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MFG와 함께하는 윤활 캠페인③ – 공작기계 스핀들 윤활, 이제는 시스템이다!

기계가 회전운동을 하기 위해서는 빼놓을 수 없는 ‘산업의 쌀’이라 불리는 베어링. SKF가 베어링이 파손되는 원인을 조사한 결과, ‘부적절한 윤활’이 34.4%로 가장 큰 비중을 차지했다. ‘잘못된 윤활유나 윤활유 오염으로 인한 불량(19.6%)’ 역시 눈여겨볼 요인이다. 이외에도 설치 불량이나 과부하 등 다양한 인자들이 베어링 수명에 영향을 미치지만, 윤활 관련 항목을 합친 것보다는 그 비중이 작다. 이러한 경향은 베어링뿐만 아니라 마찰이 일어나는 모든 부위에서 비슷하게 나타난다.

적절한 윤활은 물론 안전까지
윤활의 중요성에 대해서는 두 번 말해봐야 입만 아플 것이다. 빠르게 움직이든 천천히 움직이든 마찰이 일어나는 부위는 어김없이 마모로 이어진다. 마모가 일어난 부품을 적절한 시기에 교체해주는 ‘유지보수’도 중요하지만, 윤활을 통해 처음부터 부품이 마모되지 않도록 ‘예방 및 관리’할 경우 총소유 비용(TCO)을 크게 줄일 수 있다.

하지만 사람이 하는 일이 늘 완벽할 수는 없다. 처음에는 정해진 시간마다 정확한 양을 급유하더라도 시간이 지나면서 관리를 잊거나 정해진 것보다 더 많거나 적은 양의 윤활유를 주입할 수 있다. 윤활유를 처음 상태 그대로 관리하는 것도 문제다. 윤활유의 목표는 마찰하는 면 사이에 0.1~1μm의 간격을 만드는 것이다. 하지만 작업자가 윤활유를 옮기는 과정에서 1μm보다 훨씬 큰 이물질이 섞여 들어갈 수 있다. 이러한 이물질은 마찰하는 면 사이에서 마모를 일으킨다.

 자동윤활 시스템은 이러한 잠재적 위험요소를 제거해 준다. 자동윤활 시스템을 설치할 경우 정해진 시간마다 원하는 양의 오일 혹은 그리스가 급유되기 때문에 마찰면 사이의 간격을 일정하게 유지하고 인건비를 절약할 수 있다. 또 급유 포인트 가운데에는 작업자의 눈에 잘 띄지 않거나 안전 문제로 접근하기 힘든 곳이 있다. 자동윤활 시스템을 활용하면 이러한 급유 포인트에도 안전하고 손쉽게 윤활유를 공급할 수가 있다.

 공작기계와 윤활 시스템
자동윤활 시스템을 분류하면 크게 전손식(total-loss lubrication)과 순환식(circulating- oil lubrication)으로 나눌 수 있다. 전손식 시스템에서는 오일과 그리스를 모두 사용할 수 있으며 한번 급유된 윤활유는 증발되거나 그대로 버려진다. 따라서 오일을 지나치게 많이 공급할 경우 남는 오일이 흘러내려 환경오염의 원인이 되거나 작업자의 안전을 위협할 수 있다. 순환식 시스템은 초기 투자 비용이 크지만 오일 관리 지침을 잘 지킬 경우 한 번 주입한 윤활유를 최대 5년간 사용할 수 있어 경제적이다. 또한 사이클을 돈 오일은 내장 필터로 걸러지기 때문에 윤활유 관리 역시 수월하다.

한 대의 공작기계는 30~100개가량의 급유 포인트를 갖는다. 대형 장비는 급유 포인트가 몇백 개에 이르기도 한다. 그중에서도 가장 빠르게 회전하는 스핀들을 살펴보자. 기존 장비에서는 오일만으로도 베어링 윤활을 할 수 있었다. 하지만 장비가 고급화되면서 스핀들의 회전수가 20,000rpm을 넘자 오일만으로는 윤활이 힘들어졌다. 마찰을 줄이기 위한 윤활유 역시 지나치게 많이 공급될 경우 회전을 방해하기 때문이다. 이에 SKF에서 선보인 것이 Air+Oil 윤활 시스템이다. Air+Oil 윤활 시스템은 공기로 오일 방울을 작게 쪼개 운반하기 때문에 극소량의 오일을 꾸준히 공급할 수 있다. 또 함께 공급되는 공기가 베어링의 온도를 낮추고, 하우징 내부의 압력을 대기압 이상으로 끌어올려 외부의 이물질이 침투하지 못하게끔 막아준다.

최소한의 스핀들 윤활로 최적의 고속가공을
장비의 속도가 높아질수록 기계의 심장이라 불리는 스핀들의 회전속도와 가공 정밀도의 요구 조건도 높아지고 있다. 스핀들의 회전 속도가 빨라지면 회전체가 받는 마찰과 열도 그에 비례해 많아진다. 회전체에서 발생하는 마찰로 베어링과 샤프트 등으로 구성된 회전체 온도가 상승하면 베어링 등의 구성품이 수명한계보다 일찍 파손되거나 가공 품질이 전체적으로 하락한다. 스핀들의 회전속도를 제어하기 위한 적절한 윤활 시스템이 필요한 시점이다.

 ‘적절한’ 윤활이란?
스트리벡 곡선은 윤활 작용에 따라 회전체가 받는 마찰력을 그래프로 나타낸 것이다. 그래프의 시작 부분에는 마찰이 가장 극심하게 일어나고, 윤활유가 들어가면서 점차 마찰력이 내려가는 것(변곡점)을 볼 수 있다.

윤활 이론을 설명하는 스트리벡 곡선. 마찰과 점도지수의 함수 관계를 나타낸다.
윤활 이론을 설명하는 스트리벡 곡선. 마찰과 점도지수의 함수 관계를 나타낸다.

하지만 너무 많은 윤활유가 들어가게 되면 오히려 윤활유 자체가 회전체의 회전을 방해하는 요소가 되기도 한다. 그러므로 마찰 최저점인 변곡점과 가깝게 윤활을 조절하는 것이 적절하다. 다만 변곡점에 너무 근접해 윤활이 부족하지 않도록 변곡점보다 조금 크게 필요한 만큼만 하는 최소한의 윤활이 중요하다. 이는 장비 수명 증가에도 도움이 된다.

 스핀들 Air+Oil 윤활
SKF의 Air+Oil 윤활 시스템은 회전체의 종류와 크기, 운전 조건에 따라 최소한의 윤활유 분사량을 주입하는 방식이다. 즉, 정확히 측정된 양의 오일과 압축된 공기를 각 회전부에 공급해 회전체가 최적 온도에서 높은 회전 속도로 운전할 수 있게 돕는다.

Air+Oil 윤활 시스템이 적용된 스핀들의 베어링 회전 속도(rpm × dm)는 최대 200만 회까지 회전할 수 있다. 그리스 윤활에서 가능한 베어링 회전속도가 최대 120만 회 정도인 점을 고려하면 고속회전체에서 마찰과 열을 최소화할 수 있는 윤활 영역이 약 2배 가량 높아진 셈이다.

이러한 원리를 가능하게 해주는 스핀들 Air+Oil 윤활 시스템의 핵심은 통기성 믹싱 밸브다. 믹싱 밸브(mixing valve)는 말 그대로 오일과 공기를 적절히 혼합해 공작 기계의 회전부에 공급하는 장치다. 믹싱 밸브 내의 피스톤 분배기(카트리지) 크기에 따라 회당 오일 공급량을 결정할 수 있으며, 에어 유량 조정 나사로 압축 공기의 공급량을 조절 한다. SKF의 Air+Oil 시스템은 스핀들 회전 수가 25,000rpm 이상 장비에 적합하다. 

 SKF의 스핀들 Air+Oil 윤활 시스템
SKF의 스핀들 Air+Oil 윤활 시스템
오일과 공기를 적절히 혼합해 공작 기계의 회전부에 공급하는 장치인 믹싱밸브
오일과 공기를 적절히 혼합해 공작 기계의 회전부에 공급하는 장치인 믹싱밸브
 스핀들 Air+Oil 윤활 시스템. 윤활과 마찰력 감소에 필요한 만큼 설정된 오일방울은 좁은 튜브를 지나가는데, 이때 지속적으로 공급되는 압축공기와 함께 혼합되어 가는 줄 모양으로 밀어지며 윤활 포인트로 이동한다. 공기와 함께 이동한 오일은 노즐의 배출구에서 가장 미세한 형태의 작은 방울로 분사된다.

스핀들 Air+Oil 윤활 시스템. 윤활과 마찰력 감소에 필요한 만큼 설정된 오일방울은 좁은 튜브를 지나가는데, 이때 지속적으로 공급되는 압축공기와 함께 혼합되어 가는 줄 모양으로 밀어지며 윤활 포인트로 이동한다. 공기와 함께 이동한 오일은 노즐의 배출구에서 가장 미세한 형태의 작은 방울로 분사된다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.