석탄 화학 산업 및 초고압 파이프라인 운송 분야에서 Φ 200-500mm 크로뮴 몰리브덴강(A105N, F91) 고압 게이트 밸브의 게이트 플레이트 마감면 정밀도(평면도 ≤ 0.015mm/100mm, 표면거칠기 Ra ≤ 0.6μm 요구)와 밸브 챔버 및 플랜지의 동축도(≤ 0.025mm)는 압력 밀봉 성능을 직접적으로 결정한다. 이러한 밸브는 장기간 42MPa의 고압과 350℃의 고온에 견뎌야 한다. 가공 정밀도가 기준에 미달할 경우 매체(예: 석탄에서 올레핀 합성가스)의 누출률이 API 602 표준에서 규정한 0.001%를 초과하게 되어 장비 부식이나 안전사고 위험이 발생할 수 있다. 국내 고급 밸브 제조업체가 이러한 게이트 밸브를 가공할 때 직면하는 전통적인 공정 병목현상은 다음과 같다. "가로선반에서 밸브 챔버 조삭 → 세로 연마기에서 게이트 마감면 정밀 연마 → 락커 암 드릴링 머신으로 플랜지 볼트 구멍 천공"의 세 가지 공정을 거쳐야 하며, 다중 클램핑으로 인해 밸브 챔버와 플랜지 간 동축도가 0.05~0.07mm를 초과하고, 게이트 마감면의 평면도 오차는 0.03~0.05mm에 달하며, 제품 압력 시험 합격률은 단지 88%에 그친다. 크로뮴 몰리브덴강(F91)은 크로뮴 함량이 높고 고온 강도가 높아 절삭 시 공구 마모율이 일반 탄소강의 2.5배에 달하며, 초경합금 공구의 수명은 25~30개/날개에 불과하고, 밸브 당 공구 비용은 320위안을 초과한다. 또한 단일 제품 가공 사이클이 50분에 이르러 석탄 화학 프로젝트의 '단주기 납품' 요구를 충족하기 어렵다.
이러한 어려움을 극복하기 위해 회사는 선양 머신툴 CK525 CNC 수직 선반을 도입하고 '가공하기 어려운 소재 적응 + 고압 밀봉 정확도 제어'를 특징으로 하는 게이트 밸브 전용 가공 시스템을 구축했다. 이 장비는 일체형 고강도 주철 베드(주물 벽 두께 80mm)를 채택하며, '12개월 자연 노화 + 72시간 진동 노화'의 이중 응력 제거 처리를 거쳤다. 박스형 슬라이딩 필로우와 4점 지지 정압 가이드 레일 설계와 결합하여 유한 요소 해석(FEA)을 통해 강성을 최적화하였으며, 방향 절삭 강성은 38kN/mm에 달해 크롬 몰리브덴 강 절삭 시 발생하는 22kN의 방향 하중을 안정적으로 견딜 수 있다. 또한 파낙(Fanuc) 31i-B5 CNC 시스템과 그레이팅 자(분해능 0.01μm)의 완전 폐루프 제어를 적용하여 ±0.008mm의 위치 결정 정밀도와 ±0.005mm의 반복 위치 결정 정밀도를 달성함으로써 게이트 밀봉면의 H6급 공차 요구사항을 정확히 충족시킨다. 크롬 몰리브덴 강의 고온 강도 및 가공 경화가 쉬운 특성에 대응하기 위해, 장비는 고압 내부 냉각 스핀들(냉각 압력 1.8MPa, 유량 45L/min)과 초미립 CBN(입방정 질소화붕소) 절삭 공구(경도 HV3200, 고온 내마모성 40% 향상)를 장착하였으며, 여기에 '저온 오일 미스트 보조 냉각' 기술(절삭 부위 온도 60℃ 이하 유지)을 병행하여 날 가장자리 붕괴와 칩 형성을 효과적으로 억제한다.
고객 사용 시나리오
기술 혁신 측면에서, 본 장비는 '클램핑 공정 한 번으로 고압 게이트 밸브의 정밀 가공'이라는 분야에서 돌파구를 마련하였습니다. Φ750mm 4축 유압 척(최대 클램핑 힘 100kN, Φ200~500mm 밸브 본체에 적합), 8스테이션 서보 타워렛(툴 교환 시간 1.4초), 방사형 동력 드릴링 및 태핑 장치를 통합하여, 밸브 챔버의 정밀 보링(원통도 ≤ 0.006mm), 게이트 플레이트의 밀봉면 미러 가공 정밀 선반 가공('일정한 절삭속도+미세 피드' 공정 적용, 절삭속도 80~120m/분, 재절삭량 0.03~0.05mm, 평면도 ≤ 0.012mm/100mm), 플랜지 단면의 정밀 선반 가공(평면도 ≤ 0.018mm), 8~16개의 플랜지 볼트 홀 드릴링 및 태핑(위치 정확도 ≤ 0.018mm)을 한 번의 공정으로 완료할 수 있습니다(0.08mm, API 602 밸브 볼트 홀 대칭 기준 준수). 게이트 플레이트 밀봉면에 대한 '고정밀 미러 효과' 요구에 부응하여, 당사는 혁신적으로 '다중 패스 점진적 정밀 가공 공정'을 도입하였습니다. 첫 번째 패스에서는 과잉 재료의 70%를 제거하고, 두 번째 패스에서는 0.08mm의 재절삭량으로 형상 및 위치 오차를 조정하며, 마지막 패스에서는 0.02mm의 재절삭량으로 미러 커팅을 실현합니다. 레니쇼(Renishaw)의 머신 온-측정 프로브(측정 정확도 ±0.0005mm)와 결합하여 작업물의 열변형을 실시간으로 보정함으로써 밀봉면의 표면 거칠기를 안정적으로 Ra0.4μm 수준으로 유지합니다. 다양한 사양의 게이트 밸브 교체(PN25~PN42 압력 등급 등)에 대응하기 위해 장비에는 35개의 공정 파라미터 템플릿이 탑재되어 있어, 기존의 2시간 소요되던 교체 시간을 18분으로 단축시켰습니다.
3면 가공을 위한 특수 3방향 공작기구
구현 결과는 고압 밸브 산업 표준을 완전히 준수합니다. 단일 부품 가공 사이클은 50분에서 26분으로 단축되었으며, 일일 생산 능력은 160개에서 280개로 증가하였습니다. 밸브 챔버와 플랜지 간 동축도 안정성은 ≤ 0.02mm이며, 게이트 밀봉면의 평탄도는 ≤ 0.012mm/100mm로, API 602 "소형 강제 게이트 밸브" 및 GB/T 12234 "석유 및 천연가스 산업용 볼트 연결 밸브 커버를 갖춘 강제 게이트 밸브"의 요구사항을 충족합니다. 제품 압력 시험 합격률은 88%에서 99.2%로 향상되었으며, 누출률은 0.0008% 미만으로 억제되어 쉘 석탄 화학(Shell Coal Chemical)의 '제로 누출' 기술 기준을 만족합니다. 크롬 몰리브덴강(F91) 가공 공구의 수명은 80% 연장되었으며(최대 블레이드당 45~54개), 밸브 당 절삭 공구 비용은 180위안으로 감소하였습니다. 장비에 탑재된 지능형 운영 및 유지보수 모듈은 절삭력을 실시간으로 수집(정확도 ±0.5%)하고 스핀들 진동(샘플링 주파수 1kHz)을 모니터링합니다. 이와 함께 공구 마모 예측 모델을 결합하여 장비 종합 가동률은 76%에서 94%로 향상되었으며, 연간 다운타임은 400시간 줄어들었습니다.
CK525은 고압 크롬 몰리브덴 강 게이트 밸브 분야에서 오랫동안 존재해 온 '가공 난이도+고정밀'이라는 산업적 과제를 완전히 해결했다. 회사의 기술 책임자는 '당사의 게이트 밸브는 닝샤 바오펑, 신장 티엔예 등 대규모 석탄 화학 프로젝트에 성공적으로 적용되었으며, 쉘(Shell)의 글로벌 공급업체 인증을 통과했을 뿐 아니라 "8000시간 무정비 연속 운전"이라는 엄격한 요구조건도 충족하고 있다. 이는 고압 밸브 세그먼트 시장에서 우리 회사만의 기술 장벽을 구축하게 해주었다.'라고 말했다. 이 사례는 CNC 수직 선반 기계가 '가공이 어려운 소재의 맞춤형 가공, 고압 밀봉 정밀도의 폐루프 제어, 과정 효율성 통합'이라는 세 가지 요소의 심층적 융합을 통해 고압 밸브 제조 분야의 품질 및 효율성 병목 현상을 극복하는 핵심 장비로 자리 잡았음을 입증한다.
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