한국정밀공학회 2007 년도 추계학술대회논문집

1. 서론

단조산업은 한 국가의 산업 발전을 좌우하는 중요한 기간산업이다. 특히 대량 생산을 업의 특성으로 하는 자동차

산업과 전자산업 등에서 단조는 가격과 품질을 동시에 만족시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 많은 주목을 끌어왔다. 기어는 단조 기술자가 관심을 가지는 주요 분야 중의 하

나이다 1-3). 그 중에서도 베벨기어의 단조가 가장 보편화되

어 있다. 베벨기어 냉간단조는 1970 년경에 시작되었으며, 우리나라는 1980 년대 말경에 베벨기어 냉간단조를 시작한 것으로 추정되고 있다. 베벨기어의 단조는 이미 국내에서 십 수년간 실시되어 왔지만, 아직 선진업체에 요소기술을 의존하고 있는 실정이다. 그 일례로 우리나라에서 승용차

용 베벨기어는 대부분 절삭가공되고 있는 반면, 일본에서

는 단조로 생산되고 있다. 국내에서 생산중인 일부의 승용

차용 베벨기어도 금형 등의 요소기술을 대부분 해외의 선진업체에 의존하고 있는 실정이다. 베벨기어 단조공정 설계 기술은 오래토록 시행착오적 접

근 방법에 의존해 왔으며, 최근들어 단조 시뮬레이션 기술

의 접목이 이루어지고 있다. 일반적으로 냉간단조로 생산

된 베벨기어는 단조 후 가공을 실시하지 않고 사용되므로 고정밀도를 요하는 단조품이다. 따라서 단조 시뮬레이션 기술이 접목되기 위해서 해석 기술의 정도가 그만큼 높아

야 한다. 이런 관점에서 보면, 베벨기어는 아직 단조시뮬레

이션 기술자들에게는 관심의 대상이 될 수밖에 없다. 미세

하게 발생하는 겹침 결함의 처리 문제가 존재하고, 특성경

계의 정확한 처리가 필요하다. 이런 이유로 많은 연구자 4-6)

들에 의하여 베벨기어의 단조 시뮬레이션 기술이 연구되었

다. 본 연구에서는 AFDEX 3D7)를 이용하여 베벨기어의 정밀 단조공정을 정교하게 해석하며, 그 결과를 실험결과와 비교하고자 한다.

2. 정밀 베벨기어의 단조공정

본 연구에서 적용 대상으로 선택한 제품은 차동장치

(Differential gear)에 장착되는 소형 베벨기어로 Fig. 1 에서 보는 바와 같다.

Fig. 1 A bevel gear CAD model to be developed

단조금형 가공을 위한 베벨기어의 모델링은 제품의 단조

변형을 고려하여 치 형상의 자유로운 변경이 가능해야 하고 베벨기어의 크기에 따라 적절한 백래쉬와 크라우닝을 부여할 수 있어야 한다. 이러한 조건을 만족하는 베벨기어

모델링 기법을 개발하여 본 연구에 적용하였다. 본 연구에서 개발 대상으로 삼고 있는 소형 베벨기어의

생산을 폐쇄단조 공법으로 실시하면, 품질과 가격 양면에

서 유리하다. 이유는 공정이 줄어들고 소재가 절감됨은 물론이고, 성형성이 우수하고 금형 수명이 길어지는 효과도 있다. 한편, 폐쇄단조는 정밀단조를 목적으로 하지만, 하나의

공정으로 2 급의 정도를 지닌 베벨기어를 생산하는 것은 쉬운 일이 아니다. 생산량이 매우 많아 전용 라인과 관련 설비를 보유하고, 철저한 공정 및 품질 관리를 할 때 가능

한 일이다. 따라서 본 연구에서는 제 1 단의 폐쇄단조 공정 후 제 2 단에서 사이징을 통하여 요구된 정도를 안정적으로 만족시킬 수 있는 공법을 채택하였다. 즉, Fig. 2, 3 에서 보는 바와 같이 제조공정은 2 단 냉간단조 공정이며, 제 1 단

은 폐쇄단조 공정이고, 제 2 단은 사이징 공정으로 일반 형단조 공법을 채택하고 있다. Fig. 2 Dies and punches of the first stage, enclosed die forging

process

Fig. 3 Dies and punches of the second stage, sizing process

3. 단조 시뮬레이션 기술을 활용한 공정의 최적화 베벨기어의 재료는 SCM420H 이며, 단조 시뮬레이션 기

술을 활용하여 최종적으로 결정된 소재의 반경과 높이는 각각 17.5 mm 와 39.0 mm 이다.

시뮬레이션에 사용된 공정 및 해석 정보는 다음과 같다. - 소재의 변형저항식: 0.2750.0 MPaσ ε= - 요소망: 사면체요소망, 요소수 80,000 개 내외 - 제 1 단의 금형 속도: Fig. 4 - 제 2 단의 금형 속도: -1 mm/sec (상형), 0 (하형) - 제 1 단의 마찰상수: 0.2 (상형), 0.1 (하형) - 제 2 단의 마찰상수: 0.1 (상형, 하형)

정밀 베벨기어 단조공정의 시뮬레이션 및 공정설계에의 적용 Simulation of Forging Process of Precision Bevel Gear and Its Application to

Process Design *엄재근 1, 전병윤 2, 이민철 2, 박정휘 2, #전만수 3, 조광제 1

*J. G. Eom1, B. Y. Jun2, M. C. Lee2, J. H. Park2, #M. S. Joun(msjoun@gnu.ac.kr)3 , K. J. Cho1 1 (사)경상대 수송기계부품기술혁신센터 기계공학과, 2경상대학교 기계공학과, 3경상대학교 기계항공공학부

Key words : Bevel Gear, Precision Simulation, Enclosed Die Forging. Finite Element Method

15

한국정밀공학회 2007 년도 추계학술대회논문집

제 1 단과 제 2 단 사이에 풀림 열처리와 이황화몰리브덴

(MoS2) 윤활 처리를 실시하였다.

Fig. 4 Velocity profile

베벨기어의 이빨 수가 14개 이고 대칭면이 14개 이므로

전체 해석영역의 1/28을 실제 해석영역으로 간주하였다.

단조 시뮬레이터로 외곽형상의 보존과 요소망생성 기능

이 탁월한 AFDEX 3D가 사용되었으며, 요소의 수가 80,000개 내외가 되도록 하였다.

Fig. 5 는 해석결과를 나타내었다.

Fig. 5 Analysis results

4. 실험 및 결과 검토

베벨기어의 폐쇄단조에 사용하는 소재는 단조 시에 형상 변화가 극심하므로 구상화 풀림(Spheroidizing annealing)을 통하여 소재를 연화시켰다. 풀림처리된 소재를 0.4 ~ 1 mm 의 강구로 쇼트피닝(Shot peening)함으로써 소재로부터 스케일, 탈탄층 및 표면의 이물질을 제거하였다. 그리고 베벨기어 폐쇄단조가 심한 형상변화를 동반하므로 일반 윤활보다는 윤활성이 뛰어난 이황화몰리브덴 윤활을 사용하였다.

시험생산에 사용된 장비는 (사)경상대 TIC 의 보유장비인 유압 프레스와 폐쇄다이세트이다 8). 유압 프레스는 가압능

력 10,000 kN, 행정길이 600 mm 등의 사양을 지니고 있다. 실험 결과를 Fig. 6 에 나타내었다. 육안검사 결과 윤활막

의 불량, 성형상태의 결육 및 겹칩, 크랙, 버(Burr) 등이 발생하지 않았다.

Fig. 6 Experiments Fig. 5 와 Fig. 6 으로부터 실험결과와 해석결과가 매우 유

사함을 알 수가 있다. 즉, 상·하 펀치의 스트로크에 따라 비교한 결과, 소재가 차 들어가는 형상과 치형이 생성되는 모습이 매우 유사한 결과를 보였으며, 특히 제 1 단의 마지

막 순간의 결과에서 금형과 소재의 미접촉 영역이 정확하

게 일치하는 것을 Fig. 7(a)에서 확인할 수 있다. Fig. 7(b)로부터도 해석결과와 실험결과가 매우 잘 일치함을 확인할 수 있다. 해석에 의하여 발생한 부피 변화는 0.1% 이하로 나타났다.

(a) Enclosed die forging

(b) Sizing Fig. 7 Comparison of predictions and experiments

5. 결론

본 연구에서는 단조 시뮬레이션 기술을 활용한 정밀 베

벨기어 단조 공정 최적화 설계 기술이 확립되었다. 베벨기

어의 모델링에서 시작하여 시험생산에 이르는 전 과정을

요소기술을 강조하여 설명하였다. 특히 베벨기어의 단조

시뮬레이션에서 요소망재구성의 중요성을 강조하였다. 실

험결과와 해석결과를 비교한 결과, 매우 잘 일치하는 결과

를 얻었다. 이는 요소망의 품질이 우수하기 때문이다.

적용 예제로 승용차의 차동장치용 베벨기어가 선정되었

으며, 정밀단조 공정의 최적화 설계 기술이 성공적으로 적

용되었다.

후기 본 연구는 (사)경상대 수송기계부품기술혁신센터의 정밀

냉간단조시험평가시스템을 사용하여 이루어졌으며, 산업자

원부의 지역혁신 인력양성사업의 지원으로 실시된 연구 결과의 일부임.

참고문헌

1. Lange, K., "Modern Metal Forming Technology for Industrial

Production," J. Mat. Proc. Tech., 71, 2-13, 1997. 2. Yoshimura, H., and Tanaka, K., "Precision Forging of

Aluminum and Steel," J. Mat. Proc. Tech., 98, 196-204, 2000. 3. Dean, T. A., "The Net-Shape Forming of Gear," Material and

Design, 21, 271-278, 2000. 4. Yoon, J. H., and Yang, D. Y., "A Three-Dimensional Rigid-

Plastic Finite Element Analysis of Bevel Gear Forging by Using a Remeshing Technique," Int. J. Mech. Sci., 32, 277-291, 1990.

5. Son, I. H., and Im, Y. T., "Localized Remeshing Techniques for Three-Dimensional Metal Forming Simulation with Linear Tetrahedral Elements," Int. J. Num. Methods Eng., 67, 672-696, 2006.

6. 박종진, 이정환, 이영선, "베벨기어 폐쇄단조의 유한요소

해석," 대한기계학회 논문집 A 권, 20, 2458~2467, 1996. 7. http://engine.gsnu.ac.kr/~msjoun 8. http://www.tic.or.kr

Link contact Enclosed0

Velo

city

(mm

/s)

Time (s)

Upper die, Upper punchLower dieLower punch

50

150

200

Analysis100

1st stage 2nd stage

1st stage 2nd stage

16