기어 전동장치: 기어 가공에서 성형 절삭법과 생성 가공법의 원리 및 응용

01 젠러레이팅 방식의 기본 원리

1.1 수학적 기초

• 포개기 원리 : 호브 또는 기어 심벌과 같은 공구의 절삭 날 끝의 운동 궤적이 일련의 연속된 곡선을 형성하며, 이러한 곡선들의 포개기가 이론적인 기어 이 형상(예: 인벌류트, 사이클로이드)을 구성합니다.
• 맞물림 방정식 : 공구와 작업물 간의 상대 운동 관계를 만족시켜 이의 형상 정확도를 보장합니다.

1.2 주요 특성

• 고정밀 : 복잡한 이 형상(예: 인벌류트, 원호 기어) 가공이 가능합니다.
• 고효율성 : 연속 절삭이 가능하여 대량 생산에 적합합니다.
• 강력한 다용도 성능 : 하나의 공구로 서로 다른 치수의 기어를 가공할 수 있습니다 (단, 모듈이 동일해야 함).

1.3 일반적인 생성 가공법 공정

1.3.1 호빙

• 원칙 : 호브(웜 모양을 가짐)와 기어 블랭크 간의 맞물림 운동을 이용하여 축 방향 이송을 통해 절삭을 완료합니다.
• 운동 관계 : 호브 회전(주절삭 운동) + 작업물 회전(생성 운동) + 축 방향 이송.
• 장점 : 높은 효율성을 가지며 대량 생산에 적합함 (예: 자동차용 기어); 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 웜 기어 등 다양한 기어 가공 가능.
• 응용 프로그램 예제 : 풍력 기어박스 내의 플래닛 기어 및 선 기어의 가공.

1.3.2 기어 셰이핑

• 원칙 : 기어 셰이퍼 커터(기어 형태와 유사)를 사용하여 작업물에 대해 맞물림 비율로 회전시키면서 왕복 절삭 운동을 수행합니다.
• 운동 관계 : 기어 셰이퍼의 수직 왕복 절삭 + 작업물과 공구의 생성 회전.
• 장점 : 내부 기어 및 이중 기어와 같은 복잡한 구조 가공 가능; 호빙에 비해 우수한 톱니면 거칠기 (Ra 0.8–1.6 μm).
• 제한 사항 : 호빙보다 효율이 낮음; 공구 비용이 높음.
• 응용 프로그램 예제 : 기어박스의 내측 기어 링 및 소형 정밀 기어 가공.

1.3.3 기어 셰이빙

• 원칙 : 셰이빙 커터와 작업물이 약간의 압력을 받으며 맞물려 회전하면서 커터 날의 긁는 작용을 통해 톱니 형상 정확도를 개선한다. 호빙 또는 기어 셰이핑 후의 다듬질에 사용되는 마감 공정이다.
• 장점 : 톱니 형상 오차를 수정하고 기어 전달의 부드러움을 향상시킬 수 있음; 가공 정밀도는 DIN 6–7 등급에 도달.
• 응용 프로그램 예제 : 자동차 변속기 기어의 최종 가공.

1.3.4 기어 연삭

• 원칙 : 성형 연삭숫돌 또는 웜 연삭숫돌을 사용하여 생성 운동을 통해 톱니면을 연삭하며, 주로 경화된 기어의 마감 가공에 사용됨.
• 장점 : 매우 높은 정밀도(최대 DIN 3–4 등급); 경화처리된 치면(HRC 58–62) 기어 가공 가능.
• 제한 사항 : 비용이 높고 효율이 낮아, 일반적으로 고정밀도가 요구되는 분야에서 사용됨.
• 응용 프로그램 예제 : 항공우주 엔진 기어 및 풍력 변속기의 고속 단계 기어.

02 성형 절삭의 기본 원리

• 높은 공구 의존성 : 이형 정밀도는 공구 윤곽 정밀도에 직접적으로 의존함.
• 생성 운동 없음 : 가공 과정에서 기어 맞물림을 시뮬레이션하지 않으며, 공구와 작업물 간의 상대 운동에만 의존함.
• 높은 유연성 : 비표준 이형(예: 원호형 이, 직사각형 이) 가공이 가능함.

2.1 수학적 기초

• 프로파일링 원리 : 절삭 공구의 절삭 날 모양이 기어의 톱니 홈 형상과 완전히 일치한다.
• 분할 운동 : 분할 장치(예: 분할대)를 사용하여 톱니 하나하나씩 가공함으로써 균일한 톱니 피치를 보장한다.

2.2 장점과 단점

장점

• 단순한 장비 : 일반 밀링 기계에서도 가능하다.
• 단품, 소량 생산 또는 수리에 적합 : 맞춤 제작 및 유지보수 상황에 이상적이다.
• 초대형 모듈 기어 가공 가능 : 광산 기계에서 사용되는 기어와 같습니다.

단점

• 낮은 정밀도 : 일반적으로 DIN 9–10 등급입니다.
• 낮은 효율성 : 톱니 하나하나마다 가공이 필요합니다.
• 낮은 공구 다용도성 : 각 모듈마다 전문 공구가 필요합니다.

2.3 일반적인 성형 절삭 공정

2.3.1 기어 밀링

• 원칙 : 디스크 밀링 커터 또는 엔드 밀을 사용하며, 커터가 회전하여 절삭하고 작업물은 나누는 머리장치(dividing head)를 통해 톱니 단위로 인덱싱됩니다.
• 운동 관계 : 커터 회전(주절삭) + 작업물의 축 방향 이송 + 인덱싱 회전
• 애플리케이션 시나리오 : 스퍼 기어 및 헬리컬 기어의 단품 및 소량 생산; 대형 모듈 기어(모듈 ≥20mm) 또는 수리용 기어.
• 사례 연구 : 엔드밀 + CNC 인덱싱 방식으로 가공한 선박용 감속기 저속단 기어(모듈 30, 재질: 42CrMo)로, 치면 표면 거칠기 Ra 3.2 μm 달성.

2.3.3 형성 연삭

• 원칙 : 브로치(계단형 복수 이가 있는 공구)를 사용하여 한 번의 공정으로 전체 이 사이를 절삭.
• 운동 관계 : 브로치의 직선 운동(절삭) + 고정된 작업물.
• 장점 : 매우 높은 효율(한 번의 스트로크로 하나의 이 공간 완료); 상대적으로 높은 정밀도(DIN 7등급까지 가능).
• 제한 사항 : 내부 기어 또는 외부 기어의 대량 생산에만 적합; 브로치 제작 비용이 높아 동일 사양의 대량 주문에 이상적.
• 응용 프로그램 예제 : 자동차 싱크로나이저 링의 대량 생산(사이클 타임 <10초/개).

2.3.3 형성 연삭

• 원칙 : 치형 홈과 동일한 윤곽을 가진 성형 연삭숫돌을 사용하여 경화된 기어를 연삭.
• 운동 관계 : 연삭 휠의 회전 + 작업물의 인덱싱.
• 장점 : 고경도 기어(HRC >60) 가공 가능; 정밀도는 DIN 4등급까지 가능(이형 오차 <5 μm).
• 응용 분야 : 항공우주 엔진용 기어 및 정밀 감속기 기어의 마무리 가공.

03 두 방법의 비교 및 산업 응용

생성 가공법과 성형 절삭법의 비교

발생법의 산업적 응용

3.1 풍력 터빈 기어박스

• 요구 사항 : 높은 토크, 긴 수명(≥20년).
• 공정 조합 : 호빙(조초가공) → 열처리 → 기어 연마(정밀 가공).