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산업계의 핵심을 이루는 고속·고정밀도 주축
 
●차세대 공작기계를 구축하는 요소기술
 
월간 기계기술기자 | 2004.07.01 | 2004년 7월호
 
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공작기계의 주축은 산업계의 각 메이커가 상품을 만드는 데 가장 중요한 요소로 사활을 건 일에 유용(有用)해야 한다. 주축의 기능, 성능은 목적에 맞추어 랭크를 명확히 위치부여하고 고객의 목적을 만족시 키는 것이 최종 목표이다. 또한 본고에서는 지면 관계상 유체 베어링에 대한 설명은 간략하게 한다.
1. 주축 성능의 등급 설정
<그림 1>에서는 고객이 가장 중요시하는 절삭 속도와 공구 수명과의 관계를 나타낸다. 오로지 절삭 칩의 대량 배출만을 지향 하는 지의 여부가 가치를 낳는 것은 아니라는 점을 시사하고 있다. 공작기계의 설비투 자에 대해 고객에게 주의를 환기시켜야 할점은 초기투자 외에 운전비가 있는데 그 중에서도 공구비, 가공품질 및 기능인력의 필요 여부 정도이다. 스위스의 정밀연삭기 메이커인 STUDER에서는 “Lean Professional”이라는 표어를 오래 전부터 내걸고 있다. 그림을 보면 단순히 절삭속 도가 향상된다고 해서 공구수명도 단순히 같아지는 것은 아니고 반드시 도중에 하강함을 알 수 있다.
  그림에 나타내는 하강 개시점은 주축 및 기계 본체의 진동과 감쇠성에 지배되므로 무턱대고 고속 주축, 고속 이송을 표방한다고 해서 유리하게 작용 하는 것은 아님을 보여준다. 본고에서 일부의 공작 기계 메이커가 편하게 정밀, 초정밀, 고속 가공 등의 명칭을 상품명으로 쓴 점은 내용과 비교해 볼때 상당히 헷갈린다. 예를들면 <그림 2>에 나타내는 절삭 다듬질면에 대한 다듬질 면조도 값의 예에 있어서 상단 좌우 2종류의 데이터를 보면 다듬질 면조도의 피크값 예를들면 Rt는 좌우가 동일하나 좌측은 피크의 수가 우측에 비해 압도적으로 많다.
  좌측은 통상적으로 연삭에서 얻을 수 있는 다듬질 면조도이고 우측은 절삭의 경우이다. 연삭의 경우는 연마입자 절삭날의 피치가 매우 조밀하여 연마 입자의 입도가 #60일 경우에 입경은 ø0.3 정도이고 피치는 그것의 3~5배이다. 그런데 이것을 절삭 가공으로 달성하려고 하면 매우 고속 이송으로 할필요가 있고 게다가 진동이 수반하면 별 의미가 없어 <그림 1>과의 균형을 생각해야 한다. <그림 2>의 상단에 나타내는 다듬질 면조도 그래프의 피크값을 좌우 모두 근사치로 할 수는 있으나 그 아래의 BEARING RATIO까지 동일하게 할 수는 없다. 산업계에서는 담금질 강재를 초고속 절삭가공하여 연삭가공으로 치환한다는 주장도 있으나 가공면의 품질상 자연히 적응하는 대상이 달라지므로 절삭과 연삭의 사용 방식이 명확히 구분된다. 만일이 경계를 돌파하려면 상당한 실험 연구기간 및 인원 투입을 각오해야 하는데 어설픈 기능으로 처리할 수 있는 문제는 아니다.
  <그림 3>과 <그림 4>는 밀링 공구로 절삭할 경우에 나타나는 툴 마크인데 이것을 통해 그 기계의 주축, 기계 본체의 진동 및 감쇠성, 그리고 이송의 안정성도 평가할 수 있다. <그림 3>은 흔히 볼 수 있는 상태이고 <그림 4>는 아주 상등급에 속하는 부류로 新日本工機의 데이터인데 주축의 설계· 제작 및 공구 준비 등 역사적으로 고생한 흔적이 보인다. 이 관찰에서 알 수 있는 점은 공구 날끝과 공작물과의 상대 변이가 기록하는 툴 마크인데 X,Y,Z 방향의 상대 변이가 전사된다. 만일 절입, 이송 피치가 일정하면 이궤적은 정확하고 또 등간격의 평행선이며 당연히 선의 간격은 이송 피치이다. 이송이 좌우로 요동치면 툴 마크도 마찬가지로 되고 날끝이 공작물 표면을 오르내리면 선의 폭은 넓게 또는 좁게 바뀐다. <그림 4>에서는 정상적인 상태에서 나타나는몇 가지의 변화를 볼 수 있는데 <그림 3>은 반복성이 매우 빈약하고 양자의 차이가 현저히 크다.
  <그림 5>와 <그림 6>은 1950년경에 개발한 내용으로 회전 중인 주축 중심의 거동을 측정 하는 방법에 따른 것이다. 주축 선단에 표준 링을 설치하고 그 X, Y방향의 변위를 비접촉으로 검출하여 DC출력을 브라운관 오실로스코프에 나타낸 상태에서 현재 최고 측정 배율은 20만배이다(주 : DC 출력은 절대 필요하다). 이 장치는 별개의 검출장 치를 설치하여 축방향의 운동도 측정할수 있다. 측정할 때 카메라 노출 시간을 주축 회전의 약 2회전 정도에 설정한다.
  육안으로 관찰할 때는 매우 사실적으로 주축의 움직임을 볼 수 있으나 사진촬영 결과를 놓고 다른 사람에게 주축 운동의 현상을 설명하려면 적어도 2회전은 측정할 필요가 있다. 리서쥬(Lissajous) 도형은 당연히 표준 링의 형상 정밀도에 의존하 지만 그 도형이 동그란 원일 필요는 전혀 없다. 만일 주축이 안정적으로 회전하여 조금도 흔들림이 없다면 리서쥬는 어떤 형을 일정하게 유지한다. 만일 주축의 흔들림이 아주 약간에 지나지 않을 경우에는 일정한 루프의 극히 일부가 때때로 흔들린다. <그림 5>는 주축의 회전운동이 재현성 없이 지속적인 흔들림으로 일관한다. 이 경우에는 베어링 강구(鋼球)의 진원도, 치수차, 내외륜의 진원도 등의 영향을 크게 받아 리서쥬가 항상 변동하고 재현성이 없으며 베어링의 경우는 아주 통상적으로 볼 수 있는 측정 결과이다. <그림 6>은강구의 치수 차를 0.3㎛ 이내로 하고 내륜, 외륜의 진원도, 치수 차도 엄밀하게 했을 경우에 측정한 예이다. 사진에 서는 2종류의 루프를 볼 수 있는데 이것은 아베크의 앵귤러 볼베어링 전후 열의 제 1열 강구 치수가 약간 달라짐으로 인해 안정도가 매우 높은 2열의 리서쥬가 나타났다. 강구 각각의 중심을 연결한 지름에서 보이는 약간의 차이 <그림 7>는 각 열의 강구와 궤도면과의 미소한 슬립 차이로 되어 각 열의 리테이너가 약간의 위상차로써 회전하고 그 리테 이너의 회전은 축의 1/2이기 때문에 육안으로는 이들 2열의 루프가 아주 느린 속도로 어긋나 움직 이는 것을 관찰할 수 있다. 위에 언급한 <그림 1>~< 그림 4>에서는 가공 결과의 범위를 나타내고 <그림 5>~<그림 8>에서는 주축의 진동, 감쇠성의 범위를 나타내고 있다. 이들의 결과와 공작기계 안에 있는 주축 이외 부분의 진동, 감쇠성을 더한 값이 최종 결과이다. 고객에게 어떤 가공 결과를 제공할 것인 가는 아주 현실적인 문제이고 또한 공구 선정 및조정 등의 효과가 여기에 더해진다. 남보다 앞질러 공을 세우기란 지극히 어려운 일이다. 공작기계 제조 비용과 고객에 대한 공헌 레벨을 정면으로 위치부여해야 할 것이다.
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2. 주축의 특성 및 구동 모터 결합의 영향
<그림 8>은 (주)오쿠마 비진원 평베어링의 리서쥬로, 이 사진의 측정 배율은 1만 배이나 이것을 20만배로 측정 배율을 올리더라도 마찬가지로 요동은 전혀 볼수 없다. 이같은 유체 베어링의 주축이나 베어링 내면이나 모두 출시되어 있는 연삭기로 다듬질하므로 그것들의 형상 치수, 다듬질 면조도 등은 <그림 5>, <그림 6>에 나타내는 롤러 베어링의 강구, 내외륜의 궤도면과 큰 차이는 없다. 그러나 전자 (前者)의 경우 축과 베어링 내면과의 사이에 유체(윤활유 혹은 공기 등)가 존재하여 위에 언급한 양쪽 면의 정밀도 수치를 평준화하는 효과가 그러한 결과를 이끌어낸다(주 : 자기(磁氣) 베어링은 위에서 말한 원리의 혜택을 받을 수 없는 이질적인 장르이다). 당연히 유체 베어링에 관한 <그림 1>~<그림 4>에 주는 효과는 매우 크다. 그리고 에어 베어링의 경우도 필자의 경험에 따르면 거의 <그림 8>과 같다. 그러나 유체 베어링<그림 8>도 빌트인 모터 방식으로 하면 <그림 14>와 같은 리서쥬가 된다. <그림 9>는 미국 INGERSOLL의 동압 베어링 인데 이 경우 동압 베어링부와 모터와의 결합은 세레이션 기어 방식이고 주축의 선단에는 사진에서 볼 때 수축 끼워맞춤 방식의 공구가 장착되어 공구 전체 혹은 공구만 자동 교환할 수 있는 설계이다.
  <그림 8>에 나타내는 (주)오쿠마 비진원 평베어링의 경우도 모터는 완전히 별도로 설치한다. 머시닝센터용 배열로서 정통적인 구동 모터의 결합 방식을 예로 들면 일본에서는 유일한 <그림 10>에 나타내는 야스다공업의 방식(전기종 모두) 및 <그림 11>에 나타내는 미쯔이정기의 VU50A 수직형 머시닝센터를 들 수 있다. 이러한 사고(思考)는 모터의 전기 자기(磁氣) 진동, 기계 진동, 온도 상승 등의 불량을 피하는 아주 단순하고 동시에 본질적인 이유이기 때문이다. <그림 12>의 본질적인 주축 구조와 비교해서 <그림 13>의 빌트인 모터 스핀 들은 비용 문제도 포함하여 아주 소형의 모터가 달린 스핀들 유닛의 경우 등에 있어서는 어쩔 수 없는 일이라고도 말할 수있다.
  또한 주축 유닛으로 보았을 경우 <그림 13>에서 앞뒤의 베어링 사이에 커다란 모터 회전자가 차지한 다면 당연히 축 지름과 베어링 스팬과의 비율 D/L을 매우 나쁜 수치로 만들어 버려 전체의 고유진 동수도 저하시키고 강성 저하, 진동하기 쉬움 등주축 구조로서 이해하기가 어렵다. 당연히 전후 베어링의 외륜 하우징은 별개의 부품이 되어 전체적으로 일체화에서 멀어져 앞뒤 하우징의 중심을 정면으로 보유할 방법이 없다. 이 형식은 감합(Fitting) 이음 부분의 신뢰성을 저하시키는 주역이 된다. 그리고 모터 회전자의 내경과 주축의 외경을 확실하게 틈새 없는 억지 끼워맞춤(Tight fit)으로 할 수 있을지 기대할 수 없다. 또한 이 구조에서 베어링 내륜을 정압 장착으로 했다고 하더라도 굽힘이 없는 주축으로는 되지 않는다. 더욱이 주축 선단의 테이퍼 구멍을 확실하게 다듬질 연삭가공할 방법이 없다. 다짜여진 주축의 다이내믹 밸런 스는 어디서 즉 몇 개소의 단면에서 잡는가? 2단 면에서 밸런스를 완전히 수정할 수 있는가? 현실 적으로 앞에 나온 <그림 8>의 유체 베어링에 이것을 적용했을 경우의 리서쥬 파형은 <그림 14>와 같이 된다. 만일 여기에 <그림 5>~<그림 6>의 범위에 있는 회전 정밀도를 가진 주축 유닛을 도입했을 경우의 리서쥬는 당연히 양자가 중첩된다. 당연한 양식을 나타내는 <그림 8>~<그림 12>경우와의 차이는 어떨까? 만일 모터를 빌트인으로 할 생각 이라면 우선적으로 고(高)토크이면서 모터 용적이 적고 코일의 내(耐)절삭액 절연 제품을 고른다.
  이런 내용을 열심히 연구해 온 전문 메이커들이 있다. 특히 유럽에 많이 있다. 그리고 주축에 대한 노력을 덜어 공작기계를 만들고자 한다면 유럽의 스핀들 전문 메이커에서 제공하는 빌트인 모터 스핀 들을 사용해야 할 것이다.
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3. 볼 베어링 주축의 문제
앞에 소개한 <그림 6>의 리서쥬 측정 결과는 매우 특별한 일을 했을 경우의 결과이다. 그러나 이것은 롤러 베어링 본래의 성능이 더욱 고도로 발휘되기를 희망한 결과이고 사리에 맞게 진행하면 그 어떤 메이커도 도달할 수 있다. 바꾸어 말하면 이같은 이중 진동을 리서쥬에서 확인할 수 있음을 하나의 등급 설정이라고도 할 수 있다. 요즘 공작기계 메이커에서는 아베크의 베어링과 디스턴스 칼라 (Distance Collar)를 세트로 구입하여 마음 편하게 조립해서 제조의 합리화를 도모하고 있는 사례가 많다. 당연히 하우징, 축은 각각의 도면에서 지시하는 치수로 제조되는데 마지막 여압(Pressurized)은 전혀 측정하지 않고도 합리적인 제조가 이루어지고 있다. 그러나 베어링 메이커에서 제조되는 베어링 내외륜의 치수에는 보통 얼마간의 오차가 남아 있어 <그림 15>에 나타내는 바와 같이 베어링에는 반드시 홈 가로 진동이 있다.
  그리고 베어링의 하우징과 축도 도면에서 지정한 교차로 가공되는데 이것을 아무런 손질도 하지 않고 받아들여 최종 여압을 측정하지 않는다면 예를 들어 축 회전일 경우 에는 축과 베어링 내륜·외륜과의 끼워맞춤 공차, 하우징 내경과 베어링 내륜·외륜 과의 틈새 등의 수치는 목표치에서 멀어져 버린다. 게다가 베어링 하우징의 양쪽 외측에 있는 베어링·외륜의 외측<그림 16 “F”>을 누르는 캡의 볼트 조임 토크가 가지런하지 않고 또 마찬가지로 내륜의 선단면을 죄는 너트(“E”)의 선단면(“L”)은 비록 베어링용 너트이더라도 얼마간의 선단면 진동이 있어 애써서 만든 축도 이 너트 때문에 구부러져 버린다.
  요컨대 플라스틱 모델을 만드는 감각으로 공작기계 및 주축을 제작할 수는 없다.
  궁극적으로는 <그림 17>에 나타내는 바와 같이 내륜 억제 칼라를 유정압으로 분리하는 시스템을 적용할 필요가 있다. 롤러 베어링의 회전 정밀도도 이같이 설계, 제작한다면 감쇠성을 별개로 유체 베어링에 상당히 가까워질 것임에 틀림없다.
  위에 언급한 몇 가지의 요점을 배려하는 방법으로 실시하면 주축은 장수명 공구형, 고품질의 가공형이 되고 이들의 대책 정도에 따라 몇 가지 레벨의 제품이 만들어지는데 최하위는 가진(加振)형, 저(低)품질 가공형 주축으 로도 될 수 있다. 단순히 비용 문제가 아니라 배려 방식이 위의 내용을 지배하는 것이라고 보는데 어떻게 생각하는가? 각각의 랭크를 분별하여 설계 제조함으로써 외관상 동일한 구성, 구조, 치수이더라도 개개의 품성이 달라지므로 가격 차이가 있는 상품을 만들 수도 있다고 생각한다.
  이로써 상품으로서의 수비 범위를 넓게 잡아 고품질 가공, 부가가치가 낮은 Job Shop 가공용 등등 개별적인 용도에 대응할 수 있다. 거시적으로 본유닛의 구성, 구조, 치수를 공통으로 해서 설계하는 것이 요점이다. 예를 들어 머시닝센터의 경우에 대해 말한다면 주축 선단에 장착되는 공구는 종류와 치수의 변화가 넓고 굽은 형태이나 보다 고도의 성능에 맞추는 방편으로서 <그림 18>에서와 같이 공구 및 공구 홀더를 세트로 해서 밸런스를 바로 잡는다. 물론 주축과 일체를 이루어 밸런스를 잡는 것이 정상이나 이 경우에는 공작기계 사용자로 하여금 공작기계 메이커 수준의 일을 기대하게 만들므로 시기적으로는 이러한 제품의 진보를 기다리는 편이 낫다. 실제로 고도의 고품질 가공을 기대할 수 있는 분야의 사례를 들면 <그림 19>에 나타내는 미국 INGERSOLL의 대형 항공기용 프로펠러가 있다. 공작물의 최대 치수는 두께0.3m, 폭 2m, 길이 20m이다. 이것을 <그림 19>에 나타내는 기계의 양측에 세우고 양측에서 각각 2세 트의 주축두가 내측을 향하게 해서 가공한다. 이경우에는 주축두를 각각의 리니어 모터를 구동해서 이동한다. 이것은 흔히 보는 사례와는 달리 그야말로 리니어 모터의 능력을 유감없이 발휘할 수있는 좋은 예로, 동압 베어링에 의한 저진동, 고(高)감쇠성으로써 위에 언급한 공작물 치수에서 알수 있듯이 방대한 양의 칩이 발생하는 커다란 부하를 장기간의 공구 수명으로 극복함과 동시에 상급의 다듬질면 품질도 얻고 있으며 상위 레벨의 고속 주축을 활용하는 일례이다. 가장 유감스러운 점은 「빌트인 모터 스핀들」의 폐해를 최소화하는 시도가 이루어지지 않고 있다는 사실이다.
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