[Tech] 공정혁신, 기하학적 비대칭 라인 보링 바

[산업일보]
정밀 보링의 혁신은 생산성 증대와 비용 절감을 가져다준다. Kennametal의 새로운 비대칭 라인 보링 솔루션은 가공 인성, 공정 속도와 보어 품질은 향상시키고 공구 유지보수 및 핸들링은 줄였다.

정밀 보링은 많은 중요 부품 가공에서 중요한 공정이다. 엔진 블록의 멀티 저널 크랭크 보어의 정밀도와 표면조도는 동력 및 연료 효율과 직결되며, 소요 시간은 엔진 회사의 수익과 직결되기 때문이다.

수많은 가공 부품에서 정밀 보어는 중대한 성능 측정 기준의 필수 요소다. 이러한 보어는 중요한 공차를 충족해야 하지만, 정밀 보어는 작은 실수나 오류가 값비싼 부품의 스크랩으로 이어질 수 있어 비용이 많이 들고 시간을 소모할 수 있다는 단점이 있다.

Kennametal은 이러한 단점에 대한 대응으로 기하학적 비대칭 라인 보링 바를 선보였으며, 이에 만족하는 사용자들은 이를 공정의 혁신이라고 입을 모으고 있다.

정의상 드릴링과 반대되는 보링은 내경이 스핀들 중심선과 실질적인 관련을 이루는 가공 공정인데 보링이 절삭 공구 및 피삭재가 조정 가능한 상태로 수행되더라도 피삭재가 고정돼 있으며 절삭 공구가 회전해 피삭재로 전진하는 상태에서 가장 일반적으로 수행된다.

보링의 일반적인 애플리케이션에는 코어, 피어싱 또는 드릴링 홀과 컨투어 내부 표면의 확대 또는 정삭이 포함돼 있으며, 보링과 동시에 수행되는 관련 작업에는 선삭, 페이싱, 챔퍼링, 홈가공, 나사가공 등이 있다.



실행 방식
크랭크 보어가 필요한 5개의 인라인 저널이 있는 작은 엔진 블록을 떠올릴 필요가 있다.

예를 들어, 멀티 저널 정삭 작업에 대한 기존 발상으로는 멀티 블레이드 가이드패드 리머가 포함돼 있다

우선 파일럿 리머가 첫 번째 저널을 정삭하고 멀티 블레이드 리머가 Feed-In돼 저널 2~5를 중삭 및 최종 정삭한 뒤 리머가 후퇴한다.

이러한 공정의 이점은 자체 차용돼 CNC 수평 또는 다축 머시닝 센터에서 사용되며 전용 픽스쳐가 있는 전용 보링 장비가 필요하지 않다.

단, 피삭재의 사이즈에 따라 장비는 강성이 충분해야 하며, 그렇지 않을 경우 품질이 현저하게 떨어질 수 있다. 또한 정삭 보어에 대한 리밍 공구의 Feed-In 및 Feed-Out은 천천히 그리고 정밀하게 수행돼야 합니다. 그렇지 않으면 후퇴 자국이 생기거나 절삭날 손상이 발생한다.

이러한 종류의 보어를 가공하는 또 다른 일반적인 옵션은 라인 보링(옵션 2.0)이다. 이 옵션에서 해결해야 할 기본 문제는 절삭날과 공구의 가이드 패드가 홀 직경이 적은 미정삭 저널을 관통하는 방식이다.

CNC 장비 제조업체는 자사 장비에 기존 라인 보링 바와 "카운터-베어링" 성능을 사용해 이러한 진퇴양난에 대응하고 있다. 공정은 장비의 피삭재 영역이 실린더 블록을 위로 들어올린다음 라인 보링 바가 부품을 통해 반대쪽의 베어링으로 이송된다. 실린더 블록이 아래로 조정돼 체결되고 크랭크 보어가 중삭 및 최종 정삭된다음 실린더 블록이 위로 들어올려지고 보링 바가 후퇴한다.

이 공정은 Feed-In 및 Feed-Out을 가속화하며, 공구가 양쪽 끝에서 지지되므로 정삭된 보어의 형상 품질은 리밍 옵션 1.0에 비해 향상시킬 수 있다.

단점으로, 리프트 기능에는 특수한 피쳐링과 CNC 컨트롤이 필요하며, 픽스쳐에서 필요한 카운터-베어링으로 추가적인 후면 가공이 불가능해진다는 점이다.

더 진화된 보링 바와 함께 틸팅 작업대 및/또는 틸팅 스핀들은 물론 다축 장비가 확장 가능한 가이드 패드와 함께 라인 보링 옵션 2.1에 기여한다. 여기서 공정은 파일럿 리머가 Feed-In되며 저널 5를 정삭하고 부품(또는 장비 테이블)이 180도 회전한다. 머시닝 센터 X-Y 축이 오프 센터로 보링 바를 이송하도록 조정된다. 가이드 패드가 있는 보링 바는 저널 5에 중심이 맞춰지면 가이드 패드가 확장된다.

저널 1~4는 중삭 및 최종 정삭되고 가이드 패드가 다시 Feed-In되면서 보링 바가 오프 센터로 후퇴한다.

옵션 2.1에서는 장비의 다축 조정 기능을 사용한다. 리프트 기능 또는 카운터-베어링의 필요성을 없애 옵션 1.0의 이점과 공구 양쪽 끝을 지지하는 옵션 2.0의 이점을 보유하고 있다. 이러한 보링 바 유형의 복잡한 내부 기계가 비용이 들고 핸들링하기 어려울 수 있다는 단점이 있다. 윤활 사용이 부족할 경우 민감한 내부 기계가 손상될 수 있으며, 정확하게 모니터링하지 않으면 공구가 피삭재에서 막히거나 걸릴 수 있고 장비, 픽스쳐, 공구 및 부품이 손상될 수 있다.


비대칭 솔루션
Kennametal 엔지니어링 스태프는 대표적인 자동차 제조업체의 엔진 블록 사업부와 협력해 옵션 3.0, 즉 비대칭 라인 보링으로 보링 기능을 발전시켰다. 이는 두 가지 옵션의 단점을 거의 없애면서 리밍 및 라인 보링의 이점을 강조하는 기하학적 도약이라고 할 수 있다.

가장 발전된 솔루션이지만, 기본 원리는 꽤 기본적이다. 일반 가이드 직경은 소재 전체 또는 3개 이상의 가이드 패드가 쌓여 Feed-In 및 Out 시 보어 벽면에 여유가 전혀 없다.

Kennametal 솔루션은 일반적인 가이드 패드 리머와 유사하게 셋업에서 가이드 패드를 지원하지만 일반적으로 절삭날에 180° 위치한 가이드 패드는 회전됐으므로, 결과적인 디자인에서는 미가공 보어를 통과하더라도 가이드 부품이 여유롭게 진입하고 퇴출할 수 있다. 이 형상을 통해 바를 편심 경로의 미가공 보어로 이송할 수 있다.

파일럿 리머가 Feed-In되며 저널 5를 정삭하고 부품(또는 장비 테이블)이 180도 회전한다. 비대칭 보링 바는 머시닝 센터의 X-Y 축을 사용해 오프 센터로, 공구는 센터로 이동하며 저널 1~4를 동시에 정삭한다. 이어 공구가 빠른 Feed-Out으로 오프 센터 후퇴한다.

이러한 비대칭 라인 보링에는 이전 라인 보링 솔루션의 이점(즉, 고품질 정밀 보어, 공구 양쪽 지지)을 모두 보유하면서 값비싼 리프트 기능, 방해가 되는 카운터-베어링 또는 공구 내부의 중요 메커니즘이 필요하지 않다. 또한 완벽한 Feed-In 또는 Feed-Out 동작을 기존 머시닝 센터에서 고이송으로 수행할 수 있어 공정 효율성이 배가될 수 있다.

Kennametal 솔루션이 됨으로써, 이 편심 보링 바 솔루션과 함께 제공되는 인덱서블 인서트도 자연스럽게 발전된다. 고정밀 RI8 인서트에는 사전 정의된 백 테이퍼와 함께 8개의 절삭날이 있어 고이송을 지원합니다. 직경은 1미크론의 정밀도로 조정할 수 있다. 원추형 클램프 스크류에서 제공하는 높은 체결력으로 세틀링 효과 방지를 기대할 수 있다.

인서트와 비대칭 보링 바 모두 인서트가 보링 바 바디에 직접 체결되도록 설계됐다. 이로써 카트리지 필요성이 없어지며 추가적인 공차와 공간이 필요하지 않다.

다시말해 이 비대칭 라인 보링 솔루션은 가공 강성, 공정 속도는 높이면서 공구 유지보수 및 핸들링을 줄여주고 CNC 머시닝 센터와도 모두 호환되므로 공정 개선을 추구하는 제조업체가 보링에서 찾게 되는 솔루션이다.

지난해 11월 Kennametal Inc.는 2014 BMW Supplier Innovation Award 생산성 부문에서 다른 두 곳의 공급업체와 함께 수상 후보로 선정됐다고 발표했다.

또한 수상 후보로 지명된 유일한 툴링 공급업체인 Kennametal은 BMW와의 30년 이상의 파트너십에 대해서도 인정 받았다. 여러 이유 중에서 BMW는 오스트리아 소재 생산 시설인 BMW 슈타이어에서 엔진 블록 제조의 생산성을 증대시킨 혁신적인 새로운 툴링을 예로 Kennametal을 언급했다. Kennametal은 엔지니어링 솔루션 팀이 전담으로 BMW와 협업해 생산성 개선에 기여하고 있다.

Kennametal 툴링 비즈니스의 부사장 겸 총 책임자인 Gérald Goubau는 "Kennametal은 BMW의 공급업체 어워드에서 인정받은 200여 공급업체에 속하는 영예를 안았다. 이것은 Kennametal이 매일 추구하는 것, 즉 고객이 소중하게 여기는 '혁신'을 제공하고 있다는 훌륭한 증거이자 이 가치에 대한 우리의 미션을 상기시켜 준다"고 밝혔다.

한편 BMW 그룹은 혁신을 회사의 경제적인 성공과 미래 경쟁력의 기초라고 여기고 있다. 자동차 업계에 예견되는 도전 과제는 높은 수준의 창의력과 독창성을 통해서만 맞설 수 있기에 새로운 개발의 성공적인 이행에서 중요한 역할을 담당한 핵심 파트너를 가장 혁신적인 공급업체로 인정하고 있다. Supplier Innovation Award는 이러한 이들의 성과에 경의를 표하기 위한 상이다.