동력이나 운동을 전달하는 기계요소의 상징인 기어는 자동차나 항공기, 공작기계를 비롯해 폭넓은 업계에서 이용되며, 소형화와 고경도화, 고정도화, 복잡화, 저진동화, 저코스트화, 변종변량화 등 여러 가지 시장 요구에 대응하는 것이 항상 요구된다.

 

오늘날 급속하게 진화하는 자동차의 하이브리드화나 EV(전동)화에 의해 엔진이 모터로 대체됨으로써 감속기구에서 발생하는 기어의 소음이나 진동이 종래보다 주목받게 됐다. 저소음, 저진동 등의 정숙성에 대한 요구를 만족시키기 위해 기어에는 지금까지 이상의 고정도화가 요구되고 있다. 로봇 산업에서도 노동자 부족이나 신형 코로나바이러스 감염증 확대를 배경으로 현장의 인력절감화·자동화가 추진되어 협동로봇 등의 관절부에 이용되는 감속기는 수요 증가 경향이 계속되고 있다. 감속기의 소형경량화와 저진동화를 위해 기어는 소형 및 소모듈화가 추진되어 고정도 가공의 필요성은 더욱 높아지고 있다.

 

기어를 고정도로 안정되게 고능률 가공하는 기계가 요구되는 가운데, 스위스 아폴터사(Affolter Group SA)는 시계용 기어의 생산으로 오랜 기간 축적한 가공 기술을 토대로 CNC 호빙머신을 개발해 왔다. 특히 최근에는 자동차 업계의 고속 정밀 기어 가공에 대한 요구가 높아짐에 따라 보다 다양한 애플리케이션에 대응을 추진하고 있다.

 

이 글에서는 독자적인 기술로 소형·소모듈 기어 가공에 접근하는 아폴터사의 최첨단 호빙머신 GEAR Line 시리즈와 그 가공 기술을 다양한 가공 사례와 함께 소개한다.

 

아폴터사

 

시계 산업의 땅 스위스 비엘에서 북동쪽의 바젤 방면으로 가다 보면 자동차로 약 30분, 산간부의 도시 말레이(Malleray)에 위치한 동사는 현재 4세대 째를 맞이한 패밀리 기업이다. 1919년에 창업해 스위스를 대표하는 고급 기계식 시계 메이커에 기어를 공급해 온 아폴터사는 기어 가공 메이커로서 명성이 높다. 100년 이상의 역사와 실적을 자랑하며 기어를 연간 2천만 개 제조하는 한편, 1999년부터 CNC 호빙머신의 외판을 시작해 현재에 이르렀다.

 

이 회사는 개발한 정밀 CNC 호빙머신을 기어 생산 부문에서 실제로 사용해 개선을 거듭해 감으로써 기계의 완성도를 높여 왔다. 고속이며 연마급의 호빙 가공이 평가받아, 오늘날에는 시계용 기어뿐만 아니라 의료기구나 가속기, 호이스팅 부품, 자동차 부품 등에 널리 채용되고 있다.

 

GEAR Line 시리즈

 

정교한 톱니면을 만드는 주축과 워크 주축의 고속 동기 회전 기술을 가진 GEAR Line 시리즈(그림 1)는 모듈 0.02～2, 가공 지름〈60mm, 가공 길이〈180mm의 기어 가공에 대응하는 3기종을 전개하고 있다.

 

 

1. AF 90

AF 90은 평기어의 제조에 기능을 특화한 CNC 6축 호빙머신이다. 시계 기어 가공용 기계식 호빙머신을 대체하기 위해 동일한 풋프린트로 설계했다. 기계식에서 CNC화로 바뀌는 흐름에 편승해 시계 메이커에 도입 실적이 늘고 있다.

 

2. AF 100 plus

AF 100 plus는 여러 가지 종류의 마이크로 기어에 대응할 수 있는 높은 범용성을 가진 CNC 8축 호빙머신으로, 지금까지의 판매 실적의 대부분을 차지한다. 여러 가지 로더나 옵션을 조합함으로써 다채로운 애플리케이션에 최적인 솔루션을 제공한다. 공구 선회축(A축)은 워크 주축과 뒷면 주축의 중심선 상을 기준으로 해서 ±30도까지 선회할 수 있고, A축을 CNC로 함으로써 비틀림각이나 R이 균일하지 않은 변칙적인 호빙 가공이 가능하다.

 

3. AF 160

최신 기종 AF 160은 GEAR Line 시리즈 중에서 가장 용도가 넓은 호빙머신으로, 전신 모델보다 가공 능력을 향상시켜 최대 모듈 2까지 대응하는 사양으로 되어 있다. CNC 8축을 갖추고 있으며 최대 외경 60mm, 길이 250mm의 워크에 대응하고 자동차나 항공기, 기어박스, 의료기기, 로봇 등의 여러 분야의 애플리케이션에서 우수한 유연성을 발휘한다.

 

 

AF 160의 공구 선회축(A축)의 가동 범위는 AF 100 plus보다 넓은 ±50도, 옵션으로 최대-115도로 되어 있으며(그림 2), 스트레이트 기어, 헬리컬 기어, 스트레이트 베벨 기어, 페이스 기어, 스트레이트 헬리컬 크라운 기어, 웜, 웜 휠이나 인터널 기어를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 웜이나 샤프트의 밀링 가공, 스카이빙 가공, 면떼기도 가능하다.

 

고속 정밀 호빙 가공을 실현하는 독자 기술

 

고속 정밀 호빙 가공을 추구한 GEAR Line 시리즈에는 아폴터사가 독자적으로 개발한 기능이 탑재되어 있다.

 

1. 소모듈 기어의 고정도·고속 가공을 실현하는 가공 능력

(1) 동기 회전 기술이 달성하는 고속 가공

일반적인 소모듈용 호빙머신이 호브축 회전수 3,000～6,000min인 데 대해, 이 기계는 최고 동기 회전수 16,000min－1에 겨우 0.3초로 도달한다. 호빙머신의 고속 동기 회전은 가공 시간을 단축시키고 특히 톱니절삭에 시간이 필요한 소모듈 기어의 생산에서는 고능률 가공을 실현한다.

 

또한, 동기 회전에서 중요한 것은 동기 정도의 핵심이 되는 분해능이다. 회전을 동기시키기 위한 주기가 짧을수록 보다 정도가 우수한 호빙 가공이 가능해진다. 일반적인 호빙머신이 범용적인 컨트롤러로 밀리초의 간격으로 동기 제어를 하는 가운데, 이 기계는 자사제 컨트롤러로 10,000배 이상이나 짧은 나노초 수준의 간격으로 동기 회전을 제어하고 있다.

 

(2) 더블 주축 동기 회전이 실현하는 고정도 가공

일반적인 호빙머신이 워크 주축＋테일 스톡인 데 대해, 이 기계는 동기 회전 사양의 뒷면 주축의 탑재가 가능하다. 뒷면 주축의 최대 동기 회전수는 12,000min－1으로, 워크 주축과 동기 회전함으로써 워크 좌우의 클램프가 고속 회전 시에도 안정되어 치형 오차 및 잇줄 오차에서 JIS 0-1급의 고정도 가공을 달성했다.

 

(3) 수치 제어에 의한 변종변량 생산 대응

호빙머신에서는 공구 주축과 워크 주축이 동기 회전함으로써 기어가 가공된다. 기어의 제원에 대응해 공구축과 워크 주축의 다른 동기 회전이 필요하기 때문에 기어박스의 기계적인 조정이 필요하다. 현재도 기어박스의 교체로 동기 회전하고 있는 호빙머신이 있는 가운데, 이 기계는 전 기종이 수치 제어를 채용하고 있다. CNC에 의한 전기적인 동기 제어는 기어박스의 세팅 작업을 없애고 변종변량 생산에 대한 대응력을 높이고 있다.

 

(4) 진동 억제에 의한 정교한 톱니면

이 기계는 주물보다 열변위에 강하고 진동 감쇠성이 우수한 폴리머 콘크리트를 기체 베이스에 채용함으로써 연속 생산에서 정도 안정성을 확보하고 있다. 또한, 공구축, 워크 주축, 뒷면 주축 등의 모든 회전축에 다이렉트 모터 스핀들을 탑재함으로써 기어박스나 풀리 등을 통해 회전을 전달하는 종래 기종과 비교해 진동을 최저한으로 억제해 높은 면정도를 실현한다.

 

2. 기어 가공에 부가가치를 창출하는 기술

(1) 담금질강 가공

소모듈 기어의 고정도 가공에 대한 수요가 높아지고 있는 가운데, 레이저를 이용한 하드 호빙이 효과적인 솔루션으로 활약하고 있다. 호빙 가공한 원재료를 담금질 처리하고, 담금질로 생긴 비틀어진 톱니면을 레이저로 위상을 맞춰 다듬질 호빙 가공을 하는 것이 하드 호빙이다(그림 3, 그림 4). 옵션으로 드라이 컷 사양도 준비되어 있으며, 코팅된 초경 호브에 의한 담금질재의 고속 정밀 가공을 서포트한다.

 

(2) 스카이빙 가공

또한, 우수한 절삭 강성과 동기 정도와 함께 CNC 8축과 공구 선회 A축의 여유 있는 가공 범위를 가진 AF 160은 공구를 워크에 대해 기울이고, 워크 주축과 고속 동기 회전시켜 기어 가공을 하는 가공 능률이 우수한 스카이빙 가공도 가능하다(그림 5).

 

 

3. 풍부한 CNC축이 가져오는 유일무이한 버 제거 공법

발생한 버는 보통 호빙 가공 후에 기어 측면에 긁힌 상처를 남기는 디버링 장치로 제거하던가, 기어의 형상 정도 열화나 절삭 에지에 손상을 입기 쉬운 배럴 연마로 제거되는 경우가 많다. 원래라면 기어 측면에는 상처를 남기지 않고 톱니절삭면에는 에지가 선 절삭면을 남기려고 한다. 특히 모듈이 작아질수록 버 제거는 번거롭기 때문에 가공 후에 버를 남기지 않는 것이 이상적이다.

 

CNC 축수가 풍부한 AF 시리즈는 기계축의 움직임에 따라 버를 제거하는 X 디버링법이나 커터 아버에 2개의 호브커터를 장착해 버 제거를 하는 더블 호브 디버링법을 제안하고 있다. 그 외에 디버링 장치나 엔드밀에 의한 버 제거도 선택지로 준비되어 있다.

 

(1) X 디버링법 (AF 100 plus, AF 160만)

사이클타임은 길어지지만, 하나의 호브커터와 기계축의 움직임에 의해 버를 제거하고 워크 측면에 상처를 남기지 않는 점이 평가받고 있다. 또한, 오퍼레이터에 대해 앞쪽(X축의 마이너스 방향)으로 호브커터를 설치, 시계 방향으로 회전시켜 절입을 넣어 간다(이 시점에서는 버가 발생한다). 다음으로 공구 선회 A축과 워크의 회전 방향을 역전시켜 호브커터를 워크의 뒤쪽(X축의 플러스 방향)으로 이동시킨 후, 이폭이나 축방향의 길이를 형성하면서 발생한 버마다 톱니절삭을 한다.

 

 

(2) 더블 호브 디버링법 (그림 6)

범용 호빙머신은 공구축 상하의 가공 거리 조정에 마이크로미터를 사용해 스톱 바의 위치결정을 하기 때문에 번거롭고 정도도 안정되지 않는다. 이 기계에서는 커터 아버에 2개의 호브커터를 정전(호브 1), 반전(호브 2) 방향으로 장착하고, 우선 반시계 방향으로 회전하는 호브 1로 워크 왼쪽을 부분적으로 가공한다(여기서는 버가 발생한다). 그 후 공구축 Y를 이동시켜 호브를 반시계 방향의 회전으로 한다. 호브 1로 가공한 같은 부위에 호브커터 2를 가지고 와서 발생한 버마다 오른쪽의 축방향으로 톱니절삭해 버를 제거해 간다. 이 공법이라면 X 디버링법보다 사이클타임이 단축되고 워크에도 상처가 남지 않는다.

 

가공 사례

 

1. 평기어 (더블 호브 디버링법)

1개당 가공 시간은 더블 호브 디버링법에 의한 버 제거를 포함해 7초이다(그림 7).

 

2. 크라운 기어 (담금질강 가공)

담금질강의 직절삭, 엔드밀을 사용한 버 제거를 포함한다(그림 8, 그림 9).

 

 

맺음말

 

탁월한 수치 제어의 동기 회전 기술로 소형 기어나 소모듈 기어를 고속 정밀 가공하는 아폴터사의 GEAR Line 시리즈는 독자적인 버 제거가공과 함께, 스카이빙 가공이나 하드 호빙 가공도 1대로 실현하는 고능률 가공기이다. 앞으로도 폭넓은 기어의 애플리케이션에 대해 유저 요구에 맞춘 최적의 호빙 가공 솔루션을 제공해 갈 것이다.