매엽 오프셋 인쇄기에서 판 실린더, 블랭킷 실린더, 압동 실린더는 이미지를 전달하고 잉크를 옮기며 용지를 블랭킷에 압착합니다. 이 실린더들을 양단에서 어떻게 지지하는지가 용지 한쪽에서 다른 쪽까지 인쇄 압력이 균일하게 유지되는지를 결정하며, 운전 속도의 상한도 좌우합니다. 20세기 대부분의 기간 동안 표준 해법은 평면 슬라이딩 베어링이었습니다. 현재 판매되는 거의 모든 신형 인쇄기는 대신 롤링 베어링을 사용합니다. 이 변화는 어느 한 가지 기발한 부품에서 비롯된 것이 아니라 주변 엔지니어링의 발전에서 비롯되었습니다.
슬라이딩 베어링이 잘한 점
저속 및 중속 운전에서 실린더 저널은 슬라이딩 베어링 안에서 회전했습니다. 이 설계는 길이 대 직경 비율이 크고 저쌍 접촉으로 작동하므로 유막이 충격을 흡수하고 구동이 원활하게 이루어집니다. 긴 접촉선은 실린더를 강성 있게 만들어 압동 압력에 의한 처짐이 줄어들고 축 방향으로 압력이 일정하게 유지됩니다. 슬라이딩 베어링은 가공이 쉽고 장착이 쉬우며 유지보수도 쉽습니다. 당시 인쇄기의 운전 속도에서는 모든 공정 요구를 충족했기에 이처럼 널리 사용되었습니다.
속도의 한계
1980년대부터 인쇄기 제조사들은 생산량을 높이기 시작했고, 가장 먼저 손댄 것이 속도였습니다. 슬라이딩 베어링은 이를 견디지 못했습니다. 마찰 계수가 높고 저널 접촉 면적이 크며 마찰 쌍의 간극이 작고 열 배출이 잘 되지 않아, 속도를 조금만 높여도 축이 부시 안에서 고착될 위험이 생깁니다. 고착을 피하려 간극을 넓히면 프레임 강성이 떨어지고 전동 정밀도가 낮아지며 용지에 잉크 줄무늬가 나타납니다. 이 시점에서 슬라이딩 베어링은 병목이 되었고 관심은 롤링 요소로 옮겨갔습니다. 그때까지 기계 설계와 제조 기술이 개선되면서 장애물은 이미 제거된 상태였습니다. 롤링 베어링은 길이 대 직경 비율이 작고 저쌍 접촉을 고쌍 접촉으로 바꾸므로, 압동 하중에서 실린더 본체가 잃는 강성을 회복시킵니다.
제조사들이 주저한 이유와 달라진 점
오래된 반론은 처짐이었습니다. 큰 압동 압력 아래에서 실린더는 휘고 처짐 곡선이 아래로 처지며 실린더 중앙부는 양단보다 압력이 낮게 유지되어 중앙의 망점과 문자 인쇄가 약해지고 용지가 기준을 통과하지 못합니다. 유한 요소 해석이 계산 방식을 바꾸었습니다. 설계자들은 이제 실린더 구조와 내부 공동을 최적화하여 리브와 웨브 플레이트의 수, 형상, 단면 치수를 분배함으로써 전체 강성을 높이고 하중에 의한 처짐을 허용 범위 안에 유지합니다.
실린더 제조도 같은 시기에 개선되었습니다. 재료와 경도는 이제 용해, 주조, 열처리 과정을 통해 관리됩니다. 인쇄기 실린더는 정적 정밀도와 강성뿐 아니라 동적 정밀도, 그리고 피로와 크리프 이후의 정밀도도 유지해야 합니다. 동적 정밀도는 질량 분포와 금속의 야금 조직 및 화학 조성에 따라 달라집니다. 런아웃은 실린더가 거의 정지한 상태에서 측정하지만, 운전 속도에서는 질량 분포와 결정립 구조가 완전히 균일할 수 없기 때문에 오차가 달라집니다.
베어링 공급 환경도 성숙했습니다. 선정, 끼워맞춤, 조립, 검사가 이제 일상화되었고, 고정밀 베어링을 국산과 수입품 모두 기술적 장벽 없이 구할 수 있습니다. 인접 부품도 이에 맞춰 개선되었습니다. 실린더 기어 정밀도는 운동 정밀도 그룹과 원활도 그룹 모두 4급 이상에 도달했으며, 이는 항공 기어에 쓰이는 것과 같은 등급입니다. 프레임 보어와 단면은 CNC 보링 밀링 머신에서 한 번의 클램핑으로 가공되므로 치수, 형상 공차, 표면 거칠기가 과구속 프레임 구조를 충족합니다. 이렇게 부품이 개선되면서 인쇄기는 더 안정적으로 작동하고 진동원이 줄어들며 실린더 시스템에 필요한 충격 흡수도 줄어듭니다. 하이델베르크, 미쓰비시, 고모리, KBA는 모두 롤링 베어링 지지를 표준으로 채택하고 있으며, 해외에서 축적된 경험은 국내 제조사에 명확한 참고 자료가 됩니다.
현재 사용되는 베어링 유형
첫 번째 결정은 어떤 베어링 구조를 채택할 것인가이며, 제조사마다 답이 다릅니다.
- 하이델베르크는 니들 롤러 베어링을 선호하며, 조립 시 니들을 측정하여 짝을 맞춰 조립함으로써 작동 틈새를 설정합니다.
- 롤랜드는 다열 단원통 솔리드 롤러 베어링과 스러스트 베어링을 조합하여 구성하며, 방사 방향과 축 방향 하중을 각각 조정합니다. 베어링 제조사가 작동 틈새를 보증하며 정밀도 요구가 높습니다.
- 미쓰비시는 테이퍼 롤러 베어링을 사용하며, 방사 방향과 축 방향 하중을 함께 지지하여 배치가 더 단순하고, 조립 중에 틈새를 설정하므로 끼워맞춤 기술에 대한 요구가 더 높습니다.
- 일부 국내 제조사는 미국 특허에 따라 제작된 중공 원통 롤러 베어링을 채택하여 높은 예압과 약간의 간섭으로 운전합니다.
이 모든 배열은 오프셋 인쇄기를 위한 것입니다. 각각 고유한 특성이 있으며 이론적으로 어느 것이든 실린더를 지지할 수 있습니다. 선택은 제조사의 설계 역량과 공정 수준, 기술팀이 각 베어링 유형을 이해하는 정도, 공장의 여건에 따르므로 객관적 한계와 엔지니어링 판단이 같은 지점에서 만나게 됩니다. 모든 옵션에서 틈새 제어가 공통된 관심사입니다.
예압과 작동 틈새
두 번째 기술적 문제는 예압입니다. 시스템 강성을 높이려면 베어링 쌍 사이의 틈새를 조정해야 하며, 설치 시 예압 후 남는 틈새가 최종 인쇄 품질과 기계 수명을 모두 결정합니다. 강성을 높이고 소음을 줄이려면 롤링 베어링은 음의 작동 틈새로 운전해야 합니다.
이론과 현장 경험이 목표에서 일치합니다. 작동 틈새가 약 -10 μm일 때 피로 수명이 가장 깁니다. 음의 값을 더 밀어붙이면 피로 수명이 급격히 떨어집니다. 베어링 온도가 크게 상승하면 열팽창으로 유효 틈새가 벤치에서 설정한 값보다 더 음의 방향으로 커지므로, 조립 시 그 변화를 위한 여유를 남겨야 합니다.