고강도 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계: 기능, 작동 방식, 필요한 시기

고강도 이중 스핀들 터닝 및 밀링 머신이란 무엇입니까?

트윈 스핀들 턴밀 센터 또는 이중 스핀들 멀티 태스킹 CNC 선반이라고도 하는 대형 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계는 견고한 단일 기계 프레임 내에서 CNC 선반과 밀링 기계의 기능을 결합한 고급 가공 플랫폼입니다. 별도의 터닝 및 밀링 스테이션을 통해 공작물을 라우팅하는 대신 이 등급의 기계는 단일 설정 또는 동일한 기계의 두 스핀들 간의 원활한 핸드오프를 통해 두 작업(종종 드릴링, 보링, 태핑 및 윤곽 가공)을 모두 완료합니다.

"중형"이라는 명칭은 단순한 마케팅 용어가 아닙니다. 이는 훨씬 더 큰 스윙 직경, 더 큰 스핀들 출력 및 토크 출력, 강화된 베드 및 헤드스톡 주조, 크고 복잡하거나 가공하기 어려운 공작물을 처리하는 데 필요한 구조적 강성을 특징으로 하는 특정 기계 구조 계층을 나타냅니다. 이 기계는 표준 턴밀 센터가 안정적으로 제공할 수 있는 수준을 초과하는 부품 크기, 재료 인성 및 공차 요구 사항을 충족하는 산업을 위해 제작되었습니다.

아키텍처, 기능 및 운영 논리 이해 견고한 이중 스핀들 터닝 및 밀링 머신 이 등급의 장비가 가공 요구 사항에 적합한지 평가하는 모든 생산 엔지니어, 제조 관리자 또는 조달 전문가에게 필수적입니다.

핵심 아키텍처: 이중 스핀들 시스템 배치 방법

이중 스핀들 선삭 및 밀링 기계의 정의적인 구조적 특징은 이름에서 알 수 있듯이 두 개의 스핀들, 즉 일반적으로 메인 스핀들과 서브 스핀들(카운터 스핀들 또는 보조 스핀들이라고도 함)이 있다는 것입니다. 이러한 스핀들이 배치되는 방식과 기계의 다른 축과 상호 작용하는 방식을 이해하는 것은 기계의 기능을 이해하는 데 기본입니다.

메인 스핀들

메인 스핀들은 기계의 기본 워크홀딩이자 회전축입니다. 중부하 작업 구성에서 메인 스핀들은 공격적인 절삭 부하에서도 안정적인 회전 속도를 유지할 수 있는 30~80kW 이상의 고토크 스핀들 모터로 구동됩니다. 스핀들 보어 직경은 일반적으로 샤프트 유형 구성품에 대한 바 스톡 공급을 수용할 수 있을 만큼 충분히 크며, 중장비 기계의 척 크기는 기계 등급에 따라 일반적으로 315mm에서 630mm 이상입니다.

서브 스핀들

서브 스핀들은 Z축을 따라 메인 스핀들을 향하고 있으며 부품이 로딩 장치나 사람의 손에 닿지 않고 자동화된 전송을 통해 메인 스핀들에서 직접 부분적으로 가공된 공작물을 받도록 설계되었습니다. 이 전달 기능을 통해 기계는 단일 연속 사이클로 부품의 양쪽 끝을 가공할 수 있습니다. 대형 기계의 서브 스핀들은 일반적으로 경량 안정 받침대가 아닌 그 자체로 최대 출력 스핀들이며, 메인 스핀들이 할 수 있는 모든 선삭 및 밀링 작업을 수행할 수 있습니다.

터렛 또는 밀링 헤드 구성

견고한 이중 스핀들 턴밀 센터는 라이브(구동) 공구 위치를 갖춘 다중 스테이션 터렛 또는 전체 5축 보간 기능을 갖춘 전용 B축 밀링 헤드 등 두 가지 공구 전달 시스템 중 하나를 사용합니다. 터렛 기반 기계는 일부 또는 모든 스테이션에서 라이브 툴링을 통해 12~24개의 공구 위치를 제공하므로 더욱 일반적이고 비용 효율적입니다. B축 기계에는 도구의 방향을 어떤 각도로든 지정할 수 있는 피봇팅 밀링 스핀들이 추가되어 복잡한 복합 각도 기능이 가능하고 보조 설정이 거의 필요하지 않습니다.

Y축 및 다축 기능

표준 선반은 X축과 Z축에서만 작동합니다. 견고한 이중 스핀들 선삭 및 밀링 기계는 Y축(스핀들 중심선에 대한 공구의 수직 이동)을 추가합니다. 이를 통해 기존 터닝 센터에서는 수행할 수 없는 중심에서 벗어난 밀링, 편심 드릴링, 키홈 절단 및 윤곽면 작업이 가능합니다. 많은 최신 구성에는 C축(제어 스핀들 회전) 및 B축(공구 기울기)도 포함되어 단일 기계 범위에서 완전한 5축 동시 가공 기능을 생성합니다.

이중 스핀들 턴밀 센터가 수행할 수 있는 주요 가공 작업

견고한 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계에 대한 투자에 대한 가장 설득력 있는 주장 중 하나는 단일 플랫폼에 통합된 광범위한 작업 범위입니다. 기계에서 공작물을 제거하지 않고도 다음 작업을 모두 수행할 수 있습니다.

• OD 및 ID 선삭: 프로파일링, 홈 가공, 나사 가공 및 스핀들 전송을 통한 양쪽 끝단 페이싱을 포함하여 전체 부품 길이에 걸쳐 외경 및 내경 선삭이 가능합니다.
• 라이브 툴 밀링: 스핀들이 C축 제어에 따라 인덱싱되거나 천천히 회전하는 동안 터렛의 구동 공구를 사용하여 평면 밀링, 포켓 밀링 및 윤곽 밀링을 수행합니다.
• 축방향 및 반경방향 드릴링: B축 포지셔닝을 사용하는 교차 구멍 및 각진 구멍을 포함하여 스핀들 축(축)과 수직(반경)을 따라 드릴링 작업을 수행합니다.
• 태핑 및 스레딩: 강성 탭 홀더를 사용한 동기 탭핑과 라이브 툴링을 사용한 나사 밀링 모두 별도의 탭핑 센터가 필요하지 않습니다.
• 기어 절단: Y축과 라이브 툴링을 갖춘 견고한 턴밀 센터를 선택하면 스퍼 기어 및 스플라인에 대한 기어 호빙 또는 기어 밀링 작업을 수행할 수 있습니다.
• 깊은 홀 보링: 정밀 공차를 갖춘 대구경 보어의 내부 보링은 유압 실린더 부품, 밸브 본체 및 펌프 하우징의 일반적인 요구 사항입니다.
• 부품 절단 및 이송: 바 이송 부품의 자동 절단 후 서브 스핀들 픽업 및 2차 작업 가공이 중단되지 않는 단일 사이클로 이루어집니다.

이 기계 클래스에서 "무거운 작업"을 정의하는 구조적 특징

중부하 작업이라는 용어는 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계에 적용될 때 특정 엔지니어링 의미를 갖습니다. 이 기계는 까다로운 공작물을 처리하고 높은 절삭 부하에서 정밀도를 유지하는 능력에 직접적인 영향을 미치는 구조적 측면에서 표준 턴밀 센터와 다릅니다.

강화된 침대 건설

견고한 트윈 스핀들 머시닝 센터는 두꺼운 단면의 Meehanite 주철 베드 또는 비틀림 및 굽힘 강성을 극대화하도록 설계된 내부 리브가 있는 가공 강철 용접물을 사용합니다. 베드 형상은 일반적으로 회전 중심 기계의 경사 베드(보통 45도 또는 60도)로 칩 배출을 개선하고 가이드웨이에서 더 나은 중력 칩 흐름을 위해 절삭 영역을 배치합니다. 캐리지의 박스웨이 또는 강화 및 연삭 선형 가이드웨이 시스템은 시간이 지나도 가이드웨이 변형 없이 심한 단속 절삭에 필요한 하중 지지력을 제공합니다.

고토크 스핀들 모터

표준 턴-밀 센터에 15~22kW 스핀들 모터가 있을 수 있는 경우, 고강도 구성은 일반적으로 37kW에서 시작하여 가장 큰 플랫폼에서 75kW 이상으로 확장됩니다. 토크 곡선도 마찬가지로 중요합니다. 낮은 스핀들 속도에서 2,000~10,000Nm 이상의 최대 토크 값이 일반적이므로 인코넬, 티타늄, 듀플렉스 스테인리스강, 경화 공구강과 같은 경질 소재의 대구경 공작물에 대한 공격적인 황삭 절삭이 가능합니다. 스핀들과 모터 샤프트가 직접 통합되는 내장형 스핀들(BIS) 기술은 벨트 또는 기어 전달 손실을 제거하고 열 증가를 줄입니다.

열 보상 시스템

항공우주, 에너지 부문 및 정밀 엔지니어링 고객이 요구하는 정확도 수준에서 기계 구조의 열적 증가는 정확도의 중요한 적입니다. 밀링 기능이 있는 견고한 이중 스핀들 CNC 선반은 스핀들, 베드 및 볼스크류 어셈블리 전체에 여러 온도 센서를 통합하여 CNC 제어 장치의 열 보상 알고리즘에 데이터를 공급합니다. 이러한 알고리즘은 열팽창으로 인한 치수 오류를 상쇄하기 위해 축 위치를 실시간으로 미세 수정하여 지속적인 수동 측정 개입 없이 장기간 생산이 진행되는 동안 부품 정확도를 유지합니다.

절삭유 및 칩 관리

대형 공작물은 대량의 칩을 생성하며, 선삭과 동일한 인클로저에서 고속 밀링 작업을 수행하려면 정교한 절삭유 공급이 필요합니다. 견고한 턴-밀 센터는 일반적으로 드릴링 및 밀링 공구용 고압 공구 관통 절삭유(70bar 이상), 선삭용 절삭유 플러드 시스템, 절삭 영역에서 칩을 지속적으로 제거하기 위한 칩 컨베이어 또는 칩 오거 시스템을 갖추고 있습니다. 적절한 칩 관리는 단순히 청결도 문제가 아닙니다. 절삭 영역에 칩이 쌓이면 2차 절삭, 공구 손상 및 표면 조도 저하가 발생합니다.

이러한 기계에 대한 수요를 촉진하는 산업 및 응용 분야

견고한 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계는 범용 장비가 아닙니다. 이는 기능, 강성 및 자동화의 조합이 동일한 비용과 품질로 어떤 대체 접근 방식도 따라올 수 없는 결과를 제공하는 특정 산업 및 구성 요소 유형에 대한 정당한 투자입니다.

별도의 터닝 및 밀링 설정에 비해 생산성 이점

견고한 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계의 비즈니스 사례는 대안과의 비교에 달려 있습니다. 즉, 순차적 작업에서 전용 CNC 선반과 별도의 머시닝 센터를 통해 동일한 부품을 라우팅하는 것입니다. 이러한 전통적인 접근 방식에는 결합된 플랫폼이 제거하는 비용과 위험이 따릅니다.

재고정 오류 제거

가공된 부품을 한 기계에서 제거하고 다른 기계에 다시 척을 장착할 때마다 데이텀 이동, 재클램핑 왜곡 및 정렬 오류가 발생할 가능성이 있습니다. 동심도, 직각도 또는 선삭 피처와 밀링 피처 사이의 위치 공차가 엄격한 부품의 경우 이러한 재고정 오류로 인해 전체 공차 예산의 상당 부분이 소비될 수 있습니다. 단일 설정 또는 정밀 스핀들 간 전송으로 모든 작업을 완료함으로써 트윈 스핀들 턴밀 센터는 이러한 상호 작업 오류를 완전히 제거합니다.

진행 중인 작업 재고 감소

전통적인 다중 기계 라우팅에서는 구성 요소가 작업 사이에 대기합니다. 때로는 바쁜 작업장에서 몇 시간 또는 며칠 동안 대기합니다. 이 WIP(작업 진행 중) 재고는 묶여 있는 자본, 바닥 공간 소비 및 연장된 리드 타임을 나타냅니다. 듀얼 스핀들 턴-밀 센터는 단일 기계 사이클로 원재료부터 완제품 상태까지 부품을 처리하여 WIP를 획기적으로 줄이고 원재료부터 완제품 부품까지 훨씬 더 빠른 처리량을 가능하게 합니다.

인건비 및 처리 비용 절감

기계 간에 부품을 이동하려면 하역, 운반, 청소, 재측정, 재고정 및 다음 작업 설정 등 작업자의 시간이 필요합니다. 고임금 제조 환경에서는 이러한 처리 노동이 총 부품 비용의 상당 부분을 차지할 수 있습니다. 단일 기계 내에서 이 시퀀스를 자동화하면 여러 인력 접점이 제거되고 순차적 작업을 위해 여러 기계에 인력을 배치하는 대신 한 명의 작업자가 전체 사이클을 감독할 수 있습니다.

두 스핀들 동시 가공

고급 대형 이중 스핀들 CNC 기계를 사용하면 메인 스핀들과 서브 스핀들 모두에서 동시에 절단이 가능합니다. 이 기능을 "밸런스 절단" 또는 "동시 4축 터닝"이라고 합니다. 메인 스핀들이 새 공작물에 황삭 가공을 수행하는 동안 서브 스핀들은 이전에 이송된 부품을 동시에 마무리 선삭할 수 있습니다. 이러한 사이클 시간의 중첩은 부품당 유효 사이클 시간이 두 개별 작업의 합보다 훨씬 짧아 순차적 단일 스핀들 처리로는 달성할 수 없는 생산성 향상을 가져온다는 것을 의미합니다.

이중 스핀들 턴밀 센터용 CNC 제어 시스템

CNC 제어 시스템은 견고한 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계의 두뇌이며, 그 기능은 기계가 수행할 수 있는 작업, 프로그래밍이 얼마나 쉬운지, 연결된 제조 환경에 얼마나 잘 통합되는지를 직접적으로 결정합니다. 이 까다로운 애플리케이션에서 모든 컨트롤이 동일한 것은 아닙니다.

다중 채널 CNC 아키텍처

이중 스핀들 턴밀 센터에는 충돌이나 간섭 없이 두 개의 독립 스핀들, 두 개 이상의 공구 캐리어 및 여러 동시 축 이동을 관리할 수 있는 다중 채널 CNC 제어가 필요합니다. Siemens(SINUMERIK 840D sl/ONE), Fanuc(30i/31i/32i 시리즈), Mitsubishi(M800 시리즈) 및 Mazak의 독점적인 MAZATROL의 제어 장치는 모두 스핀들 간 부품 핸드오프, 동기화된 태핑 및 균형 잡힌 절단 사이클을 자동으로 조정하는 동기화 기능을 통해 다중 채널 작업을 지원합니다.

대화식 및 CAM 호환 프로그래밍

대형 트윈 스핀들 머시닝 센터를 프로그래밍하는 것은 표준 2축 CNC 선반을 프로그래밍하는 것보다 훨씬 더 복잡합니다. 최신 제어 장치는 G 코드 전문 지식 없이 기능별 부품 프로그래밍을 통해 운영자를 안내하는 대화형 프로그래밍 인터페이스(Mazak의 MAZATROL 또는 Okuma의 OSP 등)와 3D 모델에서 다중 채널 기계별 코드를 생성하는 CAM 소프트웨어 후처리기(Mastercam, Hypermill, Siemens NX 등)의 두 가지 방법으로 이 문제를 해결합니다. 복잡한 항공우주 또는 에너지 구성 요소의 경우 전체 기계 시뮬레이션을 갖춘 오프라인 CAM 프로그래밍은 첫 번째 칩이 절단되기 전에 충돌을 방지하고 사이클 시간을 최적화하기 위한 표준 접근 방식입니다.

충돌 회피 및 기계 시뮬레이션

2개의 스핀들, 2개의 공구 캐리어 및 여러 축이 모두 제한된 기계 공간 내에서 동시에 이동하므로 충돌 위험은 단순한 2축 선반보다 훨씬 높습니다. 이중 스핀들 턴-밀 센터를 위한 고급 CNC 제어 장치에는 실시간 3D 기계 시뮬레이션과 각 이동을 실행하기 전에 척 조, 고정 받침대, 반대 스핀들을 포함한 모든 기계 구성 요소에 대한 공구 경로를 확인하는 충돌 감지 기능이 포함되어 있습니다. 이 기능은 고급 기능이 아닙니다. 이는 툴링, 공작물 및 스핀들 베어링을 밀리초 만에 파괴할 수 있는 치명적인 충돌을 방지하는 필수적인 보호 장치입니다.

기계 선택 시 평가할 주요 사양

올바른 중부하 작업용 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계를 선택하려면 실제 공작물 범위, 재료 및 볼륨 요구 사항에 대한 기술 사양을 체계적으로 평가해야 합니다. 다음 매개변수는 평가에 가장 중요합니다.

• 최대 스윙 직경 및 척 크기: 기계가 수용할 수 있는 가장 큰 직경의 공작물을 정의합니다. 대형 기계의 경우 스윙 직경은 500mm에서 1,000mm 이상인 것이 일반적입니다. 척 조 이동 거리와 보어 용량이 공칭 스윙뿐만 아니라 실제 공작물 치수와 일치하는지 확인하십시오.
• 최대 회전 길이: 스핀들 표면과 심압대 사이의 Z축 이동에 따라 기계가 회전할 수 있는 가장 긴 샤프트 또는 실린더가 결정됩니다. 견고한 구성에서는 침대 구성에 따라 1,500mm ~ 4,000mm 이상의 회전 길이를 사용할 수 있습니다.
• 메인 및 서브 스핀들 동력 및 토크: 각각 kW와 Nm 단위로 지정하십시오. 경질 재료 가공의 경우 낮은 RPM에서의 토크가 중요한 매개변수입니다. 서브 스핀들 동력 등급이 수행할 두 번째 작업 작업에 적합한지 확인하십시오. 동력이 부족한 서브 스핀들은 생산 병목 현상이 됩니다.
• 라이브 툴 스핀들 출력 및 최대 RPM: 기계의 밀링 기능을 결정합니다. 최대 6,000~12,000RPM의 속도에서 10~25kW의 라이브 공구 모터는 대부분의 밀링 작업에 적용됩니다. 보다 까다로운 밀링 작업에는 더 높은 RPM의 전용 B축 밀링 스핀들이 필요할 수 있습니다.
• Y축 이동: 중심을 벗어난 밀링 기능의 범위. ±50mm ~ ±100mm의 Y축 이동은 대부분의 편심 드릴링 및 밀링 작업에 적용됩니다. 넓은 면 밀링이나 중심선에서 멀리 떨어진 형상에는 더 큰 값이 필요합니다.
• 툴 스테이션 수 및 라이브 툴 위치: 스테이션이 많을수록 중간 주기에 필요한 공구 변경 횟수가 줄어들고 단일 프로그램에서 공구의 다양성이 커집니다. 모두 활성화된 24개 스테이션이 있는 견고한 턴밀 터렛은 복잡한 부품에 최대의 유연성을 제공합니다.
• 최대 공작물 중량: 스핀들, 척 및 고정 받침대 시스템의 부하 용량에 따라 기계가 안전하게 잡고 회전할 수 있는 가장 무거운 공작물이 결정됩니다. 이는 대형 플랜지, 밸브 본체 또는 빌렛 부품에 중요한 매개변수입니다.

자동화 및 Industry 4.0 시스템과의 통합

견고한 이중 스핀들 터닝 및 밀링 기계는 대규모 자본 투자를 의미하며, 이상적으로는 소등 또는 거의 무인 작업을 추진하는 등 활용도를 극대화하려면 자동화 시스템 및 디지털 제조 인프라와의 통합이 필요합니다.

자동화된 바 공급 및 부품 로딩

메인 스핀들과 통합된 바 피더를 사용하면 원자재 로딩을 위해 작업자의 개입 없이 연속적인 스톡 바 가공이 가능합니다. 빌렛 또는 대형 단조 작업의 경우 갠트리 로더, 로봇 암 시스템 또는 팔레트 기반 로딩 자동화를 구성하여 공작물을 메인 스핀들 척에 제공하여 무인 작업을 확장할 수 있습니다. 완성된 부품을 자동으로 받고 배출하는 서브 스핀들의 기능은 수동으로 언로드하지 않고도 자동화 루프를 닫습니다.

공정 내 측정 및 적응형 제어

기계 사이클 내에 터치 프로브 측정 시스템을 통합하면 CNC가 황삭 또는 준정삭 패스 후에 중요한 치수를 측정하고 후속 공구 오프셋을 자동으로 조정하여 공구 마모, 열 성장 또는 재료 변화를 보상할 수 있습니다. 이러한 적응형 제어 기능은 작업 간 수동 측정에 엄청나게 많은 시간이 소요되는 공차가 엄격한 부품을 장기간 생산하는 경우 특히 유용합니다.

데이터 연결 및 OEE 모니터링

최신 대형 이중 스핀들 머시닝 센터는 MTConnect, OPC-UA 또는 스핀들 부하, 사이클 시간, 알람 내역, 공구 수명 소모, 축 진단 등 기계 성능 데이터를 제조 실행 시스템(MES) 또는 클라우드 기반 모니터링 플랫폼으로 스트리밍할 수 있는 독점 IoT 프로토콜을 지원합니다. 이 데이터 연결은 기계에 투자된 자본에서 최대 가치를 추출하는 OEE(전체 장비 효율성) 모니터링, 예측 유지 관리 일정 및 지속적인 개선 프로그램의 기초입니다.

헤비듀티 듀얼 스핀들 턴밀 부문의 선두 제조업체

몇몇 공작 기계 제조업체는 특히 고강도 이중 스핀들 터닝 및 밀링 부문에서 강력한 명성을 얻었습니다. 각각은 서로 다른 엔지니어링 철학, 제어 선호도 및 애플리케이션 강도를 제공합니다.

• 마작(일본): Mazak의 INTEGREX 시리즈는 전 세계적으로 가장 인정받는 복합 가공 턴밀 센터 제품군 중 하나입니다. 이중 스핀들과 B축 밀링 헤드를 갖춘 견고한 INTEGREX 모델은 Mazak의 MAZATROL 대화형 제어 시스템이 지원하는 항공우주 및 에너지 부문 가공의 벤치마크입니다.
• DMG MORI(독일/일본): DMG MORI의 CTX 및 NTX 시리즈 트윈 스핀들 터닝 센터는 Siemens 또는 Fanuc 제어 옵션과 DMG MORI의 CELOS 디지털 제조 에코시스템과의 긴밀한 통합을 통해 광범위한 고강도 턴밀 응용 분야를 포괄합니다.
• 오쿠마(일본): Okuma의 MULTUS 및 LU 시리즈는 독점 OSP 제어 기능과 자동 로딩을 위한 ARMROID 및 STANDROID 로봇 통합 옵션을 갖춘 이중 스핀들 구성을 제공합니다. Okuma는 Thermo-Friendly Concept 기계 설계를 통해 열 안정성으로 특히 유명합니다.
• 나카무라토메(일본): 복잡한 멀티 태스킹 터닝 센터 전문업체인 Nakamura-Tome의 AS 및 NTY 시리즈는 터닝 및 밀링 작업이 모두 필요한 혼합도가 높고 복잡도가 높은 샤프트 및 플랜지 부품을 위한 자동차 및 정밀 엔지니어링 분야에서 널리 사용됩니다.
• 두산(대한민국): 두산의 Puma MX 및 LYNX 시리즈는 경쟁력 있는 고강도 이중 스핀들 턴밀 구성을 합리적인 가격에 제공하므로 처음으로 멀티 태스킹 가공 부문에 진입하는 작업장 및 계약 제조업체에게 매력적인 제품입니다.
• WFL Millturn Technologies(오스트리아): WFL은 대용량 복합 터닝 및 밀링 기계 전문 기업입니다. WFL의 MILLTURN 시리즈는 크랭크샤프트, 프로펠러 샤프트, 길이가 수 미터에 달하는 대형 항공우주 구조 부품 등 시장에서 가장 큰 공작물 범위를 다루고 있습니다.