표면이 핵심입니다

나사 스핀들은 기계 공학 분야에서 널리 사용되고 있는 구성 요소입니다. 예를 들어 고하중 나사 스핀들은 리프팅 잭, 그리고 특히 고하중 리프팅 시스템에도 사용됩니다. 이 경우 훨링 프로세스를 통해 생산된 나사 스핀들이 주로 사용됩니다. 압연 공정을 통해 생산된 나사 스핀들은 표면이 너무 매끄러워서 스틱 슬립(Stick-Slip) 효과를 촉진하고 전체 시스템의 수명에 부정적인 영향을 미치는 경우가 많습니다.

훨링 프로세스를 통해 생성된 나사 스핀들 표면 지형은 윤활제 저장소 역할을 수행함에 따라 스핀들-너트 접촉부의 마찰을 줄일 수 있습니다. 라이프니츠 하노버 대학교(Leibniz University Hannover)의 IFW(Institute of Production Engineering and Machine Tools) 연구소에서는 훨링형 파워 스크루의 표면 지형 설정에 대해 연구하고 있습니다. 중견기업 Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG(www.bornemann.de)와 함께 사다리꼴 나사를 포함한 나사 스핀들의 사례를 통해 마찰 양상 최적화를 위한 나사산 플랭크의 기능화에 대해 연구하고 있습니다.

IFW 연구소와 Bornemann은 TopGewinde 프로젝트에서 나사 스핀들의 플랭크에 대한 마찰을 줄이는 미세 구조를 생성하기 위한 혁신적인 훨링 프로세스를 개발한다는 목표를 추구하고 있습니다(그림 1). 표면 미세 구조를 가상으로 예측하기 위해, 프로젝트의 일환으로 IFW 연구소에서 자체 개발한 CutS(Cutting Simulation) 소프트웨어를 사용하여 훨링에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하고 있습니다. 그림 1에 있는 운동학적 모델은 Bornemann사의 훨링 프로세스와 동일하게 구축되었습니다.

재료 비율 곡선은 윤활제 저장량을 나타냅니다

이러한 가공 표시의 형성은 사다리꼴 나사의 스핀들-너트 접촉부에 대해 마찰 공학상 최적으로 설정되어야 합니다. 표면 프로파일의 홈에 윤활제가 수용되어, 윤활 부족이나 스틱 슬립 효과와 같은 후속 문제를 방지할 수 있습니다(그림 2).

나사산 플랭크에 있는 윤활제 저장량의 비율을 수량화하려면 특성값이 필요합니다. 마찰 응력을 받는 표면을 평가할 때 재료 비율 곡선을 활용할 수 있습니다. 여기서 조도 프로파일은 감소한 피크 높이 Rpk, 코어 높이 Rk 및 감소한 홈 높이 Rvk로 분류됩니다. 코어 높이 Rk는 나사 스핀들의 제품 수명 주기 및 조도 피크의 마모(감소한 피크 높이 Rpk로 표현됨) 시작 단계 이후 마찰 접촉부에서 유지되는 조도 프로파일의 영역을 나타냅니다. 감소한 홈 높이 Rvk는 윤활제를 저장할 수 있는 초기 표면의 영역을 나타냅니다. 이와 상응하는 표면 관련 조도 매개변수로 Spk, Sk 및 Svk가 있습니다. 이러한 표면 매개변수는 진행 중인 프로젝트에서 새로운 유형의 훨링 공정을 개발하는 데 활용됩니다. 또한, 이 매개변수는 Bornemann사의 새로운 훨링 공정을 이용한 향후 시리즈 생산에서 표면을 평가하는 데 사용됩니다.

실험을 통한 지형 최적화

표면 지형에 대한 훨링 가공의 영향을 검사하기 위해 사다리꼴 나사 스핀들 생산 초기에 공정 제어 변수를 변경했습니다. 이 일련의 테스트에서는 공구 속도 nwz 및 공작물 속도 nws에 중점을 두었습니다(그림 3). 훨링 과정에서 공작물과 공구가 모두 회전하므로, 공구 회전과 공작물 회전 사이의 속도비 r이 형성되며 이는 표면 지형 평가에 고려됩니다. 검사 대상인 사다리꼴 나사 스핀들은 Bornemann Gewindetechnik사에서 자체 설계된 훨링 공작 기계를 이용하여 C45 강철 소재로 동기식 공정을 거쳐 제작되었습니다. 나사산 플랭크에서 생성된 지형에 대한 후속 검사는 IFW 연구소에서 제조사 Confovis GmbH의 공초점 현미경을 사용하여 실시했습니다. 생성된 지형과 관련 Abbott 매개변수는 그림 3에 나와 있습니다. 위의 두 측정에서는 공구 속도가 표면 지형에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다. 아래의 지형 측정은 다양한 공작물 속도에서의 결과 지형을 보여줍니다. 검사 목표는 표면 윤활제 저장량의 가능한 최대 용적을 생성하기 위해, 감소한 홈 높이 Svk에 대한 높은 값을 달성하는 것이었습니다. 가장 높은 Svk 값은 Svk = 0.442 µm인 테스트 1에서 달성되었습니다. 이 나사 스핀들은 동시에 가장 낮은 속도비를 보입니다. 속도비가 증가하면서 Svk 값이 감소하는 경향이 일련의 테스트 전체에 걸쳐 확인됩니다. 속도비가 감소하면 구조물 사이의 거리가 증가하고 감소한 홈 높이 Svk가 증가합니다.

가상 지형 예측

실험에서 확인된 관계에 대해서는 현재 IFW 연구소에서 시뮬레이션을 통한 연구가 이루어지고 있습니다. 이때 지형 형성에 대한 검사를 위해 재료 제거 시뮬레이션이 사용됩니다. CutS 소프트웨어를 통해 나사 스핀들의 훨링에 대한 시뮬레이션 모델이 구축되고, 결과 표면이 예측됩니다(그림 4). 이 방법은 한편으로는 훨링 중 표면 형성에 대해 더 정확히 이해하고, 다른 한편으로는 테스트를 위한 비용과 노력을 줄이기 위해 사용됩니다. 그림 4는 측정된 지형과 시뮬레이션 결과를 비교한 것입니다. 시뮬레이션에서는 Bornemann사 훨링 프로세스의 키네마틱스가 묘사됩니다. 훨링형 사다리꼴 나사의 플랭크에서 최대 조도 범위는 Rz = 3–7 µm입니다. 이 범위에 대한 표면 지형을 예측하기 위한 신뢰할 수 있는 모델을 구축하기 위해 추가적인 프로세스 영향이 고려됩니다. 여기에 묘사된 시뮬레이션(그림 1)에서는 운동학적 맞물림 조건 외에 회전 절단판의 치핑도 고려되었습니다. 치핑을 고려하기 위해 표면 생성 조도 프로파일을 포함한 절삭날의 CAD 모델이 재료 제거 시뮬레이션에 통합되었습니다. 훨링 프로세스의 특징은 회전 절단판에 있는 다수의 절삭날이 사다리꼴 나사 프로파일의 다른 영역을 생성한다는 점입니다. 시뮬레이션된 표면에 대한 회전 절단판 미세 구조의 영향을 고려하기 위해, 한 세트의 회전 절단판에 대해 치핑을 측정하고 이를 모델에 대입했습니다.

훨링형 나사 스핀들의 표면 구조는 기본적으로 재료 제거 시뮬레이션을 통해 재현할 수 있습니다. 시뮬레이션에서 생성된 표면에서는 훨링에서 특징적으로 나타나는 규칙적인 간격의 홈 구조를 명확히 알아볼 수 있습니다. 시뮬레이션된 표면과 측정된 표면 간의 편차는 홈의 형태에서 확인할 수 있습니다. 측정과 시뮬레이션의 각 조도 설정값 간의 백분율 편차는 현재 약 25%입니다. 두 표면 간의 이러한 차이는 프로세스에서 작용하는 공구 편향과 확률적 표면 효과 등으로 인한 것입니다. 시뮬레이션의 정밀도 향상을 위해 추가적인 프로세스 영향을 고려할 계획입니다. 여기서는 현재 공작 기계의 진동 양상에 중점을 둘 것입니다. 또한, 공구 절삭날에 작용하는 공정력에 대한 검사가 계획되어 있습니다. 여기서 편심 회전 운동과 가변적인 칩 단면으로 인해 훨링 중 훨링 툴의 편향에 영향이 있을 것으로 예상됩니다. 프로세스 시뮬레이션에서 수집된 정보는 앞으로 훨링을 통해 마찰 공학적으로 최적화된 나사 스핀들을 생산하기 위한 툴 개발에 활용될 것입니다.

결론 & 전망

추가적인 프로젝트 과정에서는 사용된 공구와 관련 프로세스 제어 변수가 마찰에 최적화된 표면을 설정할 수 있는 방식으로 수정됩니다. 이러한 표면의 마찰 감소 효과를 평가하기 위해 먼저 마찰계 테스트가 수행됩니다. 마찰 공학적으로 최적화된 스핀들을 생산하는 데 활용될 다양한 공구 콘셉트가 이 테스트를 기반으로 선정됩니다. 마지막으로, 수집된 정보를 검증하기 위해 선택한 스핀들에 대한 수명 검사를 실시합니다. Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG의 목표는 리프팅 시스템의 수명을 대폭 연장하기 위해 특히 고하중 리프팅 시스템 영역에서 사용할 수 있는 마찰 감소 미세 구조를 정의하는 것입니다.

나사 표면 구조의 최적화에 관한 상세 정보는 www.bornemann-gewindetechnik.de/ko 및 www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik에서도 확인할 수 있습니다.