ANCA의 종합 소프트웨어 및 하드웨어 스카이빙 커터 솔루션

스카이빙 수요

ANCA AIMS

2019년, 기어 관련 전 세계 수요에 대한 업계 연구와 예측에 의하면, 연간 6%씩 증가하여 2,100억 달러(원화로 269조 원)에 이를 것으로 예상했었다. 자동차 변속기는 전체 기어 시장의 45%를 차지할 정도로 비중이 매우 크다[3]. 따라서 앞으로도 자동차의 전기화가 기어 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 기존의 드라이브 트레인에는 25 ~ 30개의 기어가 들어가지만, 전기 모터에는 9 ~ 10 단계의 기어 대신 1단 또는 2단 기어만 사용하는 변속기를 주로 사용한다.

전기자동차(EV)는 최대 20,000 rpm의 높은 엔진 속도를 위해 변속기의 기어 휠이 엄격한 기하학적 공차를 충족해야 한다. 유성 기어 세트의 내부 기어는 새로운 드라이브 트레인 설계에서 널리 사용된다. 기어 산업은 제조 공정의 정확성과 효율성을 개선하기 위한 솔루션으로 스카이빙을 주목하고 있다. 스카이빙은 성형보다 6 ~ 8배 정도 효율적이고, 브로칭보다 유연하며 내부와 외부 기어를 모두 생산할 수 있다[4]. 스카이빙의 인기가 높아지면서 스카이빙 커터에 대한 수요도 급증하고 있다. 하지만 업계는 최대 20주의 리드 타임을 가지고 있으며, 스카이빙 커터의 이러한 병목 현상이 광범위한 기술 채택을 가능하게 한다.


스카이빙 커터 설계

상세하고 복잡한 기하학적 계산은 스카이빙 커터 설계의 기본이다. 스카이빙 운동학이 기초이며, 이는 스카이빙 커터와 기존 셰이퍼 커터의 차이점에 대한 기본이 된다.

 

출처: König, Fertigungsverfahren Band 1

스카이빙 운동학

초기 스카이빙 공정은 1910년 Wilhelm von Pittler에 의해 개발되고 특허를 받았다[2]. 스카이빙의 운동학은 롤링 동작과 밀링 동작을 결합하여 커터와 작업물을 고속으로 동기화해야 한다. 1960년대부터 90년대까지 이에 필요한 동기화와 강성을 갖춘 스카이빙 기계를 만들기 위한 많은 시도가 있었다. 하지만 불과 10 ~ 15년 전에 스카이빙 기계를 사용할 수 있었으며, 최근에 실용적인 솔루션으로 만들 수 있었다.


스카이빙 커터 vs. 셰이퍼 커터

스카이빙 커터는 제너레이팅 피니언형 기어 커터로 기존의 셰이퍼 커터와 매우 유사하다. 셰이퍼 커터의 원리는 기어(작업물)와 커터 사이의 상대적인 움직임을 고려하여 한 쌍의 평행축 기어를 기반으로 한다. 반면에 스카이빙 커터는 교차축이 있는 한 쌍의 기어를 기반으로 한다. 한 쌍의 교차축 기어는 단일 지점에서만 접촉하기 때문에 스카이빙 커터의 프로파일과 형상은 셰이퍼 커터보다 복잡하다. 작업물 프로파일 외에도 스카이빙 커터의 기하학적 구조를 결정하려면 제너레이팅 박스의 운동학(기어비와 샤프트 각도 및 틸트 각도에 따른 중심 거리와 롤링 서클)이 필요하다.

스카이빙 커터의 절삭날은 DIN 1829 표준에 명시된 원칙에 따라 가상 원통형 기어에 해당하는 엔벨로핑 기어로 보여질 수 있다. 스카이빙 커터의 경우, 엔벨로핑 기어의 프로파일이 셰이퍼 커터의 경우처럼 이상적인 인벌류트를 나타내지 않는다.

측정 기준표 3.

정확도 요구 사항

스카이빙 커터는 피니언형 커터로 분류되지만, 아직 특정 산업 표준은 없다. 업계에서는 DIN 1829 – 파트 2를 측정 표준으로 채택하고 있다. DIN 1829 – 파트 2는 평가할 기능과 각 품질 등급을 인증하기 위한 허용 오차를 규정한다. 예를 들어, 기준 직경이 50mm 미만이고 모듈 크기가 1mm 미만인 커터의 경우, 필요한 양식 오류 ff는 DIN AA 자격을 얻으려면 2 미크론 이하이어야 한다.

스카이빙 커터가 새롭게 나왔지만 업계 벤치마크 측정 기계에는 커터 프로파일을 평가하기 위한 수학적 모델이 내장되어 있지 않아, 제조 및 품질 관리 프로세스에 특별한 문제를 야기한다.


ANCA의 스카이빙 솔루션​

ANCA는 시장 수요에 대응하여 커터가 효율적으로 올바르게 설계되고 최적화되도록 종합적인 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션을 개발하였다. EMO Hannover messe 2019에서 처음 공개된 GCX Linear는 스카이빙 커터 제조의 표준을 설정했다. 정확도를 높이는 모든 선형축을 사용하는 GCX Linear는 모든 작업을 하나의 설정으로 완료할 수 있다. 스카이빙 커터와 셰이퍼 커터를 최고 품질의 DIN AA 등급으로 제조하기 위해 특별히 설계된 기능이 함께 제공된다.


종합적인 소프트웨어 패키지

GCX 소프트웨어 패키지는 피니언형 기어 커터를 제조하고 재연마하기 위한 여러 소프트웨어 구성 요소로 구성된다. 여기에는 설계와 시뮬레이션, 연삭 시퀀스 프로그래밍, 휠 편집 그리고 휠 드레싱, 제조 프로세스의 전체 가상화 지원이 포함되어 설정 시간과 스크랩 가능성을 줄여준다.

스카이빙 커터 및 셰이퍼 커터와 같은 기어 절삭 공구는 복잡한 형상을 가지고 있다. 이 설계 프로세스는 반복적인 최적화가 필수이다. 이는 간섭 부품 및 충돌 조건과 같은 주변적인 작업물 조건에서 특히 중요하며, 설계 스테이션에서는 커터를 기본 기어 작업물 데이터에서 설계할 수 있다. 스카이빙 운동학을 시뮬레이션하여 커터 설계 및 잠재적 충돌 수정을 확인할 수 있다.

iGrind 소프트웨어는 계단식 및 원추형 경사면을 모두 지원하며 디지타이징, 플루팅, 원통형 연삭 및 별도의 팁 릴리프 연삭과 같은 많은 다른 작업과 함께 제공된다. 연삭 공정은 CIMulator3D에서 시뮬레이션하며 매개 변수를 분석할 수 있다.

 

개별 피치 오류 fp와 함께 GCX Linear에서 생성된 스카이빙 커터의 피치 측정 보고의 예는 약 1µm로 측정되었으며, 인접 피치 오류 fu는 2µm 미만으로 측정되었다.

정확한 휠 드레싱

스카이빙 커터를 위해 기어 형태의 높은 정확도를 달성하려면 복잡한 프로파일 휠을 드레싱하는 것이 중요하다. AEMS는 최신 어쿠스틱 방출 모니터링 기술을 통해 휠 드레싱의 미세한 피치에 맞춰진 GCX Linear에 ‘이어’를 추가하였다. AEMS는 고급 감독 머신 러닝 알고리즘으로 구축되어 학습할 수 있다. 이 시스템은 시끄러운 생산 환경에서 완벽한 드레싱을 위해 올바른 음을 선택할 수 있도록 훈련한다. 연삭 휠 크기의 감소를 최소화하면서, 휠 프로파일이 가능한 최소한의 시간에 미크론 정확도로 연마할 수 있다.


열 안정성 향상

엄격한 요건을 충족하려면 기계의 열 안정성이 무엇보다 중요하다. ANCA는 GCX Linear 기계에서 전동 스핀들의 온도를 능동적으로 관리하고 유지하기 위해 MTC (Motor Temperature Control, 모터 온도 제어, 특허 출원 중) 기술을 개발하였다. MTC는 기계 예열 시간을 대폭 단축하고 생산성과 기계 활용도를 개선하는 것 외에도, 스핀들 부하나 속도 또는 스핀들 냉각 냉각수 온도의 변화에 관계없이, 시간이 경과함에 따라 스핀들의 일관된 열 안정성을 유지하고 결과적으로 연삭 결과의 치수 안정성을 크게 향상시킨다.


참고 자료

– Wilfried König. (n.d.). Fertigungsverfahren Band 1. ISBN 978-3-662-07205-9 – 1997년

– Pittler von, W. Verfahren zum Schneiden von Zahnrädern mittels eines zahnrad-artigen, an den Stirnflächen der Zähne mit Schneidkanten versehen-en Schneidwerkzeuges, 특허 출원, 독일, 1910년 3월.

– 2019년 및 2024년 예측을 포함한 세계 기어 산업 연구(World Gears Industry study with Forecasts for 2019 & 2024 The Freedonia Group The) Freedonia Group

– Dr. HJ Stadtfeld 다양한 기계 플랫폼에서 원통형 기어의 파워 스카이빙(Dr. H.J. Stadtfeld Power Skiving of Cylindrical Gears on Different Machine Platforms), American Gear Manufacturers Association 가을 기술 회의, 2013년