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자동차용 하이포이드 기어의 최신 제조공법
 
 
월간 기계기술기자 | 2009.06.01 | 2009년 6월호
 
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하이포이드 기어(hypoid gear)는 축이 평행하 지도 않고 교차하지도 않는 종감속 기어의 한 종류이다. 스파이럴 기어가 전위된 기어이며 링 기어의 중심보다 구동기어의 중심이 낮게 되어 있다.
1. 머리말
하이포이드 기어(hypoid gear)는 축이 평행하 지도 않고 교차하지도 않는 종감속 기어의 한 종류이다. 스파이럴 기어가 전위된 기어이며 링 기어의 중심보다 구동기어의 중심이 낮게 되어 있다.
  회전 정숙성, 작동 안전성이 다른 기어에 비하여 우수하며 자동차에서 회전할 때에 생기는 좌우 바퀴의 회전차이를 자동적으로 조정하여 원활한 주행이 될 수 있도록 해주는 차동장치(differential gear)의 구동용 기어로 사용되는 핵심적인 부품이다.
  4WD 자동차에 탑재되고 있는 리어 디퍼렌셜 (rear differential) 장치에는 구동용 기어로서 하이포이드 기어(hypoid gear)가 사용되고 있다. 하이포이드 기어는 1925년 자동차의 최종 구동장치 (final drive)용 기어로서 개발 되었다.
  최근에는 자동차의 차내 정숙성이 까다로워져서 하이포이드 기어의 조그마한 기어 노이즈(gear noise)도 문제가 되고 있다. 이의 발생원인 기어의 정밀도 향상이 요구된다.
  기어 공작기계의 발달은 가공 정밀도, 생산성 향상을 기할 수 있게 되었다. 각 공정의 품질평가용 검사기기도 충실해 졌지만 아직도 작업자의 관능 검사에 의존하는 부분도 많이 있다. 품질안정을 위해서는 제조기술의 노하우를 포함한 관능검사와 수치평가관리를 잘 융합시켜서 관리하는 것이 필요하다. <그림 1>은 4WD 자동차 Rear Differential 장치의 구동용으로 사용되고 있는 Hypoid Gear Set를 보여주고 있다.
2. 하이포이드 기어 제조공법 및 품질관리
1) 소재 및 블랭크(blank) 가공
  하이포이드 기어 품질관리에서 특히 중요한 것은 이 접촉(tooth contact) 관리이다. 기어 노이즈 (gear noise)의 품질관리는 기어 정밀도의 관리도 중요하지만 드라이브 기어와 드라이브 피니언이 처음부터 세트로 구성되어 이 접촉 관리를 해야만 한다. 품질이 좋고 안정된 하이포이드기어를 생산 하기 위해서는 각 공정에서의 이 접촉 관리가 중요 하다.
  소재의 조직이나 경도의 산포는 한참 지난 후에도 정밀도에 영향을 미치기 때문에 로트 관리를 철저히 할 필요가 있다. 그중에서도 담금질성의 지표가 되는 죠미니(Jominy) 값의 관리는 중요하다.
  담금질성이 다르면 열처리 변형에 영향을 미치기 때문이다.
  블랭크 가공은 훨씬 뒷 공정에서 적용하는 가공 기준의 정밀도에 큰 영향을 미친다. 기어 절삭, 열처리, 래핑 등의 각 공정에서 기어 정밀도는 블랭크 정도에 좌우되기 때문에 가공기준에 대한 정밀도 관리는 매우 중요하다. 프레스 담금질(press quenching) 할 때에 눌러주는 부분인 이너 (inner)부의 정밀도관리도 중요하다. 양쪽 센터는 열처리 후 연삭가공의 기준이 되기 때문에 구멍의 형상 및 구멍 깊이의 관리가 중요하다. <그림 2>는 블랭크의 가공관리 포인트를 보여준 것이다.
 
 2) 기어 절삭가공 및 이 접촉 시험
  기어 절삭가공에서는 지그 및 기어 절삭 커터의 조립 정밀도를 관리한다. 드라이브 기어는 아버 (arbor)라고 하는 기어를 세팅하는 지그의 흔들림 검사를 한다. 아버에는 아주 정밀하게 내경을 잡아주는 척(chuck) 지그가 있는 데 이곳에 검사용 모델 지그를 장착하여 축 부 및 단면의 정밀도를 일상관리해 준다.
  드라이브 피니언의 경우도 마찬가지로 아버의 관리를 실시한다. 기어 절삭용 커터는 단체조립 정밀도의 이력관리 및 가공기 상에서의 커터 흔들 림, 높이 정밀도 등을 관리한다. 기어 절삭후의 이두께에 대해서도 전용 검사 지그에 의해서 정기 검사를 한다. 설비에 대해서는 정기적으로 커터 스핀들의 정적 정밀도 검사를 실시한다.
  기어 절삭 후 드라이브 기어, 드라이브 피니언 모두 3차원측정기로 이 면(tooth face) 형상측정을 실시해서 기어 압력각, 비틀림각 및 피치 에러 등의 기어 정밀도를 커터와 함께 확인한다. 확인 후에는 #502 테스터(미국 Gleason사의 Hypoid tester)에 의해 이 접촉을 확인한다. 이면에 광명 단, 기어오일 등과 함께 잘 반죽한 것을 솔이나 붓으로 바른 다음 일정의 부하를 주어서 회전시켜준다.
  각각의 기어는 서로 마스터 모델과의 이 접촉 비교를 해서 이 접촉이 목표대로 되었는지를 확인한다. 병행해서 기어 노이즈의 기진력(excitation force) 평가도 한다. #502 테스터는 정기적으로 셋업 지그(setup jig)에 의해 측정원점 관리를 하여준다. <그림 3>은 Gleason사의 #502 Hypoid Gear Tester를 보여준 것이다.
 
 3) 열처리
  드라이브 기어, 드라이브 피니언 모두 전용의 가스 침탄용 트레이(tray)에 세트해서 침탄을 한 후에 드라이브 기어에 대해서는 프레스 담금질을 실시한다. 프레스 담금질은 열처리 변형 교정을 목적으로 담금질 오일의 온도, 프레스 압력, 지그 정밀도 등을 관리해 준다.
  드라이브 기어의 열처리 변형량 관리는 바닥면 평면도 발췌검사를 실시하여 매 로트 별로 한다.
  드라이브 기어의 평면도는 디퍼렌셜 기어 완성품 조립시에 이 접촉을 좌우하는 중요한 관리 항목이다. 최근에는 원가절감 때문에 프레스 담금질을 생략하는 곳도 있다.
 
 4) 래핑 및 이접촉 검사
  래핑은 드라이브 기어와 드라이브 피니언을 맞물린 상태에서 연삭입자가 포함된 액체인 래핑 파우더를 공급해 주면서 일정 부하를 가하면서 회전 시켜 표면거칠기 향상 및 이접촉 길이, 이접촉 위치, 바이어스(bias)경향 등의 치형(tooth profile)을 최적화시켜주는 공법이다. 래핑에 의해 드라이브 기어와 드라이브 피니언은 한 세트로 된다.
  Gleason #502 테스터에 의해 이접촉 및 맞물림 전달오차의 확인을 한다. 래핑에 의해 한 세트가된 기어 세트를 기어 절삭 후 때와 마찬가지 방법으로 검사를 한다. 이 검사는 기어 세트로서 양품 판단을 하는 최종검사이기 때문에 래핑에 의해서 얻어진 이 접촉이 적정한 것인지 아닌지의 판단은 전수 확인하는 것이 필수적이다.
  하이포이드 기어 세트 가공이 끝나면, 조립공정으로 넘겨지지만 조립후의 이 접촉은 래핑 후의 이접촉과 일치하게 재현되는가를 확인하고 마지막으로 완성품인 디퍼렌셜 캐리어 어셈블리 (Differential Carrier Assembly)로서의 맞물림 기진력 검사 평가를 한다.
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3. 최신 가공 방법
기어 절삭가공 방법은 페이스 밀링(face milling)과 페이스 호빙(face hobbing)의 2가지 공법으로 대별된다. 1960년대 자동차 대량생산 시대에 도입된 페이스 밀링 방식은 일반적으로 드라이브 기어 2대, 드라이브 피니언은 3대의 설비로 기어 절삭 된다고 하여 ‘5 커트’라고 부른다.
  페이스 호빙은 연속 분할(continuous indexing) 가공 방식이며 상용차를 중심으로 적용되어 왔다. 1대의 설비로 드라이브 기어, 드라 이브 피니언 모두의 기어 절삭이 가능하며 ‘ 2 커트’라고 부른다. 커터 연삭반, 기어 절삭기의 정밀도가 요구되고, 이접촉의 재현, 컨트롤이 어렵고 공구수명도 짧기 때문에 원가상승에 영향을 주어 적용을 중단하게 되었다.
  1990년대에 들어와서 NC 기어 절삭반이 등장하고 1990년대 후반에는 절삭유를 전혀 사용하지 않는 건식 기어 절삭가공법이 확립되어 기어 절삭 반도 건식 절삭가공에 대응 가능한 강성이 높고 절삭 칩의 배출 능력을 좀 더 갖춘 기어 절삭반이 개발되어 나왔다.
  하이포이드 기어의 절삭가공에서 공구 마모가 주는 영향은 주로 이 접촉, 이 두께 및 표면거칠기의 변화이다. 마모된 공구는 재연삭하여 사용하며 공구의 재연삭을 요하는 시간 및 재연삭 가공여유의 가장 적당한 값의 균형을 검토해서 공구마모량의 관리값을 결정하였다.
 
 1) 공구수명의 연장 방안
  단조후의 소재 조직을 ①과열 섬유조직을 미세 화해서 내부응력을 제거하여 표준화하는 불림 (normalizing)처리한 것, ②서냉에 의하여 결정 조직을 조정 연화시키는 풀림(annealing)처리한 것, 그리고 ③펄라이트(perlite)중의 시멘타이트 (cementite) 등의 탄화물을 분해하여 구상화 조직으로 하는 구상화 풀림(spheroidizing- annealing)처리의 3가지 방식으로 열처리한 것에 대한 공구수명을 비교 평가하였다.
  결과는 열처리 방법에서 가장 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 것이 구상화 풀림처리이지 만, 공구수명은 가장 길었다. 공구수명 연장만이 목적이라면 열처리를 변경하는 것도 가능하겠지만 원가적으로 열처리 비용의 증가 및 공작물 종별을 늘릴 수도 있기 때문에 적용에 대해서는 각사의 실정에 맡긴다.
  기어 절삭 커터의 재질 및 코팅에 대한 시험에 서는 K종 초경재가 가장 좋은 결과를 내었고, 코팅에서는 알루미늄 단층 PVD 코팅이 가장 좋은 결과를 얻었다. 내산화성, 내열성, 경도 등이 같은 적층 코팅도 실시하였지만 건식 절삭에 의해 고온이 되는 환경에서는 적층피막에 대한 화학적 안정 성이 뛰어난 단층피막이 양호한 결과를 나오게 하였다고 생각한다.
4. 맺음말
결과적으로 페이스 호브 건식 공법을 적용하여, 공구의 재질, 코팅 및 절삭조건을 가장 적합토록 하여 종래의 페이스 밀 공법에 대해서 공구비를 대당 약 70% 및 기어 절삭 사이클 타임을 약 50%로 감소하는 것을 달성하였다.
  신공법을 채택하는데 있어서 설계, 품질관리, 제조부문 멤버를 참여시켜서 가장 적합한 공법의 연구 활동을 할 수 있었지만 품질관리 면에서는 새로운 설비나 공법을 도입하였어도 안정된 품질을 만드는데 빠뜨릴 수 없는 것이 있다. 각 공정마다 철저한 관리체제로 유지하는 것과 이를 지원하는 제조 작업자의 경험을 살려나가면서 정량관리와 경제적으로도 싸고 안정된 품질의 하이 포이드 기어 생산을 위해서 노력하는 것이다.
  회전하는 물체에서 소음 문제는 영원한 숙제이다. 특히 기어와 같이 이빨이 서로 맞물려 회전하는 물체에서는 더욱 그러하다. 정숙함에 대해서 점점 엄격해지는 자동차에서의 노이즈 문제는 항상 골치 아픈 문제로 설계자와 생산자 사이에서 풀어야할 과제로 남아 있다. 하이포이드 기어에서 노이즈의 가장 큰 요인은 이 접촉 길이, 맞물림율, 이면의 표면거칠기 및 조립후의 중심거리이다.
  향후 필요성에 대응할 수 있는 초고강도 기어의 경우 우선 재료면에서 기대되는 것은 오스테나이트(austenite) 결정립을 마이크론 요구 수준까지 초미세화하는 기술이다. 이것을 실현하기 위해서는 재료성분만이 아니고 가공과 변태 즉 단조와 열처리를 융합한 가공열처리기술이 요구된다.
  우리나라는 세계적인 철강생산국이며 자동차 생산도 4위권 안에 드는 주요 자동차 생산 국가이다.
  그러나 주요부품에 사용하는 철강소재는 아직도 수입에 의존하고 있으며, 소재가 국산화되었다 해도 열처리기술이 부족해 본래 의도한바 데로의 기능과 성능을 발휘하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 자동차 수출을 통한 국가의 수익성을 높이기 위해서는 주요부품에 대한 소재개발과 열처리기술을 향상시킬 필요가 있다.

 
TAG :  심영일  하이포이드기어
 
 
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