[샌드빅코로만트 제공] 같은 행동을 반복하면서 개선된 결과를 기대하는 것만큼 어리석은 것은 없다. 시장 흐름이 변하는 시그널이 명확히 나오는 상황에서 비용 절감 요구가 거센 기어 가공기업들도 변화가 요구되고 있다. 기계 툴링 전문업체 샌드빅코로만트의 자동차 부문 글로벌 제품 매니저 해리시 매니요어(Harish Maniyoor)가 세 가지 새로운 변속기 가공법을 통해 제조업체들이 어떻게 생산성을 극대화할 수 있는지 설명한다.

CoroMill 180 인서트 교환형 파워 스카이빙 커터 같은 공구로 파워 스카이빙을 수행하면 한 번의 셋업으로 모든 가공을 완료할 수 있다. [사진=샌드빅코로만트]

코로나19 팬데믹 중에 많은 생산 현장은 변덕스러운 저수요 또는 고수요 시나리오에 직면해 왔다. 하지만 환경이 어떻게 변하든 비용 절감은 항상 최우선 과제였다.

기어 가공을 예로 들어보자. 제조업체들은 더욱 유연한 기어 가공을 원하지만, 비용을 줄이면서 이를 달성하기는 쉽지 않다. 전통적으로 기어 가공이 수반되는 프로젝트는 특히 대량 생산에서 특수한 기계와 공정에 의존하곤 했다. 이는 생산 공정에 한계가 있고 때때로 비용이 상승한다는 것을 의미한다. 

하지만 세 가지 새로운 변속기 가공법을 통해 이러한 한계를 극복할 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 장점은 일반 엔지니어링, 풍력 발전, 우주 항공, 로봇 등 자동차 이외의 다른 산업 분야에도 해당된다. 

파워 스카이빙

파워 스카이빙은 공구가 가공되는 기어와 맞물리는 회전 절삭 기술이다. 연속 절삭 공정을 통해 모든 가공을 한 번의 셋업으로 수행할 수 있다. 기본적으로 파워 스카이빙은 호빙과 쉐이핑을 결합한 기술이고, 공구와 기어 축 간 교차 각과 회전 속도가 생산성에 결정적인 영향을 미친다.

30년 이상 전부터 사용되어온 파워 스카이빙을 지금 새로운 변속기 가공법에 관한 자료에서 다루고 있는 이유는 무엇일까? 왜냐하면 가공 환경이 전기 자동차(EV)용 변속기 제조를 포함한 다양한 분야에 영향을 미치는 방식으로 변화하고 있기 때문이다.

전기 자동차(EV)용 변속기는 높은 rpm에 견디기 위해 마모에 강해야 해 가공하기 까다롭기로 정평이 나 있다. [사진=utoimage]

전기 자동차

EV에 다단 기어나 변속기가 필요하지 않다는 것이 지금까지의 통념이었다. 그러나 Tesla나 Porsche 같은 전기 자동차 제조업체들이 다단 기어 EV를 출시하면서 이러한 생각은 변했다. 전기 모터는 기존의 자동차보다 훨씬 더 높은 분당 회전수(rpm)에 도달한다. 전기 모터의 분당 회전수가 20,000 rpm에 달하는 반면 기존의 내연기관은 4,000 ~ 6,000 rpm에 불과하다. 따라서 이러한 rpm을 관리 가능한 수준으로 낮추려면 감속 기어박스가 필요하다.

또한 EV 변속기는 높은 rpm에 견디기 위해 마모에 강해야 하고 그 결과 가공하기가 더 어렵다. 이러한 부품을 생산할 때 제조업체들은 가공물의 가공 속도를 나타내는 금속 제거율에 초점을 맞춰야 한다.

또 다른 중요한 EV 변속기의 요건은 엔진에서 소음이 발생하지 않기 때문에 기어박스의 소음을 최소화해야 한다는 것이다. 즉 가공물을 더욱 정밀한 공차로 생산해야 하기 때문에 가공이 더욱 까다롭다.

따라서 생산 현장에서 필요로 하는 것은 빠른 생산이다. 이러한 민첩성은 기존의 변속기 제조 공정에서는 불가능하다. 대신에 파워 스카이빙을 사용하면 복합 가공기나 머시닝 센터에서 한 번의 셋업으로 가공물 전체를 가공할 수 있다.

생산 시간을 단축하고 품질을 개선하며 취급 및 물류비용을 줄일 수 있다. 파워 스카이빙의 장점은 스웨덴의 한 유명 자동차 고객이 샌드빅코로만트에게 가공물 가공 솔루션의 공급을 요청했을 때 입증됐다.

샌드빅코로만트는 고객의 자동차 개발 팀과 협력해 CoroMill 180 인서트 교환형 파워 스카이빙 커터를 사용해 두 대의 5축 기계에서 파워 스카이빙을 수행할 수 있다는 점을 입증했다. CoroMill 180은 생산성이 높은 기어 및 스플라인 생산을 위해 설계됐다.

고객은 예상을 뛰어넘는 사이클 시간을 달성했다. 고객은 가공물당 14분 이내를 요구했고 달성한 사이클 시간은 가공물 당 1분 미만의 놀라운 성과를 보였다.

생산성 향상의 일환으로 구형 우주 항공 엔진이 업그레이드되는 추세이다.[사진=utoimage]

우주 항공

파워 스카이빙의 장점은 일반 엔지니어링, 윈드 터빈, 우주 항공, 로봇 등 자동차 이외의 다른 산업 분야에도 해당된다. 우주 항공 산업도 비용 절감에서 자유로울 수 없다. Airbus의 항공기 생산율이 30% 감소했다는 사실에서 알 수 있듯이 COVID-19 팬데믹이 우주 항공 산업에 미친 영향은 상당한 것으로 보고되고 있다.

EV와 마찬가지로 성능과 효율성의 향상을 위해 구형 우주 항공 엔진이 업그레이드되고 있으며, 생산에서 혁신이 일어날 것으로 기대된다. 직각에 근접해서 가공할 수 있어 더욱 자유롭게 가공물을 설계할 수 있는 등 파워 스카이빙의 유연성이 이러한 생산 혁신에 기여할 여지는 크다. 우주 항공 가공물은 인성이 강한 소재로 제작되기 때문에 인성이 더 강한 인서트가 필요할 수 있다.

이를 위해 샌드빅코로만트는 새로운 강 선삭용 ISO P 선삭 초경 인서트 재종 GC4415와 GC4425를 출시했다. 인서트 이름은 다양한 가공 조건에 기인하는 다양한 절삭조건에 대한 요구사항을 나타내는 ISO P15 및 P25 적용 영역을 가리킨다. 두 인서트 모두 향상된 내마모성, 내열성 및 인성을 제공한다.

또한 알루미나 코팅 층에 일방향 결정 구조를 구현한 2세대 Inveio기술이 인서트에 적용됐다. 현미경으로 관찰해보면 각 결정이 동일한 방향을 가리키는데, 그 결과 절삭 영역을 향해 강한 방어벽이 생성돼 인서트의 내마모성과 공구 수명이 더 늘어난다.

파워 스카이빙과 마찬가지로 GC4415와 GC4425 같은 인서트는 마모를 예측할 수 있어 기계 가동률과 비용 절감 효과를 높일 수 있다. 또한 일반 엔지니어링, 풍력 발전, 우주 항공, 로봇 등 기어 가공물을 필요로 하는 자동차 이외의 모든 산업 분야에도 이러한 장점이 해당된다.

분야에 상관없이 금속 제거율 향상, 한 기계에서 한 번의 셋업으로 전체 가공물 가공, 기계 가동률 향상 등의 장점을 누릴 수 있다. 샌드빅코로만트의 자체 조사에 따르면 기계 가동률이 20% 높아지면 매출총이익이 10% 증가한다.

사진은 왼쪽부터 GC4425와 GC4415 [사진=샌드빅코로만트]

생산성 극대화 주효

이러한 장점을 온전히 누리려면 CoroMill 180 같은 공구를 사용하는 것 이상이 필요한데, 바로 PrimeTurning 같은 새로운 가공법이다.

PrimeTurning 가공법은 척에서 가공물로 진입해 가공물의 끝을 향해 이동하면서 소재를 제거하는 공구에 기반을 두는데, 여기에서도 최우선 과제는 금속 제거율이다. 이 가공법의 장점은 더 작은 절입각, 더 큰 리드각 그리고 더 높은 절삭 조건을 사용할 수 있다는 것이다. 뿐만 아니라, 동일한 공구로 기존의 툴링을 수행할 수 있어 생산 현장에서는 기존 공정과 새 공정을 번갈아 수행할 수 있다.

PrimeTurning을 사용할 경우 일부 분야에서는 생산성이 50% 이상 증가할 것으로 예상된다. 생산성을 극대화하는 가공 조건을 설정하도록 프로그래밍 코드와 기술을 제공하는 CoroPlus ToolPath소프트웨어를 함께 사용하면 더욱 유리하다.
  
파워 스카이빙이든, 새로운 초경 인서트든, PrimeTurning이든 상관없이 이 새로운 가공법들을 통해 제조업체의 공정을 개선하고 무엇보다도 수익성을 향상시킬 수 있다. 

또한 생산 현장에서는 오래된 관습에서 벗어나 변화와 혁신이 주는 혜택을 온전히 누릴 수 있다.

[최정훈 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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