항공우주 및 에너지 장비 분야에서 임페러는 핵심 동력 구성 요소로서 블레이드 프로파일 정확도(요구 프로파일 ≤ 0.03mm)와 허브 및 블레이드 간의 동축도(≤ 0.02mm)에 따라 유체 기계의 효율성과 운전 안정성을 직접적으로 결정한다. 고성능 임페러 제조업체는 Φ 300-500mm 티타늄 합금 원심 임페러 가공 시 전통적인 공정 병목 현상에 직면해 있다. 즉, "세로 밀링 머신을 이용한 허브 조 rough 밀링 → 5축 머시닝 센터를 통한 블레이드 정밀 밀링 → 수평 선반을 이용한 기준면 다듬질"이라는 세 단계의 공정을 거쳐야 하며, 다중 클램핑으로 인해 블레이드 프로파일 편차가 0.06~0.08mm를 초과하게 되고, 임페러 조립 후 공기역학적 효율이 12% 감소하며, 단일 제품 가공 사이클이 최대 120분에 달한다. 동시에 티타늄 합금(TC4)은 고온 강도가 높고 절삭 변형이 크기 때문에 도구 마모율이 강재 부품의 3배에 달하며, 단일 블레이드 휠 가공에 소요되는 공구 비용이 800위안을 초과한다.
이 난제를 해결하기 위해 회사는 Demagesen Precision VTC80B CNC 수직 선반 및 밀링 복합센터를 도입하여 '한 번의 클램핑으로 전 공정 가공'이 가능한 임펠러 전용 가공 시스템을 구축했다. 이 장비는 주철 대비 진동 감쇠 성능이 70% 향상된 미네랄 캐스팅 베드 본체를 채택하고, 레이저 간섭계에 의한 동적 보정(위치 정확도 ±0.007mm 보정)과 토크 모터로 구동되는 C축(분할 정확도 ±2.5")을 결합하였다. 유한 요소 해석(FEA)을 통해 구조 강성을 최적화하였으며, 방향 절삭 강성은 28kN/mm에 달해 티타늄 합금 고속 절삭 시 발생하는 18kN의 방향 하중을 안정적으로 견딜 수 있다. 블레이드 프로파일의 실시간 측정 및 보정을 위해 시메נס 840D SL CNC 시스템과 접촉식 머신 프로브(측정 정확도 ±0.001mm)를 장착하여 윤곽도 ≤0.025mm라는 엄격한 요구 사항을 정확히 충족시킨다. 티타늄 합금의 가공 특성에 대응하기 위해 액체 질소 냉각 시스템(절삭 부위 온도 -10℃ 유지)과 초미립 탄화물 절삭 공구( TaC 코팅, 경도 HRC68 포함)를 적용하여 작업 경화 및 공구 부착 현상을 효과적으로 억제한다.
고객 사용 시나리오
기술 혁신 측면에서 본 장비는 임펠러 가공 분야에서 '공정 통합+정밀 표면 제어'의 이중적 돌파를 달성했다. Φ1000mm 정압 스핀들(최대 회전속도 1000r/min), 8스테이션 파워 타렛(Y축 스토크 ±100mm), 5축 연동 밀링 헤드(회전 각도 ±120°)를 통합하여 휠허브 외경 정밀 선반가공(IT6 공차), 블레이드 표면 정밀 프레징(윤곽도 ≤0.025mm), 밸런스 홀 드릴링(위치 정확도 ≤0.05mm), 기준 단면 그라인딩(평면도 ≤0.01mm)을 한 번의 세팅으로 일괄 처리할 수 있다. 복잡한 블레이드 형상 가공을 위해 '적응형 이송 공정'을 도입하였으며, 기계 내 측정 데이터를 기반으로 AI 알고리즘을 통해 절삭 조건(이송 속도 30-80mm/min)을 실시간으로 조정함으로써 정밀도를 유지하면서 재료 제거율을 40% 향상시켰다. 티타늄 합금 얇은 벽 블레이드(두께 3-5mm)의 변형 문제에 대응하기 위해 '층별 점진 절삭법'을 적용하였으며, 각 층의 절삭 깊이를 0.1-0.3mm로 제어하고 강성 탭핑 시스템(탭핑 범위 M6-M20)과 결합하여 나사 가공 정밀도를 6H 수준으로 보장한다.
고객이 가공한 완제품
구현 결과는 고급 장비 기준에 완전히 부합합니다. 단일 부품 가공 사이클이 120분에서 65분으로 단축되었으며, 일일 생산 능력은 30개에서 58개로 증가했습니다. 임펠러 블레이드의 윤곽은 ≤ 0.025mm로 안정적으로 제어되며, 허브와 블레이드 간 동축도는 ≤ 0.015mm 이하이고, 표면 거칠기는 Ra0.4 μm에 도달하여 SAE AS9100 항공우주 품질 관리 시스템의 요구사항을 충족합니다. 임펠러의 공기역학적 효율은 10% 향상되었으며 독일 TÜV 라인란트의 유체역학 성능 인증을 통과했습니다. 저온 냉각 및 파라미터 최적화로 인해 공구 수명이 80% 연장되었고, 단일 블레이드 휠 공구 비용은 450위안으로 감소했습니다. 장비에 탑재된 지능형 유지보수 시스템은 스핀들 진동(샘플링 주파수 2kHz)과 공구 마모를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 가공 빅데이터 분석과 결합하여 장비의 종합 가동률이 72%에서 94%로 증가하였으며, 연간 다운타임은 520시간 줄었습니다.
VTC80B는 티타늄 합금 임펠러의 '합격한 제조'에서부터 '정밀 지능형 제조'로의 도약을 달성했다. 회사의 기술 책임자는 "당사의 임펠러는 이미 항공 엔진 및 가스터빈 분야에 성공적으로 적용되었으며, 프랫앤드휘트니(Pratt&Whitney)의 공급업체 인증을 통과했을 뿐 아니라 단일 장비 고장 없이 20,000시간 동안 운전하는 엄격한 요구 조건도 충족하고 있다. 이를 통해 당사는 고급 임펠러 시장에서 기술적 진입 장벽을 구축하게 되었다."라고 말했다. 이 사례는 CNC 세로 선반 기계가 '다축 협동 아키텍처+재료 공정 적응+지능형 정밀 제어'의 심층적 융합을 통해 고성능 임펠러 제조 분야의 성능 병목 현상을 극복하는 핵심 장비가 되었음을 입증한다.
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