하여 치면에 하중이 불균일하게 분포되는 것을 방지하고 기어 축의 뒤틀림 방지할 수 있다.

    본 연구에서 먼저 구동기어 표준치형의 모델에 대해 마이크로 접촉해석을 진행하였다. Fig. 1a), b)는 입력 피니언기어의 치면 응력분포 결과이고, Fig. 1c), d)는 출력 훨기어의 치면 응력분포 결 과이다. 두 기어의 전달하중이 기어의 한쪽으로 집 중되어 있음을 확인 할 수 있으며, 최대응력은 77.1 N/mm로 나타났다.

    최적의 치형 수정량을 찾기 위해서 반복적인 수 정량 변경 및 마이크로 지오메트리 접촉해석을 수 행하였다. 이 과정에서 동력전달시의 전달오차와 치면의 하중응력 분포 특성을 관찰하여 최적의 치 형수정량이 선정되었다. Fig. 2는 수정후의 최적화 되는 기어의 치형을 나타냈다. 가공시 양쪽방향으 로 회전해야 하므로 각 기어 양쪽 치면에 같은 수 정방식이 부여된다. 입력 피니언 기어의 리드수정 은 크라운 1 ㎛만큼 수정하였고, 슬로프 4 ㎛, 인벌 루트 수정량은 바렐링 2 ㎛ 만큼 수정하였다. 출력 훨기어의 인벌루트 수정량은 바렐링 1 ㎛, 슬로프 0.3 ㎛ 만큼 수정하였다.

    최적화된 치형의 전달오차는 0.135 ㎛로 확인되 었으며 기본치형의 전달오차 결과(1.42 ㎛)와 대비 하여 90% 감소하였다. PPTE가 기어 동력 전달시에 진동에 영향을 미치는 가장 중요한 요소이다. Fig. 3은 최적화된 치면의 응력분포를 나타낸 것 이며 최적설계 이전과 비교할 때 최대응력(46.4 N/mm)은 기어의 중심부로 이동한 것을 확인 할 수 있다. 기 어의 끝부분의 응력은 0에 가깝게 나타나고, 응력 은 중심에서 끝단까지 균등하게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 해석결과를 통해 구동기어 동력전달시의 진동 및 전달부하의 응력분포 특성이 마이크로 치 형수정량에 따라 변경하고 있는 것을 확인할 수 있 다. 본 연구에서 해석결과을 이용해 최적화된 동력 전달 특성을 가지고 있는 치형수정량을 찾았다.

    4. 정밀도 측정결과 및 고찰

    기어의 정밀도는 동력전달의 특성에 영향을 미치 는 중요 평가지표이며 가공기법을 검증하는 간편한 방식이다. 본 연구에서 Tokyo Technical사 CNC기어 측정기를 사용하여 기어정밀도를 측정하였다.

    SCM415 소재는 높은 강도의 특성으로써 기어의 제작에 많이 사용하고 있다. 국부 가열 방식을 이 용해 2차 성형을 수행하여 제품을 제작하였다. 제 작된 스퍼 기어 시제품의 형상을 Fig. 4에 나타냈 다. 기어의 표면경화처리는 침탄 방식으로 열처리 를 하고, 표면경도는 55~60HRc 까지 확인되었다.

    제작한 스퍼 기어의 기본 사양은 모듈 1.0 mm, 잇 수 44개, 압력각 20°이다. 기어의 오차 측정은 5개 의 시험기어를 가지고 측정기준에 따라 기어 1개 당 4개 기어 이의 오른쪽과 왼쪽으로 나누어 측정 하여 평균값을 구하였다. 스퍼기어의 정밀도는 기 어의 회전 중심을 측정기준으로 1, 12, 23, 34 번째 이에 대하여 좌우 양쪽 치면을 측정하였다.

    프로파일오차 측정결과는 Fig. 5에 나타난바와 같 이 왼쪽 치면의 에러 평균값은 0.9 ㎛, 오른쪽은 0.62 ㎛이며 총 평균값은 0.76 ㎛로 나타났다. 기어 의 리드오차 측정결과를 Fig. 6에 나타냈으며, 왼쪽 치면의 리드오차의 평균값은 0.62 ㎛, 오른쪽은 0.66 ㎛, 총 평균값은 0.64 ㎛로 나타났다. 리드오차 의 측정기준에 따라 기어 1개 당 4개의 기어 이의 오른쪽과 왼쪽으로 나누어 측정하고 평균값을 구하 였다. 피치에러의 측정 결과를 Fig. 7에 나타냈으며, 왼쪽 치면의 피치오차 평균값은 6.34 ㎛, 오른쪽은 7.36 ㎛, 총 평균값은 6.85 ㎛로 나타났다. Fig. 8 는 런아웃오차의 측정 결과이며, 런아웃오차의 평 균값은 6.3 ㎛로 나타났다.

    5. 결론

    본 연구에서는 공작기계용 고정밀 선회가공 유닛 의 구동부 기어박스를 기반으로 마이크로 치형수정 이 기어 동력전달의 특성에 미치는 영향을 탐구하 는 연구를 수행하였다. 기어트레인 모델링 및 해석 전용 프로그램인 Romax Designer를 활용하여 유닛 의 구동 기어 시스템에 대해 모델링 후 마이크로 지오메트리 접촉 해석을 통해 치형 반복 수정을 수 행하면서 Profile 및 Lead 방향의 하중분포 및 동력 전달의 전달오차 특성을 관찰하고 기어 내구성 향 상 및 NVH 성능을 위해 최적화된 기어의 치형을 파악하여 최종 기어설계를 정의하였다. 마이크로 지오메트리 시뮬레이션을 반영하여 실제 기어를 제 작한 후에 기어의 정밀도에 대해 측정 및 결과 고 찰을 진행하였다. 본 연구를 통해 아래와 같은 결 론을 얻을 수가 있었다.

    • 1) Romax Designer 프로그램을 활용하여 선회가공 유닛의 구동부의 기어 시스템에 대해 모델링을 수행하고 다른 치형 수정량이 기어 구동시 전달 특성을 관찰하기 위해 반복 Profile 및 Lead를 수정하고 마이크로 지오메트리 시뮬레이션을 통 해서 선회가공 유닛의 최적화된 전달특성을 가 진 기어박스 설계를 수행하였다.

    • 2) 최적화된 치형의 전달오차는 0.135㎛로 확인되었 으며 기본치형의 전달오차 결과(1.42㎛)와 대비 하여 90% 감소하였다. 이에 따라 최적화된 유닛 의 기어트레인의 내구 및 소음/진동 효과가 표준 치형의 경우보다 많이 개선될 것으로 보일 수 있었다.

    • 3) 마이크로 접촉 해석결과를 비교하여 수정 전 모 든 스퍼기어의 응력분포가 기어 치면의 한쪽 끝 단부에 집중되어 있는 반면 최적설계 이후에 응 력분포가 한쪽 끝단부에서 치면의 중심부에 이 동 되어있는 것을 확인하였다. 치형수정 이후에 입력 피니언 기어 치면의 최대응력은 치형수정 전보다 38.5%를 줄었다. 출력 훨 기어 치면의 최 대응력도 38.8%를 개선된 것을 확인하었다. 이에 따라 기어 구동시 부하가 치면에 균등하게 분표 된 것을 발견할 수 있다.

    • 4) 최적화 설계된 시험기어의 프로파일 오차 측정 결과 좌측치면이 0.9 μm, 우측 치면이 0.62 μ m로 나타났으며, 기어치면의 프로파일오차 총 평균값은 0.76 μm 으로 나타났다. 리드오차 측 정결과, 좌측치면 0.62 μm, 우측치면 0.66 μm 로 나타났고, 기어치면의 리드오차 총 평균값은 0.64 μm으로 나타났다. 피치오차 측정결과, 좌 측치면이 6.34 μm, 우측치면은 7.36 μm으로 나타났고, 기어 치면의 피치 오차의 총 평균값은 6.85 μm으로 나타났다. 런아웃오차 측정결과, 런아웃 오차는 6.3 μm 으로 나타났다.

    후기

    본 논문은 산학연협력기술개발(과제번호 S2598882:2018-0809) 과 한국연구재단 이공학개인기초연구지원사 업 (NRF-2016R1D1A1A09920105), Romax Technology 의 Romax Designer 지원에 의해 연구되었으며 이에 감사드립니다

    Figure

    KSMPE-18-6-91_F1.gif
    Load distribution on meshing gear surface before micro geometry modification
    KSMPE-18-6-91_F2.gif
    Gear flank form after modification
    KSMPE-18-6-91_F3.gif
    Load distribution on meshing gear surface after micro geometry modification
    KSMPE-18-6-91_F4.gif
    Spur driving gear product
    KSMPE-18-6-91_F5.gif
    Result of profile error left & right
    KSMPE-18-6-91_F6.gif
    Result of lead error left & right
    KSMPE-18-6-91_F7.gif
    Result of pitch error left & right
    KSMPE-18-6-91_F8.gif
    Result of runout error

    Table

    Reference

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