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자동차 가공의 달인. 코오로이- 코오로이의 자동차 공구 솔루션

삭가공 분야를 놓고 볼 때 자동차 분야는 커다란 시장임은 분명하지만, 경쟁 또한 매우 치열한 분야이다. 절삭 공구 메이커 중에서 자동차 분야를 공략하지 않는 곳은 거의 없다. 코오로이는 국내 자동차 부품 가공용 절삭 공구 분야에서 30% 정도의 시장 점유율 차지하고 있는 것으로 보고 있다. ‘자동차 가공의 달인’이라고 불러도 손색이 없을 코오로이의 자동차 부품 가공 솔루션을 알아본다.

최근 전 세계 자동차 분야의 메가트렌드는 경량화와 엔진 출력 증대를 동반한 다운사이징이라고 할 수 있다. 이러한 추세는 자연스럽게 소재의 난삭화를 초래하게 되는데, 이에 맞춰 자동차 분야 절삭 가공의 트렌드 역시 바뀔 수밖에 없다. 예를 들어 경량화를 위해 알루미늄 소재 사용이 증가한다 던지, 출력 증대를 위해 사용하는 터보차저 사용도 역시 늘어나게 된다. 고열이 발생하는 터보차저는 주로 스테인레스계 내열합금을 사용한다.
코오로이의 글로벌 기술지원을 총괄하고 있는 주형근 GTS(Global Technical Service) 실장은 “코오로이는 이러한 자동차 분야 절삭 가공 트렌드의 변화에 맞춰 공구를 개발, 개선하고 외산 공구를 대체하는 데 노력을 기울이고 있다.”라고 밝혔다. 코오로이는 특히 최근 PCD 라인을 구축해 독자 생산의 기반을 갖추는 등 적극적인 행보를 이어나가고 있다.

주형근 코오로이 GTS(Global Technical Service) 실장은 코오로이 글로벌 기술지원을 총괄하고 있다.
주형근 코오로이 GTS(Global Technical Service) 실장은 코오로이 글로벌 기술지원을 총괄하고 있다.

알루미늄 가공을 위한 PCD 공구
자동차 경량화를 위해 엔진 케이스, 실린더 헤드, 실린더 블록 등 많은 부품이 알루미늄 소재를 채용하고 있다. 이 알루미늄 소재 가공을 위해 소결 합성기술로 제조된 고경도의 PCD(Poly Crystalline Diamond) 공구 사용이 점차 늘고 있다. PCD 재질은 다른 공구 재질보다 경도가 높고 화학적으로 안정되어 고온 상태에서도 높은 경도를 유지하며, 고속 가공에 있어서는 동일한 절입량에서도 가공 효율을 높일 수 있다. 이 때문에 PCD 공구는 초경 대비 5~10배까지 우수한 내 마모 특성과 고속 가공에 대한 장점으로 알루미늄 등 비철계 가공용 절삭공구로 많이 사용되고 있는 것이다.

PCD 재질은 다른 공구 재질보다 경도가 높고 화학적으로 안정되어 고온 상태에서도 높은 경도를 유지하며, 고속 가공에 있어서는 동일한 절입량에서도 가공 효율을 높일 수 있다.
PCD 재질은 다른 공구 재질보다 경도가 높고 화학적으로 안정되어 고온 상태에서도 높은 경도를 유지하며, 고속 가공에 있어서는 동일한 절입량에서도 가공 효율을 높일 수 있다.

코오로이는 기존에 사입 방식으로 PCD 공구를 판매해 온 바 있다. 그러나, 높아지는 품질에 대한 요구사항을 맞추기 위해 2년 전 PCD 제조 라인을 자체 구축했다. PCD 공구는 5만 기압 이상의 초고온, 초고압 제조 공정과 다이아몬드 결정의 입도 제어 기술을 적용한 소재 원판을 잘라서 브레이징 접합한 후 레이저로 가공한 후 최종 연삭으로 마무리하게 된다. 자체 PCD 라인이 구축된 후 PCD 공구에 대한 정밀도, 납기, 품질이 확연하게 향상되었고, 이는 삼성전자 베트남 공장에 스마트폰 가공을 위한 PCD 공구를 공급하는 계기가 되기도 했다.

코오로이의 PCD 라인의 일부. PCD 공구 인선 가공을 위한 방전 가공기 모습을 공개했다.
코오로이의 PCD 라인의 일부. PCD 공구 인선 가공을 위한 방전 가공기 모습을 공개했다.
PCD 공구 인선을 가공하기 위해 초정밀 방전 가공을 진행하고 있다.
PCD 공구 인선을 가공하기 위해 초정밀 방전 가공을 진행하고 있다.

이렇게 PCD 공구에 대한 직접 생산 체계를 갖춘 코오로이는 인써트, 엔드밀, 드릴, 리머, 보링 툴, 모노 툴, 쏘우 등 다양한 PCD 제품 라인업을 갖추게 되었다. PCD 형상 툴은 복잡해지는 피삭재 형상에 따른 고객의 사이클 타임 단축을 위해 주문 제작 방식으로 생산한다. 특히, PCD 인선 높이 조절형 커터인 에어로밀 시리즈는 정밀하고 경제적인 면가공(Face Milling)을 보장해, 자동차 부품 가공 분야, 특히 알루미늄 고속 가공 분야에서 특히 우수한 평가를 받고 있는 베스트셀러 제품이다. 코오로이의 PCD 공구는 알루미늄 가공뿐만 아니라, 알루미늄과 주철을 동시에 가공해야 하는 ‘이종 재질 가공’ 조건에서도 우수한 성능을 나타낸다.

PCD 라인에서 생산된 코오로이의 PCD 모노툴. 아버 일체형으로 제작되어 고정밀 작업에 적합하다.
PCD 라인에서 생산된 코오로이의 PCD 모노툴. 아버 일체형으로 제작되어 고정밀 작업에 적합하다.

골치 아픈 이종 재질 가공도 문제없어
자동차 실린더 블록은 경량화 요구에 따라 알루미늄 소재를 적용하고 있지만, 실린더 내부는 내마모성이 필요해 주철 소재를 사용한다. 이렇게 서로 다른 두 소재가 접합된 실린더 블록 상면을 가공하는 것은 쉬운 일은 아니다. 알루미늄의 경우는 가공 시 통상 용착으로 인한 구상 인선이 발생해 치핑을 유발하는 반면, 주철은 공구 마모가 빠른 성향이 있기 때문이다. 코오로이는 자동차 가공의 달인답게 이종 재질 가공에 대한 솔루션을 제공한다. 

이종 소재로 된 실린더 블록 가공은 까다롭다. 1차로 주철로 된 실린더 보어 부위에 대한 라이너 가공을 진행해 주철 가공량을 최소화한 뒤, 2차로 PCD 에어로밀 시리즈와 같은 밀링 툴을 이용해 상면에 대한 페이스 밀링 정삭을 수행한다. 이런 과정을 거친다 해도 스크래치나 버 발생이 문제가 되는데, (그림1)에서 처럼 밀링 커터가 시계 방향으로 회전하는 경우, 실린더 블록의 중앙에서 우측 부분은 알루미늄 소재가 먼저 제거된 후 주철 부위와 공구가 접하게 되고, 좌측은 반대 상황이 된다. 알루미늄 소재를 먼저 가공하는 경우(우측 부분)는 문제가 없으나, 주철을 먼저 가공하고 나서 알루미늄을 가공하는(좌측 부분) 경우에는 가공 칩에 의한 스크래치가 발생하거나 버가 늘어 붙는 문제가 발생하는 것이다.

밀링 커터가 시계 방향으로 회전하는 경우(1), 실린더 블록의 중앙에서 우측 부분(2)은 알루미늄 소재가 제거된 후 주철 부위와 공구가 접하게 되고, 주철을 먼저 가공하고 나서 알루미늄을 가공하는 좌측 부분(3)에는 주철 가공 칩에 의한 스크래치(4)가 발생하거나 버가 늘어 붙는 문제가 발생하게 된다.
밀링 커터가 시계 방향으로 회전하는 경우(1), 실린더 블록의 중앙에서 우측 부분(2)은 알루미늄 소재가 제거된 후 주철 부위와 공구가 접하게 되고, 주철을 먼저 가공하고 나서 알루미늄을 가공하는 좌측 부분(3)에는 주철 가공 칩에 의한 스크래치(4)가 발생하거나 버가 늘어 붙는 문제가 발생하게 된다.

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코오로이 엔지니어링 센터에서는 지속적으로 이종소재 실린더 블록에 대한 시험 가공을 진행해 제품 개선을 하고 있다.
코오로이 엔지니어링 센터에서는 지속적으로 이종소재 실린더 블록에 대한 시험 가공을 진행해 제품 개선을 하고 있다.

코오로이는 에어로밀 시리즈를 개선해 이 문제를 해결했다. 직분사 방식을 사용해 칩 배출을 최대화하고 커터 바디 강성을 강화했으며, PCD 와이퍼 인선 형상, PCD 재질을 최적화하는 방식을 적용했다. 현대위아 서산 공장과 현대자동차 북경 공장에서 진행한 실 가공 테스트에서 코오로이의 에어로밀은 각각 800개, 1,000개의 블록을 문제없이 가공한 반면, 경쟁사의 제품은 200개 가공 후 제거가 어려운 수준의 버가 발생하는 안 좋은 결과를 보였다. 이런 테스트 결과가 말해주듯 실린더 블록에 대한 이종 재질 가공용 공구 시장에서는 현재 코오로이의 시장 점유율이 가장 높다.

코오로이의 에어로밀 시리즈. 알루미늄과 주철을 동시에 가공해야 하는 ‘이종 재질 가공' 조건에서도 우수한 성능을 나타낸다.
코오로이의 에어로밀 시리즈. 알루미늄과 주철을 동시에 가공해야 하는 ‘이종 재질 가공’ 조건에서도 우수한 성능을 나타낸다.

완벽한 터보차저 가공을 위해
터보차저는 내연기관에서 필연적으로 발생하는 엔진의 배출가스 압력을 이용해 터빈을 돌린 후 이 회전력을 이용해 대기압보다 강한 압력으로 공기를 밀어 넣어 출력을 높이는 장치다. 터보차저는 고열이 발생하는 기관으로 스테인레스 계열의 내열 합금을 많이 사용한다. 터보차저를 생산하는 기업별로 별도의 소재 규격을 내놓기도 하는데 예를 들어 현대자동차의 HA2, 유럽의 1.4848 등이 있으며 모두 난삭재에 해당한다. 코오로이는 이렇게 다양한 터보차저 소재에 대응하는 솔루션을 모두 가지고 있다. 

터보차저는 고열이 발생하는 기관으로 스테인레스 계열의 내열 합금을 많이 사용한다.
터보차저는 고열이 발생하는 기관으로 스테인레스 계열의 내열 합금을 많이 사용한다.

한 가지 사례만 들어 보자. 코오로이의 다용도 유니버셜 PVD 재종인 PC5300과 3코너 직각 가공용 밀링공구 Rich Mill RM3의 조합은 터보차저의 터빈 하우징 가공을 수월하게 이루어낸다. PC5300은 고온, 고경도, 내산화성이 우수한 박막을 적용해 강, 주철, 스테인레스강, 특히 내열합금강 가공 시 뛰어난 내산화성을 발휘한다. 초미립 고인성 모재 및 박막 표면처리 기술을 적용해 내용착성, 내치핑성을 향상해 스테인레스 가공 시 경계 마모를 최소화해준다. RM3는 생산성 향상을 위하여 가혹한 절삭조건에서도 사용할 수 있도록 인써트 두께를 두껍게 하여 자체 강성을 증가시켰으며, 3점 접촉방식과 측면 네거티브 체결구조, 기존 공구 대비 2배 이상의 바닥 면 체결 면적 등으로 체결 안정성을 강화해 고품위 가공이 가능한 툴이다. RM3에 PC5300을 체결한 후 HA2 소재로 이루어진 터빈 하우징을 가공해 본 테스트에서 경쟁사 대비 2배가량의 공구 수명을 이루어 냈다.

코오로이의 다용도 유니버셜 PVD 재종인 PC5300과 3코너 직각 가공용 밀링공구 Rich Mill RM3의 조합은 터보차저 터빈 하우징 가공을 수월하게 해낸다.
코오로이의 다용도 유니버셜 PVD 재종인 PC5300과 3코너 직각 가공용 밀링공구 Rich Mill RM3의 조합은 터보차저 터빈 하우징 가공을 수월하게 해낸다.

About 이상준 기자

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