기어는 2축 사이의 동력을 전달하거나 속도를 변화 시키고 싶을 경우 또는 큰 토크를 얻고 싶을 때 많이 사용되는 기계 요소 이다. 이러한 기어의 제조방법은 기어의 크기, 재료, 사용목적등에 따라 가장 적합한 방법을 선택해야 하는데 주로 절삭가공을 하는 경우가 많지만 기계적 성질의 향상, 원가절감, 생산성 향상을 꾀하기 위하 예 최근에는 비절삭 공정에 의한 기어의 제조가 늘어나고 있다.
본 연구에서는 먼저 비절삭 공정에 의한 기어 성형기술과 관련하여 앙케이트 조사를 통해 국내의 비절삭 기어 성형기술 현황을 파악하였다. 그리고 컴퓨터 시뮬레이션과 모사 실험을 통해 실험 변수를 선정한 후, 실제 기어 성형 실험시 발생한 변수들의 영향을 분석하여 냉간, 복합, 분말 단조 성형 공정을 개발하였다. 금형 및 성형 장치를 이용하여 개발된 공정에 따라 시제품을 제작하고, 그것의 특성 평가 수행 결과 및 경제성을 고려한 기어 크기별·용도별 적절한 비절삭 공정을 선정하고자 하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 유한 요소법을 이용하여 베벨기어 단조공정의 대칭면 유동, 충진유동, 그리고 금형과 소재의 탄성 변형 등을 해석하고, 각 공정별 실험 변수를 선정하는데 유한요소해석 결과를 이용하였다.
(2) 직선 베벨기어의 분말단조 기술을 개발하기 위하여 분말 합금 설계, 최적 예비 성형체 설계 및 제작, 윤활처리, 금형설계 및 제작에 필요한 연구를 수행하였다. 실험결과에 의하면, 최적의 예비 성형체 형상은 표면 균열을 방지하고 성형 금형 제작비가 저렴한 부분베벨(partial bevel)을 갖는 중공 원통형상이며, 단조가열은 분위기 가열이 산소 농도를 약 500 ppm 이하로 유지하여 동특성(dynamic properties)향상을 꾀할 수 있었다. 또한, 단조온도가 800℃ 이하이거나 금형예열온도가 200℃ 이하일 경우에는 단조품의 표면에 균열이 발생되었고 성형 후 냉각시 산화방지를 위해 수냉 및 유냉이 공냉보다 바람직하였다.
(3) 기존의 가공으로 제조하던 차동 사이드 기어를 비절삭 공정인 냉간단조로 성형하여 균일한 품질로 대량생산이 가능한 제조 공법을 개발하였다. 최적 공정을 찾기 위해서 플라스티신과 납을 이용한 모사 실험을 수행한 결과, 미성형 없는 치형을 얻기위해서는 예비성형체의 형상선정이 가장 중요하였으며,선단부에 경사각을 주는 것이 치형 성형에 좋은 효과를 나타내었으며 그 최적값은 피치원추각이다.
(4) 기어의 크기에 따라 경제적 단조방법의 선택이 가능하지만, 중형 기어는 복합단조에 의해 제조하는 것이 정도 향상 및 경제성 측면에서 유리한 것으로 생각되었다. 열간성형시 소성거동은 플라스티신을 이용하여 메탈플로우를 예측할 수 있었고, 납을 이용한 모사 실험에서는 미세한 성형 결함의 방지와 냉간 사이징의 최적 조건은 길이방향으로 0.2mm사이징 하는 것이 양호한 결과를 얻을 수 있는 것을 알았다.
(5) 냉간 단조, 복합 단조, 분말단조에 대한 공정 및 가공의 난이도, 금형 수명, 기계적성질, 금속적 특성 등을 상호 비교하여 기어 크기별 용도별로 적절한 공정의 선택기준을 제시하였다.