In recent years, cold forging has been applied in gear manufacturing in place of conventional machining owing to reduction of production cost. However, achievement of process design guaranteeing complete formation of tooth under given machine load is much difficult since gear cold forging casues severe material deformation and high forming load as near-net shape manufacturing. Therefore, many studies have been carried out for the improvement of design skill but not for design rule and process design system.
The current study was focused on the development of process design system for cold forging of a gear using finite element (FE) analyses. Cold forward extrusion of a spur gear and closed-die forging of bevel gear were chosen as design processes. In spur gear extrusion, in order to extract design rules, extrusion ratio was introduced and a design parameter predicting filling status of material in a die was defined. Also, an empirical load equation was proposed based on an axi-symmetric approximation. FE analysis program, CAMPform-3D was used to investigate the relationship between process variables and formability of a process. Based on the simulation results, the limiting value of major design parameter and shape factor of modified empirical equation were determined. In closed-die forging of bevel gear, billet diameter was founded to be an influential process variable on the occurrence of folding defect of material. Also, appropriate prediction method of die clamping force from forming load was suggested.
After extraction of process design rules, a die set with a die insert and stress ring was designed utilizing the developed three-dimensional elastic program with the Lagrange multiplier method. In the die design, inner radius of stress ring and value of shrink fit in gear forging were defined as design variables. Additionally, in order to compensate deformation of a tooth caused by die deformation, basic specification of a spur gear was modified and its usefulness was estimated.
Based on the established design rules, a design system for cold extrusion of spur gear was developed, which consists of input, product design, process design, and output module. Product design module provides various feasible sets of gear and pinion satisfying required geometric constraints and product capacities such as contact ratio and bending strength. In process design module, formable extrusion processes composed of billet and mandrel radii are suggested in consideration of constructed rule-base and limiting forming load.
Effectiveness and competitiveness of the developed design system was estimated through the experiment. In spur gear experiment, solid and hollow gear extrusion were carried out with the variation of forging condition such as materials and lubricant. From the experiment, it was found that developed system could be efficiently used in process design of gear extrusion under the various forming conditions. Also, a bevel gear with complete tooth profile was successfully forged by utilization of a newly designed die based on FE simulation results. Additionally, it was found that the current die clamping device using bolts should be modified to ensure safe gear formation without die fracture.
최근 생산비 절감을 위하여 기존의 기어 절삭가공 대체하는 공정으로써 기어 냉간단조 성형이 적용되고 있다. 그러나 기어 냉간단조 공정은 정형가공으로 높은 성형하중 및 심한 소재 변형이 발생되기 때문에 주어진 설비 하중 내에서 완벽한 기어 이 성형을 보장하는 공정설계 기술을 확보하기가 어렵다. 그러므로 설계 기술을 향상시키기 위하여 많은 연구들이 수행되고 있으나 설계 규칙 및 공정설계 시스템의 개발에 관한 연구들은 거의 보고되지 않는 실정이다.
본 연구는 유한요소해석을 이용하여 기어 냉간단조 공정설계 시스템을 개발하는 것에 초점을 두었으며, 스퍼기어 전방압출 공정 및 베벨기어 밀폐단조을 설계 공정으로 설정하였다. 스퍼기어 전방압출 공정에서는 설계 규칙들을 추출하기 위하여 전방압출비를 도입하고 금형 내 소재의 충만을 예측하는 설계 인자를 제안하였다. 또한, 성형하중을 예측하기 위하여 축대칭 가정에 기반 한 경험식을 제안하였다. 공성 변수들과 공정의 성형성과의 연관성은 유한요소해석 프로그램인 CAMPform-3D를 이용하여 고찰되었으며, 해석결과로부터 주요 설계 파라미터의 한계값 및 수정 된 경험식의 형상계수가 결정되었다. 베벨기어 밀폐 단조 성형에서는 소재경이 소재의 접힘 결함에 영향을 미치는 주요 공정 변수임을 발견하였으며 성형하중으로부터 금형의 클램핑 힘을 예측하는 방안을 제안하였다.
공정설계 규칙들을 정립한 후 개발 된 라그랑주 변위제한조건을 적용하는 3차원 탄성해석 프로그램을 적용하여 인서트와 보강링으로 구성된 금형 세트를 설계하였다. 금형 설계에서는 보강링 내경 및 억지끼워맞춤량이 설계 변수로 정의되었다. 또한 금형 변형으로 인하여 초래되는 치형의 변형을 보완하기 위하여 스퍼기어의 기초 사양값들을 수정하는 방안의 유효성을 평가하였다.
정립된 설계 규칙을 바탕으로 스퍼기어 냉간단조 전방압출 공정설계 시스템이 개발되었다. 개발된 시스템은 입력, 제품 및 공정설계, 그리고 출력 모듈로 구성되어 있다. 제품 설계 모듈은 요구되는 제품 형상제약 조건과 맞물림률 및 굽힘강도로 구성된 제품 성능을 충족시키는 다양한 기어 및 피니언 설계안을 설계자에게 제공한다. 공정설계 모듈에서는 구축된 규칙베이스 및 한계 성형하중을 고려하여 성형 가능한 소재경 및 멘드렐경으로 구성된 전방압출 공정 설계안들을 제안한다.
개발된 설계시스템의 유효성 및 경쟁성은 실험을 통하여 평가되었다. 스퍼기어 전방압출 실험에서는 소재 및 윤활제를 변화하면서 중실형 및 중공형 전방압출 성형을 수행하였다. 실험으로부터 설계된 시스템은 다양한 성형 조건에서 기어 전방압출 공정설계에 유효하게 적용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 베벨기어 밀폐단조 실험에서는 유한요소해석 결과를 바탕으로 설계 된 금형을 적용하여 완벽한 치형을 성형할 수 있었으며, 추가적으로 금형의 파손 없이 안전한 기어 성형을 위해서는 현재 사용되고 있는 볼트를 적용한 금형 클램핑 장치가 수정되어야 함을 알 수 있었다.
