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알루미늄 부품의 경제적인 가공 – 단위 비용을 줄여주고 공정 안정성을 높여주는 발터의 하이브리드 공구

몇 년 전만 해도, 알루미늄 소재의 자동차 섀시 부품은 프리미엄 자동차 모델에만 한정해 사용되었다. 중형 및 소형 자동차 세그먼트의 스티어링 너클, 서스펜션 암 및 휠 캐리어는 주로 주철 또는 단조 강으로 제작되었다. 이러한 트렌드는 근래 몇 년 동안 변화되었는데 단조 알루미늄 합금이나 실리콘 함량이 낮은 연성 주조 알루미늄 합금과 같은 재료들의 사용량이 모든 차량 등급에서 더 많이 늘어나고 있다.

이러한 부품 소재 변화로 가공 시 도전 과제 또한 변화했다. 알루미늄 합금 가공 시, 특히 생산 비용 절감 압력과 엄격한 가공 품질 및 공정 안정성 요구사항 등으로 인해 기존 사용 소재 대비 또 다른 가공전략을 요구한다. 특히 해당 소재 가공용 공구들이 여기서 중요한 요소가 된다. 많은 자동차 업체들은 기계 가공 전문 기업인 발터(Walter)를 신뢰하고 있다. 

발터의 자동차용 부품용 가공 공구 프로젝트 담당자인 Fabian Hübner는 “알루미늄 합금은 자동차 산업에서 최적의 소재이며, 경량화율 대비 충분히 높은 강도 확보가 가능하고, 기존의 주철 또는 강철 소재와의 가공성에서 다른 차원의 가공 속도를 사용할 수 있기 때문이다. 하지만, 이는 가공 난이도가 더 쉽다는 것을 의미하지 않는다. 특히 안정적인 공정이 필요한 곳에서 롱칩 형성이 큰 위험 요소이며, 공구 절삭면에 구성인선이 빠르게 형성될 수도 있다. 이러한 요소들로 인해, 가공 치수와 표면 조도의 세밀한 공차 준수가 어려워진다. 이를 해결하기 위해 생산관리자들은 가공 공구의 품질과 적절한 가공 기술 사용에 의존하게 될 수밖에 없다.”라고 말했다.

홀 복합 가공의 경제성 확보.
무엇보다도, 드릴 공정이 필요한 복합 보어 가공 공정은 알루미늄 합금 섀시의 부품 생산 시 기술적, 경제적인 과제를 야기한다.  휠 캐리어의 경우 휠 허브용 큰 보어 홀을 단조공정으로 형성시키며,  서스펜션 암과 같은 더 작은 보어 홀의 경우 원 소재에 드릴 작업으로 만들어야 한다. 

드릴 작업 시 복잡한 윤곽 특징들과 홀 가공 정확도 및 표면조도의 엄격한 요구사항이 고려되어야 한다. 대부분 가공되는 작은 홀은 플레인 베어링과 댐퍼용 어댑터 역할을 한다. 이로 인해 가공된 홀은 기능상 단순히 그 자리에 세팅되는 것 이상을 요구한다. 예를 들어, 단면과 챔퍼의 끝단면은 다음 공정단계에서 베어링 부싱 또는 댐핑 요소의 조립 시 맞춤을 위해 기준면으로 정의된다. 결과적으로 최소 5가지의 가공 단계가 연속으로 따라와야 한다.

 한 개의 홀에 여러가지의 복합 형상을 가공하기 위해서는 특별한 가공 컨셉이 필요하며, 이때 여러 공구로 교환하는 것은 비용적으로나 사이클 타임 면에서도 부적절하다. 그 이유는 홀의 조립 맞춤 정밀도 및 표면조도 등의 요구 조건을 만족시키지 못할 수 있기 때문이다. 발터의 가공 전문가들은 신개념 하이브리드 공구를 통해 공정 안정성과 가공 품질 결과를 극대화시키는 해당작업 최적 솔루션을 제공, 실질적인 비용 절감을 실현했다. 여기서 하이브리드 공구란 하나의 공구 바디에서 교환형 인서트와 고정형 PCD 절삭날을 링크시켜서 결과적으로 두 가지 다른 공구 타입이 복합된 공구를 말한다. 

발터의 하이브리드 공구. 보링 및 카운터 보링 복합 툴로, P2840 인서트를 중삭 보링으로 정삭 형상을 브레이징 PCD 절삭날로 가공한다.
발터의 하이브리드 공구. 보링 및 카운터 보링 복합 툴로, P2840 인서트를 중삭 보링으로 정삭 형상을 브레이징 PCD 절삭날로 가공한다.

황삭 작업과 같이 마모가 빨리 되는 작업 부위는 전체 공구를 리컨디셔닝 할 필요 없이 쉽게 교체할 수 있는 인서트 타입으로 가공된다. 반대로 각도 공차와 표면조도 및 치수 공차가 엄격한 정삭작업 공정 부위는 브레이징 된 PCD 절삭날로 고정된 부위에서 수행한다. PCD 재종은 높은 내마모성을 가져 결과적으로 공구 수명이 긴 것이  특징이다. 이 하이브리드 공구는 원소재에 드릴작업과 원추형 시트 보어와 볼 시트 보어 복합 가공용으로 사용된다.

칩브레이커 가공 형상과 코팅의 높은 경쟁력
주로 섀시 구성부품에 사용되는 주요 합금 요소로 마그네슘과 실리콘을 사용하는 단조 및 열 경화 가공 알루미늄 합금은 가공 방식으로 인해 공구비 상승 요인이 높다. 특히 가공 시 절삭날의 마모를 빠르게 진행시키는 구성인선이 형성된다. 절삭날의 형상 변경 때문에 더 높은 가공 부하가 절삭날에 작용되며 치수와 각도 또는 표면조도가 요구 공차를 벗어나게 된다. 마모된 공구로 알루미늄 합금을 가공 시 가공 공정을 큰 위험에 빠뜨릴 수 있는 롱칩 또는 플로우 칩을 생성한다. 이러한 위험들을 관리하지 않는다면 하이브리드 공구와 함께 달성할 수 있는 효율성이 크게 줄어든다. 

칩 브레이킹 기능이 있는 발터의 결합 공구. 레이저로 생성된 칩 브레이커 형상은 안정적인 가공의 핵심이다.
칩 브레이킹 기능이 있는 발터의 결합 공구. 레이저로 생성된 칩 브레이커 형상은 안정적인 가공의 핵심이다.

발터는 알루미늄용으로 전용 인서트(P2840 및 P4840)뿐만 아니라 초경 드릴용 P6004와 보링용 P4460 인서트를 특별한 형상과 코팅 조성으로 개발했다. 독특한 표면 형상은 최적화된 칩 컨트롤을 보장한다. 가공 시 발생하는 칩이 매우 빠르게 컨트롤 되어 유동형 칩이나 칩 번들이 형성되지 않는다. 견고하게 브레이징 된 PCD 절삭날을 사용하며, 필요한 경우 레이저로 칩 컨트롤을 위한 형상 또는 칩 브레이커 형상을 추가, 우수한 칩 컨트롤을 보장한다. 인서트를 사용하면 절삭날이 날카롭게 유지되어 공정부하를 감소시키며 고도로 광택 처리한 절삭 상면과 특수 코팅은 구성인선의 형성을 줄여준다. 이러한 방식으로 설계된 인서트는 매우 부드러운 상면을 통해 소재에 접촉면을 작게 해 준다. 이 특수 인서트는 결과적으로 최적화되지 않은 여타 공구에 비해 공구 수명이 훨씬 더 길다. 

가공 조건 향상과 공정 안정성
발터에서 하이브리드 공구는 특정 공정에서 사용을 위해 고안되고 제조되었다. 따라서, 원칙적으로 공구의 바디는 스페셜 제품이다. 제조 공정에 가져오는 높은 생산성 때문에 이 공구들은 매우 빠른 절삭 조건을 달성하는 성과를 거두었다. 발터의 고객사 중 잘 알려진 고객 한 곳의 예를 들면, 홀 가공 단계에서 발터 하이브리드 공구로 서스펜션 암에 보어 생성 시 날당 이송 0.11mm 조건에서 회전 당 이송 속도(fu)에서 1,300m/min 이상의 절삭 속도(vf)를 달성할 수 있었다. 다음 보링 및 정밀 보링에서 절삭속도는 0.12mm의 날 당 이송과 함께 절삭속도 850m/min를 달성하였다.

혁신적인 솔루션 – 탄젠셜/측면 보링 툴
발터는 휠 허브가 있는 허브 보링을 위한 스페셜 공구를 제공하며, 매우 엄격한 치수 공차를 준수하지 않고도 5개의 공정단계를 설정할 수 있다. 동일한 공구를 사용하여 실제 보어가 생성될 뿐만 아니라 관련된 단면 또한 밀링작업이 되며 전체 보어가 전후로 디버링 된다. 이는 측면과 탄젠셜로 사용되는 혁신적인 신개발 인서트 덕분에 가능했다. 공구 교체의 감소와 더불어 새로운 보링 툴은 추가적인 경제적 이점을 제공한다.

탄젠셜/측면 P4460 카운터보링 인서트. 이전에는 반경 방향에 장착되었던 인서트를 축 방향 시트로 옮겨서 장착할 경우 4개 + 4개의 절삭 코너날을 사용할 수 있다.
탄젠셜/측면 P4460 카운터보링 인서트. 이전에는 반경 방향에 장착되었던 인서트를 축 방향 시트로 옮겨서 장착할 경우 4개 + 4개의 절삭 코너날을 사용할 수 있다.

전용 인서트가 사용되며, 브레이징 된 PCD 절삭면이 있는 하이브리드 공구와 비교했을 때 리컨디셔닝이 더 이상 필요하지 않다. 마모가 발생할 경우, 인서트를 간단하게 뒤집어 교체하면 된다. 모든 절삭날이 동일한 인서트를 사용하기 때문에 특별히 구별할 필요가 없다. 따라서, 반경 방향에 사용되던 인서트를 축 방향 시트로 장착하거나 그 반대로 장착할 경우에는 4개 + 4개의 인서트 코너날을 사용할 수 있다. 새로운 공구 형상으로 인하여, 절삭유가 인서트에 가공이 발생하는 곳으로 직접 전달된다. 카트리지 솔루션과 비교하면, 해당 보링 툴은 더 많은 날을 심을 수 있으며, 따라서 높은 이송 속도를 달성할 수 있다. 원호 보간 시, 날당 이송을 0.5mm로 놓고 1,100m/min의  이송 속도를 달성 가능하다. 90도 보링 작업 시 날 당 이송 0.24mm에 이송 속도 700m/min을 달성할 수 있다.

About 이상준 기자

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

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