기계식 동력 전달 시스템에서 피치 원 지름이 Φ300-500mm인 기어의 동심도(요구 사양 ≤0.05mm) 및 단면 편심도(≤0.04mm)는 동력 전달 효율과 장비 수명을 직접적으로 결정한다. 기존 방식으로 40CrNiMoA 소재의 중장비용 기어를 가공하는 제조업체는 '가로 선반에서의 대략 가공 → 세로 밀링 기계에서 단면 밀링 → 기어 셰이퍼에서 이의 형상 가공'이라는 세 가지 공정을 필요로 한다. 다수의 설치 과정으로 인해 동심도가 허용 오차를 초과하여 0.08~0.12mm만큼 벗어나고, 전달 소음이 90dB를 초과하게 되며(허용 값 ≤85dB), 단일 제품당 가공 사이클은 최대 10시간에 달한다. 또한, 담금질 후 40CrNiMoA의 경도는 280-320HB에 달해 절삭 저항이 매우 높으며, 고속강 공구는 한 모서리당 겨우 2~3개 부품만 가공할 수 있고, 단일 기어의 공구 비용이 1500위안을 초과한다.
고객 사용 시나리오
이 난제를 해결하기 위해 회사는 선양기계그룹의 커닝머신툴 TK6513 CNC 수직 선반을 도입하여 '중형 고강성 가공+일회 클램핑 정밀 선반가공'이라는 기어 전용 제조 시스템을 구축했다. 장비는 일체형 회주철 베드 본체(주물 벽 두께 120mm)를 채택하며, '18개월 자연 노화 + 96시간 진동 노화'의 이중 응력 제거 공정을 거쳤다. 게이트 구조와 박스 타입 슬라이더 구조와 결합하여 유한 요소 해석(FEA)을 통해 강성을 최적화하였으며, 반경 방향 절삭 강성은 40kN/mm에 달해 40CrNiMoA 가공 시 25kN의 반경 방향 힘을 안정적으로 견딜 수 있다. 시메스 828D 어드밴스트 CNC 시스템과 그레이팅 자(분해능 0.05μm)의 완전 폐루프 제어를 갖추고 있어 ±0.008mm의 위치 결정 정확도와 ±0.005mm의 반복 위치 결정 정확도를 달성하여 기어 링 기어의 반경 편심 요구 사항인 ±0.03mm에 정확히 부합한다. 고강도 합금 재료의 경우, 장비는 18.5kW의 고출력 스핀들(최대 속도 1000r/min)과 고압 에멀젼 냉각 시스템(냉각 압력 1.2MPa, 유량 35L/min)을 장착하고 있으며, CBN 입방질 붕소 나이트라이드 절삭 공구(HV3000 경도)와 조합함으로써 공구 마모와 칩 형성을 효과적으로 억제한다.
기어 클램핑
기술 혁신 측면에서 본 장비는 기어 가공 분야에서 '공정 통합 + 정밀 사전 제어'의 이중적 돌파를 달성하였다. Φ650mm 4구 유압 척, 8스테이션 전동 타워(공구 교환 시간 2.0초), 방사형 드릴링 유닛을 통합하여 기어 외주 정밀 선반 가공(IT6 공차), 단면 밀링(평면도 ≤ 0.02mm), 내공 보링(원통도 ≤ 0.01mm), 위치결정 홀 가공(위치 정확도 ≤ 0.1mm)을 한 번의 세팅으로 완료할 수 있다. 기어 링의 정밀 제어 난제에 대응하여, 우리는 혁신적으로 '기준 일체형 가공 방법(reference unified machining method)'을 도입하였다. 기어 블랭크의 내공을 위치결정 기준으로 사용하고, 머신 상의 측정 시스템(측정 정확도 ±0.0015mm)을 통해 단면과 외주에 대한 실시간 데이터를 수집함으로써 작업물의 자중에 의한 변형을 자동으로 보상(보상 정확도 0.003mm)하며, 이를 통해 기어 링의 편심 진동(radial runout)을 안정적으로 ≤ 0.04mm 이내로 유지할 수 있다. 다양한 모듈의 기어(모듈 8-20mm)에 대해 장비는 30세트의 공정 파라미터 템플릿을 갖추고 있으며, 교체 시간이 기존의 3시간에서 30분으로 단축되었다.
구현 결과는 중장비 기어의 표준을 완전히 준수합니다. 단일 부품 가공 사이클은 10시간에서 6시간으로 단축되었으며, 일일 생산 능력은 8개에서 14개로 증가하였습니다. 기어 링의 동심도 편차는 ≤ 0.04mm, 단면 편차는 ≤ 0.03mm이며, 표면 거칠기는 Ra0.8 μm에 도달하여 GB/T 10095.1-2021 "원통기어 정밀도 체계 제1부: 같은 쪽 치면 편차의 정의 및 허용값" 및 ISO 1328-1 표준 요구사항을 충족합니다. 전달 소음은 90dB에서 82dB로 감소하였고, 기어 맞물림 효율은 8% 증가하였습니다. 재료의 최적화와 냉각 개선 덕분에 공구 수명이 200% 연장되어(최대 6~8개/날개) 단일 기어 공구 비용은 500위안으로 절감되었습니다. 장비에 장착된 지능형 모니터링 모듈은 스핀들 부하(정확도 ±1%)와 절삭 온도(해상도 0.1℃)를 실시간으로 수집하며, 공구 마모 예측 알고리즘과 결합하여 장비 종합 가동률을 75%에서 93%로 높였고, 연간 다운타임을 520시간 줄였습니다.
TK6513을 통해 우리는 '합격한 가공'에서 '정밀 제조'로의 도약을 달성할 수 있었습니다. 이 기업의 기술 책임자는 "당사의 기어는 채광 기계 및 야금 장비와 같은 중장비에 성공적으로 적용되었으며, 독일 리브헬러(Liebherr)의 공급업체 인증을 통과했을 뿐 아니라 무고장으로 15,000시간 동안 지속 운전해야 하는 엄격한 요구사항도 충족시켰습니다. 이는 우리에게 기어 시장에서 핵심 경쟁력을 확보하게 해주었습니다."라고 말했습니다. 이 사례는 CNC 세로 선반(CNC vertical lathes)이 '중형 강성 구조 + 정밀 폐루프 제어 + 공정 통합 혁신'의 심층적 융합을 통해 정확도와 효율성의 병목 현상을 극복하는 데 있어 기어 제조 분야의 핵심 장비가 되었음을 입증합니다.
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