유압 장치를 대체하는 NSK의 서보 드라이브

스위스의 분말 프레스 제조사가 2000kN의 다층 프레스에 볼스크류를 장착한 서보 다이렉트 드라이브를 적용하였다. 이후 최대 80%의 에너지를 절감되었고 생산 정확도가 높아졌다.

올리버 엡슈타인(Oliver Epstein): NSK Deutschland GmbH의 Seiki MU 키 어카운트 매니저

자동차 기어의 기어 휠과 드릴 비트, 인덱서블 인서트 등의 금속 부품은 일반적으로 분말 프레스를 이용하여 다량의 생산 개수로 제작된다. 몰딩 소재인 정밀 금속 분말 합금은 금형에서 압착하여 형태가 생성되며, 이후 성형체(중간 제조체)는 소결 과정에서 경도, 내마모성, 윤곽 정확도 측면에서 원하는 특성을 얻는다.

Osterwalder 분말 프레스의 프레스 절차 시 직선 운동은 볼스크류에 의해 실행된다.

스위스 리스 지역에 위치한 Osterwalder AG는 기계 엔지니어링 분야로 전문화된 선도적인 업체로, 130여 년 역사를 가진 이 회사는 넓은 범위의 분말 프레스 프로그램을 제공하고 있다. Osterwalder AG는 5년 전에 어플리케이션 분야에 CA-SP-Electric 및 CAHM-Electric 시리즈로 완전히 새로운 구동 기술을 도입하였다. 즉, 서보 전동 모터와 볼스크류를 적용한 DDT(Direct Drive Technology)를 160 ~ 640kN의 성능 범위에서 유압 드라이브를 대체하여 프레스 절차를 보다 섬세하게 조정할 수 있게 되었다.

확연히 줄어든 에너지 소비량

이제 전동 경로 측정 변수를 유압 드라이브에 비해 전자 기계식 시스템으로 쉽게 정의하고 구현할 수 있다. 또한 볼스크류는 강한 압축력을 보여주는 유압 실린더보다 높은 강성을 제공하고, 서보 전동식 분말 프레스로 제작되는 공작물의 소재 특성을 더욱 균등하게 조정할 수 있다. Osterwalder뿐만 아니라 다른 분말 프레스 사용자들도 생산 과정에서 개선된 조정 거동과 확연히 줄어든 에너지 소비량의 이점을 누릴 수 있다.

소재가 보다 큰 동적인 하중 용량을 가능하게 한다

Osterwalder는 수년 전부터 CA-SPElectric와 CA-HM-Electric 시리즈의 서보 전동식 다이렉트 드라이브에 HTF 시리즈 NSK 볼스크류를 사용하였다. 이 볼스크류는 높은 정밀성과 강성을 조합하여 고속 이송이 가능하고, 동시에 높은 축방향 힘을 전달하며, 분말 프레스에서 3초 정도의 매우 짧은 택트 타임과 높은 부하 조건에서 마모를 최소화할 수 있다.

S-HTF 시리즈는 같은 크기일 때 더 높은 동적 하중 용량과 더불어 긴 수명을 보장한다. 이를 가능하게 하는 것은 새로운 소재인 „Tough Force“ 덕분이다.

             Osterwalder는 이 구동 기술을 다음 단계인 대형 프레스에도 적용할 것을 적극 고려하였다. 하지만 HFT 시리즈와 유사 볼스크류는 정상적인 수명에서 한계에 부딪혔고, NSK는 동일한 크기에서 높은 동적 하중 용량과 확연히 긴 수명을 달성하는 기술을 제시하였다. 이를 가능하게 하는 것은 NSK가 새로 개발한 소재 TF(Tough Force)가 있었기 때문이다. 이 소재는 원래 부하를 크게 받는 실린더 롤러 베어링을 위해 고안되었으며, 특별한 열처리를 거쳐 최적화된 경도와 점도 거동이 달성되었다. 심한 오염물이 레이스에 눌리거나 쌓이지 않고 반복적인 작동 시에도 항상 매끈하게 작동하여 고장 현상 리스크를 배제할 수 있다.

NSK 연구실의 피로 시험 시스템에서 이루어진 일련의 시험을 통해 S-HTF 시리즈 볼스크류의 TF 기술이 수명을 3배 늘리고 동적 하중 용량을 30% 높아진 것으로 밝혀졌다. 이는 다른 제품과 비교하여 우수한 가치를 보유한 HTF 시리즈를 기준으로 하였다.

프레스 내 서보 전동 다이렉트 드라이브

이 새로운 기술은 Osterwalder에게 다이렉트 드라이브 기술, 즉 서보 전동 다이렉트 드라이브를 출력이 높은 프레스에도 사용할 수 있는 전제 조건을 제공한다. 세계 최초로 OPP 2000으로 이 기술을 선보였다. OPP 2000은 유압식 드라이브 대신 전동식 드라이브를 채용한 2000kN의 다층 프레스이다. 우리는 이 분말 프레스로 높은 성능 범위에서 서보 전동 드라이브가 탁월한 동적 모션 제어를 실현하고 높은 정확도와 복잡한 형상을 원하는 고객들의 요건을 충족합니다.(미하엘 졸베르거, Osterwalder 제품 책임자 및 설계팀장) 또한 최대 1μm 범위로 정확하게 배치하고 정해진 모션 프로파일을 따라 움직일 수 있습니다. 이는 제품 품질을 향상시키고 사용자 입장에서는 후가공을 최소화할 수 있습니다.

             이 새로운 다층 프레스는 모터 부품, 전자 공구 및 주방 도구를 위한 구성 요소와 초경합금 로드 등이 포함된 폭넓은 제품 라인을 경제적으로 제작할 수 있다. 사용자는 이미 언급한 장점들 외에 정비 비용을 줄이고 콤팩트한 설치 장소의 이점을 살릴 수 있다. 여기에 대형 프레스에서의 에너지 소비량은 기존 유압 프레스에 비해 약 20%에 불과하다. Osterwalder의 대부분의 고객은 최대 50대의 분말 프레스기를 사용하고 있기 때문에 매우 매력적인 요소이다.

제조 기술의 혁신을 위한 드라이브

S-HTF 볼스크류의 축방향 지지용 TAC 시리즈 스러스트 앵귤러 볼베어링을 사용한다.

이번 사례에서 구동 기술의 혁신이 제조 기술(이번 사례에서는 분말 야금)의 도약적 발전으로 이어지는 것을 잘 보여주고 소재 기술에서 나온 혁신은 순환 구조를 형성하였다. Tough Force 소재는 앞에서 언급했듯이 원래 구름 베어링을 위해 개발한 것이다.

Osterwalder는 S-HTF 볼스크류를 축 방향으로 지지하기 위해 구름 베어링을 NSK에서 조달 받고 있다. TAC 시리즈 스러스트 앵귤러 볼베어링을 사용하고 있으며, 이 베어링은 이런 용도로 자체적으로 개발하여, 정밀 기계의 시스템 유닛으로 축방향 지지와 직선 운동을 위해 장착하고 있다.