자석을 통합한 가이드가 드라이브를 개선한다.

다중 좌표 드라이브는 하나의 모터를 사용하여 기계 내의 움직이는 구성 요소를 여러 축에 정확하게 배치한다. 연구원들이 자석을 통합한 드라이브로 무게와 크기를 줄이는 방법을 연구하였다.

공학박사 베렌트 뎅케나(Berend Denkena) 교수: 하노버 라이프니츠 대학 생산기술 및 공작기계 연구소(IFW) 매니징 디렉터.

공학박사 베냐민 베르크만(Benjamin Bergmann): 동 연구소 기계 및 컨트롤 분야 책임자. M. Sc. 패트릭 알본(Patrick Ahlborn): IFW 연구 직원,

공학박사 요나단 푹스(Jonathan Fuchs): 동 연구소 전 연구 직원.

핵심 내용

  • 공작 기계에서 직렬로 배치된 축은 움직이는 구성 요소의 위치를 결정한다.
  • 하지만 이런 유형의 위치 결정에는 관련 축들의 오류가 추가되고 기계 역학을 저하시킨다.
  • NdFeB 자석이 장착된 모터 로터에 적합한 활주 라이닝을 가이드 면으로 사용하면, 정밀하고 역동적이며 작은 다중 좌표 드라이브를 만들 수 있다.

생산기술 및 공작기계 연구소(IFW)에서 자석을 통합한 가이드 면을 통해 콤팩트한 다중 좌표 드라이브를 만들었다. 이 가이드 면은 NdFeB 자석이 장착된 로터 구간에 바로 통합된다. 이는 선반과 밀링 머신을 위해 개발된 드라이브의 동역학을 높이고 공간을 줄이는 효과가 있다. 가이드 면에 적합한 라이닝의 표면 품질은 높고 우수한 기계적 특성이 있어야 한다. 따라서 다양한 라이닝의 하중 지지력과 표면 품질을 측정 기술을 이용하여 조사하였고, 이 조사 결과를 소개하고자 한다.

출발 상황

일반적으로 공작기계에는 공작물을 여러 각도로 배치하기 위해 적어도 2개 이상의 축이 직렬로 배치된다. 따라서 중첩되는 축의 탄성과 그로 인한 오차가 커지고, 궁극적으로 이러한 역학은 기계의 전체 역학을 제한한다. IFW는 직렬 기구 역학이 필요하지 않은 선형 회전 다중 좌표 드라이브를 연구하고 있으며, 이 연구를 위해 공작 기계 제조사 Gildemeister-Drehmaschinen GmbH와 스핀들 제조사 Franz Kessler GmbH와 협력하고 있다.

그림2 DMG MORI의 턴 밀링기 CTX beta 800 TC 내부. 이 기계로 IFW 드라이브를 테스트하였다.

턴 밀링기에서 드라이브는 가공 스핀들을 이상적으로 배치한다. 이 드라이브는 B 축 및 Y 축을 따라 로터를 선형 축 위치와 로터리 축 위치에 배치할 수 있다(그림 2). 그림 1은 드라이브의 로터와 베어링을 보여준다. 그림에 없는 프라이머리 파트에 회전 방향과 병진 방향으로 힘 생성을 위한 두 개의 코일 그룹이 배치된다. 프라이머리 파트에서 로터로 두 개의 운동 방향으로 힘을 전달하기 위해 로터에 체크무늬로 NdFeB 자석을 장착하였고, 이는 양쪽 축 방향으로 이상적인 자기장 분포를 책임진다. 로터는 정유압 베어링 유닛과 클램핑 유닛에 설치되고, 로터는 최대 10,000N의 반경 방향 힘을 흡수할 수 있다. 클램핑 유닛은 탄성 변형을 통해 최대 2700Nm 토크와 최대 18,000N의 축 방향 힘으로 로터 위치를 보호하는 홈이 있는 슬리브로 구성된다. 로터 외부 면은 정유압 유닛과 접촉한다. 가이드 면은 로터를 작고 가볍게 만들기 위해 자석을 장착한 로터 영역에 통합하였다. 이런 방식으로 가이드 면과 자석에 대해 기능상 분리된 영역을 절감하면, 동역학이 개선되고 드라이브는 더 작아질 수 있다.

표 1: 제조사 정보에 따른 활주 라이닝 K, M, R의 기계적 특성

고품질 가이드 면

IFW에서 연구하는 다중 좌표 드라이브는 기존의 드라이브와 완전히 다른 구조를 가지고 있다. 자석 통합 가이드 면과 적합한 활주 라이닝에 대한 지식이 없지만, 로터 베어링의 면이 두 가지 자유도로 작동해야 하기 때문에 중요한 역할을 한다. 따라서 앞서 언급한 사전 연구가 이에 기여한다. 자석 일체형 가이드 면은 강 S355로 구성되는 로터 베이스에 적용되었고, 로터 기본 몸체에 504 NdFeB 자석이 장착하였다. 가이드 면을 얻기 위해 영구 자석에 에폭시 슬라이딩 코팅이 적용되고 원통형 주조 금형을 이용하여 공간에 배치하였다.

이 작업은 공기가 혼입되지 못하도록 금형의 가장 낮은 지점에서 이루어지며, 에폭시가 아래에서부터 위로 이동하고, 공기는 위쪽으로 빠져나갈 수 있도록, 목표 치수와 표면 품질이 맞도록 가이드 면을 둥글게 연마하고, 이를 위해 라이닝을 정밀하게 가공해야 한다.

베어링 갭 높이가 25µm에 불과하여 표면에 대한 요건이 매우 까다롭다. 굴곡 Wt와 거칠기 깊이 Rz의 합은 베어링과 가이드 면 사이에 접촉이 없도록 베어링 갭 높이의 절반 보다 크지 않아야 한다. 거칠기 Ra와 Rz는 미세 접촉을 피하기 위해 각각 최대 3.2 또는 1.6µm일 수 있다. 또한 클램핑 요소는 유압유에 의해 탄성이 변형되어 슬리브가 로터의 가이드 면에 잘 밀착된다.

샘플 제작

예상 표면 압력은 7N/mm²이며, 가이드 면 이 문제없이 이 접촉 압력을 견딜 수 있어야 한다. 따라서 세 가지 활주 라이닝을 분석하고 이를 위해 유사 시험편들을 사용하였다. 세 개의 활주 라이닝을 여기에서 K, M, R로 지칭한다. 이들의 기계적 특성은 표 1에 정리하였다. 유사 시험편(그림 3)은 평평하다. 시험편(a)을 먼저 주조 금형에 삽입한 후 에폭시 활주 라이닝을 주조한다. 라이닝이 경화된 후 자석 표면에서 0.5mm 높이까지 깎아낸다(c). 이때 평면연삭기(Blohm Orbit 타입)에서 절삭유로 작업하였으며, 라이닝은 힘들게 열처리할 필요가 없다.

그림 3: 유사 샘플 또는 조사를 위한 시험편. 실제 로터는 둥글다.

시험편 평가

이후 압축 강도와 표면 품질 측면에서 샘플을 평가한다(d). 이를 평가하기 위해 활주 라이닝에 접촉 압력 및 클램핑에 상응하는 상태를 시뮬레이션하기 위해 시험편에 기계적 부하를 가한다. 이 부하는 유압 프레스와 원통형 펀치로 교대로 자석 표면에 작용하고, 그림 3(c)에 빨간색으로 표시된 부분 중에 그림 3 (d)에 표시된 시험 영역의 중간 공간에 작용한다. 첫 번째 두 테스트 시리즈에서 부하 한계에서의 기계적 거동을 조사한다. 압축 강도에 대한 데이터 시트를 이용하여 첫 번째 시험 열에서 X축을 따라 13N/mm² 더 높은 압력을 가하고, 두 번째 열에서는 13N/mm² 더 낮은 압력을 가한다. 13N/mm²는 1000N의 힘의 변화로 인해 발생하고, 이는 최대 압축 강도의 약 10%에 해당한다. 이어서 시험편에 요구되는 클램핑 힘(7N/mm²)이 가해진다. 그리고 표면 조도 측정기(Marsurf LD 130)로 시험편의 소성 변형 및 표면 손상 여부를 검사한다.

그림 4: 시험편 K 가이드면의 파형 프로파일을 포함한 표면 촬영.

이 측정을 기반으로 가이드 면의 3차원 표면 구조는 라이닝 K에서 그림 4 (a)에서 확인할 수 있다. 위치 X = 45, Y = 5에 소성 변형에 의한 표면 손상이 있다. 이는 펀치 기울어짐 때문이며, 이상치로 간주해야 한다. 시험 열 1 ~ 3의 모든 다른 시험 영역은 손상되지 않았다. 그림에 표시되는 스캐닝 영역을 따라 네 개의 프로파일 섹션에서 파형 프로파일 Wt을 산출한다(그림 4 (b)). 자석과 중간 공간 사이의 높이 차이는 모든 시험편에서 3µ m 미만이다. 이러한 결과는 자석이 있는 영역과 없는 영역에서 가이드 면의 다양한 강성 때문에 발생한다.

자석이 없는 곳에서는 표면이 쳐지고 만곡이 형성된다. 이러한 결과를 이용하여 가이드 면의 내하중 능력을 평가한다. 따라서 클램핑 요소에 의해 가해지는 접촉 압력 크기의 부하를 모든 라이닝이 견딘다. 또한 최대 허용 압축 강도의 부하에서 손상이 발생하지 않는다. 따라서 요구되는 접촉 압력의 약 17배가 가이드 면에 적용할 수 있으며, 훨씬 높은 부하의 클램핑도 가능하다. 이 모든 조사는 22°C에서 수행되었다. 작동 중 약 40°C의 온도에서는 기능 문제와 재료 손상은 나타나지 않았다.

그래프 1: 가이드면 시험편 K, M, R의 표면 특성값.

그래프 1에서는 산술적 표면 특성 값 Ra, Rz, Wt를 서로 비교할 수 있다. 이 수치들은 가이드 면을 나타내기 위해 자석이 있는 영역과 없는 동일한 개수의 영역에서 ISO 16610-31에 따라 30개의 스캐닝 구간에 대해 산출하였다. 파형 Wt와 거칠기 깊이 Rz의 합(a)을 이용하여 활주 라이닝으로 베어링 간극 높이 25µm가 가능한지 평가하였으며, 모든 라이닝은 12.5µm 미만의 값을 달성하였다. 활주 라이닝 K로 가장 작은 베어링 간극을 실현할 수 있다. Ra 값과 Rz 값이 표면 품질 평가를 위해 (b)에 표시하였으며, 모든 라이닝이 Ra ≤ 0.9µm 및 Rz ≤ 0.65µm의 표면 거칠기를 갖는다. 이는 활주 라이닝들이 요건을 충족하며, 라이닝 K가 가장 유연하다. 작은 거칠기와 기계적 특성은 각 활주 라이닝의 충전물과 첨가제에 의해 달성된다. 이는 또한 우수한 절삭 가공성을 의미한다. 표면 값 간의 차이 그와 더불어 활주 라이닝 간의 차이 역시 라이닝의 다양한 첨가제와 충전물에 의한 것이다. 따라서 활주 라이닝 K가 다중 좌표 드라이브의 로터 몰드로 가장 적합한 것으로 밝혀졌다.

요약 및 전망

측정 기술을 이용한 조사를 통해 선택한 에폭시 활주 라이닝으로 표면 거칠기 Ra ≤ 0.9µm 및 Rz ≤ 0.65µm의 자석 통합 가이드 면을 제조할 수 있다는 점을 제시되었다. 또한 클램핑 상태에서 가이드 면의 어떤 변화나 소성 변형이 일어나지 않고 가이드 면의 클램핑 힘을 더 높일 수 있다는 점도 입증되었다. 여기에서 설명한 방식에 따라 다중 좌표 드라이브 로터를 위한 자석 통합 가이드 면을 제작하였다. 로터를 정유압 유닛에 장착한 후 가이드 면의 마모 및 기계적 하중력에 대한 장기 시험을 이어간다.

프로젝트 번호 355578945인 “선반용 유압식 테일 스핀들 다이렉트 드라이브”라는 이번 연구 프로젝트는 DFG(독일 연구협회)의 후원을 받았다. 이 프로젝트에 대한 재정적 지원을 아끼지 않은 IFW에 감사드린다.