전기차 부품을 위한 최적화된 툴링 및 가공 전략

전기차 붐이 가속화되면서 차량 부품 제조에 새로운 소재가 쓰이고, 이는 자동차 부품 공급업체에 가공 과제를 안겨줍니다. 다결정 다이아몬드(PCD) 절삭 공구가 왜 자동차 제조사의 새로운 베스트 프렌드가 되고 있는지 살펴봅니다.

자동차가 존재하는 한 자동차 제조사들은 알루미늄을 써왔습니다. 사실 자동차 선구자 칼 벤츠가 1901년 첫 알루미늄 엔진 부품을 선보였고, 1908년 부가티가 알루미늄 섀시와 바디 부품을, 1934년 알파 로메오가 과급 엔진에 알루미늄을 썼습니다.

이후 알루미늄과 그 합금은 인기를 더해왔습니다. 최근 주목할 사례는 포드자동차가 2015년 알루미늄 바디 F-150 픽업트럭을 출시한 것입니다. 하지만 이 트렌드는 제너럴 모터스(GM)가 2025년까지 30개 신규 전기차(EV) 모델 출시, 10년 후 내연기관(IC) 엔진 완전 퇴출 계획을 발표하며 대대적으로 도약할 전망입니다. 다른 자동차 제조사들도 GM의 선구적 행보를 따를 것입니다.

차량 전동화가 알루미늄과 무슨 상관일까요? 아주 큽니다. 이 강하면서 가벼운 금속은 이미 엄격한 연비 기준 충족에 기여해 자동차 업계의 총아였는데, 리서치 회사 DuckerFrontier의 최근 조사에 따르면 북미 전기차와 비전기차의 평균 알루미늄 사용량이 2030년까지 24% 증가할 전망입니다.

일부는 이미 쓰이는 휠, 펌프 바디, 실린더 헤드, 트랜스미션 하우징 때문이지만, 점차 배터리 트레이와 전기 모터 부품(고정자, 하우징 등)까지 확대될 것입니다. 단 한 가지 문제: 단조와 압연 알루미늄 합금은 비교적 가공하기 쉽지만, 이들 부품 일부에 쓰이는 주조 소재는 매우 마모성이 강해 공구 수명이 나빠지고 다운타임이 늘어납니다. 업계의 악명 높은 고생산량을 고려하면 이는 자동차 제조사와 티어 공급업체에 심각한 우려로 보입니다.

어려운 과제 해결

다행히 이 과제에 부응하는 절삭 공구 소재가 있습니다. 다결정 다이아몬드(PCD)입니다. Kyocera Precision Tools 자동차 애플리케이션 스페셜리스트 제럴드 피치에 따르면, 브레이즈드 PCD 드릴과 엔드밀, 인서터블 커터, 맞춤 솔루션 등 광범위한 제품군이 있어 알루미늄을 정기적으로 가공하는 모든 숍의 비용 절감과 생산성 향상에 기여합니다.

"자동차 제조사에게 절삭날당 비용이 전부입니다. PCD 공구가 초경 대비 10배 비싸도, 더 짧은 사이클 타임과 획기적으로 늘어난 공구 수명이 가격 차이를 상쇄하고 남습니다."라고 그는 말합니다.

피치는 자사 MFAH와 MEAS 밀링 커터를 두 가지 가능한 솔루션으로 꼽습니다. 둘 다 낮은 절삭력으로 버와 공작물 치핑을 최소화하면서 고품질 마감을 내는데, 이는 고량 알루미늄 가공에서 모두 결정적입니다. 이런 인서터블 툴은 주철이나 분말 야금 실린더 라이너가 있는 엔진 블록 상면 밀링에도 적합한데, 이는 자동차 시장에서 흔하지만 까다로운 케이스입니다.

깊은 보링

릭 위스도 같은 과제를 많이 봅니다. Guhring Inc. PCD/PCBN 부문 제품 매니저 겸 엔지니어링 슈퍼바이저인 그는 자동차 부품 공차와 표면 마감이 종종 매우 엄격하며, 전기 모터 고정자 보어의 경우 긴 길이-직경 비율도 예상된다고 지적합니다.

"예를 들어 전기 모터 고정자 보어는 직경이 보통 200mm(7.87인치) 이상이고 깊이는 그 1~1.5배일 수 있습니다."라고 위스는 말합니다. "가공 접근법은 일반 트랜스미션 하우징과 꽤 비슷한데, 실제로는 훨씬 더 깊은 리치가 필요할 수 있습니다. 러핑, 세미 피니시, 피니시 보링 3단계 공정이 필요합니다. 차이는 툴 바디 소재와 조정 시스템입니다."

이 특정 부품을 위한 Guhring 솔루션은 바디가 아이러니하게도 알루미늄으로 된 맞춤 커터였습니다. 보링 툴은 HSK 스핀들 인터페이스를 갖고 있으며, 크기 제어를 위한 조정 카트리지에 장착된 6개 이상 PCD 인서트를 갖췄습니다. "많은 자동차 절삭 공구처럼 완전 맞춤 스페셜로, 하나의 툴로 여러 직경과 부품 형상을 가공할 수 있습니다."라고 위스는 말합니다.

PCD로 더 빠르게 이송

채드 헤플링거는 Kennametal Inc. PCD/PCBN 제품 매니저입니다. 그는 자동차 제조사들이 수십 년간 알루미늄 가공 개선을 위해 PCD 툴링을 써왔지만, 티어 공급업체들은 오랫동안 뒤처져 있었다고 설명합니다. 최근 몇 년간 비교적 저렴한 CNC 기계가 널리 보급돼 PCD에 필요한 더 높은 스핀들 속도와 이송률을 갖추게 되면서, 최소 규모 숍에서도 PCD의 높은 생산성을 누릴 수 있게 됐습니다.

또 다른 변화는 소위 '베인드(veined)' PCD 툴링 개발입니다. "대부분 절삭 공구의 PCD는 평평한 퍽에서 잘라내 초경 기판에 브레이즈하는 방식으로 만듭니다."라고 헤플링거는 말합니다. "단점은 초경 절삭 공구처럼 곡면 형상을 만들 수 없다는 점입니다. 베인드 툴링에선 PCD가 준비된 초경 블랭크 내 곡선 슬롯에 소결돼 헬리컬 드릴과 엔드밀에 쓸 수 있게 됩니다."

헤플링거는 알루미늄만이 자동차 소재의 전부가 아니라고도 지적합니다. 점점 더 많은 제조사가 차체 패널, 프레임 부품, 범퍼, 전기차의 경우 배터리 트레이에 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)과 기타 복합소재를 쓰고 있습니다. 여기서도 PCD 툴링은 이 항공우주급 소재 가공의 최초이자 때론 유일한 선택입니다.

"CFRP는 상당히 마모성이 강할 뿐 아니라 치핑과 박리에도 취약합니다."라고 그는 말합니다. "이 때문에 베인드 PCD 툴링이 이런 소재, 특히 항공우주뿐 아니라 자동차에서도 일부 선호됩니다. PCD의 극한 내마모성과 더 유연한 형상 옵션이 결합돼 복합소재와 일부 알루미늄 합금 가공 시 마주치는 문제 일부를 해소합니다."

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자동차 부품을 위한 최적의 툴링 및 가공 전략 활용

전기차(EV) 붐이 가속화되면서 차량 부품 제조에 새로운 소재가 쓰이고, 이는 자동차 부품 공급업체에 가공 과제를 안겨줍니다. 다행히 해결책이 있습니다: 다결정 다이아몬드(PCD). 귀사의 EV 생산 역량 가속화를 위해 어떤 조치를 취하고 계십니까? 설문조사에 참여해 인사이트를 공유하세요.

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