최근 현격한 발전을 보이고 있는 항공산업을 필두로 알루미늄 계열로 대표되는 경합금, 연질합금 등의 고속 절삭가공과 생산성 향상을 위한 비절삭시간의 단축을 위한 관련업체의 노력은 한때 고정밀, 고강성화 추세였던 공작기계의 개발방향을 고속화에 주력하게 만드는 계기가 됐다.
공작기계 부문에 있어서의 고속화기술은 공작기계 중에서도 가공범위와 적용범위가 가장 넓은 머시닝센터가 주 대상인 데 머시닝센터에서의 고속화기술은 분류해 볼때 주축의 고속화, 이송계의 고속화, 공구 및 펠릿의 고속 교환기술 등으로 나뉜다.
이중 주축의 고속화기술은 절삭시간의 단축과 기공성능 향상을 위한 것으로 공구, 소재, 가공기술 등과 직접적인 연관을 갖고 있으며 비절삭시간의단축을 위한 이송계의 고속화와 공구 및 펠릿의 고속 교환기술과는 구분된다.
이러한 주축의 고속화기술은 각종 베어링기술의 발전에 힘입은 바 큰 데이를 이용한 절삭공정의 대폭적인 단축과 가공성능 향상결과에 대한 연구결과도 꾸준히 발표되고 있는 실정이다.
프랑스는 능동형 자기베어링을 이용한 13만의 주축을 개발했고 독일은 일반적으로 고속에는 적합하지 않은 것으로 알려진 유정압베어링을 이용한 1만의 고속, 고강성 주축을 개발했으며 특히 일본을 중심으로 롤링 요소에 의존하면서도 윤활방법의 개선 및 예약변경 방식을 응용한 2만 이상의 고속주축이 개발되고 있는 것 등은 대표적인 사례다.
국내에서는 대우중공업이 세라믹 볼 베어링에 오일에어 윤활방식을 결합,이미 94년에 2만 고속주축을 개발하고 자사의 수직형 머시닝센터(모델명 ACE-V45)에 적용한 바 있으며 올해 말까지 2만5천의 초고속주축 시제품의 개발을 완료할 계획이다.
세라믹 볼의 경우 스틸에 비해 상대적으로 적은 비중과 고강성 및 우수한열특성으로 베어링의 고속성능을 더욱 향상시키며, 오일에어 윤활은 고압의공기를 이용해 미량의 윤활유를 공급하는 방식으로 윤활작용과 동시에 공기에 의한 냉각작용을 기대할 수 있고 윤활유에 의한 마찰소비동력이 적다는장점을 지닌다.
특히 최근의 머시닝센터는 저속영역에서의 중절삭기능과 동시에 고속회전이 가능하도록 하기 위해 예압변경 방식을 적용하는 추세다.
이와 관련, 이 회사의 고속주축은 정압예압 방식과 정위치예압 방식을 혼용, 특정 회전수에서 두 방식이 서로 바뀌어 저속에서는 유압에 의해 정위치예압 방식으로 강성을 확보하고 회전수가 증가함에 따라 예압량이 증가하게되면 정압예압으로 변경,고속회전이 가능하도록 설계됐다.
한편 미국, 일본, 유럽 등 일부 선진국을 중심으로 머시닝센터의 고속화기술은 급격히 진전되고 있으며 국내에서도 산업체뿐 아니라 학계와 연구소 및정부에서도 활발한 연구활동을 진행하고 있어 조만간 국내 고속화기술도 급성장할 것으로 전망된다.
가공속도는 흔히 3백∼2천(분당 회전속도) 정도를 저속가공이라고 하며 2천∼5천은 중속가공, 5천∼2만은 고속가공, 2만 이상은 초고속가공이라 불리고 있는데 현재 산업현장에서는 6천 미만의 가공속도가 거의 대부분을 차지하는 것으로 알려지고 있다. 주축의 고속화를 이루기 위해서는 가장 먼저 주축베어링의 윤활방식을 고려해야 하는데 오일미스트 윤활, 오일에어 윤활,오일제트 윤활 및 언더레이서 윤활방식이 있으며 이중 오일미스트 윤활방식은 환경문제를 야기하기 때문에 최근에는 거의 사용되지 않고 있다.
<박효상 기자>