밀링 머신 및 선반 이송 구동 장치용 웜 및 웜 휠

밀링 및 선반 이송 구동 장치에 웜 기어 쌍이 사용되는 이유는 무엇일까요?

공작기계 이송 구동 장치는 금속 절삭 시 모터 회전을 작업대(밀링) 또는 크로스 슬라이드(선반)의 느리고 제어된 직선 운동으로 변환합니다. 이송 속도는 일반적으로 분당 10~500mm이며, 표면 조도, 칩 두께 및 공구 수명을 결정합니다. 웜 기어 쌍은 이송 모터와 리드 스크류 사이에 위치하여 속도 감소와 중요한 자체 잠금 안전 기능을 제공합니다.

웜 기어 쌍이 위치를 지정하고 고정하는 회전 테이블 적용 사례(A22 항목)와 달리, 이송 구동 쌍은 절삭 중에 지속적으로 움직이므로 이송 속도의 일관성과 절삭력 흡수가 주요 사양 매개변수가 됩니다.

절삭력 피드백 분석 — 절삭력이 피드를 역추진하려는 방식

금속 절삭 시, 절삭점에서 공작물에는 세 개의 직교하는 힘 성분이 작용합니다. 이 중 이송 방향과 일치하는 성분은 웜 기어 쌍에 있어 매우 중요한데, 이는 이 성분이 리드 스크류를 통해 이송 메커니즘을 역추진하려는 힘을 발생시키기 때문입니다.

아래 표는 세 ​​가지 일반적인 가공 시나리오에서 절삭 매개변수부터 역구동 토크에 이르는 힘의 흐름을 보여줍니다. 이를 통해 셀프록킹이 필수적인 이유와 기존의 (비셀프록킹) 기어 드라이브가 밀링 이송 작업에 안전하지 않은 이유를 알 수 있습니다.

분석 결과, 5,000N의 접선력으로 무거운 경사 밀링 가공을 하더라도 웜 기어 쌍에 발생하는 역구동 토크는 10N·m에 불과한 것으로 나타났습니다. 이는 일반적인 단일 시동 웜 기어 쌍의 자체 잠금 용량 범위 내에 있는 값입니다(일반적으로 공작기계 이송 속도에 따라 최대 출력 토크 정격인 50~500N·m까지 역구동 토크에 저항). 웜 기어 쌍은 이송 방향 절삭력을 무리 없이 흡수합니다. 그러나 역구동이 발생할 경우 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 공작물이 리드 스크류의 최대 이송 속도로 커터에 충돌하여 공구 파손, 스핀들 손상, 작업자 부상 등의 사고가 발생할 수 있습니다. 자체 잠금 여유는 결코 부족하지 않으며, 오히려 압도적인 수준으로 설계되었습니다.

이송 속도 정확도 — 웜 기어 리드 오차가 표면 조도에 파동을 일으키는 원인

이송 속도는 칩 두께를 결정하고 결과적으로 표면 조도를 좌우합니다. 이송 속도가 완벽하게 일정하면 칩이 완벽하게 균일해져 매끄러운 표면이 만들어집니다. 이송 속도가 변하면 칩 두께가 변하고, 그 결과 변화 주파수에 해당하는 주기를 가진 물결 모양의 표면이 생성됩니다.

웜의 리드 오류로 인해 주기적인 먹이 공급량 변동이 발생합니다. 웜 기어의 누적 리드 오차가 한 바퀴 회전 동안 15µm라면, 이송 속도는 한 바퀴 회전당 15µm씩 변동합니다. 5mm 피치의 리드 스크류를 사용하는 40:1 기어비에서 웜 기어가 한 바퀴 회전할 때 테이블은 0.125mm 이동합니다. 0.125mm 이동 거리에서 15µm의 오차는 순간 이송 속도의 12% 변동을 의미하며, 이는 가공 표면에 0.125mm 파장의 주기적인 파형으로 나타나는 12%의 칩 두께 변동을 초래합니다. 표면 조도 Ra가 1.6µm 미만이어야 하는 정밀 가공에서는 이러한 파형이 허용되지 않습니다.

회전당 리드 오차가 5µm 미만인 연마된 웜은 이송 변동률을 4% 미만으로 줄여 일반 가공(표면 조도 Ra 1.6~3.2µm)에 허용 가능한 범위 내에 있습니다. 정밀 가공(Ra 0.8µm 미만)의 경우, 리드 오차가 2µm 미만인 래핑된 웜이 사용됩니다. 리드 오차는 표면 조도와 동일하지 않습니다. 웜은 Ra 0.4µm의 매끄러운 표면 조도를 가질 수 있지만, 호빙 머신의 기하학적 오차로 인해 리드 정밀도가 떨어질 수 있습니다(10µm 이상의 오차). 리드 오차는 표면 조도 값에서 추정하는 것이 아니라, 전용 리드 측정 장비를 사용하여 직접 측정하여 확인해야 합니다.

공작기계 이송 구동 웜 기어 쌍 케이스 3개

사례 1 — 한국 니밀 제조업체: 3축 동력 이송, 자체 잠금 안전 장치 필수

한국의 수직 니밀 제조업체는 X, Y, Z축 동력 이송 장치에 웜 기어 쌍을 지정했습니다. 테이블 크기: 1,300 × 300 mm. 리드 스크류: 피치 5 mm, 애크미 나사산. 축당 모터: 0.37 kW, 1,450 RPM. 웜 기어 쌍: 단발 시동, 모듈 2, 중심 거리 40 mm, 기어비 40:1. 리드 스크류 출력 속도: 36 RPM, 최대 이송 속도 180 mm/min. 셀프록킹: 3축 모두 필수 - Z축(수직 니밀)은 테이블, 바이스 및 공작물의 무게(총 최대 300 kg)를 지탱하므로 셀프록킹이 작동하지 않으면 니밀이 중력에 의해 떨어질 수 있습니다. 리드 오차: 회전당 6 µm 미만(연삭 웜, Ra 0.4 µm). 재질: 표면 경화 처리된 20CrMnTi 웜(HRC 58), 인청동 CuSn12Ni 휠. 윤활: ISO VG 68 기계유를 니 슬라이드와 공유합니다. 한 쌍당 비용: 42달러. 3축 세트 비용: 밀링 머신당 126달러. 연간 생산량: 1,200대(웜 기어 한 쌍 세트 3,600개). 한 쌍당 42달러는 밀링 머신에서 가장 중요한 안전 부품입니다. Z축의 셀프록킹 고장이 발생하면 300kg의 테이블이 작업자의 손 위로 떨어질 수 있습니다.

사례 2 — 일본산 CNC 선반: 크로스 슬라이드 이송, 서보 구동 방식, 표면 조도가 매우 중요함

일본의 CNC 선반 제조업체는 자동차 샤프트 부품 가공용 생산 선반의 크로스 슬라이드(X축) 이송을 위해 웜 기어 쌍을 지정했습니다. 크로스 슬라이드 이송은 최종 가공물의 직경 공차(±10µm)와 표면 조도(베어링 저널 표면에 요구되는 Ra 0.8µm)를 결정합니다. 리드 스크류는 피치 6mm의 볼 스크류(CNC 서보 제어에 적합한 고효율)입니다. 웜 기어 쌍은 단발식, 모듈 1.5, 중심 거리 30mm, 기어비 30:1, 연삭 Ra 0.3µm, 회전당 리드 오차 3µm 미만입니다. DIN 정밀도 등급 5를 충족합니다. 모터는 1kW AC 서보 모터이며 131,072 카운트 엔코더가 장착되어 있습니다. 웜 휠에서의 출력 토크는 35N·m(크로스 슬라이드 마찰 및 절삭력 피드백에 적합)입니다. 웜의 이송 속도 변동은 모든 이송 속도에서 1% 미만으로, 표면 요철은 피크-밸리 0.1µm 미만(Ra 0.8µm 사양에서 육안으로 확인 가능)입니다. 한 켤레당 가격: 125달러. 둘러보기 공작기계용 웜 기어 CNC 선반 및 밀링 머신 이송 구동 장치용으로 설계된 옵션입니다.

사례 3 — 베트남산 레이디얼 드릴 프레스: 동력 이송 퀼, 비용 절감형, 호빙 가공 가능

베트남의 한 공작기계 제조업체는 레이디얼 드릴 프레스 퀼 구동 장치의 동력 이송 장치에 웜 기어 한 쌍을 지정했습니다. 드릴 프레스 작업은 밀링 작업보다 요구 조건이 덜 까다로웠습니다. 드릴링은 횡방향 이송력이 아닌 축 방향 추력(드릴을 공작물에 밀어 넣는 힘)을 발생시키므로 역회전 위험이 낮았습니다(추력은 퀼 축을 따라 작용하며, 웜 기어 한 쌍의 종류와 관계없이 퀼 슬리브에 의해 기계적으로 지지됩니다). 이송 모터가 정지했을 때 드릴 헤드가 중력에 의해 하강하는 것을 방지하기 위해 퀼 위치 유지를 위한 셀프록킹 기능은 여전히 ​​요구되었습니다. 웜 기어 한 쌍의 사양은 다음과 같습니다. 단발식, 모듈 2, 중심 거리 35mm, 기어비 20:1. 웜은 호빙 가공되었으며, 표면 조도 Ra는 1.2µm, 리드 오차는 약 15µm입니다. 이는 표면 조도의 요철이 문제가 되지 않는 드릴링 작업에 허용 가능한 수준입니다(홀 품질은 이송 변동이 아닌 드릴 형상에 의해 결정됨). 재질은 침탄 탄소강 웜과 사형 주조 인청동 휠입니다. 한 쌍당 가격은 18달러입니다. 이 사례는 모든 공작기계 이송 작업에 그라인딩 웜이 필요한 것은 아니라는 것을 보여줍니다. 드릴링, 보링, 탭핑과 같은 공정은 이송 속도에 대한 허용 오차가 큰 공정으로, 3~5배 저렴한 호빙 웜을 사용해도 동등한 기능적 결과를 얻을 수 있습니다.

자주 묻는 질문

밀링 머신과 선반의 이송 구동 장치는 웜 기어 쌍을 속도 감속기 및 안전 장치로 동시에 사용합니다. 자체 잠금 기능은 절삭력이 이송 메커니즘을 역회전시켜 공구가 기계에 끼어 손상되거나 작업자의 안전을 위협하는 충돌을 방지합니다. 절삭력 피드백 분석은 접선 방향 절삭력이 웜 기어 쌍에서 역회전 토크로 어떻게 변환되는지 추적하여 자체 잠금 여유가 충분하지 않은 수준이 아니라 충분히 확보되도록 설계되었음을 보여줍니다. 이송 속도 정확도는 웜 리드 오차에 따라 달라지는데, 이는 표면 조도 Ra와는 무관한 사양 매개변수로, 전용 리드 테스트 측정을 통해 검증해야 합니다. 리드 오차가 5µm 미만인 연삭 가공된 웜은 정밀 가공에 적합한 표면 조도를 제공하며, 15µm 이상의 리드 오차를 가진 호빙 가공된 웜은 이송 속도 변화가 부품 품질에 영향을 미치지 않는 드릴링 및 황삭 가공에만 적합합니다.

공작기계 제조업체를 위해 당사 엔지니어링 부서에서는 검증된 리드 정밀도 인증서를 갖춘 이송 구동 웜 기어 쌍을 제공합니다. 표준 카탈로그 정밀 웜 기어 세트 중심 거리가 30mm에서 80mm까지인 호빙 및 연삭 가공된 이송 구동 장치 구성을 포함하고, 리드 오차에 대한 문서를 제출하십시오. 공작기계 이송 사양 축 유형, 리드 스크류 피치, 최대 절삭력 및 표면 조도 요구 사항을 고려합니다.

편집자: Cxm