오늘날 노동 인구 감소와 다품종 소량 생산이라는 사회 변화를 배경으로, 생산 리드타임 단축을 목적으로 한 설비 투자의 수요가 높아지고 있다. 야마자키마작에서는 유저 요구에 적절하게 대응하기 위해 그림 1에 나타낸 하이브리드 복합가공기를 제안하고 있다. 기어 절삭이나 연삭 등의 제거가공 외에 부가 가공인 금속적층조형(AM이나 WAAM), 그리고 마찰교반접합(FSW) 등을 융합한 복합가공기를 라인업하고 있다.

 

 

부품 제조에 필요한 가공을 할 수 있는 공작기계를 가지고 있지 않은 경우에는 사외의 협력 회사에 가공을 의뢰해야 하고, 리드타임이 길어지게 된다. 이와 같은 과제에 대해 하이브리드 복합가공기는 전용기 기능을 1대의 공작기계에 집약함으로써 자사 내에서 가공을 실현해 리드타임을 단축시킨다.

 

리드타임 단축 외에도 하이브리드 복합가공기 도입에 의해 품질 향상, 물류에 관한 CO2 배출량 절감, 지그나 플로어 스페이스 절감 등도 기대할 수 있다.

 

하이브리드 복합가공기는 생산량 변동에 대해서도 유연한 대응을 실현한다. 생산량이 늘어난 경우, 전용기를 포함한 생산 라인을 새롭게 편성하지 않고도 하이브리드 복합가공기로 대응할 수 있다. 반대로 생산량이 줄어든 경우에도 범용성이 높은 하이브리드 복합가공기는 다른 부품의 가공에 이용할 수 있다.

 

또한 작업자의 부담을 줄이는 효과도 기대할 수 있다. 최근 제조업에 종사하는 사람이 감소하고 있으며, 한 사람의 작업자가 담당하는 기계의 종류가 늘어나고 있다. 기존에는 여러 개의 기계로 하고 있던 가공을 공정 집약하면 조작을 배워야 하는 기계의 종류를 줄일 수 있게 된다.

 

이 글에서는 앞에서 말한 장점을 가진 하이브리드 복합가공기의 하나로, 기어 절삭 기능을 융합시킨 ‘INTEGREX Auto Gear’(이후 INTEGREX AG)에 의한 기어 절삭 실적과 야마자키마작이 대응한 기어 부품의 내제화 사례를 소개한다.

 

기어 부품을 제조하는 기능을 융합시킨 INTEGREX Auto Gear

 

INTEGREX AG는 오늘날 가공 요구가 증가하고 있는 유성기어 감속기를 구성하는 기어 부품 가공을 쉽게 하기 위해 개발됐으며, 원통기어를 대상으로 한 호브 가공·기어 스카이빙·엔드밀에 의한 기어 절삭가공을 할 수 있다. 그림 2와 같이 내기어와 외기어의 기어 절삭이 가능하기 때문에 INTEGREX AG는 기어 절삭 공정만으로 한정해도 공정 집약이 가능하다고 할 수 있다.

 

 

3종류의 기어 절삭 외에 호브 가공이나 기어 스카이빙으로 가공한 후의 치홈 중심 위상을 터치센서로 검출하는 것도 가능하다.

 

일반적으로 치홈을 검출하기 위해서는 터치센서의 프로브를 좌우 치면에 접촉시키고 그 중간을 치홈의 중심으로 판정한다. 그러나 프로브가 치홈 안으로 들어가 위상을 검출하기 위해서는 미리 치홈의 위치를 알아 둘 필요가 있고, 오퍼레이터의 수동 조작이 필요하다.

 

이것에 대해 야마자키마작의 독자적인 위상 검출의 경우는 터치센서가 가공된 기어의 끝면 또는 이끝만 계측해서 위상을 검출한다. 치면을 사용한 계측을 하지 않기 때문에 터치센서의 프로브는 치홈 내로 들어가지 않는다. 워크의 끝면 또는 이끝원 상에서 프로브가 톱니에 접촉하는지, 또는 접촉하지 않는지를 반복 계측하면서 톱니의 에지 위상각을 검출한다. 동일한 조작으로 반대측 톱니의 에지 위상각을 검출, 그 중간 각도를 치홈의 중심으로 한다. 따라서 측정 전에 치홈의 대략적인 위치를 알 필요가 없고, 가공에서 계측까지 완전히 자동화할 수 있다.

 

검출한 치홈 중심의 위상각은 볼 엔드밀의 버 제거나 스캐닝 프로브의 치면 모방 계측에 이용한다. 앞에서 말한 방법으로 위상 검출을 했을 때의 야마자키마작의 데이터는 검출 오차가 0.005°가 되므로 버 제거 등을 하는 데는 충분한 정도라고 생각한다.

 

또한 큰 기어 부품을 기기 내에서 반출해 삼차원 측정기로 계측하고 재가공을 하면, 워크의 반입출 세팅이 필요하다. INTEGREX AG에서는 치형과 잇줄의 계측이 가능하며, 삼차원 측정기의 계측을 줄여 세팅 공수를 절감할 수 있다. 스캐닝 프로브를 사용한 치면의 모방 계측에서는 삼차원 측정기에 의한 치면 계측과 마찬가지로 치형과 잇줄에 관한 항목마다의 오차를 NC 화면에 표시한다(그림 3). INTEGREX의 기기 내 계측은 최종적인 품질 검사를 위한 계측은 가정하고 있지 않다. 그러나 INTEGREX AG로 기기 내 계측한 결과와 삼차원 측정기로 계측한 결과를 비교했더니, 치형과 잇줄의 오차 측정값의 최대차는 2μm였다. 계측 결과의 반복성도 높기 때문에 공정 내 계측으로서 충분한 성능이라고 생각한다.

 

 

INTEGREX AG에서 앞에서 말한 기어 절삭이나 계측을 하기 위해서는 NC 화면의 가이던스를 따라 기어의 제원이나 절삭 조건을 입력하는 것만으로 충분하다. 제원 등의 입력 후에는 전용 G 코드가 생성되고 CNC 장치의 내부에서 가공이나 계측을 위한 패스가 계산된다.

 

그림 4에 프로그래밍 지원 소프트웨어의 장점으로서 엔드밀의 기어 절삭에서 CAD/CAM을 사용한 경우와 시판 엔드밀 기어 절삭을 하기 위한 프로그래밍 지원 소프트웨어 ‘Smooth Gear Milling’을 사용한 경우를 비교했다. Smooth Gear Milling을 사용한 경우에는 3D 모델과 CAD/CAM이 필요하지 않고 CNC 장치에 기어의 제원 등을 입력하는 것만으로 간단히 엔드밀을 사용한 기어 절삭을 할 수 있다.

 

 

호브 가공, 기어 스카이빙, 치면 계측, 버 제거의 경우에도 전용 소프트웨어가 준비되어 있으므로 Smooth Gear Milling과 마찬가지로 제원 등을 입력하면 프로그래밍은 완료된다.

 

Smooth Gear Milling의 대상은 인볼류트 기어로, 대형 기어나 모듈이나 압력각의 값이 일반적이지 않은 기어의 가공에 적합하다. 또한 전용의 기어 절삭 공구(호브 커터나 스카이빙 커터)가 아니라 시판 엔드밀을 사용하기 때문에 공구의 코스트를 낮게 또한 공구의 납기도 대폭으로 단축할 수 있다.

 

 

더구나 Smooth Gear Milling으로 창성되는 이바닥의 곡선은 원이 아니라 래크 커터가 창성하는 포락선이다. 그림 5는 Smooth Gear Milling으로 가공되는 곡선과 이바닥에 접하는 진원과 기어 절삭 시의 래크 커터 운동의 궤적을 비교하고 있다. 그림으로부터 Smooth Gear Milling으로 창성되는 곡선은 래크 커터의 운동으로 만들어지는 곡선과 일치하고, 이바닥의 곡선이 원이 아니라는 것을 알 수 있다. 이바닥의 곡선이 포락선이므로 상대 기어의 이끝이 간섭할 우려가 없다. 또한 이바닥에 생기는 응력 계산에 있어, 이바닥의 형상이 래크 커터나 호브 커터로 창성된 경우와 동일하므로 이미 확립되어 있는 계산을 적용할 수 있다.

 

하이브리드 복합가공기의 기어 절삭 실적

 

INTEGREX i-250H AG(#40의 밀 주축)의 호브 가공과 기어 스카이빙 가공 실적을 소개한다. 그림 6과 같이 모듈 6의 호브 가공(절삭 속도 : 80m/min, 이송 속도 : 6.7mm/min(황삭), 3.3mm/min(다듬질), 절입 횟수 : 8회)을 한 결과, ISO 7급으로 다듬질할 수 있었다. 고부하이고 고능률인 호브 가공의 또 다른 하나의 예로서 모듈 1.25의 기어를 4줄 호브 커터로 1패스 다듬질(절삭 속도 : 157m/min, 이송 속도 : 67.8mm/min으로 커터의 권장 가공 조건)을 한 결과, 커터를 장착하는 아버가 일체형으로 커터의 흔들림이 작은 경우에는 ISO 7급의 기어를 얻었다.

 

 

한편, 작은 모듈 기어(m0.8)의 호브 가공에서는 1패스 다듬질로 ISO 7급으로 다듬질할 수 있었다(그림 7).

 

 

또한 기어 스카이빙에 관해서는 피치가 큰 기어에서는 모듈 3의 기어를 ISO 7급으로 다듬질한 실적이 있다. 반대로 모듈이 작은 기어의 가공 예로는 모듈 0.55의 기어를 ISO 7급의 정도로 가공할 수 있었다(그림 8).

 

 

앞에서 말한 바와 같이 INTEGREX의 밀 주축과 워크 주축의 정도 및 기계의 강성에 따라 작은 기어에서 큰 기어까지 고정도로 다듬질할 수 있다.

 

가공 능률에 관련해 호브 가공 및 기어 스카이빙에서는 밀 주축과 워크 주축은 각각 최고 회전수로 가공할 수 있다. INTEGREX AG에서는 밀 주축과 선삭 주축의 최고 회전수는 각각 12,000rpm과 5,000rpm이다. 따라서 커터가 작은 경우, 특히 커터의 재질이 초경합금인 경우에도 커터와 워크를 고속으로 회전할 수 있으므로 커터의 권장 조건으로 가공을 할 수 있다.

 

 

INTEGREX의 기어 절삭 사례 외에도 그림 9와 같이 테이블이 경사·회전하는 타입의 복합가공기 VARIAXIS i-800T에 의한 호브 가공의 결과를 그림 10에 나타냈다. 여기서는 그림 10 (a)와 같은 잇줄 수정을 예상해 가공했다. CNC 장치에 인스톨되어 있는 호브 가공의 프로그래밍 지원 소프트웨어 ‘Smooth Gear Hobbing’ 내에서 그림 10 (a)에 나타낸 잇줄 수정의 제원을 입력하고, 그림 10 (b)와 같이 가공할 수 있었다. 원호 모양 및 직선 모양으로 잇줄 수정을 할 수 있고, 엔드 릴리프나 크라우닝을 실시할 수 있다는 것을 알 수 있다.

 

 

INTEGREX AG에 의한 기어 절삭을 도입한 예

 

야마자키마작에서는 INTEGREX AG를 사용해 자사 제품인 레이저 가공기에 사용하는 기어 부품을 내제하고 있다. INTEGREX AG로 기어 부품을 가공하면, 그림 11과 같이 기존의 제조 방법에 비해 각 공정의 대기 시간이 필요하지 않아 리드타임을 기존의 25일에서 3일로 대폭 단축할 수 있다.

 

 

이 대응에서는 수직형 하이브리드 복합가공기 INTEGREX e-1250V AG를 사용해 기어 스카이빙으로 외기어의 기어 절삭을 하고 있다. 기어 스카이빙 후에는 터치센서로 치홈의 중심 위상각을 검출하고, 검출한 위상각을 기초로 볼 엔드밀의 버 제거까지 해서 그림 12와 같은 기어를 완성시키고 있다. 기어 스카이빙에서 버 제거까지의 공정은 모두 자동화되어 있다.

 

 

사이클로이드 기어의 가공

 

인볼류트 기어 외에 자동 반송차의 인휠 모터 내나 산업 로봇의 선회축 등에 채용이 기대되고 있는 사이클로이드 기어를 시판의 엔드밀로 가공하는 것에 대응했다.

 

사이클로이드 기어는 그림 13과 같이 치형이 사이클로이드 곡선(또는 트로코이드 곡선)을 그리고 있으며, 감속기 안에서는 사이클로이드 기어는 편심하면서 회전한다. 사이클로이드 기어를 사용한 감속기는 고강성·대감속비라는 특징을 가지므로 소토크·고회전의 입력을 대토크·저회전으로 변환할 수 있다. 무거운 화물을 싣고 공장 내를 천천히 달리는 자동 반송차용 감속기 등에 적합하다. 그러나 사이클로이드 기어는 인볼류트 기어와 비교해 제조하기 어렵다는 이유로 보급이 많이 되어 있지 않다고 한다.

 

 

야마자키마작은 화성 탐색기의 학생세계대회(University Rover Challenge, URC)에 참가하는 학생 프로젝트가 제작한 화성 탐색기의 암부에 이용하는 사이클로이드 감속기 내의 사이클로이드 기어 가공을 담당했다. 이 대응을 위해 시판의 엔드밀을 사용해 사이클로이드 기어를 가공하는 소프트웨어를 시제작했다. Smooth Gear Milling과 마찬가지로 기어의 제원와 절삭 조건을 입력하면 시판의 엔드밀을 사용한 치면의 가공과 면떼기 및 버 제거까지 하는 가공 패스를 CNC 장치 내에서 생성한다(그림 14). 그림 14 (a)와 같이 한 번의 척킹으로 소재로부터 치형의 가공·구멍뚫기를 할 수 있기 때문에 고정도의 가공이 가능하다.

 

 

맺음말

 

복합가공기의 기어 절삭에서는 가공 정도나 가공 능률이 과제라고 생각되고 있었다. 그러나 기계의 고정도화와 고강성화에 의해 앞에서 말한 가공 실적과 같이 대부분의 기어 부품에 요구되는 정도를 달성할 수 있었다.

 

앞으로는 ①테이블 선회형 복합가공기 ‘VARIAXIS’의 호브 가공 전개와 같은 INTEGREX 이외의 타입 기계에 대한 기어 절삭 기능의 전개, ②자동화를 위한 기능의 심화, ③사이클로이드 기어와 같이 가공할 수 있는 기어 부품의 종류 증가를 통해 공정 집약 및 자동화에 더욱 공헌하고자 한다.