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‘5’에서 ‘7’로의 크나큰 변화 – 샌드빅 코로만트의 인서트 교환형 드릴 DS20

5xDC와 7xDC라는 용어는 드릴의 깊이를 의미하는 것으로 실제 드릴 직경의 5배 또는 7배를 나타낸다. 5에서 7이라는 숫자 자체의 변화만 생각해보면 그리 대수롭지 않다고 생각할지도 모른다. 하지만, 고정밀 드릴에서 이 변화는 엄청난 도전이 존재하는 분야였고, 7년이라는 오랜 시간의 개발 끝에 샌드빅 코로만트의 CoroDrill® DS20이 탄생하기에 이르렀다. CoroDrill® DS20은 4~7xDC 범위로 출시되었고, 이미 탄생한지 14년이 지났으며 4~5xDC 범위에 해당하는 샌드빅 코로만트의 CoroDrill® 880 제품을 점차 대체하게 된다.

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달라지는 것들
CoroDrill® DS20이 탄생하기 전에는 실제 현장에서 거대한 강 가공물의 경우 긴 볼트와 나사용 홀을 가공할 때 CoroDrill® 880으로 양쪽 끝에서 드릴링을 했어야 하는데, 이제 한 쪽에서 끝까지 드릴링을 할 수 있다는 것이다. 예를 들어 CoroDrill® DS20의 정밀도를 이용하여 100kg의 풍차 슬루잉 링에서 한 번의 패스로 이 작업을 수행하면 더 이상 가공물을 뒤집지 않아도 되고 고비용을 초래하는 실수도 피할 수 있기 때문에 가공 현장의 작업자는 엄청난 시간과 비용을 절약할 수 있다.

 샌드빅 코로만트의 CoroDrill®DS20
샌드빅 코로만트의 CoroDrill®DS20

CoroDrill DS20의 이전 모델인 구형 CoroDrill 880 제품군은 2005년 출시 후 바로 금속 가공물에 정밀 홀을 만드는 교환형 인서트 드릴 시장에서 선두의 입지를 구축한 바 있다. CoroDrill® 880은 안정적이고 효율적이었지만 드릴의 강성과 칩 배출 프로세스를 수정하는 수많은 노력에도 불구하고 길이가 충분하지 않았다.
샌드빅 코로만트의 교환형 드릴 분야 수석 R&D 엔지니어인 하칸 칼버그(Håkan Carlberg)는 새 드릴 제품군이 탄생한 배경을 다음과 같이 설명했다. “우리는 교환형 인서트 드릴 시장이 경쟁사들로 포화 상태라는 사실을 알고 있었다. 비즈니스를 성장시키려면 기존의 틀을 뛰어넘어야만 했다. 단지 경쟁사들로부터 시장 점유율을 빼앗아올 수 있는지 보다는 잠재력을 어떻게 키울지 고민했다.” 

CoroDrill®DS20은 트위스트 절삭유 홀이 있어 드릴 바디의 강성을 유지한다.
CoroDrill®DS20은 트위스트 절삭유 홀이 있어 드릴 바디의 강성을 유지한다.

DS20, 개발 히스토리
2012년, 샌드빅 코로만트는 교환형 인덱스 드릴로 최대 7xDC까지 드릴링할 방법을 찾기 위해 여러 파라미터 중에서도 드릴 바디의 소재, 생산 기술, 드릴 바디 설계 및 인서트 설계 등에 관한 일련의 개발 프로젝트에 착수했다. 이 프로젝트가 성공하려면 사용하기 쉬워야 하고(플러그 앤 플레이), 폭넓은 분야에 적용 가능해야 하고 예측 가능하고 일관적이며 긴 공구 수명과 높은 관통률로 생산성이 높아야 했다. 많은 경쟁사가 이를 시도했지만 실패했다.

이를 위해 드릴 바디 공정과 인서트 자체뿐 아니라 드릴 공정의 기하학적 구조에 대한 총체적인 재검토가 필요했다. 높은 공정 안정성과 반복성 및 안정적인 품질과 함께 최고의 강성을 달성하기 위해 칩 배출 프로세스에 각별한 관심을 기울였다.

 드릴 연장 시 가장 큰 문제 중 하나는 휨이나 편향이 고속에서 급격하게 높아진다는 것이다. 길이를 2배로 늘리면 드릴에서 편향이 8배나 높아져 정밀도가 낮아진다. 기존에 표준이었던 5xD에서 7xD로 전환할 경우 공구의 휨은 3배나 증가하게 된다. 간단히 말해 길어질수록 정확성이 떨어진다는 것이다.

 CoroDrill® DS20의 개발은 다국적 팀워크의 산물이었다. 핵심 팀은 샌드비켄에 있었지만 스웨덴의 지모와 바스트베르가, 미국의 미베인에서 50명 이상이 프로젝트를 지원했다.
CoroDrill® DS20의 개발은 다국적 팀워크의 산물이었다. 핵심 팀은 샌드비켄에 있었지만 스웨덴의 지모와 바스트베르가, 미국의 미베인에서 50명 이상이 프로젝트를 지원했다.

칼버그에 따르면 여러 도전 과제 중 하나는 양면 인서트에 4개의 절삭날을 보장하고 힘이 균형을 이루도록 절삭날의 형상을 조정하는 것이었다. 그런데 이러한 새로운 개념을 총 256개의 드릴 바디 품목 전체에 적용해 출시하는 것은 엄청나게 복잡한 일이었다. “CoroDrill® DS20 개발의 복잡성을 비유하자면, 50개의 노브가 있는 믹서 테이블을 상상해 볼 수 있다. 드릴로 제어해야 하는 파라미터가 약 50개가 있는데 제대로 작동하려면 이 50개가 상호 의존적이기 때문에 모두가 균형을 이루도록 해야 한다. 하나를 조절하면 나머지 49개도 조절해야 하는 샘이다.”라고 칼버그는 말했다. 

그는 “R&D 팀이 믿고 있었고 연구소 테스트에서도 대단한 가능성을 보여주었던 개념들을 시험하고 개발한 뒤 현장 테스트를 수행했는데 생각만큼 훌륭하지 않다는 사실을 알게 되었다. 여기서 결정적인 돌파구는 단언컨데 분석 소프트웨어의 개발이었다. 우리 팀의 유능한 계산 엔지니어인 라무스 헴프(Ramus Hemph)가 다른 가능성의 여지가 없는 완벽한 공식을 개발한 것이 전환점이었다. 그는 우리가 물리적 제품으로 여겼던 것에서 숫자와 벡터를 봤다. 앞서 언급한 모든 파라미터를 가상으로 제어하고 모듈레이팅하며 분석할 수 있는 로직을 제공했다. 그 후 모든 것이 맞아떨어졌다. 간단히 말해, 개별 품목으로서가 아닌 전체 제품 구성에 대해 CoroDrill® DS20 드릴을 최적화하는 프로그램을 만든 것이었다.”라고 설명했다.

또한 그는 “극복할 장애물이 거대했기 때문에 프로젝트를 여러 번 중단할 수도 있었다.”라며 “하지만 한편으로는 이렇게 오랫동안 존재해 온 제품 영역 내에서 새로운 기반을 개척하고 진정한 혁신을 제시할 수 있다는 것은 환상적인 일이다.”라고 덧붙였다. 

완벽한 팀에 대해
CoroDrill® DS20의 개발은 다국적 팀워크의 산물이었다. 핵심 팀은 샌드비켄에 있었지만 스웨덴의 지모와 바스트베르가, 미국의 미베인에서 50명 이상이 프로젝트를 지원했다. 이 같은 프로젝트를 완수하려면 전문 기술자로 구성된 팀이 필요했기 때문이다. 그리고 시간도 필요했다. 전문가들이 만족할 만한 가장 길고 안정적인 교환형 인서트 드릴을 출시하기까지는 거의 7년이 걸렸다.

드릴이라고 다 같은 드릴이 아니다. 편향이나 과열 없이 한 번에 자기 직경의 7배나 깊은 홀을 가공할 수 있는 깊은 보링 교환형 인덱스 드릴은 특히 그렇다. 그럼에도 불구하고 7년 전 샌드빅 코로만트가 시장에 내놓을 만한 첫 번째 7xD 교환형 인서트 드릴 개발에 착수했을 때 앞으로의 작업에 얼마나 많은 노력과 시간이 필요할지 예상하지 못했다.

“다행히 우리 모두 기술에 목맨 사람들이라 여러 번의 막다른 골목과 결실 없는 단서, 기타 예상치 못한 장애물에도 불구하고 포기를 생각해보지 않았다.”라고 칼버그는 말했다. “이와 같은 도전에 대한 즐거움이 커다란 원동력이었고 우리가 하기로 한 것을 달성할 것이라는 개인적인 확신이 늘 있었다.” 

 샌드빅 코로만트의 DS20 프로젝트 팀. 전문가들이 만족할 만한 가장 길고 안정적인 교환형 인서트 드릴을 출시하기까지는 거의 7년이 걸렸다.
샌드빅 코로만트의 DS20 프로젝트 팀. 전문가들이 만족할 만한 가장 길고 안정적인 교환형 인서트 드릴을 출시하기까지는 거의 7년이 걸렸다.

사실 CoroDrill® DS20 드릴은 여전히 매우 좋은 성적을 거두고 있는 이전 모델 CoroDrill® 880과 닮은 점이 거의 없다. 신형 CoroDrill® DS20은 기존의 일정한 나선형 헬릭스 대신 한 번의 가파른 회전 후 직선 칩 플루트가 이어진다. 이것은 긴 비대칭형 드릴에서 안정성과 힘의 균형을 유지하면서 성능을 최적화하기 위해 고안된 영리한 여러 설계 요소 중 하나에 불과하다. 

CoroDrill® DS20의 구석구석에 상당한 시간과 지식이 투입되었다. R&D 개발자인 토마스 푸루크로나(Tomas Furucrona)는 최적화하는 데 약 2년이 소요된 작은 인서트를 언급했다. “우리가 해결해야 했던 첫 번째 큰 과제는 두 개의 교환형 인덱스가 비대칭적으로 배치되기 때문에 최적의 합성력(net force)을 파악하기 위한 올바른 설계와 위치를 제공하는 것이었다.”
동시에 진행된 한 프로젝트에서 팀의 다른 구성원들은 이상적인 조합을 결정하기 위해 드릴 바디, 냉각, 소재 선택 등을 연구, 테스트 및 분석했다.  

프로젝트 시작부터 함께 한 R&D 엔지니어 프리츠 앨럼 야(Fritz Alum Yah)는 “특정 직경으로 하나의 7xD 드릴을 만드는 것은 누구라도 할 수 있지만 드릴 바디 제품군 전체에 동일한 안정성을 적용하는 것은 차원이 다른 이야기다. 성공을 거두려면 완전히 새로운 사고 방식을 통해 새로운 계산법을 만들어야 했다.”라고 밝혔다.
그동안 많은 우여곡절이 있었다. 연구실 테스트가 실패했고 프로토타입이 고장 났고 제작 아이디어를 버려야했다. 내부 냉각을 유지하면서 칩 플루트 문제를 해결하는 작업에만 거의 2년이 걸렸다.

실전 테스트와 검증
CoroDrill®DS20의 드릴링 성능은 테스트 고객인 SKF의 풍력 터빈 산업용 슬루잉 링 멕시코 생산 플랜트에서 현장 테스트를 해 볼 기회가 생겼다. 당시 SKF는 주문 제작한 특수한 6~7xD 드릴을 사용해 직경이 3미터인 풍력 터빈 베어링을 생산하고 있었지만, 공구 길이 때문에 공정은 더욱 불안정해졌고 인서트 파손으로 인해 생산이 자주 중단되었다. 따라서 드릴링 공정의 비용을 낮추고 속도를 높일 수 있는 솔루션이 급하게 필요했다.

 SKF의 멕시코 공장에서 DS20을 사용한 총 3회에 걸친 테스트를 실시했는데, 공구 수명이 종전의 특수 드릴에 비해 100% 증가했고, 제거한 재료의 양과 각 가공물을 생산하는 데 걸리는 시간 간의 비율로 계산한 생산성은 98% 증가했다.
SKF의 멕시코 공장에서 DS20을 사용한 총 3회에 걸친 테스트를 실시했는데, 공구 수명이 종전의 특수 드릴에 비해 100% 증가했고, 제거한 재료의 양과 각 가공물을 생산하는 데 걸리는 시간 간의 비율로 계산한 생산성은 98% 증가했다.

해당 공정을 담당한 생산 엔지니어 데이비드 구티에레스(David Gutiérrez)는 인서트가 얼마나 오래 갈지 전혀 모르는 불확실성, 102mm의 느린 드릴링 속도 그리고 공구, 기계 또는 가공물의 손상을 방지하기 위한 지속적인 생산 중단과 사투를 벌이고 있었다. 

이 공장의 엔지니어링 매니저 발데마르 가르자(Valdemar Garza)는 경제적인 측면에 대해서도 걱정했다. “이 베어링은 대형인 만큼 매우 고가이기 때문에 공구나 가공물의 손상을 방지하기 위해 공구를 매우 면밀히 모니터링해야 한다. 그래서 가공물당 비용을 최적화할 수 있는 더욱 효율적이고 빠른 옵션을 찾고 있었다.” 

 SKF는 주문 제작한 특수한 6~7xD 드릴을 사용해 직경이 3미터인 풍력 터빈 베어링을 생산하고 있었지만, 공구 길이 때문에 공정은 더욱 불안정해졌고 인서트 파손으로 인해 생산이 자주 중단되었다.
SKF는 주문 제작한 특수한 6~7xD 드릴을 사용해 직경이 3미터인 풍력 터빈 베어링을 생산하고 있었지만, 공구 길이 때문에 공정은 더욱 불안정해졌고 인서트 파손으로 인해 생산이 자주 중단되었다.

결과는 대 성공
폐기품에서 실시한 1차 테스트에서는 36mm의 직경을 성공적으로 가공했다. 생산품에서 실시한 후속 테스트에서는 절삭 조건을 올리고 직경을 39mm로 증가시켰는데, 공구 수명이 현저히 개선된 결과 생산성이 높아졌다. 

해당 공정에 대한 현장 지원에 나섰던 샌드빅 코로만트의 드릴 전문가 아렐리 산체스(Arely Sánchez)의 설명에 따르면 총 3회에 걸쳐 테스트를 실시했는데, 공구 수명이 SKF가 사용 중이던 종전의 특수 드릴에 비해 100% 증가했고, 제거한 재료의 양과 각 가공물을 생산하는 데 걸리는 시간 간의 비율로 계산한 생산성은 98% 증가했다. 이후 2019년 5월 SKF는 장기 테스트를 위해 드릴 바디 10개, 내측 인서트 300개 및 외측 인서트 300개를 납품 받았다.

SKF는 DS20이 절삭 속도를 높이고 사이클 타임을 이전 사이클 타임의 절반으로 단축시킬 수 있다는 사실 뿐만 아니라 비용이 이전 세대 공구와 동일하다는 점에 만족했다.
SKF는 DS20이 절삭 속도를 높이고 사이클 타임을 이전 사이클 타임의 절반으로 단축시킬 수 있다는 사실 뿐만 아니라 비용이 이전 세대 공구와 동일하다는 점에 만족했다.

현장을 바꾸다
이후 CoroDrill® DS20 7xD는 SKF의 생산에 큰 영향을 미쳤다. 이 드릴은 인서트 교환 없이 링에 있는 홀 92개를 모두 드릴링할 수 있고, 드릴링 용량은 이미 근무조당 가공물 4개 또는 하루 12개에 도달했다. 이는 SKF가 샌드빅 코로만트 드릴을 사용한 이후 기록한 가장 높은 생산성이었다. 

SKF의 가르자는 “특별히 우리의 관심을 끄는 이 공구의 장점은 절삭 속도를 높이고 사이클 타임을 이전 사이클 타임의 절반으로 단축시킬 수 있다는 사실 뿐만 아니라 비용이 이전 세대 공구와 동일하다는 점이다. 즉, CoroDrill® DS20 7xD는 최신 공구의 속도를 제공하면서 비용은 이전 공구와 같다.”라고 말했다. 또한, 기계 가동률의 증가를 통해 현장 인력의 초과 근무 없이도 장비 유지보수와 작업자 휴가를 계획할 수 있게 되었다.

About 이상준 기자

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