시계와 카메라 제작에 필수적인 요소 중 하나가 바로 기어다.
내가 자동 셔터 카메라 제작이 가능했던 이유 중 하나도 밀링과 기어커터를 이용한 기어가공이 가능했기 때문이다.
하지만 기어 가공은 그리 간단한게 아니었다. 기어에 대해 잘 알지 못했을땐 주먹구구식으로 막 만들어 썼었는데
좀더 정밀하고 정교한 기어의 제작이 필요해지고 기어에 대해 알아가게 되면서 기어가공이 어려운 부분이라는것을 알게 되었다.
기어에 대한 공부도 많이 필요했고 가공방법 역시 다양한 방법으로 터득해야만 했다.
그동안 공부하면서 알게된 내용들을 아래에 정리해보았다.
기어는 크게 휠(wheel)과 피니언(pinion)으로 구성된다.
이빨(teeth)수가 많고 넓게 펼쳐진 것이 휠이고 가운데 적은 이빨수로 있는 길다란것이 피니언이다.
피니언의 경우 이빨이라고 하지 않고 잎(leaves)라고 한다.
휠은 보통 황동이나 양백(german silver)으로 제작되고 피니언은 철로 제작되어진다.
휠과 피니언은 서로 맞물려 돌아가기 때문에 서로 다른 재질로 제작되어야 마모가 적다.
그리고 피니언의 경우 잎에 가해지는 히이 강하기 때문에 그것을 견디기 위해 강한 재질로 제작되어진다.
기어를 제작하는데 있어서 가장 중요한 것은 모듈(module)이다.
모듈은 기어의 사이즈를 말하는데, 기어 이빨의 크기라고 생각하면 쉽다.
기어는 모듈이 맞는 기어끼리만 맞물려 돌아간다.
모듈은 피치원을 이빨수로 나눈 값이다. (M=PD/T)
피치원은 기어와 기어가 맞물려 작용하는 작용점을 이은 원이다. 이 피치원을 이용하여 기어와 기어사이의 거리를 구할 수 있다.
피치원에 기어이빨의 형태가 나오는 부분과 들어가는 부분을 그려주면 기어가 완성이 된다.
나오는 부분을 어덴덤(addendum) 들어가는 부분을 디덴덤(dedendum)이라고 한다.
여기서 중요한 부분이 바로 이빨의 형태이다. 이 형태에 따라서 기어는 두가지 타입으로 나뉘는것 같다.
기어의 형태에는 인벌루트(involute)타입과 사이클로이드(Cycloide)타입이 있다.(+트로코이드타입도 있다고 한다.)
일반적으로 기계나 공산품에서 볼수 있는 기어의 형태가 인벌루트 타입이다.
인벌루트 타입
인벌루트 타입은 동력전달의 토크가 강하고 제작이 용이한 장점을 가지고 있다.
사이클로이드 타입은 위의 첫번째 자료 이미지에 나와있는 기어형태이다.
한 원의 안쪽 또는 바깥쪽을 다른 원이 미끄러지지 않고 굴러갈 때, 구르는 원 위의 1점이 그리는 자취[軌跡]를 사이클로이드 곡선이라 하고, 이때의 사이클로이드를 치형곡선(齒形曲線)으로 하는 것이 사이클로이드 기어이다. 사이클로이드 기어는 공작하기가 어려워 거의 사용되지 않고, 시계용 기어 등과 같은 정밀기기의 소형 기어에 사용될 뿐이다.[네이버 지식백과] 사이클로이드기어 [cycloid gear] (두산백과)
이러한 기어타입에 관한 자료는 아래 사이트에 잘 정리되어있다.
이러한 타입의 기어중에 내가 사용하는 타입은 사이클로이드 타입이다.
시계나 카메라에서는 기어에 강한 힘이 주어지는것보다는 정교하게 움직이는 것이 중요하기때문에 사이클로이드 타입을 사용해야한다.
이러한 사이클로이드타입에도 규격이 있다.
크로노스 잡지에 나온 내용중에
"...구동 손실이 적은 휠이 바로 사이클로이드(cycloid)타입이다. 이것이 1960년대 NIHS 20-25 타입으로 진화해 에너지 효율성은 더 높아졌다. 그러나 NIHS 타입도 약간의 난점은 있었다. 독립시계제작자인....(중략)...채택한 방식은1970년대 독일에서 개발된 DIN타입의 휠이었다....(중략)...스위스 메이커들도 새로운 사이클로이드 휠 개발에 열중했다. 12개사가 공동으로 프로젝트를 진행했고, 그 결과로 탄생한것이 사이클로이드 휠의 진화형인 SPYR이다...."
이러한 내용이 있다.
이 내용을 보면 사이클로이드, 인벌루트,SPYR,NIHS20-25,DIN 이런것들이 전부 타입으로 분류되는것처럼 보인다. 하지만 좀 이상하다.
분명 기어 이빨의 형태를 그리는 선의 위치에 따라 트로코이드,사이클로이드,인벌루트 로 구분되는 것으로 알고 있는데, SPYR이나 NIHS 20-25, DIN 이런것은 전부 비슷하게 사이클로이드 타입과 다르지 않다. 그래서 자료를 더 찾아보니 이런 자료가 나왔다.
그렇다. 사이클로이드 타입안에 여러 규격이 있는것이었다. 크로노스 잡지에 나온 내용은 조금 잘못된 부분이 있다고 봐야겠다.
그럼 이 다양한 규격중에 어떤것을 써야할까?
검색을 해보니 요즘 가장 많이 사용하는 규격은 NHS standard 56702 and 56703 과 British Standard 978 인것 같다.
아래 자료는 현재 기어커터를 만들고 공급하는 P.P. Thornton 이라는 회사에서 갖고온 자료이다.
NHS standard 56702 and 56703 규격과 British Standard 978:Part2 규격을 중심으로 만들어 내고 있다.
이 자료를 보면 모듈과 이빨수만 알면 기어가공에 필요한 모든 값을 구할 수 있다. 물론 이 회사에서 만든 NHS standard 56702 and 56703 규격과 British Standard 978:Part2 규격의 기어커터를 사용했을때 이야기다.
그런데 내가 가지고 있는 기어커터는 이탈리아 기어커터제작사 carpano에서 만든 기어커터와 중국산 정체불명의 기어커터이다.
<기어커터사진1> <기어커터사진2>
다행히 이런 자료를 찾을 수 있었다. 이 자료를 보면 내가 가지고 있는 carpano 기어커터가 어떤 모듈인지 그 값을 알 수 있다.
또한 carpano 기어커터가 사이클로이드타입의 커터라는 것도 알 수 있다. (세번쨰줄에 Profils Epicycloidaux 라고 쓰여있다.)
이 자료를 바탕으로 기어 가공을 해보았다.
http://www.studio3hands.com/3hands/index.php?mid=hkhdiary&document_srl=5725
기어가공을 위해 인덱스플레이트를 먼저 만들고 기어를 가공하였다.
<기어가공사진1>
가공 결과가 좀 이상하다.
이빨 모양이 뭔가 맞지 않는다. 분명히 커터에 쓰여진 번호대로 규격표에서 찾아서 가공조건을 맞춰서 가공했는데
몇번 시도해봐도 결과는 같다.
뭔가 잘못되어있는것 같다. 표에 제공되어있는 모듈값과 다른 모듈값은 가진 커터인것 같다.
또 문제점 하나를 더 발견했다.
<기어커터사진>
기어커터번호가 0.XX 단위로 새겨져 있다.
아무래도 위의 carpano표와 다른 규격인것 같다.
곰곰히 관찰해본 결과 기어커터에 새겨진 숫자가 컷터날의 두께임을 알아냈다. (내 추측이다)
그렇다면 공식에 대입해서 모듈 값을 알아내야한다.
CP=M x 3.14
커터날에 쓰여진 숫자에 2를 곱하면 CP(Circular pitch)값이 나오니까 M(module)값을 구할 수 있다.
아래는 표에 의존하지 않고 커터날의 두깨를 재서 도출한 모듈값으로 계산해서 가공한 기어 모양이다.
몇번의 시행착오 끝에 뭔가 그럴듯 하게 나왔다.
내가 가지고 있는 기어 모듈도 확인하게 되었고, 가공데이터를 쉽게 뽑기 위해 http://www.kwanghun.com/kwanghun/carpano-gcode.htm 프로그램도 만들었다.
하지만 문제는 피니언이다.
휠은 가공이 용이하지만 피니언은 그렇지가 않다.
피니언 커터가 있으면 좋겠지만 P.P. Thronton 사에서 판매하는 커터는 하나에 8~9만원이 넘는다.
게다가 피니언커터는 leaves 수에 따라 커터 모양이 달라서 각각 구비해야한다. 거기다 모듈별로 구입할려면 상상을 초월하는 금액이 필요할것이다.
그래서 다른 자료를 찾아보다가 조지다니엘스가 쓴 책에서 이러한 자료를 발견했다.
기어 커터를 만들어 사용하는 방법과 이렇게 slitting saw를 이용해서 커팅을 하고 휠커터로 잎의 모양을 만드는 방법이다.
지금으로썬 가장 효율적인 방법인것 같다.
하지만 문제는 모듈에 따른 잎모양을 정확하게 그려놔야 slitting 두께라던가 휠커터의 위치등을 계산할 수 있다는것이다.
그래서 검색하다보니
http://www.csparks.com/watchmaking/CycloidalGears/
http://www.csparks.com/watchmaking/WheelCutting.html
http://www.hessmer.org/blog/2012/01/28/cycloidal-gear-builder/
다행히 이런 자료를 발견하게 되었다. 직관적이고 사용하기도 편하다.
이것을 가지고 제작을 하면 될것 같다.
앞으로의 고민은 기어가공후 피니싱 문제이다.
이빨 하나하나를 피니싱하기에는 너무나 오랜 시간이 걸릴것이다.
쉽게 피니싱 할 수 있는 방법을 연구해봐야겠다.
사이클로이드 기어 빌더
