스핀들 성능 향상

공작 기계에서 메인 스핀들과 메인 스핀들의 베어링은 핵심적인 요소가운데 하나이다. 이러한 시스템을 최적화하기 위해 실질적인 연구가 진행되고 있다. 그 가운데는 멀티포인트 스핀들 베어링을 사용하고 스핀들 사용을 위해 테이퍼 롤러 베어링을 사용하는 것을 포함하고 있다.

알렉산더 하시스(Alexander Hassis), 공학박사, 경제공학 박사

옌스 팔케르(Jens Falker): 아헨 공과대학 공작기계 연구소(WZL) 연구원, 공학박사

크리스티안 브레허(Christian Brecher): 동 연구소장

공작기계에서 메인 스핀들은 드라이브이자 공구 가이드로써 생산 능력에 핵심적 역할을 하고 있다. 회전속도 적합성이나 스핀들의 강성 등의 특성은 스핀들 베어링에 의해 강하게 좌우된다. 오늘날 n × dm = 2,5 · 106 mm/min 일 때 오일/공기 윤활 스핀들 베어링의 믿을만한 작동을 가능하게, 회전속도 적합성을 개선하기 위해, 스핀들과 스핀들 베어링의 시스템 거동과 매우 높은 절삭력을 위한 스핀들 등 새로운 응용 사례에 초점을 맞추고 있다.

산업 연구 그룹 “스핀들-베어링 시스템“이 중심에 두고 있는 연구과제는 4가지로, 높은 회전 속도에서 스핀들 베어링 그리스 윤활, 모터 스핀들의 진동 거동, 고속 어플리케이션을 위한 테이퍼 롤러 베어링, 멀티포인트 형상을 지닌 스핀들 베어링 등이다. 연구 그룹은 공작기계 연구소에서 개발한 테스트 벤치와 연산 프로그램을 이용하여 이 문제를 다루고 있다.

스핀들에 사용하기 위한 테이퍼 롤러 베어링의 테스트와 연구 개발

앵귤러 콘택트 볼 베어링 구조를 갖는 기존의 스핀들 베어링에 비해 갖은 크기의 테이퍼 롤러 베어링은 강성과 부하 용량이 더욱 뛰어나다. 이런 시각에서 테이퍼 롤러 베어링이 대안이 될 수 있다. 특히 난삭용 스핀들, 속도가 중간이고 부하가 큰 HPC 프로세스 또는 하나의 테이퍼 롤러 베어링이 다수의 스핀들 베어링을 대체하는, 장소가 협소한 응용 사례에 대안이 될 수 있다. 물론 스핀들 베어링에 비해 표준 테이퍼 롤러 베어링의 근소한 속도 적합성은 제한적으로 작용한다. 참고 문헌에서 알려진, 그리고 일부 제조사들이 제공하는 고속 테이퍼 롤러 베어링 컨셉트는 메인 스핀들에 사용하기에는 제한적으로 적합하다. 따라서 공작기계 연구소는 현재 두 개의 프로젝트에서 메인 스핀들에 사용하기 위한 고속 회전 테이퍼 롤러 베어링을 연구하고 있다. DFG 프로젝트 (BR 2905/56-1) 범위에서는 고속 회전 시 테이퍼 롤러 베어링의 작동 거동을 이론하기 위한 이론상 근거와 실험상 근거를 만든다. 시험 연구에서는 테이퍼 롤러 베어링의 사용 한계와 스핀들과 관련된 변수를 조사한다. 이 과정에서 32014 시리즈의 표준 테이퍼 롤러 베어링은 메인 스핀들이 통상적인 윤활 조건일 때 카탈로그 회전속도 약 6,000 mim-1을 훨씬 넘어 믿을 만하게 작동될 수 있다는 점이 밝혀졌다.

고속 테이퍼 롤러 베어링이 첫 번째 시험에서 증명되었다

그림 2: 하이브리드 테이퍼 롤러 베어링 프로토타입 구조

Herzogenrath(헤어초겐라트)사가 Cerobear사와 협력하여 연구 글부 범위에서 고속 테이퍼 롤러 베어링을 개발하였다 [1] (그림 2). 속도 상승을 위한 조치는 스핀들 베어링에서 도출되었다. 회전속도로 인한 질량 힘과 구름 접촉의 마찰을 낮추기 위해 세라믹(Si3N4) 구름 베어링을 사용한다. 케이지는 외부링 가이드 위에 설계하고 고체 구성품은 PEEK로 제작한다. 표준 테이퍼 롤러 베어링에 비해 본질적 차이점은 일체형으로 리브가 있는 외부 링이다. 중요한 구름 요소-리브-접촉에서 열 방출을 개선하는 것 외에, 윤활제를 샤프트를 통과하여 안내할 필요 없이 링 형태 홈과 리브에 있는 보어홀을 통해 이러한 접촉점에 윤활제를 공급할 수 있다. 2-파트 형태의 외부 링 리브가 있는 유사한 테이퍼 롤러 베어링 컨셉트에 비해 외부 링의 일체형 구조는 레이스에 대한 리브의 위치 정확도를 높일 수 있고, 이는 베어링의 작동 거동에 긍정적인 영향을 끼친다. 외부 치수가 사이즈 33014의 테이퍼 롤러 베어링과 일치하는 베어링을 이용하여 첫 번째 시험에서 회

그림 3: 하이브리드 테이퍼 롤러 베어링 프로토타입 작동 거동

전속도 특성값 1.26·106 mm/min (≙ n = 14.000 min-1)에 도달할 수 있었다(그림 3). DFG 프로젝트의 범위에서 개발한 소프트웨어를 이용한 연산 결과, 이 베어링의 강성은 테이퍼 롤러 베어링별 회전속도와는 무관하며, 이는 대체로 스핀들 베어링에 비해 더 높은 강성 외에 또 다른 장점이다. 이 프로토타입의 시험 연구에서 또 다른 중심은 높은 하중 조건일 때 작동 거동과 하중, 회전속도, 온도에 따른 변위 거동에 있다. DFG 프로젝트의 범위에서는 이 프로젝트에서 얻은 이론상 인식을 다른 프로토타입을 개발 테스트하여 보증하고 심화시키고자 한다. 그러나 이러한 베어링을 현장에 사용하기 전에 구름 요소 한계, 반경방향 하중일 때 거동, 연속 작동일 때 거동과 같은 다른 측면을 더욱 연구해야 한다.

3점 베어링: 연구에서 응용으로

HSC 프로세스와 같이 회전 속도가 빠를 때에 작용하는 원심력은 스핀들 베어링의 운동학에 큰 영향을 끼친다. 원심력으로 볼이 외부링 레이스의 홈 바닥 방향으로 이동하며 외부링에서 접촉각이 크게 떨어진다. 따라서 베어링의 강성은 현저히 낮아진다. 이는 머시닝 프로세스에 부정적인 영향을 미치는데, 강성이 떨어지면 툴 센터 포인트(Tool Center Point)에서 변위가 커지고, 베어링과 더불어 스핀들의 동적 특성이 변하게 된다.

공작기계 연구소에서는 다양한 연구 작업을 통해 추가의 구름 접촉점이 있는 스핀들 베어링, 이른바 멀티포인트 스핀들 베어링을 연구하였다[2; 3]. 외부 링의 추가의 접촉점은 회전속도로 인한 볼의 변위를 억제하고, 안정적인 접촉각과 강성을 책임지며, 반면 내부 지오메트리가 조정되어 마찰은 거의 증가하지 않는다[3].

연구 그룹 “스핀들 베어링 시스템“은 현재 고속 머시닝을 위해 모터 스핀들에 3점 베어링을 사용하는 것에 대해 연구를 진행하고 있다. HSK-63 인터페이스를 가지며, 최대 회전 속도 30,000min-1, 최대 성능 120kW인 GMN과 Weiss의 스핀들을 초기에는 표준 사양으로 실험하였다. 이들의 안정성 한계를 가공 시험으로 확인하였다. 조사를 완료한 후 스핀들의 앞쪽 베어링 패키지를 3점 베어링으로 교체한 후 시험을 다시 진행하였다. 3점 베어링이 스핀들의 탄성 거동과 안정성 거동에 미치는 영향은 유사하다. 공작기계 연구소에서 스핀들에 대한 시험은 대체로 Ingersoll사의 테스트 기계 Hexapod HOH 600으로 실시한다 [4].

그림 4: 2점 베어링 장착 버전과 3점 베어링 장착 버전의 탄성 주파수 응답 비교.

기계의 병렬 운동학으로 기계 구조물의 자체 주파수는 고주파 스핀들에 의해 야기되는 범위를 벗어나며, 이는 측정에 미치는 기계의 영향력을 최소화한다. 2점 베어링을 갖는 스핀들과 3점 베어링을 갖는 스핀들의 탄성 주파수 응답을 비교한 결과 다음과 같은 점이 확인되었다. 표준 구성에서는 회전속도가 증가하고 중대한 고유 진동수가 낮아진 반면, 3점 베어링을 장착한 버전에서는 고유 진동수가 안정적이었다. 동시에 3점 포인트 베어링을 장착한 경우에는 고유 진동수가 2점 포인트 베어링 장착한 버전보다 더 낮았는데, 이는 두 유형의 베어링이 지닌 각기 다른 공칭 압력각에 기인한 것이다 (그림 4).

그림 5: 머시닝 테스트에서 안정성 한계 비교는, 3점 베어링을 장착한 구조일 때 더 높은 최대 절삭 깊이와 회전 속도 범위 25,000 ~ 30,000 min-1에서 더 높은 안정성 수준을 달성할 수 있다.

머시닝 시험에서 3점 베어링의 영향도 관찰할 수 있다. 회전속도 범위 18,000 ~ 30,000min-1일 때 안정성 차트는, 3점 베어링을 장착한 구조일 때 더 높은 최대 절삭 깊이와 회전 속도 범위 25,000 ~ 30,000 min-1에서 더 높은 안정성 수준을 달성할 수 있었다 (그림 5).

앞으로 진행될 시험에서는 또 다른 스핀들 구성들을 비교하여 각 베어링의 작동 거동을 테스트 벤치 시험으로 자세하게 분석할 것이다. 이미 실시한 시험들은 표본 조사이므로, 3점 포인트 베어링의 특성을 증명하기 위해 응용 사례별 조건에서 테스트하기 위한 현장 시험을 계획하고 있다.

연구는 계속된다

AiF를 통해 공적 지원되는 연구 프로젝트[5]에 기반하여, 공작기계 연구소에서는 연구 그룹 범위에서 회전속도 특성값 최대 n × dm = 2.5 · 106 mm/min일 때 그리스 윤활되는 하이브리드 스핀들 베어링의 작동 거동을 연구한다. 연구실에서 실시한 첫 번째 테스트는 이러한 베어링이 수 천시간에 걸쳐 위와 같은 조건에서 사용하기에 기본적으로 적합하다는 점을 보여주었다. 현재 연구 그룹에서 다루는 네 번째 주제의 중심은 스핀들 역동성이다. 역동적 거동 측면에서 테스트 벤치에서 실시한 스핀들 시험과 실제 기계에서 실시한 스핀들 시험의 결과를 잘 비교하기 위해, 연구 그룹에서 하위 구조 커플링[6]을 기반으로 스핀들의 동적 거동을 계산상 전체 시스템과 분리하는 방법을 개발하였다.

산업 연구 그룹 „스핀들 베어링 시스템“의 분야를 망라하는 협력은 공작 기계 전체 시스템에 있어서 스핀들 베어링이 갖는 관련성을 보여주며, 복잡한 선경쟁적 문제를 다루기 위에 적합한 플랫폼을 제공한다. 공작 자금을 지원받는 연구 프로젝트를 보완하거나 또는 이를 바탕으로 하는, 구름 베어링 개발에서 진행되는 연구들은 장기적으로 메인 스핀들에 새로운 유형의 베어링을 사용하는 것을 목적으로 한다. 멀티포인트 지오메트리를 가진 베어링은 광범위하게 회전 속도와 무관한 강성을 지니며, 첫 번째 절삭 시험에서 안정적인 머시닝이 가능한 회전속도/절삭 깊이 범위가 확대될 수 있다.

평균 회전 속도로 높은 부하를 받으며 구동되는 스핀들의 경우, 강성과 하중 용량이 큰 베어링이 필요하다. 테이퍼 롤러 베어링은 이런 조건과 공간이 협소한 경우에 스핀들 베어링에 대한 대안이 될 수 있다. 첫 번째 프로토타입 테스트에서 현재 통상적인 것보다 훨씬 빠른 회전속도에 대한 테이퍼 롤러 베어링을 개발하고, 따라서 스핀들에 사용하기에 적합하다는 점을 증명할 수 있었다

참고 문헌

[1] Brecher, C., Fey, M., Bartelt, A., Hassis, A. (2016): Design and Test Rig Experiments of a High Speed Tapered Roller Bearing for Main Spindle Applications. In: Procedia CIRP. Vol. 46. 7th CIRP Conference on High Performance Cutting. 2016, S. 533- 536.

[2] Spachtholz, G. (2008): Erweiterung des Leistungsbereichs von Spindellagern. Diss. RWTH Aachen, 2008.

[3] Rossaint, J. (2014): Steigerung der Leistungsfähigkeit von Spindellagern durch optimierte Lagergeometrien. Diss. RWTH Aachen, 2014.

[4] Brecher, C., Fey, M., Falker, J., Möller, B. (2015): Externe Dämpfung bei Hochgeschwindigkeitsspindeln. In: wt Werkstattstechnik online. 105. Jg., 2015, Nr. 5, S. 257-262.

[5] Brecher, C., Mayer, J., Fey, M., Hassis, A. (2015): Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Schmierfette auf das tribologische Verhalten von Hybridlagern. Hamburg: DGMK, 2015.

[6] Brecher. C., Fey, M., Daniels, M. (2016): Substructure coupling approach to parameterization of passive dynamic auxiliary systems. In: Production Engineering. 10. Jg., 2016, Nr. 3, S. 351-360.