볼 스크류 표면 품질을 개선하는 Steinmeyer 연삭 기술

연삭 볼 및 스크류를 적용한 스핀들은 높은 정밀도로 자랑하며, 초 정밀 응용 분야에 이상적이다. 하지만 표면이 불규칙하여 작동 특성에 부정적인 영향을 끼친다. 이러한 문제는 새로운 제조 기술을 통하여 해결할 수 있다.

공학박사 니마얀다기(NimaJandaghi): 스테인마이어(August Steinmeyer GmbH & Co. KG)의 기술 부문 팀 리더

핵심 내용

  • 스테인마이어는 점점 까다로워지는 고객의 요건을 충족하기 위해 연삭 공정을 최적화하여 볼 스크류 품질을 개선하였다.
  • 새로운 절삭유 시스템을 개발 연마 휠의 냉각과 세척을 개선하여, 기계와 공구의 성능을 100% 활용할 수 있다.
  • 이러한 조치는 스핀들 스크류의 표면 품질을 약 50% 개선하고, 마모를 낮춰 서비스 수명을 늘릴 수 있다.

볼 스크류는 공작 기계나 특수 기계, 의료 또는 측정 기술, 로보틱스, 핸들링, 항공 우주 산업 등 다양한 분야에서 다양한 형태로 사용된다. 볼 스크류는 경제성, 안정성 그리고 정밀성이 전제되어야 하며, 이를 충족하기 위해서는 품질이 매우 중요하다. 볼 스크류 품질은 작동 정숙성, 소음, 진동, 러닝-인 특성 및 에너지 효율성을 통하여 성능 및 품질이 평가된다.

스핀들은 높은 정밀도가 필요한 응용 분야에 적합하지만, 볼 스크류가 롤링(전조 공정) 또는 월링(절삭 성형 공정) 된 스핀들은 물질 거동에 크게 좌우되기 때문에, 연삭 공정이 추가된 볼 스크류와 같이 빠른 수준의 속도로 운용할 수 없다. 스테인마이어는 이러한 고객의 운용 요건을 충족하기 위해 연삭 프로세스를 최적화하였다. 이를 위해 냉각, 플러싱, 세척 공정을 개선하였으며, 스핀들 레이스 웨이(볼이 이송되는 홈) 연삭에서 중요한 역할을 하는 공정 매개변수와 공구 선택 범위를 확장하였다. 스테인마이어의 매출 가운데 80%는 연삭볼 스크류가 차지하고 있으며, 제조 또한 매우 빠른 속도로 이루어지고 있다.

미세한 불규칙성이 수명을 단축한다

스테인마이어는 자체 연구에서 확인 증명된 바와 같이, 연삭 스크류 레이스 웨이 표면에 미세한 불규칙성이 형성되는 것을 확인하였다. 이러한 불규칙성은 진동과 작동 불안정 그리고 소음을 초래하며, 마모가 심해져 볼 스크류 서비스 수명을 단축시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 스테인마이어의 R&D와 독일 협업 대학 연구원들이 연삭 공정 최적화를 집중적으로 연구하였다.

공정 프로세스를 가장 적합하게 조정하다

연삭은 기계 및 장치 제작을 위한 고품질 정밀 구성 요소로, 제작 과정에서 마지막 공정에 속하며, 가치 창출 체인 끝부분에 위치한다. 이때 활주 면과 코팅 면 그리고 씰링 면과 같은 기능 면에서 뛰어난 표면 품질로 제조되어야 하며 형상 공차 또한 매우 엄격하다. 따라서 생산적인 제조를 위해서는 고도로 안전하고 안정된 제조 시퀀스가 필요하며, 고정밀 스크류 연삭은 숙련된 경험이 필요한 제조 공정 가운데 하나이다.

스테인마이어는 볼 스크류의 스핀들을 위한 새로운 스크류 연삭법을 개발하여, 스크류의 부드러운 작동을 달성하였다.

스테인마이어는 복잡한 제품 제조 과정에서 어떤 점에 유의해야 하는지를 파악하고, 주요 관리 포인트를 선정하여, 100여 년의 역사를 가지고 있다. 공정 매개변수를 제조 시간에 맞추고 필요한 스핀들 스크류를 품질에 맞추어 적절하게 조정하는 것이 중요하며, 공정 안전성을 위협하지 않기 위해 연삭 공정에서 주어진 기계와 공구의 성능을 100% 활용하지 않는다. 이는 그간의 연구와 경험을 통하여 기계 성능을 100% 활용하는 것이 품질을 개선되는 것이 아니며, 세 가지 주요 변수인 절삭 속도와 피드 속도 그리고 절입 외에, 적합한 절삭 공구 선택과 절삭 공구의 상태(컨디셔닝), 즉 프로파일링, 드레싱, 스트럭처링, 그라인딩과 세척 공정 결과에 본질적인 영향을 초래하기 때문이다. 또한 연삭 공구가 마모되면 공구와 공작물의 접촉면에서 법선력과 접선력이라 불리우는 힘의 작용점의 직각 및 탄젠샬 방향의 접속 그리고 온도 상승과 같은 중요 공정 변수들에 영향을 준다. 이른바 클로깅은 마모 메커니즘에서 유의해야 할 변수이다.

클로깅이란 공작물 재료 일부가 연마 입자에 달라붙거나 연마 휠 구멍에 칩이 달라붙는 현상으로, 이는 공작물과 공구 간 접촉 구역에서 심한 마모와 높은 온도 상승을 초래하며, 연마 과정에서 떨어진 입자나 연마 휠 구멍에 달라붙은 칩은 공작물에 달라붙어 공작물의 일부나 표면에 손상을 입힌다. 클로깅이 계속되면 연삭 휠의 조직 구조가 변할 수 있고, 날카로운 에지가 생겨 홈 연삭 과정에서 부하를 심하게 받는다. 결과적으로 연삭 휠의 형상이 손상되고, 공작물에서 형태와 치수에 오차가 발생할 수 있다.

연삭은 기하학적으로 정의되지 않은 절삭을 포함하는 가공법이다. 공급되는 기계적 에너지의 대부분은 열로 전환된다. 따라서 연마 입자와 맞물리면 공작물 재료의 마찰과 소성 변형으로 인해 칩이 형성되고 이 과정에서 기계적 에너지가 열로 전환된다. 연삭 접촉 구역 대부분에서 발생하는 열은 공작물에 유입되어 열적 손상으로 가공 표면에 영향을 초래할 수 있다.

냉각 컨셉트 개선으로 마모를 줄인다

금속 가공유는 연삭 공정에서 마찰을 줄이고 열 발생을 현저히 감소시키며, 발생한 열은 공작물과 공구 간 마찰 구역에서 배출하며, 금속 가공유의 세척 작용은 연마 휠의 클로깅을 예방한다. 스테인마이어는 연삭 공작물의 품질을 개선하기 위해 높은 압력과 우수한 필터링을 허용하는 새로운 오일 시스템에 개발하였다. 또한 연삭 구역 냉각을 위한 새로운 노즐과 연삭 휠 표면을 공정 중에 세척을 위한 추가의 KSS 노즐을 개발하였다. 이를 적용하여 금속 가공유를 연삭 구역에 공급하고 연마 휠을 효과적으로 세척할 수 있게 되었다. 결과적으로 연마 입자의 융해가 감소하고 연마 휠 구멍에 칩 잔재가 남지 않아 공작물로의 열 유입도 현저히 줄어들었다. 스테인마이어는 자체적으로 개발한 냉각 및 세척 기술을 스핀들 스크류 연삭 공정에 성공적으로 적용하였으며, 스핀들 스크류 표면의 반점과 불규칙성을 예방하고 있다.

새로운 스크류 연삭 기술을 통하여 작동 특성을 개선하여, 볼 스크류의 수명과 최고의 품질 달성에 긍정적으로 작용한다.

표면 품질은 공작물 품질의 척도이다

스테인마이어는 연삭 공정에서 가장 중요한 것 가운데 하나가 공작물 표면의 미세화라고 하였다. 이 새로운 연삭 기술로 스핀들 스크류의 표면 특징을 약 50% 개선되었다. 표면 조도는 기하학적 정확도나 물성과 같은 매개변수와 더불어 연삭된 공작물의 품질을 의미한다. 표면 조도는 많은 요소로부터 영향을 받으며, 특히 연마 휠 특성, 클로깅, 마모 형태, 절삭 조건, 공작물 재료 그리고 연삭 방향 등의 영향을 많이 받는다. 선택한 공구들이 마찰 없이 상호 작용하고 연마 휠 세척을 최적화하여 연삭 구역이 냉각됨으로써 최종 제품인 스핀들 스크류를 이전보다 훨씬 뛰어난 품질로 제조할 수 있다. 스테인마이어는 개선된 연삭 기술을 통해 반도체, 인공위성, 의약, 바이오 등 정밀 응용 분야의 까다로운 요건을 충족하고, 최적화된 작동 특성으로 수명이 길고 효율적이고 최적화된 생산성을 발휘하는 볼 스크류를 제공하고 있다.