2.1.5 기어 가공

기어 가공 방법은 절삭에 의한 방법 외에도 주조, 성형, 전조 등 여러 가지가 있으나 여기서는 절삭 가공 방법에 대해서만 설명하기로 한다.

일반적인 기어 절삭 가공 방법은 아래와 같이 구분할 수 있다.

구분		설명	비고
형판 모방 가공		- 셰이퍼 등의 테이블에 기어 윤곽 형상으로 만든 형판과 기어    소재를 설치하고 모방 가공 - 가공 정도는 낮지만, 다른 방법으로는 가공이 어려운 경우    에 주로 적용
총형 공구 이용		- 총형 공구를 이용해 1피치씩 회전시키며 차례로 절삭 - 총형 바이트 또는 총형 밀링 공구 이용
창성 기어 절삭	호브	- 회전하는 호브를 이용한 기어 창성 가공 - 비교적 정도가 높은 기어를 능률적으로 생산 가능 - 단치차나 내치차 가공 불가
	랙형 공구	- 수개의 이를 가진 랙형의 공구를 이용한 기어 창성 가공 - 비교적 정밀한 기어를 가공할 수 있으나 생산성 낮음 - 헬리컬 기어 가공은 용이하나 내치차 가공은 불가	형삭법
	피니언형 공구	- 피니언형 공구를 이용한 기어 창성 가공 - 기어 셰이퍼를 사용해 능률적인 가공이 가능 - 주로 자동차 공업 등 대량 생산이 필요한 분야에 적용 - 단치차, 내치차, 헬리컬 기어 등 가공 가능	형삭법

 주기) 1. 기타 브로우치형 공구를 이용한 기어 절삭 가공이 있으나 브로우칭의 범주로 볼 수

             있으므로 여기서는 생략함.

          2. 베벨 기어는 일반 다른 기어와 제작 방법이 좀 다르므로 따로 구분해 설명함.

1) 형판 모방 가공

셰이퍼(Shaper) 등의 테이블 위에 치형 곡선 윤곽을 가진 형판(Template)과 가공할 기어 소재를 설치하고 바이트로 형판을 따라 모방 가공하는 방법이다.

정도가 높은 치형을 절삭하기 어렵고, 이를 한 개씩 차례로 절삭해야 되므로 생산 능률도 별로 높지 않다.

주로, 다른 방법으로 가공하기 어려운 기어 제작에 이용된다.

2) 총형 공구에 의한 치형 절삭

기어 이 한 개의 치형 홈 윤곽 형상을 가진 총형 밀링 커터(Formed Milling Cutter)나 총형 바이트 등 총형 공구를 사용하여 가공할 기어 소재를 한 피치씩 회전시키며 차례로 절삭을 한다.

① 총형 밀링 커터를 이용한 가공 (밀링 가공)

일반 밀링 장비에서 총형 밀링 커터(Formed Milling Cutter)를 이용해 기어를 가공하는 방법을 말한다.

창성법에 비해 정도와 능률 면에서 부족하지만, 특별한 기계를 필요로 하지 않는 장점이 있어, 극소수의 기어를 제작하는 경우나 사이클로이드 기어 제작 등에 사용된다.

② 총형 바이트를 이용한 가공 (셰이퍼, 플레이너)

셰이퍼, 플레이너에서 총형 바이트를 이용해 기어를 가공하는 방법을 말한다.

일반 기어보다는 대형 기어나 대형 내치차의 제작에 주로 적용된다.

3) 창성법 (Generating Gearing)

창성법에 의한 기어 절삭은 피니언 커터(Pinion Cutter), 또는 랙형 커터(Rack Cutter)를 사용하는 형삭법(Gear Shaping)과 회전하는 호브(Hob)를 사용하는 호빙법으로 구분할 수 있다.

총형 공구를 이용하는 방법에 비해 정도와 능률 면에서 훨씬 우수해, 고급 기어 가공은 거의 모두 창성법에 의해 제작된다.

① 호브에 의한 가공

호브는 외경에 치형 곡선 윤곽으로 된 나선홈을 가진 회전 공구를 말한다.

즉, 원통에 치형 곡선 윤곽 형태의 외경 나사를 판 형태의 공구라고 할 수 있으며, 나선홈의 위치는 호브가 1회전할 때 1줄 나사이면 1피치만큼, 2줄 나사이면 2피치만큼 이동한다.

인볼루우트 치형일 경우 호브의 단면 형상은 직선형의 랙과 동일 형상이다.

따라서, 호브가 회전 운동을 하고, 기어 소재가 호브와 이론적인 맞물림 운동을 할 수 있도록 회전 운동을 하면 기어가 가공된다.

즉, 호브는 무한히 긴 랙에 해당한다고 할 수 있다.

이 상태에서 호브를 기어 축방향으로 직선 이송시켜 폭의 전장을 가공한다.

랙형 공구 사용시처럼 기어 이를 한 개 가공할 때마다 원위치로 되돌릴 필요가 없으므로 능률적인 기어 가공이 가능하다.

또한, 한날의 치형 오차나 피치 오차가 가공한 소재의 치형에 미치는 영향이 피니언 커터에 비하면 훨씬 작아 정도가 우수한 기어를 만들 수 있으므로 일반적으로 많이 사용되는 방식이다.

평치차, 헬리컬 기어, 웜 기어 등의 제작에 주로 이용되며, 응용 범위가 넓다.

단, 단치차나 내치차는 가공할 수 없는 단점이 있다.

◆ 호브

호브 재질은 보통 몰리브덴계 고속도강이나 초경 합금이 사용되며, 티타늄 화합물(Ti N, TiC 등)을 코팅하여 사용하는 경우가 많다.

호브 축방향의 홈은 보통 나선형으로 제작되지만, 한줄 나사 호브인 경우는 일반적으로 직선홈(straight gash)으로 제작된다.

절삭날은 보통 상면 경사각 없이 제작되지만, 경사각이 있는 상태로 제작되는 경우도 있다.

일반적으로, 기어의 정삭 가공에는 한줄나사 호브가 사용되며, 거친 절삭에는 여러줄 나사 호브가 사용된다.

여러줄 나사 호브는 줄 수가 많을수록 가공 시간을 단축시킬 수 있다.

② 랙형 공구에 의한 가공

수개의 이를 가진 랙형의 공구와 가공할 기어 소재가 각각의 피치선과 피치원이 구름 접촉으로 운동을 전달하는 랙과 피니언과 동일한 직선 왕복 운동을 하며 인볼루우트 치형을 창성하는 가공을 말한다.

랙 커터의 잇수를 무한히 많게 할 수는 없으므로, 보통은 1개의 이를 창성할 때마다 랙 커터를 시작점으로 되돌려 보내고 다음 이를 절삭하는 방식을 사용한다.

◆ 랙형 공구를 이용하는 기어 셰이퍼 구분

- Maag 사 방식

이 방식의 기어 셰이퍼는 랙의 직선 운동은 소재 쪽에서 행하고, 랙형 커터는 절삭 운동만을 행하는 구조로 되어 있다.

즉, 랙형 커터는 왕복 직선 운동만 하고, 기어 소재가 회전 운동과 직선 운동을 한다.

커터의 날이 직선만으로 되어 있고, 기어의 이를 한 개마다 되돌려가며 가공하므로 커터 오차 보정이 어느 정도 가능해 비교적 정도가 높은 장점이 있으나, 생산 능률이 낮고 내치차 절삭이 불가능하다.

헬리컬 기어는 비교적 용이하게 가공이 가능하다.

- 선더랜드 사 방식

랙 커터의 왕복 및 전후 직선 운동과 기어 소재의 회전 운동으로 기어를 창성하는 방식이다.

더블 헬리컬 기어를 가공할 수 있다.

◆ 랙형 공구에 의한 가공시의 언더컷

랙형 공구에 의한 가공시 언더컷(under-cut) 방지를 위해서는 가공할 기어의 최소 잇수를 아래 기준 이상으로 할 필요가 있다.

<랙형 공구에 의한 가공 가능한 기어 잇수 기준>

압력각	가공할 기어 잇수 기준	비고
14.5°	Z ≥ 32	Z  : 가공할 기어 잇수
20°	Z ≥ 17

③ 피니언형 공구에 의한 가공

미국의 펠로우스(Fellows) 사에서 발전시킨 방법으로 전용 장비인 기어 셰이퍼(Gear Shaping M/C)에서 피니언 커터를 사용해 기어를 가공한다.

절삭 행정에서는 공구와 소재의 회전 운동이 없고, 복귀 행정에서 창성 운동이 이루어지는 구조로 되어 있으며, 절삭은 보통 3회 정도로 나누어 행해진다.

단치차(Stepped Gear), 내치차, 헬리컬 기어 등의 가공이 가능하다.

능률적인 생산이 가능해 주로 대량 생산에 적용된다.

◆ 내치차 가공시의 언더컷

잇수가 적은 내치차 가공시는 언더컷(under-cut)이 생길 수 있으므로, 피니언 커터의 잇수를 아래 기준에 따라 조정할 필요가 있다.

<내치차(평치차) 기어 가공 피니언 커터 잇수 기준>

압력각	피니언 커터 잇수 기준	비고
14.5°	Zc ≤ Z - 32.1	Z  : 가공할 내치차 잇수  Zc : 피니언 커터 잇수
20°	Zc ≤ Z - 17.6

◆ 헬리컬 기어 가공

헬리컬 기어 절삭시는 헬리컬 피니언 커터를 사용하고, 절삭 행정에서 직선 운동과 동시에 회전 운동을 해야 된다.

따라서, 임의의 나선각 헬리컬 기어의 가공은 불가능하며, 보통 15°와 32°로 제한된다.

2개의 커터를 교대로 사용하여 더블 헬리컬 기어를 가공하는 기어 셰이퍼도 있다.

◆ 피니언 커터

피니언 커터는 보통 고속도강으로 제작되며, 경사각은 5° 정도로 한다.

모듈이 같은 기어는 하나의 피니언 커터로 가공이 가능한 장점이 있으나, 공구의 피치 오차나 치형 오차가 그대로 가공한 기어에 반영되므로 공구를 정밀하게 제작할 필요가 있다.

4) 베벨 기어(Bevel Gear) 절삭

베벨 기어는 선단으로 갈수록 치형 형상이 작아지므로 일반 평치차와는 가공 방법이 약간 다르다.

베벨 기어의 가공 방법도 일반 기어와 유사하며, 아래와 같이 구분할 수 있다

구분		설명	비고
형판 모방 가공		- 형판과 바이트를 이용한 모방 가공 - 바이트가 형판상의 1점과 정점을 잇는 직선을 왕복
총형 공구로 밀링 가공		- 정도가 높은 기어 제작 불가 - 소형 베벨 기어, 양산성이 불필요한 경우 적용
창성 기어 절삭	글리이슨식 Gleason	- 관치차를 이용한 베벨 기어 창성 - 원주에 많은 날이 있는 원판형의 회전 공구로 가공 - 스파이럴 베벨 기어는 링 모양 공구 이용
	라이넥커식 Reinecker	- 원추와 강철띠로 베벨 기어 창성
	클링게른베르그식 Klingeinberg	- 원추형 공구를 이용한 스파이럴 베벨 기어 창성
	기타	- 하이덴라이히(Heidenreich) 식 - 빌그램(Bilgram) 식

◆ 글리이슨식 베벨 기어 창성법

베벨 기어 제작에는 글리이슨식 베벨 기어 창성법이 가장 많이 사용된다.

이 방법에서는 베벨기어의 원추면을 평면으로 전개한 형상의 관치차(Crown Gear)를 이용해 베벨기어를 창성한다.

베벨기어와 관치차의 관계는 평기어와 랙의 상관 관계와 유사한 개념이라고 할 수 있다.

단, 랙의 각 단면은 서로 평행하지만, 관치차는 한점에 모인다.

즉, 관치차와 정점 사이에 가공할 기어 소재를 두면, 바로 베벨 기어 치형을 분할할 수 있다.

① 스트레이트 베벨 기어

스트레이트 베벨 기어는 원판 모양의 회전 공구를 이용하는 기어 절삭기(Gleason Conifix Straight Bevel Gear Generator)로 가공한다.

② 스파이럴 베벨 기어

스파이럴 베벨 기어는 링 형상의 공구를 이용하며, 글리이슨식 스파이럴 베벨 기어 절삭기(Gleason Spiral Bevel Gear Generator)로 가공한다.

링형 공구의 자전과 공전으로 공구날의 궤적은 회전중인 가상 관치차의 하나의 이의 형상을 나타낸다.

기어 소재가 이 가상 관치차와 이론적으로 맞물리도록 회전시키면 원호 모양의 기어 윤곽을 가진 베벨 기어가 창성된다.

이가 1개 창성될 때마다 공구와 기어 소재를 처음 위치로 복귀시키고 다음 이를 창성한다.

이 방식을 이용해 하이포이드(Hypoid) 기어의 치형 절삭이 가능하다.

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.