일반기술

초고속 공작기계 주축계의 구조설계 및 성능평가 기술

최근 공작기계 주축계의 고속화 관련기술의 현황을 보면, 고속 주축계의 경우에는 미소한 미스얼라인먼트에 의해서도 과대한 진동과 소음이 발생하기 때문에 주축구동방법으로 기존의 커플링구동방법과 벨트구동방법은 점점 채용되지 않고 있으며, 모터를 주축계에 내장한 구동방법, 즉 내장형 모터에 의한 주축구동방법이 많은 주목을 받고 있다. 특히 머시닝센터의 경우에는 ATC와의 연계를 위한 기동, 정지, 위치결정제어 등이 요구되기 때문에 내장형 모터로는 AC서보모터가 많이 사용되고 있다. 또한 이러한 모터내장형 주축계는 그 구조가 간단하고, 주축계가 운동하는 구조에 적합하기 때문에 공작기계의 가공유연성을 크게 향상시킬 수 있다는 특징을 가지고 있다. 최근 권선절환방식의 내장형 모터가 개발됨에 따라서 하나의 공작기계에서 별도의 변속장치 없이도 저속 중절삭에서 고속 경절삭까지의 구현이 가능하게 되었다. 또한 그리스윤활방법만을 사용했던 1980년 이전에는 d_m n`값이 500,000 이하에 불과했지만, 최근에는 오일에어윤활방법에 의해서 d_m n`값 2,000,000, 제트윤활방법에 의해서 d_m n` 값 3,500,000 정도도 가능한 것으로 보고되고 있다. 오일에어 윤활방법은 미량급유에 의한 발열의 억제효과와 함께 대량의 공기흐름에 의한 냉각효과를 통해서 d_m n` 값 2,000,000 정도의 고속화를 구현하고 있지만, 현재의 요구 기술수준에서 볼 때 거의 포화상태에 접어든 윤활방법이라 할 수 있다. 따라서 대량의 윤활유를 계속적으로 순환공급하는 강제윤활방법인 제트윤활방법이 d_m n` 값 1,500,000 이상을 초과하는 고속회전영역에서의 윤활방법으로 많이 채용되고 있는 추세이다. 따라서 본 연구과제에서는 초고속 주축계를 개발하기 위해서 내장형 모터를 사용하는 주축구동방식을 채용하고, 베어링 윤활방법으로는 오일에어윤활방법 또는 제트윤활방법을 적용하였다. 또한 공작기계에서의 강력절삭을 구현하기 위해서는 먼저 주축계의 고강성화가 요구되기 때문에 베어링의 형식, 개수 및 배치의 최적화를 통한 정적 강성과 동적 강성의 극대화를 도모하였다. 특히 초기 설계단계에서부터 모터내장형 초고속 주축계의 정적 특성과 동적 특성을 파악하기 위해서 FEM 해석을 수행하였다. 아울러서 시제작된 초고속 주축계에 대한 진동 측정실험 결과, 베어링의 온도 측정실험 결과 등을 토대로 구조설계 결과에 대한 평가를 수행하였다.