고정밀 기어 가공: 모따기 기술

"모따기를 하지 않으면 목수의 기술은 불완전하다." 이 오래된 목수 격언은 전통적인 장인 정신을 반영할 뿐만 아니라 현대 제조업에서도 깊은 공명을 일으키고 있다. 원래 목공 용어였던 모따기는 오늘날 특히 고정밀 기어 제조와 같은 현대 산업 생산에서 중요한 공정으로 발전해왔다.

I. 모따기란 무엇인가?

현대 산업 용어에서 모따기란 작업물의 외부 또는 내부 직각 부분을 약간 경사지게 깎거나 둥글게 만드는 과정을 의미한다. 그 핵심 목적은 두 가지인데, 첫째는 응력이 집중되는 지점을 제거하고, 둘째는 조립 및 사용 중에 날카로운 모서리가 작업자를 긁히는 것을 방지하는 것이다. 기능적 안전성 외에도 둥근 모서리는 작업물의 미적 외관을 향상시켜 보다 부드럽고 세련된 인상을 준다.
모따기와 둥글림을 구분하는 것은 중요합니다: 두 작업 모두 둥근 처리를 포함하지만, 모따기는 작업물의 가장자리에 적용되며, 둥글림은 모서리에 초점을 맞춥니다. 실제 응용에서, 모따기 처리되지 않은 모서리는 모따기 되지 않은 가장자리보다 사용자에게 더 큰 부상 위험을 줄 수 있습니다.

II. 기어 이의 프로파일 모따기: 분류 및 유형

자동차 산업의 발전과 함께 기어의 외관과 성능에 대한 요구가 점점 더 까다로워지고 있으며, 이로 인해 정밀 제어를 위한 모따기 기술이 주목받고 있습니다.

1. 기어 이 프로파일 모따기의 기본 분류

기어 이의 프로파일 모따기는 위치에 따라 주로 세 가지 유형으로 나뉩니다:

이끝 모따기: 기어 이의 끝부분에 적용되는 모따기.
이단면 모따기: 기어 이의 단면 끝부분에서 수행되는 모따기.
이프로파일 모따기: 기어 이의 작동 프로파일을 따라 수행되는 모따기 (본 문서의 중심 주제).

2. 이프로파일 모따기의 기술적 분류

이의 프로파일 모따기는 일반적으로 세 가지 기술 유형으로 분류되며, 단면 적용(single-flank) 또는 양면 적용(double-flank)에 따라 추가로 구분된다.

기술 유형 단면 특성 양면 특성
테이퍼형 모따기(뿌리 언더컷에서 끝남) 비대칭 모따기; 뿌리 필렛 모따기 없음. 양쪽에 대칭 모따기; 뿌리 필렛 모따기 없음.
테이퍼형 모따기(전체 뿌리 필렛에서 끝남) 비대칭 모따기; 부분적인 뿌리 필렛 모따기. 양쪽에 비대칭 모따기; 부분적인 뿌리 필렛 모따기.
균일한 모따기(전체 뿌리 필렛에서 끝남) 대칭 모따기; 균일한 뿌리 필렛 모따기. 양쪽에 대칭 모따기; 균일한 뿌리 필렛 모따기.

III. 이의 프로파일 모따기의 일반적인 가공 방법

이의 프로파일 모따기를 위한 다양한 공정들이 존재하며, 각각 고유한 원리와 장점, 한계를 가지고 있다.

A. 연마에 의한 모따기

원리: 회전하는 스핀들과 부유 그라인딩 휠을 사용하여 톱니형상의 모서리와 날카로운 엣지를 제거합니다.
한계: 그라인딩 휠 지름, 나선각, 모듈 및 톱니 수와 같은 요인으로 인해 챔퍼 크기가 달라질 수 있습니다. 종종 톱니 뿌리면에 손상을 주며 거친 챔퍼 엣지를 형성합니다.
적용 분야: 풍력 및 상용차 등 전통 산업에서 대형 모듈 기어에 널리 사용됩니다.

B. 압출 챔퍼 가공

원리: 기어와 맞물리는 특수 제작된 나사형 톱니를 가진 두 개의 압출 디스크를 사용합니다. 고속 맞물림 회전 운동으로 호빙 후 잔류하는 버와 날카로운 모서리를 제거합니다.
한계: 경질 압출은 톱니 표면에 미세 돌출부를 생성하여 이후의 그라인딩/혼잉 공정을 방해하며, 단면 돌출부를 제어하기 위해 추가 긁개 도구가 필요하고, 거친 엣지가 발생하며, 가공 사이클 시간이 증가하며, 적층 디스크 기어에는 효과적이지 않습니다.

C. 호브-챔퍼-호브 공정

원리: 호빙 중에 약간의 가공 여유를 유지한 후, 호브가 빠져나간 다음 압출 및 긁기 도구로 챔퍼를 가공하고, 마지막으로 정밀도를 달성하기 위해 최종 호빙 공정을 수행한다.
제한 사항: 도구를 호빙 기계에 통합하면 사이클 시간이 증가하며, 도구 세팅이 복잡하고 압출 챔퍼링의 제한 사항을 그대로 계승한다.

D. 밀링 챔퍼링 1 (방사형 챔퍼 커터)

장점:

샤프트 형태의 작업물이나 간섭 윤곽이 있는 작업물에 적합하다.
호빙 기계와의 유연한 통합 또는 독립 장치로서의 사용이 가능하다.
시장에서 널리 채택되고 있다.

E. 밀링 챔퍼링 2 (통합형 호빙 기계)

현황: 일부 호빙 기계 제조사(Gleason 등)는 치아 끝부분 챔퍼링(플라이 커터 또는 호브 챔퍼링) 기능이 내장된 모델을 제공하고 있다.
장점: 호빙과 챔퍼링을 한 번의 공정으로 통합하여 수작업 재고정으로 인한 손상을 방지할 수 있다.
제한 사항: 장비 비용이 높음(맞춤형 챔퍼 호브는 비쌈); 디스크 기어에만 적용 가능(샤프트 기어의 경우 간섭 문제 발생).

IV. 베벨가공 공정 선택

베벨가공 공정의 선택은 기어의 사용 목적에 따라 달라지며, 고객과 긴밀한 협의를 통해 결정되어야 합니다.

신에너지 기어 샤프트 권장 사항: 밀링 베벨가공을 우선적으로 고려해야 하며, 이 공정에 대한 기술과 장비는 이미 성숙 단계에 있습니다.
베벨 크기: 톱니 프로파일 베벨의 경우 일반적으로 0.3–0.8mm입니다.
베벨 각도: 모터 구동 방식(평행축 대 동축)에 따라 설계자와 협의하여 각도를 정의하며, 일반적인 범위로는 150°±10° 및 125°±10° 등이 있습니다.

V. 베벨가공의 장점

안전성 향상: 가공 및 취급 과정 중 부상 위험을 줄여줍니다.
외관 개선: 기어 전체 외관을 개선하여 고객 만족도를 높입니다.
응력 감소: 열처리 후 날카로운 톱니 끝단에서 발생하는 응력 집중을 완화합니다.
손상 방지: 열처리 및 후속 공정 중 석면으로 인한 치아 깨짐 위험을 낮춥니다.
품질 유지: 카르버라이징 중 톱니 끝부분의 산화 및 탈탄소를 방지합니다.
성능 최적화: 부분적인 톱니 폭이 맞물릴 때 톱니 끝의 압축 및 파손 위험을 줄입니다.
조립 용이성: 적절한 챔퍼 크기와 각도가 기어 조립을 간편하게 합니다.

VI. 결론

챔퍼링은 입증된 이점에도 불구하고 국내 기어 산업 일부 분야에서 과소평가되어 왔으며, 일부 제조업체들은 이 핵심 공정보다 기능성을 우선시해 왔습니다. 그러나 자동차 기술이 발전하고 품질 요구가 높아짐에 따라 챔퍼링은 고정밀 기어 제조에서 필수적인 공정으로 자리 잡았습니다. 제품 품질 향상과 시장 경쟁력 강화를 위해서는 챔퍼링 공정을 수용하고 정교하게 다듬는 것이 중요합니다.
변속기의 세계에서는 작은 기어들이 큰 혁신을 이끌며, 정밀한 챔퍼링이 바로 그 정밀성의 초석입니다.