EMO 2017에서 본 CNC 멀티스핀들 선반의 진화: 슈테(Schütte) AC10-36

EMO 방문을 최신 가공 기술 트렌드를 확인하는 최우선 순위에 두어야 합니다. 독일 하노버에서 2017년 9월 열린 이 거대 제조 무역 전시회는 다중 스핀들 생산 머신의 경우 17홀이 필수 코스였습니다. 전 세계 언론인을 포함한 생산 가공 기술 애호가들이 모였습니다.

이 거대한 홀을 충분히 둘러보며 슈테(Schütte) 부스에 들렀습니다. 그곳에서는 동사의 최신 머신 포트폴리오 추가 모델인 AC10-36 멀티에서 건식 절삭으로 복잡한 회전 부품이 생산되고 있었습니다. 신형 머신은 최대 40mm 직경 부품에 대해 8개 스핀들로 더 높은 생산성을 제공합니다. 눈길을 끈 것은 높은 복잡성 때문이 아니라, 부품을 생산하는 속도였습니다. 3초 만에 전면 및 후면 가공 작업을 모두 마친 완제품이 머신에서 떨어져 나와 고객 출하 준비가 완료되었습니다.

8개 스핀들이 이를 가능하게 했습니다. 슈테 AC10-36은 8개 메인 스핀들과 최대 2개 카운터 스핀들(백워킹용)을 제공합니다. "후면 가공은 여러 작업이 필요해 카운터 스핀들로 부품을 마무리할 때 병목이 될 수 있는데, AC10-36은 2개 카운터 스핀들이 2개 공작물에서 동시에 작업할 수 있어 이중 백워킹이 가능합니다."라고 슈테 마케팅 매니저 빌프리트 루프(Wilfried Rupp)는 설명합니다. "8개 크로스 슬라이드 포지션 각각에 다중 툴을 장착할 수 있습니다. 8개 크로스 슬라이드 중 2개는 메인 스핀들 포지션 또는 카운터 스핀들 작업용으로 툴링해 동시 백워킹이 가능합니다. 전면 가공 완료 후 두 카운터 스핀들이 7, 8번 포지션에서 각각 하나씩 부품을 잡아 2개 부품이 동시에 완성됩니다."

이것이 부스에서 시연된 부품의 3초 사이클 타임의 비결입니다. 메인 스핀들에서 내경/외경 터닝, 프로파일 터닝, 홈 가공, 드릴링 등 여러 가공 작업 후 부품이 카운터 스핀들로 이송돼 후면 가공이 진행됩니다.

첨단 기술과 전통 설계의 만남

8-스핀들 기술 자체는 새로운 것이 아닙니다. 슈테는 G시리즈와 PC시리즈 멀티스핀들 머신에서 수년간 8스핀들을 제공해 왔습니다. 현재 전 세계적으로 공급되는 ACX 머신은 2006년 출시된 동사의 SCX CNC 6-스핀들 멀티스핀들 자동 선반의 지속적인 개발 결과입니다. 더 자세히 알아보기 위해 독일 쾰른 소재 슈테 본사를 방문해 머신을 생산 현장에서 직접 체험했습니다.

1880년 설립된 가족 기업으로 1937년부터 멀티스핀들 자동 선반을 생산해 왔습니다. 1940년 독립 제어 종방향 슬라이드를 가진 최초의 멀티스핀들 자동 선반, 나중에 '슈테 설계(Schütte Design)'로 알려질 원칙이 구현되었습니다. 호스트 루프 씨가 설명하듯, 슈테 설계는 종방향과 횡방향 가공 유닛을 두 개의 머신 스탠드에 분할 배치하는 것을 포함합니다. 스핀들과 드라이브 헤드는 비틀림과 진동에 강한 미네랄 주물 복합 머신 베이스에 장착되고 견고한 종방향 지지 빔으로 연결됩니다. 이는 최적의 힘 분배와 높은 강성을 보장하는 폐루프 프레임워크를 만듭니다. 이 설계는 높은 소재 제거 능력에 반영되는 높은 안정성을 머신에 제공합니다.

슈테 멀티스핀들 자동 선반의 또 다른 특징은 '슈테 블록(Schütte-Block)'입니다. "이것이 우리 종방향 슬라이드에 높은 정밀도와 수명을 주고 정교한 드릴링 작업을 가능하게 합니다." 중국 고객 등 우리 머신에 덜 익숙한 고객들은 왜 이 특정 설계를 선택했는지 묻곤 합니다. "검증된 전통 설계로 슈테 머신에 비교 불가한 정밀도를 주며, 고객들이 높이 평가합니다."라고 루프 씨는 말합니다.

시간이 지나면서 산업 생산은 더 복잡한 공작물, 더 작은 배치, 더 짧은 수명 주기, 치열한 경쟁 환경을 반영해 변화했습니다. 이러한 니즈가 회사를 SCX 시리즈 6-스핀들 CNC 멀티스핀들 머신 개발로 이끌었습니다. SCX 시리즈에서는 공작물 생산과 직접 관련 없는 모든 것을 가공 영역에서 제거했습니다. 쿨런트, 윤활 라인, 케이블이 워크존 안에 없어 칩이 쌓이지 않습니다. 또한 크로스와 종방향 슬라이드에는 표준 툴 유닛이 장착되어 각각 다중 툴을 장착할 수 있습니다. 이 교체형 유닛에는 터닝, 드릴링, 밀링, 기어 호빙, 구면 및 폴리곤 터닝 등 거의 모든 구동 또는 고정식 니즈를 포함할 수 있습니다.

왜 동사의 성공적인 CNC 자동 멀티스핀들 선반 SCX 시리즈의 8-스핀들 변형 모델을 시장에 내놓는 데 10년이 걸렸을까요? 루프 씨는 다음과 같이 설명합니다. "8-스핀들 머신은 6-스핀들 머신보다 훨씬 더 복잡합니다. 최대 85개 축을 프로그래밍하고 제어해야 하는데, 이는 지멘스 840D 솔루션 라인 시리즈의 트리플 NCU에서만 가능합니다. 동시에 고객들이 익숙한 사용하기 쉬운 오퍼레이터 인터페이스를 제공해야 합니다."

CNC ACX 머신의 구성, 조작, 프로그래밍은 슈테가 개발한 SICS 사용자 인터페이스의 도움을 받아 수행됩니다. 이는 멀티스핀들 자동 ACX의 기능 범위에 최적으로 튜닝되어 있습니다. SICS는 오퍼레이터에게 각자 작업에 맞는 사전 정의된 입력 및 조작 메뉴를 제공합니다. 개별 제어 시스템과 채널로의 데이터 조정과 분배는 백그라운드에서 실행되며 사용자에게 보이지 않습니다.

소재는 보통 최대 42mm 직경의 바 소재 형태로 ACX 머신에 공급됩니다. 바스톡 대안으로, 블랭크나 반제품의 자동 공급을 개별 피딩 장치로 할 수도 있습니다. 완제품은 고객 요구에 따라 슈트, 배출 컨베이어, 또는 팔레트에 방향성 있게 적재됩니다. 클리닝과 측정 스테이션은 각 공작물 요구사항에 따라 구성돼 완제품 핸들링 시스템에 통합될 수 있습니다.

8-스핀들의 이점

ACX 머신은 완전 가공, 즉 공작물 전면과 후면이 단일 사이클에서 완료되도록 설계되었습니다. 8개 메인 스핀들과 최대 2개 카운터 스핀들의 동시 작업이 결정적으로 중요하다고 루프 씨는 설명합니다. 모든 스핀들은 액체 냉각 다이렉트 드라이브를 장착해 스핀들 캐리어의 열변위를 최소화하며, 서로 독립적으로 자유롭게 선택 가능한 스핀들 속도를 허용합니다. 85Nm 토크로 특히 높은 다이내믹스와 견인력을 가집니다.

머신은 복잡한 부품에 광범위한 가공이 필요할 때 8-스핀들 머신으로 운용하거나, 실제로는 단일 플랫폼에서 두 대의 머신이 동시에 협업하는 더블 4-스핀들 머신으로 운용할 수 있습니다. 매초마다 툴 스테이션이 항상 동일한 툴에 동시 접근합니다. 더블 4-스핀들 가공 결과로 머신은 드럼 회전당 2개 완제품을 생산합니다. 더블 후면 가공에서는 공작물 전면 가공용 8개 스핀들 포지션과 후면 가공용 2개 스핀들 포지션이 모두 동시에 작동합니다.

선택 사양인 7, 8번 포지션의 추가 슬라이드로 생산성을 추가로 높일 수 있습니다. "이 기능을 통해 사용자는 후면 공작물 가공 중 추가 후면 가공 작업과 후속 공작물의 동시 사전 컷오프를 모두 구현할 수 있습니다."라고 루프 씨는 말합니다.

가공 유닛

AC10-36의 기본 구조는 캠 제어 자동 선반의 고전적 컨셉을 따릅니다. 8개 스핀들이 정밀 제작된 스핀들 드럼에 인덱싱되며, 견고한 힐스 커플링(Hirth coupling)으로 높은 반복정밀도로 잠깁니다. 1~8번 포지션의 외경 가공용 크로스 슬라이드는 X, Z, Y축 가공이 가능합니다. X축 슬라이드는 리니어 가이드웨이 상에서 스핀들 중심선을 향해 반경 방향으로 이동합니다. Z축 운동은 하이드로스태틱 퀼(quill) 설계를 사용해 스핀들 중심선과 평행하게 이동하며 X축 캐리어를 90도에서 관통합니다. 두 축 모두 전자기계적으로 구동됩니다. 보간을 통해 8개 모든 스테이션에서 X-Z 윤곽 운동이 가능합니다.

모듈러 크로스 슬라이드 툴 터렛은 8개 스테이션 중 어디에서든 1개 이상의 툴을 절삭에 투입할 수 있어, 주어진 스테이션에서 사용 가능한 툴 수를 잠재적으로 곱할 수 있습니다. 이 유연성으로 단일 스테이션에서 다중 작업을 수행하거나, 무인 운전을 위한 중복 툴을 배치할 수 있습니다.

모든 크로스 슬라이드는 Y축 가공 능력도 제공할 수 있습니다. 리니어 운동에 더해 Z축을 스위블(swivel)하도록 배열할 수 있습니다. 이 운동으로 공작물에 2번째, 3번째 또는 더 많은 툴을 위치시킬 수 있습니다. 또한 리니어 X축과 로터리 C축 간 보간으로 Y축 밀링이 가능합니다.

힐스 커플링은 주어진 스테이션에서 절삭 공구를 운반하는 다양하게 구성된 터렛을 수용하는 데 사용됩니다. SCX 시리즈와 마찬가지로 ACX 표준 터렛에는 (오프센터) 드릴링, 딥홀 드릴링, 나사 절삭, 앵귤러 드릴링, 크로스 드릴링, 윤곽 밀링, 기어 호빙, 멀티에지 터닝, 구면 및 폴리곤 터닝(크로스), 구동 및 고정식 툴용 크로스 슬라이드(엔드워킹) 등이 포함됩니다. 본질적으로 중요한 점: 모든 유닛은 모든 스핀들 포지션에서 서로 독립적으로 사용할 수 있습니다.

표준 연결로 어떤 터렛이든 어떤 크로스 슬라이드에도 장착 가능합니다. 이 모듈러 설계는 고정식과 구동식 툴 모두에 적합합니다. 구동식 툴의 경우 인테그럴 모터가 Z축 퀼에 장착돼 8,500rpm을 생성합니다. 쿨런트 라인도 퀼을 통해 라우팅되어 워크존을 깨끗하게 유지합니다. 스루 툴 쿨런트 최대 100bar까지 지원됩니다.

크로스 및 종방향 슬라이드 터렛은 HSK 또는 캡토(Capto) 절삭 툴홀더를 사용해 확실한 클램핑과 퀵 체인지오버를 실현합니다. 표준화되고 정밀한 절삭 툴 인터페이스는 오프라인 툴 프리세터 활용을 장려해 머신 내 툴 교환을 가속화합니다.

자유롭게 접근 가능한 가공 영역

체인지오버를 용이하게 하기 위해, 공작물 가공과 직접 관련 없는 모든 것을 머신 작업 영역에서 제거했습니다. 밀폐된 절삭 영역에는 드라이브 구성요소, 가이드웨이, 윤활/쿨런트 라인, 배선이 없습니다. 툴링 퀵체인지를 용이하게 하고 칩 배출이 잘 되는 깨끗한 워크존입니다. 개방되고 깨끗한 워크존은 사용자에게 다양한 가공 구성을 추가하거나 제거할 자유도 줍니다.

"칩 축적 시 슬라이드, 드라이브 부착물, 케이블, 라인 등으로 인한 소재 제거 영역의 장애물이 없습니다." 루프 씨의 설명입니다. "뜨거운 칩이나 머신 셋업 중 케이블/호스 손상 위험이 더 이상 없습니다. 칩 둥지도 과거의 일입니다. 이는 부착물의 신뢰성과 가용성을 명확히 개선하고, 칩 및 칩 둥지 제거에 소요되는 비생산적 시간을 크게 줄입니다. 많은 작업장에서 이는 매우 귀중한데, 신뢰할 수 있는 자동 운전은 칩 배출 문제가 해결되어야만 가능하기 때문입니다. 이 모든 것이 난삭 소재 사용이 증가하는 상황에서 이루어진 것입니다. 이는 머신 용량 측면뿐만 아니라, 종종 길고 배출하기 어려운 칩 측면에서도 진정한 도전입니다. 드라이브와 가이드 시스템을 가공 영역 외부에 배치함으로써 이러한 중요 요소의 오염을 효과적으로 방지하고 조기 마모 위험을 제거합니다."

슈테의 ACX 시리즈는 전 세계 공급 가능합니다. 8-스핀들 설계는 금속 가공 작업장에서 점점 더 흔해지는 유연하고 저량산·고혼합 생산 니즈를 충족합니다. 또한 복잡한 부품에 대한 추가 가공 능력으로 고량산 생산 니즈도 충족합니다.