스텝 터닝은 현대 제조에서 가장 기본적이지만 중요한 단계 중 하나입니다. 이 특수 가공 공정은 단일 축을 따라 직경이 다른 원통형 부품을 만드는데, "계단식" 프로파일이 만들어지기 때문에 이 기술의 이름이 붙여졌습니다.

전 세계의 엔지니어, 기계공, 제조업체는 스텝 터닝에 대해 알아야 합니다: 목적, 공정, 장점 및 단점, 그리고 다구경 샤프트가 필요한 70% 이상의 정밀 제조 작업에 스텝 터닝이 필요한 이유에 대해 알아야 합니다.

스텝 터닝은 단일 설정으로 복잡한 형상을 만들 수 있게 함으로써 제조업체가 다구경 부품을 만드는 방식을 변화시켰습니다. 여기에는 자동차 변속기 샤프트부터 정밀한 베어링 시트가 필요한 항공우주 부품까지 모든 것이 포함됩니다.

"스텝 터닝"이란 무엇을 의미하나요?

스텝 터닝은 하나의 원통형 공작물에 두 개 이상의 서로 다른 직경을 제어된 축 절삭을 통해 만드는 선반 작업의 한 유형입니다. 직경 섹션 사이의 급격한 90도 변화는 이 공정을 독특하게 만들고 계단식 프로파일을 제공합니다.

스텝 선삭 작업은 정밀한 숄더와 스텝으로 갑작스러운 변화를 만드는 반면 테이퍼 선삭은 점진적인 변화를 만듭니다. 이 방법은 일반 선반 또는 CNC 스텝 터닝 기계에서 수행되며, 공작물이 회전하는 동안 움직이지 않는 절삭 공구가 재료를 절단하여 원하는 계단 모양을 만듭니다.

이 공정에서는 베어링 시트, 기어 장착 표면 또는 부품 위치 지정을 위한 숄더와 같이 각기 다른 역할을 하는 여러 기능 영역을 가진 부품을 제작합니다. 업계 데이터에 따르면, 약 60%의 회전 기계 부품은 적절한 조립과 기능을 위해 계단형 프로파일이 필요합니다.

제조에서 스텝 선삭의 목적

주요 애플리케이션

스텝 터닝은 여러 가지 이유로 현대 제조에서 중요한 부분입니다:

컴포넌트 통합: 베어링, 기어, 풀리, 씰이 장착 표면에 완벽하게 맞는지 확인합니다. 각 단계마다 피팅 부품의 특정 직경을 지정하여 기계 인터페이스가 올바르게 작동하는지 확인합니다.

부하 분산: 계단식 샤프트는 여러 직경에 걸쳐 기계적 하중을 분산시켜 응력이 쌓이는 것을 방지하고 부품의 수명을 연장합니다. 연구에 따르면 올바르게 설계된 계단식 샤프트는 같은 직경의 샤프트보다 최대 40%의 무게를 더 견딜 수 있다고 합니다.

조립 효율성: 필요한 개별 부품의 수가 줄어들어 조립 속도가 빨라지고 고장 위험이 낮아집니다. 대부분의 경우 하나의 계단식 샤프트가 3~5개의 개별 부품을 대신할 수 있습니다.

특정 산업에서의 사용

• 자동차: 기어 장착 및 베어링 지원을 위해 변속기 입력 샤프트, 차동 피니언 및 크랭크 샤프트에는 매우 정밀한 계단식 프로파일이 필요합니다.
• 항공우주: 스텝 터닝은 랜딩 기어, 액추에이터 샤프트 및 터빈 어셈블리와 같은 부품의 중요한 치수 정확도를 위해 필요합니다.
• 산업 기계: 펌프 샤프트, 모터 로터, 기어박스 부품은 모두 계단식 설계를 사용하여 가장 잘 작동하고 가장 안정적입니다.

스텝 터닝 프로세스 - 세부 방법론

설정 및 준비

그리고 스텝 터닝 프로세스 는 세심한 공작물 준비와 기계 설정으로 시작됩니다:

재료 선택: 원자재 직경은 필요한 최대 스텝을 수용해야 하며, 일반적으로 가공 여유를 위해 2~3mm를 추가해야 합니다. 일반적으로 봉재가 사용되며, 직경은 애플리케이션 요구 사항에 따라 10mm에서 500mm까지 다양합니다.

작업 아홀드: 공작물이 선반 척에 적절히 고정되어 진동하지 않도록 중앙에 올바르게 고정됩니다. 길이 대 직경 비율이 4:1보다 긴 공작물에는 적절한 정확도를 위해 심압대 지지대가 필요합니다.

도구 선택: 스텝 터닝 도구 직선 선삭 공구, 분리 공구, 정삭 공구를 포함합니다. 카바이드 인서트는 내마모성과 표면 마감 품질이 우수하여 생산 공정에 선호됩니다.

가공 순서

• 대면 작업: 공작물의 끝을 향하게 하여 끝에 기준 표면을 만들고 모든 추가 측정은 이 표면을 사용하여 수행됩니다.
• 러프닝 컷: 이 재료 제거는 가장 큰 직경부터 시작하여 단계적으로 가장 작은 직경으로 내려가는 방식으로 이루어집니다. 사용 중인 재료의 특성에 따라 이송 속도는 일반적으로 회전당 0.1~0.5mm입니다.
• 스텝 자르기: 직경 사이의 전환은 표면의 거칠기가 일반적으로 Ra 1.6~3.2 미크론에 이르는 90도 숄더를 얻기 위해 몇 가지 특정 선삭 공정을 통해 처리됩니다.

라이트의 패스 및 최종 컷은 일반적으로 ±0.05mm의 표준 공차를 포함하여 치수 정확도와 표면 마감 품질을 확보합니다.

품질 관리

• 차원 검증: 캘리퍼 또는 마이크로미터는 각 직경 단계를 측정하며, 가공 프로세스 중간과 가공 절차 후에 사양이 충족되었는지 확인하기 위해 검증을 수행합니다.
• 서피스 평가 완료: 프로파일로미터를 사용하여 표면 거칠기를 측정하고 부품 결합 표면의 설계 관련 요구 사항을 충족합니다.

스텝 터닝의 장점

운영상의 이점

• 단일 설정 효율성: CNC 스텝 터닝을 사용하면 부품뿐만 아니라 완제품도 한 번의 설정으로 제조할 수 있어 위치 지정의 부정확성과 사이클 시간을 여러 번 작업하는 것보다 30~50% 단축할 수 있습니다.
• 정확도 향상: 런아웃에 의해 성능이 영향을 받는 회전 어셈블리에서 필수적인 0.02mm 이내의 모든 직경의 동심도를 제공합니다.
• 비용 효율성: 조립 방식보다 재료 낭비가 적으며, 문헌에 따르면 대부분의 애플리케이션에서 25~40%의 재료를 절약할 수 있는 것으로 나타났습니다.

프로덕션 이점

• CNC 스텝 터닝 고속 제조: 오늘날 복잡한 계단식 부품은 기존 조립 기술을 사용할 경우 몇 시간이 걸리던 것을 최신 CNC 스텝 터닝 센터에서 몇 분 만에 완료할 수 있습니다.
• 일관성: 자동화된 제어는 통계적 공정 제어 기능을 통해 인적 변수를 제거하여 생산 공정 전반에 걸쳐 동일한 부품을 보장합니다.
• 도구 수명 최적화: 적절한 절삭 파라미터를 사용하면 강철 부품에 최대 200~500개의 부품을 사용할 수 있는 카바이드 인서트를 사용하여 공구의 수명을 연장할 수 있습니다.

디자인 유연성

• 복잡한 지오메트리: 기존 어셈블리에서는 구현할 수 없는 복잡한 계단형 프로파일(예: 복합 각도 및 트랜지션 속성)을 생성할 수 있습니다.
• 머티리얼 최적화: 이를 통해 비용에 영향을 주지 않으면서 필요한 곳에만 고강도 소재를 사용하는 전략적 소재 포지셔닝이 가능합니다.

스텝 터닝의 단점

재료 제한

• 높은 낭비: 직경의 차이는 특히 재료가 고가의 합금이나 이국적인 재료인 경우 재료의 최대 50~70%를 낭비할 수 있습니다.
• 재고 크기 제한: 원재료는 작은 최종 직경이 필요한 경우 가장 큰 스텝을 수용할 수 있을 만큼 큰 직경 또는 큰 직경으로만 제공되는 재고로 인해 효율성이 제한됩니다.

프로세스 제한 사항

• 기하학적 제한: 스텝 터닝 공정은 곡선, 경사진 피처 및 복잡한 프로파일을 생성할 수 없으므로 부품을 완성하려면 다른 작업의 개입이 필요합니다.
• 감도 설정: 설정은 매우 민감하므로 0.05mm의 설정 오차만 있어도 허용 오차 이상의 치수 변경이 발생할 수 있습니다.
• 도구 액세스 문제: 계단이 깊거나 피처 간격이 좁은 경우 도구 간극 문제가 발생하여 달성 가능한 지오메트리가 제한될 수 있습니다.

경제적 고려 사항

• 시작 비용: CNC 스텝 터닝 기계는 높은 자본 투자가 필요하며, 현재 터닝 센터는 15만~50만 대에 달합니다.
• 제조 복잡성: 복잡한 계단식 부품에는 정교한 프로그래밍이 필요하므로 준비 시간과 기술이 향상됩니다.
• 재료비: 폐기물 발생은 재료 사용 효율성에 영향을 미치며, 특히 티타늄이나 인코넬과 같은 고가의 재료의 경우 더욱 그렇습니다.

스텝 터닝 도구 및 장비

필수 장비

• CNC 터닝 센터: 최신 기계 CNC 가공 다축 기능, 라이브 툴링, 서브 스핀들을 통해 완벽한 공작물 가공이 가능합니다. 스핀들 회전수는 50-4000RPM, 출력은 15-100HP입니다.
• 절단 도구: 생산 소프트웨어에서 카바이드 인서트 공구는 공구 수명이 예측 가능하고 표면을 재현할 수 있어 비용 효율적인 공구 수명으로 중요한 역할을 합니다. 공구 홀더는 진동을 줄여주는 강성과 정밀도를 제공해야 합니다.
• 측정 시스템: 검사는 디지털 캘리퍼, 마이크로미터, 좌표 측정기(CMM)를 사용하여 완제품의 치수 오류를 중점적으로 검사합니다.

고급 기술

• 라이브 툴링 통합: 대폭 향상된 스텝 선삭 기능으로 부품을 재배치하지 않고도 전체 드릴링, 밀링 및 스레딩 공정을 완료할 수 있습니다.
• 자동 툴 체인저: 현재 시스템에서는 무조명 제조를 허용하고 사이클 시간을 5초 미만으로 단축하는 것이 일반적입니다.

산업 분야에서의 사용

자동차 제조

변속기 부품은 가장 큰 응용 분야로, 계단식 샤프트를 통해 적절한 기어 맞물림과 베어링 지지를 가능하게 합니다. 입력 샤프트는 일반적으로 0.01mm 동심도 요건 내에서 3~5개의 서로 다른 직경이 특징입니다.

항공우주 부품

중요한 비행 하드웨어는 뛰어난 정밀도를 요구하며, 계단식 액추에이터 샤프트는 Ra 0.8미크론 이상의 표면 마감 값과 ±0.025mm 이내의 치수 공차를 필요로 합니다.

산업 장비

펌프 샤프트, 모터 로터 및 기어박스 구성품은 최적의 성능을 위해 스텝 터닝을 활용하며, 일반적으로 연간 생산량은 100~10,000개에 이릅니다.

최적의 결과를 위한 모범 사례

머신 설정

• 공작물 지원: 길이 대 직경 비율이 4:1을 초과하는 경우 적절한 고정 받침대 또는 심압대 지지대를 사용하여 처짐과 진동 소음을 방지합니다.
• 도구 선택: 알루미늄에는 양의 경사각을, 경화강에는 중립/음극 경사각을 사용하여 도구 형상을 재료 특성에 맞출 수 있습니다.

프로세스 최적화

• 절단 매개변수: 직경 변화에도 일관된 표면 속도를 유지하고 그에 따라 RPM을 조정하여 공구 수명과 표면 조도를 최적화합니다.
• 냉각수 적용: 적절한 플러드 절삭유 또는 고압 시스템은 표면 마감을 개선하고 생산 애플리케이션에서 공구 수명을 200-300% 연장합니다.

스텝 터닝 기술의 미래 트렌드

• 자동화 통합: 인더스트리 4.0 기술은 예측 유지보수 및 적응형 제어를 가능하게 하여 가동 중단 시간을 줄이고 품질 일관성을 개선합니다.
• 고급 재료: 새로운 절삭 공구 재료의 개발로 티타늄 알루미나이드 및 세라믹 매트릭스 복합재와 같이 가공하기 어려운 재료까지 기능이 확장되었습니다.
• 시뮬레이션 소프트웨어: 고급 CAM 시스템 통합 시뮬레이션을 통해 프로그래밍 시간을 단축하고 생산 시작 전에 잠재적인 충돌을 제거합니다.

결론

스텝 터닝의 목적, 공정, 장점과 단점을 이해하는 것은 현대 제조의 성공을 위해 필수적입니다. 이 다목적 가공 공정은 재료 사용률과 기하학적 유연성의 한계에도 불구하고 다 직경 부품에 탁월한 정밀도와 효율성을 제공합니다.

CNC 스텝 선삭 기술이 잘 구현되면 제조업체는 현재 까다로운 응용 분야에서 요구하는 엄격한 공차를 유지하면서 생산성 측면에서 상당한 이득을 얻을 수 있습니다. 자동화 및 절삭 공구의 발전으로 스텝 선삭은 정밀 제조 분야에서 대체할 수 없는 공정이 될 것입니다.

지능형 자동화, 예측 유지보수 및 첨단 소재는 스텝 터닝 작업의 미래 방식이며 전 세계 제조업체에 향상된 효율성과 잠재력을 제공합니다.

스텝 터닝에 관한 자주 묻는 질문: 목적, 프로세스, 장점 및 단점

Q1: 스텝 터닝과 테이퍼 터닝의 차이점은 무엇인가요?

스텝 회전 는 90도 숄더로 급격한 직경 변화를 생성하는 반면 테이퍼 터닝은 점진적인 직경 전환을 생성합니다. 스텝 터닝은 부품 장착 표면에 사용되는 반면 테이퍼 터닝은 밀봉 또는 조립을 위해 각진 표면을 만듭니다.

Q2: 스텝 터닝 작업에 가장 적합한 재료는 무엇인가요?

널리 사용되는 소재는 탄소강, 스테인리스강, 알루미늄 합금, 황동입니다. 공구강이나 인코넬과 같은 단단한 소재는 특수 절삭 공구와 낮은 절삭 속도가 필요하지만 적절한 파라미터를 사용하면 성공적으로 가공할 수 있습니다.

Q3: CNC 스텝 선삭의 정밀도는 수동 선삭에 비해 어떻게 향상되나요?

CNC 스텝 터닝 인적 오류를 제거하고 일관된 절단 파라미터를 유지하며 ±0.01mm 이내의 반복성을 달성합니다. 또한 자동화된 시스템은 수동 작업으로는 불가능한 복잡한 형상을 구현하는 동시에 사이클 시간을 40~60%까지 단축합니다.

Q4: 스텝 터닝으로 얻을 수 있는 일반적인 허용 오차는 얼마입니까? 

표준 스텝 터닝 작업 Ra 1.6~3.2 미크론 표면 마감으로 ±0.05mm 치수 공차를 달성합니다. 정밀 애플리케이션은 적절한 장비와 공정 제어를 통해 ±0.01mm 공차를 달성할 수 있습니다.

Q5: 스텝 터닝 응용 분야에서 재료 낭비를 최소화하려면 어떻게 해야 합니까? 

필요한 최대 단계에 가장 가까운 원자재 직경을 선택하고, 부품 방향을 최적화하여 재료 사용을 극대화하고, 4:1을 초과하는 극단적인 직경 비율의 부품에 대한 대체 제조 방법을 고려합니다.