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아이디어로 하늘을 날다 – 코오로이의 항공 솔루션

KORLOY(이하 코오로이)는 글로벌 시장 공략을 위해 프리미엄 제품군을 선정하고, 이를 위해 2018년부터 3년간 제품 연구 개발 및 생산에 1,000억 원에 달하는 대규모 투자를 집행하고 있다. PCD 공구, 다이아코팅 엔드밀, 홀 메이킹 공구 등 신규 제품을 개발하고, 소재 및 가공 기술 트렌드 변화로 새로운 솔루션이 요구되고 있는 항공, 의료, IT 등 신규 사업 분야의 경쟁 우위 확보를 통한 사업 확대를 위한 포석이다. 항공 시장에 대한 코오로이의 움직임을 들여다 보았다.

가공 수요가 많은 자동차, 항공 등의 산업에서 최근 불고 있는 명확한 트렌드는 연비 개선을 위한 ‘다운사이징’이다. 다운사이징이 활발해짐에 따라 절삭 가공의 경우도 예전처럼 인써트를 사용해 황삭을 수행하는 부분이 줄어들 수밖에 없다. 이 부분은 자연스럽게 솔리드 공구로 대체되게 되고 솔리드 공구의 사용 비중이 높아지고 있다. 항공 산업의 경우 항공기 수요 증가 추세가 계속될 것이라는 예측을 보더라도, 항공 용 솔리드 공구 수요의 증가는 충분히 예상할 수 있었다.

코오로이에서 항공 분야 국내외 기술영업을 담당하는 문병식 AIT팀장은 “코오로이의 53년 역사 중 50년 동안은 항공 분야에 내세울 것이 많지는 않았다. 하지만, 최근 3년간 놀라운 발전을 이루어냈다.”라고 밝혔다. 코오로이는 3년 전 항공팀을 처음으로 만들고 분석장비, 측정장비, 검사장비, 가공기 등에 대대적인 투자를 단행했다. 사실 가장 핵심적인 투자는 공구 개발을 위한 R&D 분야인데, 투자와 더불어 50년간 코오로이가 축적해 온 공구 개발 역량이 까다로운 항공 분야 공구를 개발하는데 결정적인 기여를 했다. 코오로이도 앞서 말한 다운사이징 트렌드에 따라 프리미엄 솔리드 공구 개발에 전략적인 우선순위를 두고 개발을 시작했다.

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코오로이 엔지니어들이 터빈 블레이드 티타늄 시편 테스트 가공을 하고 있는 모습.
코오로이 엔지니어들이 터빈 블레이드 티타늄 시편 테스트 가공을 하고 있는 모습.

세계 최초, 방전 가공을 절삭 가공으로
이런 와중에 3년 전 한화에어로스페이스로부터 공구 개발에 대한 제안이 들어왔다. 항공기 엔진의 터빈 디스크 슬롯 가공을 종전의 방전 가공에서 절삭 가공으로 대체하기 위한 공구를 개발해 보자는 제안이었다. 항공기 사고의 90%가 터빈 부품의 크랙에서 발생한다는 통계가 있다. 이 때문에 까다로운 항공 안전 규제 때문에 절삭 공구로 가공하는 것은 당시만 해도 생각하지 못했던 부분이다. 문제는 비싸고 오래 걸리는 방전가공으로는 폭발적으로 늘어나는 항공기 엔진의 가공 수요를 따라가기 버겁다는 것이었다.
세계적으로 전례가 없던 가공 대체 케이스였기 때문에, 개발 프로젝트에 대해서는 코오로이 내부적으로도 반대도 있었다. 그러나, ‘남들이 하지 않는 것을 해야 한다. 이게 아니면 안 된다’는 생각으로 프로젝트를 시작했다. 마침 당시 코오로이는 항공 분야 공구 개발을 위해 대대적인 투자를 시작한 상태였다. 대당 10억이 넘는 것으로 알려진 D사의 장비를 개발 장비로 구매했고, 당시 공구 개발을 위한 테스트 가공에 사용한 인코넬 718 소재만 해도 3억 원 어치에 달할 정도였다.

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코오로이가 항공 용 공구 개발 목적으로 도입한 D사 장비들. 대대적인 투자의 결과물이다.

아이디어가 기회로
문제는 터빈 디스크 슬롯을 절삭 가공으로 진행하는 것은 워낙 까다로워 공구 개발 난이도가 높다는 것이었다. 세계적으로도 전례가 없었던 이유이기도 했다. 발전기용 터빈 디스크 슬롯 가공의 경우는 절삭 가공으로 수행하기도 하는데, 이때는 트리커터(Tree Cutter)가 사용된다. 이번 프로젝트에서도 같은 방식의 트리커터를 사용하지만 항공기 엔진용 터빈 디스크 슬롯은 소재도 다르고 보다 높은 정밀도가 요구되었기 때문에 어려움이 있었다.

터빈 블레이드 슬롯의 가공은 4 단계로 진행된다. 1차 드릴링, 2차 테이퍼 러핑(Taper Roughing), 3차 세미 피니시(Upper Finish), 4차 최종 가공(Full Tree Milling) 순으로 진행한다.
터빈 블레이드 슬롯의 가공은 4 단계로 진행된다. 1차 드릴링, 2차 테이퍼 러핑(Taper Roughing), 3차 세미 피니시(Upper Finish), 4차 최종 가공(Full Tree Milling) 순으로 진행한다.
터빈 블레이드 슬롯 가공을 데모 시연하고 있다. 세미 피니시(Upper Finish) 용 공구를 사용.
터빈 블레이드 슬롯 가공을 데모 시연하고 있다. 세미 피니시(Upper Finish) 용 공구를 사용.

이때 내부에서 좋은 아이디어가 나왔다. 드릴로 구멍을 뚫은 뒤 트리커터로 두 차례 또는 세 차례 가공하자는 아이디어였고 이로인해 모든 문제가 풀리기 시작했다. 6개월 만에 드릴을 포함한 트리커터 공구와 가공 프로세스 개발을 완료했고, 원청인 한화에어로스페이스에서 항공 부품 발주자인 GE에 시험을 의뢰한 결과 방전가공으로 할 때보다 내부 조직 변화가 덜한 것은 물론 면 조도도 더 좋다는 결과와 함께 승인받을 수 있었다.
이로 인해 코오로이와 한화에어로스페이스는 세계 최초로 터빈 디스크 슬롯 절삭 가공을 상용화하게 되었고, GE로부터 장기 수주를 얻어내게 된다. 현재 코오로이는 한화에어로스페이스의 해당 양산 라인에 트리커터와 드릴 전량을 공급하고 있다.

코오로이에서 항공 분야 국내외 기술영업을 담당하는 문병식 팀장
코오로이에서 항공 분야 국내외 기술영업을 담당하는 문병식 팀장

항공 용 프리미엄 인써트
코오로이가 전통적으로 강한 인써트 분야에서도 역시 항공 분야를 위한 프리미엄급 공구 개발이 진행되고 있다. 항공에서 많이 사용하는 인코넬, 티타늄 합금과 같은 내열합금은 난삭재로서 가공 경화성이 크고, 열전도율이 낮기 때문에 가공 중 발생하는 열이 공구에 영향을 주어 치핑, 용착 및 돌발파손으로 조기에 공구의 수명이 종료되는 현상이 빈번하게 발생한다.

UNC840 밀링 인서트로 인코넬 718 소재의 항공기 엔진 케이스 황삭을 진행하는 모습니다.
UNC840 밀링 인써트로 인코넬 718 소재의 항공기 엔진 케이스 황삭을 진행하는 모습니다.

올해 초 코오로이는 이러한 문제를 해결한 항공 내열합금 난삭재 인써트용 Ultra Coating 재종인 UNC 시리즈를 선보였다. UNC 시리즈는 내치핑성 및 내균열성이 우수한 난삭재 가공 전용 Super Toughness 모재와, 내열합금 가공 시 안정적인 공구 수명을 제공하는 고성능 Ultra-CVD 코팅을 적용했다. UNC805는 S05 그레이드의 선삭 가공을 위한 재종으로 고성능 초미립 모재를 사용해 우수한 내마모성을 가지고 있으며, 절삭날의 최적화를 통해 고속가공에서 우수한 가공 품위를 구현하는 난삭재 가공에 최적화된 인써트다. UNC840은 S40 그레이드의 밀링 가공을 위한 재종으로, WC-Co 결합력을 높여 내치핑성을 향상시켰으며 개선된 인성을 통해 기존 제품 대비 약 1.5배 이상의 절삭 이송값을 적용 할 수 있다. 문병식 팀장은 “UNC 시리즈는 한화에어로스페이스를 포함해 국내 항공 부품 가공 기업 다수에서 사용되고 있고, 유럽 쪽 반응도 매우 좋다.”라고 말했다.

UNC805로 가공한 난삭소재 항공기 부품 (Ring Seal Asy)
UNC805로 가공한 난삭소재 항공기 부품 (Ring Seal Asy)
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UNC805로 30분 가공 후 공구 표면을 살펴보았다. 경쟁사 대비 양호한 공구 상태를 보이고 있다.

알루미늄 고속 가공
일반 절삭 가공 분야와는 달리 항공 분야는 조금 다른 특징을 가지고 있다. 대표적으로 알루미늄 가공 시에도 설비와 공구 모두 고속 가공에 최적화되어야 하는 것이다. 알루미늄 항공 부품 가공 시 통상 20,000~22,000rpm의 고속 가공이 많다. 이를 위해 절삭 공구는 18,000rpm이상, 심지어 30,000rpm 까지 커버해야만 한다. 문제는 기존 인덱서블 엔드밀은 고속가공 시 발생하는 큰 충격으로 인해 인써트의 위치를 변화시켜 파손을 유발한다는 것이다.
이러한 한계를 극복하기 위하여 코오로이는 2년에 걸친 개발을 통해 2019년 초 새로운 체결 방식을 적용해 고속 가공에 대응하는 프리미엄 알루미늄 밀링 공구인 Pro-V Mill을 출시했다. Pro-V Mill은 체결력 향상을 위해 키-키홈의 새로운 체결 방식을 적용해 고속 가공에서도 안정적인 절삭이 가능하다. 또한, 알루미늄의 구성인선 발생을 방지하기 위하여 인써트 상면을 경면 처리했다. Pro-V Mill은 윤활성이 높은 DLC 재종인 PD1010을 적용해 우수한 가공 품위를 구현하고 제품 수명을 증가시켰다. 이 제품은 프랑스 등 유럽 시장과 북미, 중국 시장에서 큰 호응을 얻고 있다.

Pro-V Mill은 체결력 향상을 위해 키-키홈의 새로운 체결 방식을 적용했다. 이로써 고속 가공에서도 안정적인 절삭이 가능하다.
Pro-V Mill은 체결력 향상을 위해 키-키홈의 새로운 체결 방식을 적용했다. 이로써 고속 가공에서도 안정적인 절삭이 가능하다.
Pro-V Mill은 알루미늄의 구성인선 발생을 방지하기 위하여 인서트 상면을 경면 처리했다.
Pro-V Mill은 알루미늄의 구성인선 발생을 방지하기 위하여 인써트 상면을 경면 처리했다.

 

About 이상준 기자

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