항공기 날개 제조의 정밀 장인 정신: 현대적 생산 기술

오늘날의 초생산적인 항공우주 산업에서 항공기 날개를 제작하려면 무엇이 필요할까? 항공우주 및 방위 제조 시리즈 2부에서 툴링 제조사들이 어떻게 공정에서 더 많은 시간을 단축할 수 있도록 업계를 돕고 있는지 설명한다.

항공기 날개 설계: 리브, 스파, 스트링거

항공기 날개 구조는 골격과 외부 스킨으로 구성된다. 날개의 골격은 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다: 스파, 리브, 스트링거. 스파는 날개의 스팬을 따라 연장되어 휨의 정도를 제어하는 역할을 하며, 리브는 날개의 공기역학적 형상을 형성하고 전연에서 후연까지 뻗어 있다.

스트링거는 리브 사이를 스파와 평행하게 이어지며 날개를 보강하는 데 사용된다. 이 골격은 비행 하중을 지탱할 뿐만 아니라 엔진을 지지하고, 수많은 내부 부품을 수용하며, 대량의 연료를 저장하는 역할도 한다.

캐나메탈(Kennametal)의 솔루션 엔지니어링 팀 소속 항공우주 및 방위 분야 스태프 엔지니어 마크 프란시스(Mark Francis)는 "7075와 같은 더 단단한 알루미늄 합금은 허용 가능한 공구 수명을 유지하면서 절삭하기 위해 매우 강한 카바이드 등급이 필요하다"고 말한다.

"날개 스킨의 경우 페이스 밀 스타일의 공구를 사용한다. 날개의 크기에 따라 매우 큰 직경의 공구를 사용하여 더 넓은 표면을 더 짧은 시간에 가공할 수 있다. 또한 날개 내부에는 부착을 위한 다양한 형상 가공이 필요하다"고 프란시스는 설명한다.

목표는 최소한의 공구로 모든 마운팅 형상을 가공하여 공구 교체 시간을 최소화하는 것이다. 스킨에서 소재를 제거할 때는 대형 갠트리 타입 머신을 사용하여 극도로 매끄러운 표면을 얻는 것이 핵심이다. 이는 수작업 공구가 아닌, 최대한 자동화되고 정밀한 공정을 위한 것이다.

시코 툴스(Seco Tools)의 북미 애플리케이션 스페셜리스트 에릭 가드너(Eric Gardner)는 "절삭 공구 형상의 세부 사항이 금속 제거율(MRR)에 영향을 미칠 수 있다"며 "적절한 조정 가능한 형상을 사용하면 제조업체는 MRR을 최대 30%까지 높일 수 있으며, 이는 종종 부품 생산성 15~20% 향상으로 이어진다"고 말한다.

"이 스파와 마운팅 형상 영역의 마감은 정말 매우 매끄러워야 한다"고 프란시스는 말한다. "일반적으로 슬로팅 스타일 커터나 피니싱 커터를 사용한다... '랩 라인(lap lines)'이 있어서는 안 된다. 이는 커터 폭을 따라 있는 몇 개의 인서트 불일치로 인해 절삭 표면을 따라 길게 생길 수 있는 선이다."

랩 라인은 응력 집중 지점이다. 날개 내부에는 많은 응력이 존재하므로, 응력 집중 지점이나 랩 라인이 존재하면 치명적이다. 날개는 불합격 판정을 받아 재가공하거나 폐기해야 한다. 이렇게 필수적이고 큰 부품을 폐기하는 것은 끔찍하고 비용이 많이 드는 선택이다.

랩 라인을 제거하기 위해 항공우주 제조사들은 종종 직경 10~12인치의 조정 가능한 휠 커터를 사용하며, 항공우주 등급 알루미늄 합금용으로 특별히 설계된 카바이드 인서트와 커터 바디의 다양한 구성을 활용한다고 프란시스는 설명한다.

"그리고 카바이드 인서트는 다음 인서트와 완벽하게 일치하여 회전해야 하므로, 런아웃(runout)은 제로여야 한다. 이를 달성하는 유일한 방법은 공구를 조정 가능하게 만드는 것"이라고 프란시스는 말한다. "고객은 각 인서트를 특정 직경으로 조정하여 공구가 스파를 따라 작동할 때 랩 라인이 제거되도록 한다. 이는 절대적인 필수 조건이다... 어떤 종류의 불일치도 용납할 수 없다."

잠재적 문제 영역: 날개 스킨의 칩 배출

날개 스킨에서 금속을 제거할 때, 대형 항공기의 날개는 수백 피트 길이가 될 수 있다. 완전히 평평하지는 않지만, 거대한 평판에서 깎아내고 매끄럽게 만들어야 할 금속이 많이 있다.

"많은 경우 날개 스킨 표면에서 칩을 빨아들이기 위해 진공 시스템을 사용한다"고 프란시스는 말한다. "인서트가 다시 돌아올 때 칩이 끼어 재절삭되어 소재에 번져 들어갈 수 있다. 이는 절대 금물이다. 우리는 그런 상황을 원하지 않는다."

이런 상황을 피하기 위해 툴링 제조사들은 칩이 빠르게 배출되어 진공으로 빨려 들어가고 다시 절삭부로 돌아가지 않도록 형상을 조정한다. 종종 이러한 평판에서는 가벼운 미스트를 사용하여 칩 배출을 돕거나, 드라이 커팅을 수행한다. 대형 날개 스킨의 경우 매우 크고 개방된 영역이기 때문이다.

방위 부문이 주도하는 항공기 날개 설계의 소재 변화

샌드빅 코로만트(Sandvik Coromant)의 항공우주 분야 글로벌 엔지니어링 매니저 빌 듀로우(Bill Durow)는 "군용 분야에서 예를 들어 항공모함에 착륙하는 항공기의 날개에 변화가 있었다"며 "착륙 시 날개에 가해지는 요구 사항이 더 까다로워졌다. 그래서 더 강한 소재를 얻기 위해 소재를 변경하고 시험해왔다"고 말한다.

더 강한 소재에는 Ti-5553 및 Ti-1033과 같은 티타늄 옵션이 포함되며, 이들은 가공이 더 어렵다고 듀로우는 말한다. 이러한 소재는 공구 수명 문제를 일으킬 수 있으며 더 낮은 속도로 가공해야 하므로 생산성이 저하될 수 있다.

"일반적인 경험칙으로 티타늄 5553 소재는 베타 티타늄으로, 일반적인 알파-베타 티타늄인 6AL-4V보다 약 50% 적은 공구 수명을 제공한다"고 듀로우는 말한다.

이러한 애플리케이션의 대부분의 툴링에는 라운드 공구, 솔리드 카바이드 엔드 밀, 롱 에지 커터, 많은 스퀘어 숄더 타입 커터가 포함된다.

"가공하는 형상의 특성상 공구에 빈번한 노치 마모가 발생하므로, 이를 완화하기 위해 다양한 기술을 적용할 수 있다"고 듀로우는 말한다.

신규 알루미늄 하이브리드 부상: 알루미늄 리튬

시코 툴스의 가드너에 따르면, 7000 시리즈 알루미늄과 비교할 때 알루미늄 리튬은 공구 수명을 50~70% 단축시킨다.

"다른 알루미늄보다 강하면서 가벼워 항공우주 및 방위는 물론 로켓과 우주선에도 이상적"이라고 가드너는 말한다.

스핀들 기술이 계속 발전함에 따라 처리량이 증가하고, 일부 시스템은 적절한 툴링과 함께 최대 30,000rpm, 120킬로와트의 높은 가속도를 달성할 수 있다.

"상대적으로 마모성이 강하므로, DLC(다이아몬드 유사 코팅) 같은 내마모성 코팅이 된 날카로운 포지티브 툴링으로 절삭해야 한다"고 가드너는 말한다.

여러 기계에서의 셋업 감소가 시간 절약과 정확도 향상을 가져오는 방법

툴링 제조사들이 항공우주 및 방위 제조사들의 효율성 향상을 돕는 한 분야는 부품을 다른 기계로 이동할 때 셋업과 체인지오버를 줄이는 것이다. 샌드빅 코로만트는 날개에 부착되는 파일론(pylon) 부품이 세 대의 다른 기계로 이동하며 네 번의 셋업이 필요했던 강력한 사례를 가지고 있다.

도전 과제는? 고객이 하나의 5축 기계를 사용하고 모든 셋업을 중단하도록 설득하는 것이었다. 하나의 기계에서 최적화하면 정확도를 더 엄격하게 제어하면서 동시에 처리량에서 엄청난 시간을 확보할 수 있다.

"이 경우 가장 큰 도전은 고객을 설득하는 것이다. '하나의 기계에 그대로 두십시오'라고 말하는 것"이라고 듀로우는 말한다. "가공할 수 있는 면을 최대한 가공하세요. 처음 위치를 기준으로 모든 것이 상대적이므로 정확도를 잃지 않습니다. 뒤집어서 바닥면을 마무리하면 끝납니다."

결국 부품을 하나의 시스템에 유지하는 것만으로 이 파일론 부품을 22시간에서 6시간으로 단축하는 데 성공했으며, 전체적으로 더 적은 툴링을 사용하게 되었다. 이 시간에는 기계 간 부품 이동 시간은 포함되지 않았으며, 순수 가공 시간만 해당된다.