풍력 발전 장비 분야에서, 지름 300-500mm의 주축은 풍력 터빈 전달 장치의 핵심 구성 요소로서, 축경의 원통도(요구 사양 ≤ 0.02mm) 및 베어링 위치의 실린더도(≤ 0.015mm)에 따라 장비의 20년 사용 수명 동안 신뢰성을 직접적으로 결정한다. 선도적인 풍력 발전 장비 제조 기업이 이와 같은 42CrMo 담화 처리된 강재 스핀들을 가공할 때 기존 공정의 병목 현상에 직면하게 되는데, 이는 "가로선반 조감 → 바닥보링기 반정밀 선반 가공 → 외경 연삭기 정밀 연삭"의 세 가지 공정을 거쳐야 하기 때문이다. 다중 클램핑으로 인해 베어링 위치의 동축도가 0.05-0.08mm를 초과하게 되며, 운전 중 베어링 온도 상승이 45℃를 초과하게 된다(적격 기준 ≤ 40℃), 단일 제품 가공 사이클은 최대 16시간에 달한다. 동시에 담화 처리된 강재(경도 280-320HB)는 절삭 저항이 높아 일반 절삭 공구의 수명이 나이프당 3~4개 부품에 불과하며, 단일 스핀들의 절삭 공구 비용은 3000위안을 초과한다.
이 난제를 해결하기 위해 회사는 우한 중공업 공작기계 VTC70 CNC 수직 선반을 도입하여 '중공업 강성 가공+일회 클램핑 전 공정'의 전용 스핀들 제조 시스템을 구축했다. 장비는 일체형 수지 모래 주철 베드(주물 중량 80톤)를 채택하였으며, '24개월 자연 노화 + 120시간 진동 노화'의 이중 응력 제거 처리를 거쳤고, 정압 가이드 레일(지지 능력 ≥ 300kN)과 유한 요소 해석을 통한 구조 강성 최적화를 결합하였다. 방향 절삭 강성은 55kN/mm에 달해 42CrMo 가공 시 35kN의 방향 하중을 안정적으로 견딜 수 있다. 또한 파나소닉 FANUC 31i-B5 CNC 시스템과 레이저 간섭계 동적 보정 기능(위치 정밀도 ± 0.005mm 보정)을 갖추고 있으며, 머신 측정 암(측정 정밀도 ± 0.002mm)과 결합하여 베어링 위치의 원통도를 ≤ 0.01mm로 정밀하게 제어한다. 고강도 강재의 가공 특성에 대응하기 위해 장비는 18.5kW 고출력 스핀들(최대 회전속도 1000r/min)과 고압 내부 냉각 시스템(냉각 압력 1.5MPa)을 장착하였으며, 초미립 CBN 절삭 공구(HV3500 경도)와 함께 사용함으로써 공구 마모를 효과적으로 억제한다.
고객 사용 시나리오
기술 혁신 측면에서, 이 장비는 스핀들 가공 분야에서 '공정 통합+연속 정밀 제어'의 이중 돌파를 달성했다. 여기에는 Φ800mm 4구 유압 척(클램핑 힘 300kN), 8스테이션 타워렛(툴 교환 시간 1.5초), 단면 밀링 파워 헤드가 통합되어 있으며, 이를 통해 스핀들 넥 정밀 선반 가공(원주도 ≤ 0.015mm), 베어링 위치 정밀 보링(원통도 ≤ 0.01mm), 플랜지 면 밀링(평면도 ≤ 0.03mm), 그리고 12~16개 연결 구멍의 드릴링 및 태핑(위치 정확도 ≤ 0.15mm)을 한 번에 완료할 수 있다. 초장형 스핀들(길이 3~5m)의 처짐 제어 문제에 대응하여, '다점 지지 적응형 공정'이라는 혁신적인 기술을 도입하였다. 세 세트의 조절 가능 보조 지지대를 통해 작업물 자체 무게로 인한 변형을 실시간으로 보상(보상 정확도 0.005mm)하며, 전체 축 길이 방향의 직진도를 ≤ 0.05mm/m 이내로 안정적으로 유지한다. 베어링 위치의 정밀 가공을 위해 '항온 가공 환경+층별 절삭 방법'을 적용하여 주변 온도를 20 ± 0.5℃로 제어하고, 각 층의 절삭 깊이는 0.2~0.5mm로 관리한다. 또한 일정한 선속도 절삭(80~120m/분)과 결합함으로써 표면 거칠기를 Ra0.8μm까지 확보한다.
클램핑 공정
구현 결과는 풍력 산업의 표준을 완전히 준수합니다. 단일 가공 사이클은 16시간에서 9시간으로 단축되었으며, 일일 생산 능력은 6개에서 11개로 증가하였습니다. 주축 베어링 위치의 원통도는 ≤0.01mm이고, 전체 축의 동축도는 ≤0.03mm로, GB/T 19073-2018 "풍력터빈 기어박스" 및 GL 인증 요구사항을 완전히 충족합니다. 장비 운전 중 베어링 온도 상승은 36℃까지이며, 진동 강도는 1.2mm/s에서 0.6mm/s로 감소하였습니다. 재료의 최적화로 공구 수명이 150% 연장되어(최대 블레이드당 8~10개 처리 가능) 단위 주축 공구 비용은 1200위안으로 절감되었습니다. 장비에 탑재된 산업용 사물인터넷(IoT) 시스템은 절삭력(샘플링 주파수 1kHz)과 스핀들 온도를 실시간으로 수집할 수 있으며, 잔여 수명 예측 모델과 결합하여 장비의 종합 가동률을 70%에서 92%까지 향상시키고, 연간 다운타임을 650시간 줄였습니다.
CKX52100은 풍력터빈 스핀들의 중형 가공과 마이크로미터 수준의 정밀도라는 산업 내 모순을 해결합니다. 회사의 생산 담당 이사는 '현재 우리 회사의 3MW 풍력터빈 스핀들은 금풍테크놀로지(Goldwind Technology)와 명양지능(Mingyang Intelligence)의 검증을 통과했을 뿐만 아니라, 해상 풍력 발전을 위한 '염수 분무 저항성 및 장수명'이라는 극한 요구조건도 충족하고 있어 풍력 발전 장비 분야에서 기술적 진입 장벽을 구축하게 되었다'고 말했습니다. 이 사례는 초정밀 수직 선반(CNC vertical lathe)이 '초고강성 구조 설계 + 공정 정밀도 폐루프 + 지능형 운전 및 유지보수 시스템'의 심층적 융합을 통해 풍력 대형 부품 제조 분야의 성능 병목 현상을 돌파하는 핵심 장비가 되었음을 입증하고 있습니다.
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