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에어-오일 윤활 공급 장치의 개발
 
 
월간 기계기술기자 | 2011.01.06 | 2011년 1월호
 
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아륭기공(주)에서는 현재 전량 수입에 의존하고 있는 에어-오일 윤활 공급 장치에 있어서 고속주축계에 사용 가능한 1회 토출량 0.005 cc/ brg, 최소 토출 간격 0.5 min, 압축 공기 소모량 20 Nℓ/min/brg 인 세계 최고 수준의 초고속 주축 베어링용 에어-오일 윤활 공급 장치를 개발하여 고속주축계용 에어-오일 윤활 공급 장치의 수입 의존도를 줄이고 국산 공작기계의 고속화 및 고정밀화에 일익을 담당할 수 있으며, 국내는 물론 해외 시장 선점뿐만 아니라 국가 경쟁력 향상에도 지대한 역할을 할 수 있도록 하고자 했다.
1. 개발 동기
공작기계에 사용되는 주축계에 채용되고 있는 베어링의 종류로는 구름베어링, 미끄럼베어링, 기름정압베어링, 공기정 압베어링, 자기베어링 등이 있다. 이중 구름베어링은 강성과 부하용량이 크고, 취급이 용이할 뿐만 아니라 규격화가 되어 있어 안정한 성능의 베어링을 비교적 저렴한 가격으로 구입할 수 있는 장점으로 인하여 공작기계의 주축계에 가장 많이 사용되고 있다.
  특히 고속용 구름베어링에서는 주축계의 회전이 베어링의 발열에 가장 큰 영향을 미치며, 고속주축계에 사용되는 윤활의 목적은 적기, 적소, 적정량을 윤활하여 고속주축계의 발열 및 마찰과 마모를 줄이고 최적의 운전 상태를 유지하여, 장치의 수명을 연장시키고 그에 따른 공작기계의 정밀도를 최상으로 유지하는데 있기 때문에 효과적인 윤활 방법의 선택이 매우 중요한 사항이라 할 수 있다.
  에어-오일 윤활 방법은 미량의 윤활유를 정량 피스톤을 이용하여 간헐적으로 내뿜고, 혼합 밸브에 의해 압축 공기중에 윤활유를 서서히 빼내어 연속적인 흐름으로 베어링에 공급하는 윤활 방법이며, 베어링의 내륜 및 외륜과 전동체 사이에 최소한의 유막을 형성할 수 있는 극히 작은 일정량의 윤활 유를 안정된 상태로 대량의 압축공기와 함께 직접 베어링에 공급할 수 있기 때문에 고속주축계의 윤활 방법으로 많은 주목을 받고 있다.
  이러한 에어-오일 윤활 방법은 오일의 미소 정량 관리가 가능하기 때문에 최적의 유량으로 관리할 수 있으며, 발열이 적어 고속주축계에 사용하기에 매우 적합한 특징을 가지고 있다. 또한 미량의 오일이 연속적으로 공급되므로 베어링의 온도가 안정되며, 오일이 급유관의 벽면을 통하여 흘러가기 때문에 오염이 매우 적고, 스핀들 내부로 압축 공기가 항상 보내지고 있어 외부로부터의 먼지, 절삭유 등의 침입이 어려운 장점이 있다.
2. 개발 내용
아륭 기공(주)에서는 윤활유의 최소 1회 토출량 0.005cc/brg, 최소 토출 간격 0.5min, 압축 공기 소모량 20Nℓ/min/brg 수준의 초고속 주축 베어링용 에어-오일 윤활 공급 장치의 설계 및 제작의 기반 기술을 확립하였다. 이를 바탕으로 자동 제어 방식의 정량 피스톤식 분배기를 설계하고 제작하였으 며, 시스템의 이상 유무 식별 및 토출간격을 제어하는 컨트롤 러를 설계하고 제작하였다. 또한 제작된 에어-오일 윤활 공급 장치의 성능을 자체 평가 및 항공대학교에 위탁하여 평가하고 개선사항을 도출하였으며, 한국산업기술시험원에 의뢰 하여 개발된 에어-오일 윤활 공급 장치에 대한 공인 인증을 취득하였다.
  에어-오일 윤활 공급 장치의 구성은 <그림1>에 나타 내었으 며, 제품은 <그림2>에 나타낸 바와 같다. 윤활 공급 장치는 기름 탱크, 펌프, 필터, 압력계, 압력 스위치, 타이머, 솔레노이드 밸브, 유량 조절 밸브, 혼합 밸브 등으로 구성된다. 타이머에 설정된 시간마다 구동되는 오일 펌프에 의해서 가압된 일정량의 윤활유가 필터, 그리고 유량 조절 밸브를 거쳐서 혼합 밸브로 공급된다. 혼합 밸브를 통과하면서 배관 내의 압축 공기의 흐름으로 토출된다. 일반적으로 에어-오일 윤활에서는 윤활유의 1회 토출 유량을 0.01~0.06 cc, 윤활유의 토출 시간을 15~30 sec, 그리고 윤활유의 토출 간격을 1~60 min 정도로 설정하고 있다.
  항공대학교에서는 에어-오일 윤활에서의 급유량의 변동이 고속 주축 베어링의 회전 성능을 제한한다는 점을 고려해서 에어-오일 윤활 공급 장치, 흡유지 이송 장치, 그리고 영상 처리 장치로 구성된 에어-오일 윤활 특성 평가 시스템과 실험 계획법을 이용하여 에어-오일 윤활 특성의 핵심 영향 인자들인 윤활유의 1회 토출 유량, 윤활유의 토출 간격, 윤활 유의 점도, 그리고 압축 공기의 유량이 급유량의 변동에 미치는 영향을 규명하였다. 에어-오일 윤활 특성 평가 시스템은 <그림3>에 나타낸 바와 같다.
  급유량의 변동은 분사 노즐을 통해서 분사된 윤활유가 일정 속도로 이송하는 흡유지에 흡착되어 나타나는 기름 띠의 폭을 라인 스캔 카메라로 측정함으로써 계량화하였다. 또한 실험 변수들인 윤활유의 1회 토출 유량, 윤활유의 토출 간격, 윤활유의 점도, 그리고 압축 공기의 유량의 크기를 정규화한 후, 그 정규화 실험 변수들로 표현되는 기름 띠의 폭 변동비에 대한 예측 모델을 Box-Behnken 설계에 기반을 둔 반응 표면법을 이용해서 2차 회귀 모형의 형태로 정립하였고, 예측 모델의 신뢰성은 다양한 에어-오일 윤활 특성 실험 조건들로부터 얻어진 기름 띠의 폭 변동비에 대한 측정값들과 예측값들을 비교함으로써 입증하였다.
  특히 기름 띠의 폭 변동비에 대한 예측 모델로부터 도출한 기름 띠의 폭 변동비의 민감도 관계식들에 대한 분석과 함께 실험 변수들의 상호 작용 분석을 통해서 실험 변수들과 기름 띠의 폭 변동비 사이의 관계를 규명하였다.
3. 기술특징 및 적용방안
에어-오일 윤활 공급 장치의 핵심 부품 중 하나인 오일 윤활 펌프는 모터 구동 방식의 기어 펌프로써 기어의 사양에 의해 토출 압력이 결정되는 방식이며 아륭기공(주)에서 개발한 오일 윤활 펌프의 토출 압력은 1.6 MPa이다. 특히 오일 윤활 펌프에 있어 토출 압력을 결정하는 부품인 기어 어셈블리는 높은 정밀도가 요구되는 핵심 부품이며, 이를 직접 설계하고 제작하였다. 컨트롤러는 사용자가 사용하는데 편리하게 자동 제어가 가능한 메인 기판으로서 에어-오일 윤활 공급 장치의 모든 구성 부품의 이상 유무를 감지하고 모니터링하여 에어-오일 윤활 공급 장치의 동작이 원활할 수 있도록 설계 및제작되었다.
  또한, 디지털 표시장치를 통해 에어-오일 윤활 공급 장치에서 발생하는 오일 압력, 에어 압력, 오일 탱크 내부의 오일 부족 등의 이상 유무에 대한 정보를 확인 할 수 있고, 이상이 발생하였을 때 에어-오일 윤활 공급 장치의 작동이 멈추고 이상유무를 기계측으로 보냄으로써 초고속 주축 베어 링의 파손을 방지할 수 있도록 제작되었다. 컨트롤러에서의 토출 간격은 0.5~99min까지 설정이 가능하고, 토출 시간은 1~99sec까지 설정이 가능하도록 제작되었다. 토출 간격 및토출 시간의 설정 시 디지털 표시장치를 보면서 볼륨을 돌려 원하는 설정시간을 자유롭게 조절할 수 있도록 제작되어, 사용자가 쉽고 간편하게 설정을 할 수 있도록 하였다. 혼합 밸브는 정량의 윤활유를 압축 공기와 혼합하여 공급해야 하기 때문에 정확한 정량의 윤활유를 토출하기 위해 혼합 밸브에 서의 용적을 계산하여 정량의 오일이 토출이 될 수 있도록 설계, 제작 하였다. 윤활 펌프 및 혼합 밸브는 <그림4>에 나타낸 바와 같다.
  에어-오일 공급 장치는 현재 화천기공(주)에서 개발중인 BT-40 규격의 50,000rpm 고속주축에 장착하여 고속주축계의 발열 및 마찰과 마모를 줄이고 최적의 운전 상태를 유지하 여, 장치의 수명을 연장시키고 그에 따른 공작기계의 정밀도를 최상으로 유지하는데 일조하고자 한다.
4. 향후 전망 및 기대치
고속주축계에 사용되는 에어-오일 윤활 공급 장치의 시장 규모는 공작기계 생산량에 의해 결정된다. 현재 국내 공작기 계시장의 수주량은 전년대비 15% 이상 증가한 것으로 나타 나고 있으며, 세계 공작기계시장의 경우에도 매년 10%이상 성장하고 있는 것으로 판단된다.
  따라서 국내 및 세계 공작기계 시장의 상승 무드와 더불어 수출 위주의 정책을 펴고 있는 국내 공작기계 업체의 동향으로 볼 때 국내 공작기계의 생산량은 공작기계 시장의 상승과 더불어 계속하여 증가 할 것으로 판단되며, 에어-오일 윤활 공급 장치의 수요 또한 점차적으로 증가할 것으로 전망 된다.
  그리고 2010년 현재 에어-오일 윤활 공급 장치의 국내 시장은 약 1억 2천만원 정도로 추산되고 있으며 국내의 에어- 오일 윤활 공급 장치의 시장 물량은 2008년 머시닝 센터 생산량의 6.1% 수준인 약 450대가 공급되었으며, 차후 2016년 에는 에어-오일 윤활 공급 장치의 공급량이 머시닝 센터 생산량의 9% 정도인 약 1,377대에 이를 것으로 전망된다. 현재 세계적으로 개발되어 판매되고 있는 에어 오일 윤활 공급 장치는 독일의 VOGEL社 이태리의 DROPSA社, 그리고 일본의 NSK社사의 제품들이 차지하고 있다.
  아륭기공(주)에서 개발한 에어-오일 윤활 공급 장치는 지금까지 판매되고 있는 해외 선진국 제품에 비하여 그 품질이더 뛰어나기 때문에 현재 전량 수입에 의존하고 있는 국내 에어-오일 윤활 공급 장치의 국산화 대체 효과 뿐만 아니라 세계 시장에 있어서도 뛰어난 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 기대된다.

 
TAG :  공급장치  에어  오일  윤활
 
 
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