최단 시간에 기어 휠 제조하기

범용 5축 머시닝 센터에서 하드 절삭 분야의 새로운 기술로 첫 단계에서 빠르게 기어 휠을 제조할 수 있다.

클라우스 폴라트(Klaus Vollrath): 자유 기고가

핵심 내용

  • 기계 제작에 사용하는 기어 휠은 대부분 이에 맞게 설계된 전용기계로 제조한다.
  • 여기에는 공작물에 정확하게 맞춘 형상의 특수 공구가 필요하다.
  • 제조 과정은 기어 휠 표면 강도에 대한 까다로운 요건으로 인해, 다음 세 단계, 소프트 가공과 경화 그리고 최종 가공으로 이루어진다.

“기계 공학에서 산업용 기어 휠을 제조할 경우 관건은 신속성과 유연성입니다.”(공학박사 위르겐 뢰더스, Röders GmbH 대표) 자동차 산업 분야에서는 대량 생산이 무엇보다 중심에 있지만, 기계 공학에서는 생산 개수가 훨씬 적거나 필요한 제품이 10개 미만인 경우가 대부분이고, 간혹 한 개만 필요한 경우도 있다. 하지만 이에 대한 기한 압박은 만만치 않아, 이런 경우 여러 단계의 가공과 특별히 형상을 조정하여 공구를 사전 제작하는 것이 핸디캡으로 작용한다. 따라서 짧은 기한 내에 소량으로 산업용 기어 휠을 제조하는 업체들은 경화 블랭크에서 중간 크기의 기어 휠을 하루 근무일 내에 우수한 품질로 제조할 수 있는 시스템 기술에 관심이 많다. “기어 휠을 빠른 시간에 제조하려면, 치면 수정 값을 위해 특별히 설계된 다양한 버전의 CAM 소프트웨어가 있어야 합니다.”(카스텐 벤트, 개발 프로젝트 담당)

이뿌리 릴리프를 제조하기 위해 표준 공구 매거진의 일반적인 밀링 커터를 사용한다.

기어 휠 제조 소프트웨어 모듈

이 부분에 특화된 CMA 소프트웨어 개발자 Euklid는 이번 프로젝트에 맞추어 설계한 Euklid Gear-CAM을 개발하였다. 이 소프트웨어 모듈은 표준 밀링 머신에서 고도로 정확한 기어 휠을 제조할 수 있도록 사용자를 지원한다. 특히 이 솔루션은 병행하여 추가의 개별 품목이나 또는 최소량 시리즈의 프로토타입, 특수 버전, 또는 기종의 기어 박스에서 고장 난 부품의 대체품이 필요한 업체들이 관심을 가질 만하다. 이 프로그램은 너비와 높이 크라우닝 및 이끝 및 이뿌리 릴리프와 같은 중요한 수정 기능을 포함한다. 5축 머시닝 센터에서 제조하는 이점에는 이른바 치면 맞물림 수정이 필요하지 않다는 점이다. 치면 오프셋 수정은 기계 운동학의 한계로 인해 기존의 많은 제조 기술에서 필요하지만, 그에 비해 5축 밀링을 사용하면 이러한 문제가 전혀 발생하지 않는다.

“기어 휠을 제작할 경우에 머시닝 센터의 정밀성이 결정적인 역할을 합니다.”(판매 책임자 올리버 고셀) Röders는 까다로운 공구나 금형 제작에 사용하기 위한 시스템을 개발한 경험이 많기 때문에, 정밀성과 역동성 그리고 높은 하중 용량 측면에서 요건을 충족할 수 있었다. 이 분야 세그먼트에서는 강도가 최대 60HRC 이상인 재종을 가공해야 하며, 부분적으로는 수 마이크로미터 수준의 정확도를 준수해야 한다. RXP 601 DSH 등 이번 프로젝트에 사용한 시스템은 밀링으로 사용하기 적합하며 지그 연삭에도 적합하다. 이 시스템은 폴리머 콘크리트 재질의 육중한 기계 베드에서 시작하여, 고도로 정확한 가이드 시스템과 마찰 없는 리니어 다이렉트 드라이브 그리고 모든 구성 요소에 매체 채널이 있는 정교한 온도 관리 등 다양한 구조적 기능을 통해 보장된다. 온도를 제어하는 중간 요소들은 드라이브에서 기계 베드로 열이 확산되지 않도록 방지하고, 온도에 따른 메인 스핀들의 신장에도 주의를 기울였다. 메인 스핀들 신장은 센서로 모니터링하고 컨트롤을 통해 보상한다.

제어 간격 32kHz의 높은 클록 주파수(Racecut)가 중요한 기능이다. 이 클록 주파수로 미세한 경로 편차를 빠르게 감지하고 수정할 수 있다. 또한 로터리/스위블 테이블의 모든 위치 오차와 각도 오차의 포괄적인 보상도 특별한 역할을 한다. 이를 위해 장치는 제작 시에 두 회전 축의 400개 이상의 위치로 이동하고, 매번 높은 정확도로 측정된다. 프로세스에서 결정된 위치와 각도에 대한 데이터는 레퍼런스로서 컨트롤에 저장된다.

다이아몬드가 박힌 드레싱 휠이 연삭 공구의 정밀한 모양을 생성한다.

기어 가공을 위한 추가의 공구 매거진

“기어를 가공할 경우 일반적인 밀링 가공보다 직경이 훨씬 큰 공구를 사용하기 때문에, 이를 위해 추가의 공구 매거진이 필요합니다.”(위르겐 뢰더스) 갠트리 아래에 배치되는 이 매거진은 직경이 최대 200mm인 공구 3개를 수용할 수 있다. 따라서 기계의 내부 매거진에 직경이 보다 작은 일반적인 공구를 장착할 수 있다. 매거진과 롤러 셔터 잠금장치는 인터페이스와 공구 사이의 각도 오차로 인해 미세한 오염물이나 칩이 들어오는 것을 막는 보호 기능이 있다. 또 다른 장점은 이 특수 공구가 메인 스핀들의 벡터 제어에 의해 항상 동일한 각도로 전달되기 때문에, 공구를 여러 번 교체하더라도 한 번 정렬된 공구의 정렬 오차가 거의 없다는 점이다. 이 공구의 또 다른 특징은 공구와 함께 패키지로 제공되는 절삭유 공급 배관이다. 이는 해당 노즐이 연삭 공구와 공작물 사이의 접촉 구역에 정확하게 정렬되어 오일이 정확하게 공급되도록 보장한다. “작업자는 사용하는 공구 선택에 제약이 거의 없기 때문에, 선택의 자유를 누릴 수 있습니다.”(올리버 고셀) 웜형 연삭 휠, 호빙 커터, 또는 셰이빙 커터와 같은 값비싼 특수 공구 대신하여 단순한 형태의 밀링 커터 또는 연삭 휠로 작업할 수 있으며, 연삭 공구를 드레싱 휠과 함께 사용하면 단순한 평면 형상을 가공하거나 사양에 정확하게 맞는 윤곽을 생성할 수 있어 생산성이 증대된다.

또한 소프트웨어를 이용하여 황삭 또는 정삭 가공에서 다양한 가공 전략과 선호하는 공구를 선택할 수 있다. Gear-CAM은 공차를 정확하게 준수하여, 기어 형상과 지정된 공차에서 자동으로 공구 경로를 최소화한다. 또한 해당 절삭 데이터와 성능 데이터는 조정 가능한 공구 데이터베이스에서 가져올 수 있다. 기어 품질은 지정 값에 따라 레벨 2 또는 레벨 3을 달성할 수 있으며, 이 새로운 솔루션은 한 번의 클램핑으로 보어 또는 샤프트와 같은 원통형 표면을 가공할 수 있는 장점도 있다. 최신 버전은 Sandvik과 협력하여 개발한 밀링 공구와 이에 최적화된 밀링 전략의 조합인 Invomilling을 이용할 수 있다.

“이 시스템이 매우 성공적이었으며, 최근 프로세스 자동화를 위한 특수 옵션을 개발하였습니다.”(카스텐 벤트) 통합 핸들링이 적용된 콤팩트한 RCS 캐비닛 매거진은 자동으로 공작물을 교체할 수 있어, 밀링 센터를 거의 24시간 모드로 연속적으로 가동할 수 있으며, 개별 부품인 경우에도 이런 방식으로 제조 비용을 크게 낮출 수 있다. 고객은 Euklid와의 기술 파트너십 덕분에 밀링 머시닝 센터뿐만 아니라 Euklid Gear-CAM 소프트웨어의 가능성에 대해서도 완벽한 지원을 받을 수 있다.

             사용자는 이 솔루션을 선택함으로써 매우 흥미로운 장점 두 가지가 생겼다. 하나는 짧은 시간에 고품질 기어 휠을 경화 블랭크에서 제조할 수 있다는 점이고, 다른 하나는 이를 통해 다양한 다른 작업에 사용할 수 있는 정밀하고 뛰어난 성능의 5축 밀링 머시닝 센터를 갖게 되었다는 점이다.