정밀 원형 부품을 위한 전문 다이·몰드 작업장

제조업계 많은 작업장에서 몰드와 다이 작업은 보통 비대칭 부품을 만드는 걸 뜻합니다. 판금 부품은 다양한 형태고, 사출 성형 플라스틱 부품은 전화기부터 컴퓨터 캐비닛까지 다양합니다.

하지만 다이와 몰드 제작 세계에는 원형 부품이 아주 많습니다. 캡, 실, 개스킷 등 몇 가지만 들어도 원형 다이와 몰드 컴포넌트가 필요합니다.

비대칭 부품용 몰드 캐비티와 다이 세트 가공에 대해선 많은 글이 쓰여졌습니다. 이 글에선 수많은 금속·플라스틱 원형 부품을 생산하는 몰드와 다이 컴포넌트 제작에 적용되는 하드 터닝에 초점을 맞춥니다.

이 제조 틈새에 대해 알아보기 위해 릴라이언스 툴 앤 매뉴팩처링(Reliance Tool and Manufacturing, 일리노이주 엘진)을 방문했습니다. 50년 된 작업장으로 하드 터닝 전문성을 개발해 원형 제품을 생산하는 몰드 컴포넌트와 다이 세트를 만듭니다.

공장 매니저 데일 슈라이버(Dale Schrieber)와 대화하며 릴라이언스가 하드 터닝으로 생산 공정에서 어떤 이득을 봤는지 들었습니다.

프로그레시브 다이와 컴파운드 다이

다이 세트는 여러 컴포넌트를 포함합니다. 이들은 종종 다이 플레이트 상단과 하단에 장착되는 개별 부품들입니다. 이 설계 덕분에 다이 세트 전체가 아닌 개별 컴포넌트 단위로 조정이 가능합니다.

프로그레시브 다이에서는 코일 판금이 다이 세트 상하반 사이에 공급됩니다. 프레스가 닫힐 때마다 완성 부품이 프레스 끝단에서 배출됩니다.

프로그레시브 다이는 완전 스탬핑을 생성하기 위해 2개, 4개, 심지어 16개 스테이션을 가질 수 있습니다. 프레스가 스트로크를 완료하면 코일이 한 다이 스테이션에서 다음으로 이동합니다. 일부 다이 세트는 평면 형상을 점진적으로 스탬핑한 후 스탬핑을 접어 3D 부품으로 만듭니다. 이 모든 게 한 프레스, 한 프로그레시브 다이에서 이뤄집니다.

컴파운드 다이는 프레스 단일 스트로크로 완전 스탬핑을 만든다는 점에서 프로그레시브와 다릅니다. 컴파운드 다이는 성형, 홀 펀칭, 공작물 성형을 프레스 한 번의 타격으로 모두 수행합니다.

프로그레시브 다이처럼 컴파운드 다이도 상하 플레이트에 장착된 컴포넌트들로 만들어집니다. 릴라이언스가 제조·조립해 완전한 세트로 만드는 건 바로 이들 컴포넌트들입니다. 대부분의 고객사에겐 이 컴포넌트들이 원형입니다.

왜 하드 터닝인가?

약 6년 전 릴라이언스는 하드 터닝 실험을 시작했습니다. 아이디어는 전통적 연삭 작업을 더 유연하고 더 많은 부품을 작업장에 통과시킬 수 있는 공정으로 보완하는 것이었습니다.

하드 터닝 도입 전 릴라이언스는 전통적 방식으로 다이 세트와 몰드 컴포넌트를 제조했습니다. 러프 선삭으로 연삭 스톡을 남기고, 열처리 후 피니시 연삭했습니다.

여느 작업장처럼 더 빠른 납품 압력이 대체 기술 모색을 주도합니다. 릴라이언스가 새 제조 방식 모색에 부과한 유일한 조건은 연삭품만큼 좋거나 더 좋은 부품을 고객에게 주는 것이었습니다.

"처음 하드 터닝 접근은 시도와 오류였습니다."라고 릴라이언스에서 하드 터닝 공정을 개발한 제프 스테스(Jeff Staes)는 말합니다. "연삭 대비 이점이 일부 애플리케이션에서 즉시 명확했습니다."

하드 터닝 대상 대부분은 0.0005인치 공차 요구사항을 가집니다. 하지만 0.005인치까지 작은 반경과 테이퍼를 반경으로 블렌딩해야 하는 니즈에서 단일 포인트 선삭이 연삭보다 뚜렷한 이점을 가집니다. 드랩트 앵글과 부품 형상용 ID/OD 테이퍼도 터닝 센터에서 쉽게 생성됩니다.

"미세 반경 유지나 연삭 숫돌로 테이퍼 생성하려면 빈번한 트루잉이 필요해 생산 공정이 느려집니다."라고 슈라이버 씨는 말합니다. "마지막 몇 천분의 일을 피니시 연삭하는 것도 시간이 걸리는데, 피니시 휠의 더 고운 입자가 러핑 휠보다 빨리 로드돼 금속 제거율을 제한하기 때문입니다."

배운 것들

성공적 하드 터닝의 열쇠는 소프트 터닝에서 시작합니다. 열처리 전 러프 선삭 후 적절한 양의 스톡을 남기는 게 경화 공작물에서 일관된 표면 마감과 치수 정확도를 얻는 비결입니다.

얇은 벽 섹션 같은 기하학적 형상은 열처리 시 약간 휘는 경향이 있어 하드 터닝용으로 더 많은 스톡을 남겨야 합니다. 아이디어는 얇은 섹션을 두껍게 해 열처리 치수 변화를 허용할 충분한 스톡을 확보하는 것입니다.

"우리 열처리 업체가 휘어짐을 최소화 잘합니다."라고 슈라이버 씨. "얇은 단면 공작물에 세라믹 플레이트 등 기술로 치수 변화를 제어합니다. 열처리 보내기 전 우리도 부품을 랙에 걸어 일관성을 제어합니다."

하드 터닝용 같은 스톡 여유 유지가 중요한 건 공구 마모 때문입니다. 일반적으로 하드 터닝은 2단계: 하나 이상의 러핑 패스 후 피니시 패스. 러핑 패스에서 최소 스톡 제거는 생산 시간 절약뿐 아니라 러프 하드-턴 공구 수명 연장에 더 중요합니다. "러프 하드-턴 공구 마모가 최종 패스 표면 마감과 크기에 영향을 줍니다."라고 스테스 씨.

릴라이언스의 선택 공구는 CBN(입방정 질화붕소)입니다. 극소량 생산이나 인터럽티드 컷엔 세라믹을 쓰지만, 대량 생산에선 CBN만큼 마모성이 좋지 않습니다.

"CBN은 다재다능합니다."라고 스테스 씨. "인서트 선택이 제한 요소지만. 우리 툴링 공급업체에 맞춤 인서트를 설계·제작 의뢰합니다. 기존 인서트를 우리가 필요한 형상으로 재가공해 다른 인서트 형상도 만듭니다. CBN용 인서트 형상과 기하학 다양성이 아직 충분하진 않지만 나아지고 있습니다."

절삭 속 공구강

릴라이언스 소재 상당 부분은 48~64 HRC로 경화된 A-3과 D-2 공구강입니다. CBN 인서트 커터가 이 하드 터닝 애플리케이션에 잘 맞습니다.

CBN은 다이아몬드 다음으로 단단한 소재지만, CBN으로 만든 인서트는 취약할 수 있습니다. 일부 선삭 공정은 이 취약성을 고려해 기존 방식에서 수정돼야 합니다.

일반적으로 CBN 인서트는 미리 성형된 CBN 소재 엣지를 브레이징하거나 다른 방식으로 카바이드 서브스트레이트에 결합해 만듭니다. 이 접합부가 커터의 약점이 되는 경향이 있습니다.

다이와 몰드 컴포넌트는 높은 치수 정확도와 우수한 표면 마감이 필요합니다. 하드 터닝으로 이 목표를 달성하기 위해 스테스 씨는 몇 가지 가이드라인을 개발했습니다.

"OD나 ID의 숄더로 절입 방향이 깊이와 벽 마감에 엄격한 공차가 필요할 때 요인이 될 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "ID나 OD에서 면으로 들어가는 대신, 벽면을 먼저 페이싱해 여분 소재를 제거하는 게 낫습니다. 피니시 패스용으로 0.0005~0.0010인치 스톡을 남기세요.

"러핑 패스 완료로 대부분 스톡이 제거되면 피니시 패스를 벽으로 넣을 수 있습니다. 남은 0.0010인치 이하 금속 제거는 특히 작은 리드 앵글 공구 형상 사용 시 인서트에 더 낮은 공구 압력을 가합니다."라고 스테스 씨.

보링 작업에서 인서트 센터 높이는 크기와 마감을 성공적으로 유지하는 핵심 요소입니다. 바가 휘면 절삭날이 센터라인 아래로 떨어져 공구 수명 단축과 불량 마감 결과. 스테스 씨는 하드 터닝용 솔리드 카바이드 보링 바를 추천합니다. "휘는 문제 줄이고 더 깊은 가공 깊이 제공합니다."라고 그는 말합니다.

온도와 워크홀딩 고려사항

공작물이 하드 터닝 단계에 이르면 가치가 크게 올라 있습니다. 누적 비용에 소재, 러프 가공 시간, 열처리가 포함됩니다. 이런 부품을 스크랩 내면 절대 안 됩니다.

스테스 씨가 이 부품들을 가공할 때, 특히 CBN 쓸 때 공구를 주시합니다. 일부 애플리케이션은 드라이 컷 가능하지만, 다른 건 가공 열로 인한 고온에 악영향받습니다. 이를 제어하면서 작업 구역 시야를 확보하기 위해 릴라이언스는 공장 압축공기나 콜드 에어 건으로 부품 온도를 유지합니다.

워크홀딩도 원형 다이·몰드 컴포넌트 제작 시 고려사항입니다. 원형도는 이들 부품 다수의 핵심 치수이며, 자주 벽이 매우 얇습니다.

"터닝 센터에 장착된 유압 척에 6인치 수동 3조 척을 물립니다."라고 스테스 씨. "수동 척 소프트 조는 기계에서 0.0005인치 동심도 이내로 보링됩니다."

검사 기술

릴라이언스가 하는 다이·몰드 컴포넌트 작업 상당 부분은 치수 정확도와 표면 마감 검사가 상대적으로 쉽습니다. ANSI/ASQC Q9001-1994와 ISO 9000 자격에 필요한 모든 검사 장비, 문서화, 추적 기술을 갖췄습니다.

하지만 일부 공작물은 측정이 쉽지 않습니다. 릴라이언스는 ID와 공작물 접근 어려운 숨은 형상 검증을 위한 흥미로운 기술을 개발했습니다.

"ID와 OD 형상엔 주기적으로 부품을 반으로 잘라 형상을 확인했습니다."라고 슈라이버 씨. "이제 치과 재료[고점도 비닐 폴리실록산]로 형상 인상을 떠서 옵티컬 컴패레이터로 검사합니다. 올바르게 하면 잘 작동하고 매우 정확한 기술입니다."

작업장 파트너십

릴라이언스는 원형 몰드·다이 컴포넌트 제조로 인상적 명성을 쌓았습니다. "우리 최고 고객 다수가 우리 원형 부품 전문성이 필요한 다른 툴 작업장들입니다."라고 슈라이버 씨. "특히 연삭하기 어려운 애플리케이션이 오면. 하드 터닝으로 많은 일을 맡습니다."

파트너십이든 전문화든, 한때 경쟁자로 여겼던 작업장들이 함께 일해 좋은 부품을 고객에게 전달합니다. 오늘날 제조 환경 현실을 반영하는 계약 작업장 운영 트렌드입니다.

릴라이언스 같은 작업장들이 그 전문성을 필요로 하는 다른 작업장들에 특화 서비스를 제공합니다. 마찬가지로 릴라이언스가 자기 능력 밖 공정 문제에 부딪히면 다른 작업장들에 도움을 청합니다.

ISO 9000 기술 등 표준화된 공정 문서화가 작업장 간 비즈니스를 돕습니다. 공정 문서 검토로 어떤 작업장이 말한 걸 할 수 있는지 바로 알 수 있습니다.

결과

릴라이언스도 여느 작업장처럼 고객으로부터 리드타임 단축 압박을 심하게 받습니다. 이 압력은 제품 수명 주기 단축과 고객사들의 지속적 개선 프로그램에서 나옵니다.

타 사업체용 다이 세트와 몰드 컴포넌트 제작 외에 릴라이언스는 괜찮은 자체 제작 사업도 합니다. 자체 스탬핑을 많이 합니다.

"하드 터닝으로 고객 납기를 평균 16~18주에서 6주로 줄였습니다."라고 슈라이버 씨. "연삭보다 하드 터닝이 일부 애플리케이션에 유리함을 본 다른 다이·몰드 작업장들로부터 일도 들어왔습니다.

"자체 스탬핑 작업이 사실상 새 공정과 기술의 베타 테스트 사이트가 됐습니다. 고객 애플리케이션에 적용 전 우리 스스로 시험합니다."라고 슈라이버 씨 덧붙입니다.

릴라이언스에 하드 터닝은 작동하는 것 같습니다. 매출 44% 증가, 고객 기반 확대, 향후 몇 년간 15~20% 성장 전망.