Sharp-E 뉴스 레터 2020 년 9 월

ANCA의 종합적인 소프트웨어 및 하드웨어 스카빙 커터 솔루션

 

스카이빙의 수요

기어 관련 전 세계 수요에 대한 업계 예측 및 연구에 따르면 2019년까지 연간 6% 증가하여 2,100억 달러가 될 것으로 예상됩니다. 자동차 변속기는 전체 기어 시장의 45%를 차지합니다 [3]. 차량의 전기화는 기어 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 기존의 드라이브 트레인에는 25~30 개의 기어가 있습니다. 9~10 단계의 기어 대신 전기 엔진은 단일 또는 2단 속도만 공통적으로 사용하는 더 간단한 변속기를 특징으로 합니다.

전기 자동차(EV)에서 최대 20,000 rpm의 높은 엔진 속도를 위해서는 변속기의 기어 휠이 더 엄격한 기하학적 공차를 충족해야 합니다.  유성 기어 세트의 내부 기어는 새로운 드라이브 트레인 설계에서 널리 사용됩니다. 제조 공정의 정확성과 효율성을 개선하기 위해 기어 산업은 점차 스카이빙을  솔루션으로 보고 있습니다. 스카이빙은 성형보다 6-8 배 더 효율적이고 브로칭보다 유연하며 내부 및 외부 기어를 모두 생산할 수 있습니다 [4]. 스카이빙의 인기가 높아지면서 스카이빙 커터에 대한 수요가 급증했습니다. 그러나 업계는 최대 20주의 리드 타임을 겪고 있으며, 스카이빙 커터의 병목 현상으로 광범위한 기술 채택을 가능하게 하고 있습니다.

 

스카이빙 커터 설계

상세하고 복잡한 기하학적 계산은 스카이빙 커터 설계의 기본입니다. 스카이빙 운동학이 기초이며, 이는 스카이빙 커터와 기존 셰이퍼 커터의 차이점에 대한 기본이 됩니다.

 

스카이빙 운동학

초기 스카이빙 프로세스는 1910년 Wilhelm von Pittler에 의해 개발되고 특허를 받았습니다[2]. 스카이빙의 운동학은 롤링 동작과 밀링 동작을 결합하여 커터와 작업물을 고속으로 동기화해야 합니다. 1960년대부터 90년대까지 필요한 동기화와 강성을 갖춘 스카이빙 기계를 만들기 위한 많은 시도가 있었습니다. 그러나 지난 10~15년 동안만 비로소 스카이빙 기계를 사용할 수 있었고, 그 사이 스카이빙을 실용적인 솔루션으로 만들었습니다. 

 
그림 1. 스카이빙 운동학 출처: König, Fertigungsverfahren Band 1

 

스카이빙 커터 vs. 셰이퍼 커터

스카이빙 커터는 제너레이팅 피니언형 기어 커터로 기존의 셰이퍼 커터와 매우 유사합니다. 기어(작업물)와 커터 사이의 상대적인 움직임을 고려할 때 셰이퍼 커터의 원리는 한 쌍의 평행축 기어를 기반으로 하는 것이 확실한 사실입니다. 반면 스카이빙 커터는 교차축이 있는 한 쌍의 기어를 기반으로 합니다. 한 쌍의 교차축 기어는 단일 지점에서만 접촉하므로 스카이빙 커터의 프로파일과 형상은 셰이퍼 커터보다 더 복잡합니다. 작업물 프로파일 외에도 스카이빙 커터의 기하학적 구조를 결정하려면 제너레이팅 박스의 운동학(기어비, 샤프트 각도 및 틸트 각도에 따른 중심 거리 및 롤링 서클)이 필요합니다.

DIN 1829 표준에 명시된 원칙에 따라 스카이빙 커터의 절삭날은 가상 원통형 기어에 해당하는 엔벨로핑 기어로 보여질 수 있습니다. 스카이빙 커터의 경우 엔벨로핑 기어의 프로파일이 셰이퍼 커터의  경우처럼  이상적인 인벌류트를 나타내지 않습니다.

 

정확도 요구 사항

스카이빙 커터는 피니언형 커터로 분류되며 현재 특정 산업 표준이 없습니다. 업계에서는 DIN 1829 – 파트 2를 기본 측정 표준으로 널리 채택했습니다. DIN 1829 – 파트 2는 평가할 기능과 각 품질 등급을 인증하기 위한 허용 오차를 규정합니다. 예를 들어 기준 직경이 50mm 미만이고 모듈 크기가 1mm 미만인 커터의 경우 필요한 양식 오류 f_f는 DIN AA 자격을 얻으려면 2 미크론 이하이어야 합니다.

 
그림 2. 측정 기준표 3. 출처: DIN 1829 – 파트 2  
스카이빙 커터가 새롭게 나옴으로 인해, 많은 업계 벤치 마크 측정 기계에는 커터 프로파일을 평가하기 위한 수학적 모델이 내장되어 있지 않아, 제조 및 품질 관리 프로세스에 특별한 문제를 야기합니다. 

 

ANCA의 스카이빙 솔루션​

시장 수요에 대응하여 ANCA는 커터가 효율적으로 올바르게 설계되고 최적화되도록 종합적인 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션을 개발했습니다. 2019년 EMO Hannover에서 처음 공개된 새로운 GCX Linear는 스카이빙 커터 제조의 표준을 설정합니다. 정확도를 높이는 모든 선형축을 사용하는 GCX Linear는 모든 작업을 하나의 설정으로 완료할 수 있습니다. 스카이빙 커터 및 셰이퍼 커터를 최고 품질의 DIN AA 등급으로 제조하기 위해 특별히 설계된 기능이 함께 제공됩니다.  
 
그림 3. ANCA GCX 선형 기계  

종합적인 소프트웨어 패키지

GCX 소프트웨어 패키지는 피니언형 기어 커터를 제조하고 재연마하기 위한 여러 소프트웨어 구성 요소로 구성됩니다. 여기에는 설계, 시뮬레이션, 연삭 시퀀스 프로그래밍, 휠 편집 및 휠 드레싱, 제조 프로세스의 전체 가상화 지원이 포함되어 설정 시간과 스크랩 가능성을 줄입니다.

스카이빙 커터 및 셰이퍼 커터와 같은 기어 절삭 공구는 복잡한 형상을 가지고 있습니다. 이 설계 프로세스에 필수적인 것은 반복적인 최적화입니다. 이는 간섭 부품 및 충돌 조건과 같은 주변적인 작업물 조건에서 특히 중요합니다. 설계 스테이션에서는, 커터를 기본 기어 작업물 데이터에서 설계할 수 있습니다. 스카이빙 운동학을 시뮬레이션하여 커터 설계 및 잠재적 충돌 수정을 확인할 수 있습니다.

iGrind 소프트웨어는 계단식 및 원추형 경사면을 모두 지원하며 디지타이징, 플루팅, 원통형 연삭 및 별도의 팁 릴리프 연삭과 같은 많은 다른 작업과 함께 제공됩니다. 연삭 공정은 CIMulator3D에서 시뮬레이션할 수 있으며 매개 변수를 분석할 수 있습니다. 

 

정확한 휠 드레싱

스카이빙 커터를 위해 톱니꼴 형태의 높은 정확도를 달성하려면 복잡한 프로파일 휠을 드레싱하는 것이 중요합니다. 최신 어쿠스틱 방출 모니터링 기술을 통해, AEMS는 휠 드레싱의 미세한 피치에 맞춰진 GCX Linear에 "이어"를 추가합니다. AEMS는 고급 감독 머신 러닝 알고리즘으로 구축되었기 때문에, 학습하고 듣습니다. 이 시스템은 시끄러운 생산 환경에서 완벽한 드레싱을 위해 올바른 음을 선택하도록 훈련될 수 있습니다. 연삭 휠 크기의 감소를 최소화하면서, 휠 프로파일이 가능한 최소한의 시간에 미크론 정확도 내에서 드레싱되도록 합니다. 

 

열 안정성 향상

엄격한 정확도 요구 사항을 충족하려면 기계의 열 안정성이 중요합니다. ANCA는 GCX Linear 기계에서 전동 스핀들의 온도를 능동적으로 관리하고 유지하기 위해 Motor Temperature Control(MTC: 모터 온도 제어, 특허 출원 중) 기술을 개발했습니다. 기계 예열 시간을 대폭 단축하고 생산성과 기계 활용도를 개선하는 것 외에도, MTC는 스핀들 부하나 속도 또는 스핀들 냉각 냉각수 온도의 변화에 관계 없이, 시간이 지남에 따라 스핀들의 일관된 열 안정성을 유지합니다. 이것은 연삭 결과의 치수 안정성을 크게 향상시킵니다.

 
그림 4. 개별 피치 오류 f_p와 함께 GCX Linear에서 생성된 스카이빙 커터의 피치 측정 보고의 예는 약 1µm로 측정되었습니다. 인접 피치 오류 f_u는 2µm 미만으로 측정되었습니다.  

참고

1. Wilfried König. (n.d.). Fertigungsverfahren Band 1. ISBN 978-3-662-07205-9 - 1997년
2. Pittler von, W. Verfahren zum Schneiden von Zahnrädern mittels eines zahnrad-artigen, an den Stirnflächen der Zähne mit Schneidkanten versehen-en Schneidwerkzeuges, 특허 출원, 독일, 1910년 3월.
3. 2019년 및 2024년 예측을 포함한 세계 기어 산업 연구(World Gears Industry study with Forecasts for 2019 & 2024 The Freedonia Group The) Freedonia Group
4. Dr. HJ Stadtfeld 다양한 기계 플랫폼에서 원통형 기어의 파워 스카이빙(Dr. H.J. Stadtfeld Power Skiving of Cylindrical Gears on Different Machine Platforms), American Gear Manufacturers Association 가을 기술 회의, 2013년

 
 
 
 

19 8월 2020