공작기계용 커플링

공작기계 제조사들은 2가지 타입의 제로 백래시 커플링을 채택하며, 먼저 금속 벨로즈커플링과 엘라스토머커플링을 선택하게 된다.

시나 서니(Sina Cerny): R+W Antriebselemente 마케팅 소속

공작기계는 일반적인 기계 엔지니어링 분야에서 매우 중요한 장비이다. 공작기계는 일반적으로 밀링기계, 보링기계, 터닝기계, 연삭기계, 절삭기계로 나뉘며, 다른 그룹으로 레이저기계와 연마기계를 포함한다. 최근 들어 공작기계는 새로운 기술, 빠른 속도, 기계 강성으로 인해 기계와 구성요소에 대한 요건이 계속 증가하고 있다.

공작기계 연결요소

공작기계의 개별 어셈블리는 여러 기능을 실현하기 위한 필수불가결한 요소이다. 드라이브, 프레임, 공구 캐리어, 피삭재 캐리어 외에 제로 백래시 커플링과 같은 연결요소도 이러한 어셈블리에 속한다. 여기에서 제로 백래시 금속 벨로즈 커플링와 제로 백래시 엘라스토머 커플링이 미치는 영향을 잘 파악해야 한다. 이러한 연결요소들은 적용사례에 따라 요구되는 높은 강성(금속 벨로즈 커플링)과 진동 감쇠(엘라스토머 커플링 또는 클로 타입 커플링)를 실현하기 때문이다.

금속 벨로즈 커플링은 스테인리스 스틸 금속 벨로즈와 허브로 구성되며, 허브는 필요에 따라 플랜지, 클램핑 허브, 확장 핀 또는 원추형 클램핑 세트로 형성된다.

현대식 금속 벨로즈 커플링은 기본적으로 두 개의 구성품으로 되어 있으며 스테인리스스틸 금속 벨로즈와 다양하게 형성되는 허브 역할을 한다. 허브는 적용 사례에 따라, 조율되는 형태와 치수에 따라 플랜지, 클램핑 허브, 확장 핀 또는 원추형 클램핑 세트로 제작되고, 재료는 알루미늄, 스틸 또는 스테인리스스틸을 사용하며, 커플링을 구동 측과 피동 측에 연결한다. 표면은 니켈 도금, 크롬 도금, 질탄화(nitrocarburizing), 아노다이징 산화로 코팅되며, 대부분 이중 벽으로 만들어지고, 구동 허브와 피동 허브 사이에 위치하는 스테인리스스틸 금속 벨로즈는 제조 상 연결하는 구동 축과 피동 축 사이의 오차를 보정한다. 이를 통해 전체 파워 트레인 내에서 중요한 역할을 하며, 비틀림 강성이 있는 금속 벨로즈 커플링으로 토크 범위 0.1 ~ 10,000Nm와 보링 직경 3 ~ 180mm를 커버한다.

엘라스토머 커플링 구조

엘라스토머 커플링의 엘라스토머 링은 감쇠 작용을 하고, 토크를 전달하며 축 오프셋을 보정한다.

회전하지 않는 유연한 커플링은 회전 방향으로 최대한 높은 강성을 지녀야 한다. 하지만 파워 트레인이 횡 방향 힘에 의해 부하를 받지 않도록 반경 방향, 각도 방향 그리고 측면 방향으로의 스프링 강성은 가능한 적어야 한다. 금속 벨로즈 커플링은 회전 방향으로 매우 높은 비틀림 강성을 갖는다. 이는 커플링이 토크 부하에서 최

소한의 비틀림을 의미이다. 비틀림 각도는 대체로 0.05 ~ 0.1°이며, 이러한 특성은 회전운동을 구동 측에서 피동 측으로 전달하기 위해 이용한다.

엘라스토머가 기계 엔지니어링 분야에서 사용하게 된 것은 큰 탄성과 충분한 강성, 탄력적 특성과 댐핑 특성 덕분이다. 엘라스토머 커플링은 진동이나 충격 부하가 예상되는 영역에서 회전운동을 감쇠하기 위해 주로 사용한다. 엘라스토머 커플링이나 클로 타입 커플링은 엘라스토머 링과 허브 등 두 가지 구성품으로 이루어진다. 허브는 구동 축과 피동 축을 연결하는 커플링이나 플랜지 연결을 위한 커플링의 경우에도 필요하다. 구동 측과 피동 측의 형상에 따라 클램핑 허브, 분리형 허브(하프 셸), 원추형 클램핑 세트, 미끄럼 키 홈을 통해 연결된다. 엘라스토머 스타라고 부르는 엘라스토머 링은 구조와 재료 특성을 바탕으로 진동 감쇠작용을 하고 토크 전달과 축 오프셋 보정이 가능하다. 엘라스토머 커플링으로 커버하는 토크 범위는 대략 2Nm에서 25,000Nm이며 보링 직경 범위는 3 ~ 170mm이다.

엘라스토머 커플링은 진동을 감쇠하며 적용사례에서 발생하는 진동과 충격을 완화한다. 엘라스토머 링은 발생하는 토크 충격을 탄력적인 저장 효과와 재료 댐핑을 통해 줄이고 보정한다. 또한 구동 측과 피동 측에서 발생하는 진동을 감쇠하고 적용 사례에서 나타나는 진동을 완화하여 정숙성이 매우 뛰어나다.

어떤 커플링이 잘 맞을까?

여러 커플링 시스템의 특징

공작기계 모든 영역에서 제기되는 문제는 간단 명료하다. 좌측의 개요 표는 두 커플링 시스템의 차이를 잘 보여주고 있다. 해당 지점에서 경미한 비틀림 각으로 정확하게 힘을 전달하거나 연결요소를 통해 진동을 감쇠할 수 있다. 통일된 해법이나 개별적인 제조사와 기계 간에 비교할만한 구조는 없다. 서보 모터와 스텝 모터, 스핀들 유닛 사이의 연결 요소에는 두 가지 커플링 시스템을 사용한다. 설계자들은 제어 유닛에 따라 기계 역동성을 최대한 활용하고 최적화하기 위해 극도로 견고한 힘 전달을 위해 금속 벨로즈 커플링을 선택하거나 가벼운 댐핑 효과를 위해 엘라스토머 커플링을 선호하고 컴포넌트 제조사들도 이를 권장한다. 두 커플링 시스템의 차이와 특성은 공작기계를 새로 설계할 때에 커플링에서 올바른 연결요소를 선택할 수 있다. 유명한 커플링 제조사들이 이에 길잡이를 제공하고, 다년간의 경험과 응용 사례에서 컨설팅과 신뢰할만한 솔루션을 제공한다. 이런 이유로 유명한 공작기계 제조사들이나 특수기계 제조사들이 R+W 커플링을 이용하고 있다.