항공기 엔진 부품 정시 납품: 고품질 가공의 패스트트랙

항공기 제작 시리즈의 첫 번째 기사로, 엔진 부품과 구성품에 초점을 맞춰 툴링 제조사들이 고객의 현장 문제를 매일 어떻게 해결하는지 살펴봅니다. 또한 현재 항공우주 부품 제조 현장에서 일어나고 있는 일을 심층적으로 들여다봅니다.

현재 항공우주 및 방산 산업의 상황은 어떨까요? 항공기를 빠르게 제작하고 정시에 납품하려는 압박은 매우 현실적이지만, 장애물과 비용도 만만치 않습니다.

부품 제조 수준에서 내열 소재와 복합 소재는 가공하기가 매우 까다롭습니다. 따라서 항공우주 제조업체들은 공정 엔지니어링, 기계 프로그래밍, 공구 선택에 매우 전략적이어야 한다고 우리가 인터뷰한 세 곳의 주요 툴링 제조사들은 말합니다.

전략적 접근은 개당 75,000달러에 달하는 단조 부품이 일반적인 제트 엔진의 모든 복잡한 구성품에 해당합니다. 하나를 스크랩하는 것은 비용이 많이 들고 원치 않는 옵션입니다. 속도가 필수적이지만, 예측 가능하고 신뢰할 수 있는 결과가 우선입니다.

항공우주 및 방산: 생산 증대로 첨단 툴링 전략 필요

"OEM들이 생산율을 높이는 것을 보면서, 공급업체들이 생산 확대에 어려움을 겪을 위험이 남아 있습니다."라고 딜로이트 항공우주 부문 리더 로빈 라인버거가 "2019 글로벌 항공우주 및 방산 산업 전망" 보고서에서 말했습니다. "이 과제를 극복하기 위해 제조업체들은 공급망 강화, 효과적인 프로그램 관리, 그리고 이 고도로 규제된 산업이 던지는 어떤 소재 사양에도 대응할 수 있도록 고도로 엔지니어링된 특수 툴링을 포함한 첨단 기술 활용을 통해 생산성과 효율성을 높이는 데 집중해야 합니다."

보고서에서 딜로이트는 2018년 약 1,600대 항공기 생산으로 마감하고 2019년에는 100대 더 많은 생산을 예측했습니다. 생산 수요는 더 높은 처리량과 멀티태스킹 기계 사용을 의미하기도 합니다. 보고서에서 언급한 '첨단 기술'에는 공정 내 센서 기반 계측부터 고속 다축 가공, 그리고 이 고도로 규제된 산업이 던지는 어떤 소재 사양에도 대응할 수 있도록 고도로 엔지니어링된 특수 툴링까지 모든 것이 포함됩니다.

딜로이트가 지적하지 않은 것은 첨단 5축 기계가 도착하는 데 6개월에서 1년이 걸릴 수 있다는 점입니다. 그래서 그것들이 주문 대기 중인 동안, 일부 하청업체들은 기존 3축 시스템이나 노후화된 기계로 버티고 있으며, 많은 완성 항공우주 부품 '공급업체'들은 툴링 전략을 재고해야 한다고 툴링 제조사들은 설명합니다.

"그들은 더 빠른 제조 방식을 원합니다."라고 산드빅 코로만트의 글로벌 엔지니어링 매니저 빌 듀로우는 말합니다. "러핑이든 피니싱이든 더 높은 속도로 가동하길 원합니다. 오늘날 생산되는 엔진의 양은 업계에서 본 적 없는 속도입니다."

내열 초합금(HRSA)을 위해 특별히 설계된 적절한 등급과 인서트 공구를 찾는 것은 오늘날 가능합니다. 하지만 이러한 신소재와 이를 절삭하는 데 필요한 형상에 대한 학습 곡선은 여전히 존재한다고 툴링 제조사들은 말합니다.

예를 들어 4140강을 절삭하도록 설계된 공구는 인코넬, 티타늄, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 절삭하는 데 최적이 아닐 수 있습니다. 최근 몇 년간 티타늄으로 제작되던 일부 정적 및 회전 엔진 부품이 세라믹 매트릭스 복합 소재(CMC)로 제작되고 있다고 세코 툴스 엔지니어들은 말합니다.

"이 모든 것을 조화시키는 것이 기술입니다."라고 세코 툴스의 서부 지역 및 항공우주 매니저 데이브 토드는 말합니다. "오늘날 우리의 항공우주 기술은 변했고, 우리는 기술 파트너, 1차 공급업체, 학계와 협력하는 컨설턴트 역할을 훨씬 더 많이 하게 되었습니다. 많은 공정 엔지니어링이 우리 기술 허브에서 오프사이트로 수행됩니다."

세 곳의 툴링 제조사 모두 고객을 위한 잠재적 솔루션을 검증하는 테스트 랩을 보유하고 있습니다. 세 곳 모두 랩 기반 테스트와 현장 테스트를 혼합하여 정확한 전략이 실제 물리적 생산 라인에서 작동하는지 확인하는 것을 선호합니다.

항공우주 및 방산 부품 제조 기회에 대해 고민 중이신가요? "제조업 101: 항공우주 산업의 일원이 되기"를 읽어보세요.

절삭 영역 열 관리의 문제와 해결책

연비 효율이 가벼운 부품에 대한 수요를 견인하며, 가공하기 어려운 내열 소재가 사용되고 있습니다. 더 효율적인 엔진 성능을 위한 추진력의 일부는 환경적입니다. 더 깨끗한 연소는 더 효율적이기도 합니다.

"엔지니어링 요구 사항이 공급업체 수준으로 내려옵니다. 즉, 첨단 소재를 지원하기 위해 툴링 기술에 더 빠른 대응 시간이 필요합니다."라고 세코 툴스의 시장 부문 전문가 스콧 코시가 말합니다. "그리고 일부 소재는 복잡성 때문에 완전히 다른 툴링 전략을 요구할 수 있습니다: 일반적인 HRSA 소재는 세라믹 매트릭스 복합체와 동일한 절삭 전략을 사용하지 않습니다."

CMC 소재는 층으로 되어 있어 올바르게 다루지 않으면 쉽게 파손될 수 있습니다.

하지만 이것도 생각해 보세요: 엄청나게 뜨거운 터빈 제트 엔진의 효율성에 탁월한 내열 소재가 절삭 시에도 많은 열을 발생시킵니다. 공구 등급 자체도 일을 해내기 위해 일정 수준의 내열성을 요구합니다.

절삭유 공급을 위해 관통형 공급이 첨단 가공용 공구에서 필수적인 디테일이 되었습니다. 툴링 제조사들은 절삭유 공급 혁신을 지속적으로 찾고 있습니다. 가장 즉각적인 절삭 위치에 가장 효과적인 시점에 공급하기 위해 여러 포트를 가진 공구도 포함됩니다.

절삭유 이야기: 냉각 기술은 어디로 향하고 있나요? "금속 가공 유체, 기계 윤활유 및 냉각제의 미래"에서 확인하세요.

항공기 엔진 스포트라이트

엔진 부품 형상과 소재를 절삭하는 데 필요한 형상은 입체적 사고를 요구합니다. 티타늄과 결합된 복합 소재 등 서로 다른 소재가 결합된 독특한 형상의 엔진 블리스크와 에어포일이 있습니다.

이에 대응하여 이 제조사들은 인코넬, HRSA, 티타늄 등 가장 까다로운 소재를 절삭하기 위한 전체 등급 배열을 설계하고 테스트합니다. 또 다른 방법은 맞춤형 항공우주 공구를 필요에 따라 제작하는 것입니다. 이러한 맞춤형 공구는 현장에서 검증되면 모든 고객을 위한 표준 제품 라인이 되는 경우가 많습니다.

세 곳의 주요 툴링 제조사는 OEM 사양과 항공우주 부품의 독특한 형상이 어떻게 맞춤형 툴링을 표준 제품 라인으로 발전시켰는지 설명합니다. 세 제조사 모두 항공우주 프로그램을 보유하고 있으며, 오늘날의 엔진 부품 애플리케이션에 최적화된 매우 구체적인 부품을 제공합니다: 블리스크/임펠러, 에어포일, 터빈 디스크, 터빈 케이싱, 스풀, 팬 케이싱, 샤프트.

적절한 툴링이 영향을 미친 실제 엔진 부품 제작 사례 네 가지를 소개합니다. 모두 평균 35~40대의 기계를 보유하고 365일 24시간 가동하는 1차 항공우주 제조업체들입니다. 이는 결코 이 제조사들의 엔진 부품 제공 영역의 전부가 아닙니다.

산드빅 코로만트, 블리스크 생산성 해결

과제: 블리스크 하나를 만드는 데 7일이 걸렸습니다. 니켈 기반 부품에 깊은 블레이드와 좁은 슬롯이 있었습니다. 기존 밀링 방식으로는 긴 리치의 러핑이 비효과적이었습니다. 칩 패킹이 과도했고 기계가 충돌했습니다.

"그들이 하는 방식을 보았는데, 풀 슬롯에서 엔드밀을 태워가며 앞뒤로 반복하고 있었습니다."라고 듀로우는 말합니다. "예비 공구가 있었고, 재연마 공장에 맡겼다가 재사용했습니다. 많은 시간과 엔드밀이 소모되었습니다."

해결책: 다이 및 몰드 작업에서 수행된 것과 유사한 초경 플런징 공구. 또한 더 작은 직경의 두 번째 공구로 커스프(cusp)를 정리했습니다.

"테스트 피스를 랩으로 가져와 플런징 루틴을 사용하는 아이디어를 냈습니다."라고 듀로우는 말합니다. "정말 훌륭하게 작동했습니다. 그리고 좋은 점은 보조 정리 작업을 통해 또 다른 세미 피니싱 작업을 거의 제거했다는 것입니다."

결과: 7일 블리스크 생산에서 러핑과 세미 피니싱으로 4일을 단축했습니다. 결국 블리스크 애플리케이션의 표준 제품이 되었습니다.

케나메탈, 에어포일로 대형 장비 구매 취소

과제: 비스무트 합금 소재로 고정된 인코넬 소재의 불규칙한 형상 에어포일이 전기화학적 가공(ECM) 공정으로 절삭되고 있었습니다. 원자재의 공격적인 절삭이 불가능하여 생산이 느렸습니다. 맥동하는 힘이 채터와 진동을 유발하고 공구 수명이 나빴습니다.

해결책: 헬릭스, 플루트 수, 공구의 미세 형상을 조정하여 무거운 절삭 시 밀어내기를 최소화하는 절삭 전략을 설계했습니다. 가벼운 절삭에서는 헬릭스를 늘리고 직경과 플루트 수를 변경하여 회전 중 세 지점이 접촉하도록 했습니다.

결과: 부드러운 절삭, 공구 수명 증가, 최대 금속 제거율 증가. 고객은 곧 주문하려던 100만 달러짜리 신형 기계 주문을 취소할 수 있었습니다.

세코 툴스, 엔진 디스크의 깊은 홈 절삭 제어

과제: 팬 블레이드를 고정하는 컴프레서 디스크의 열처리된 인코넬 718 깊은 홈 절삭 시 칩 제어 문제. 깊은 플런징 루틴으로 공구 파손과 낮은 공구 수명 발생.

해결책: 고압 절삭유를 결합한 다방향 터닝 및 그루빙 시스템. 지그재그, 램핑 기하학적 절삭 전략으로 칩을 얇게 만들고 열을 줄이며 공구 수명을 크게 늘렸습니다.

결과: 사이클 타임 15~20% 단축. 공정 제어 확보 및 수동 개입 부담 감소.

케나메탈, 엔진 케이싱 진동 제거

과제: 엔진 케이싱을 위해 티타늄 1인치를 제거해야 하지만 터닝이 불가능했습니다. 절삭력이 너무 강하고 기존 공구로는 생산성이 낮았습니다. 특정 형상 영역을 돌기가 어려웠습니다.

"엔진 케이스는 둥글어야 맞죠? 하지만 실제로는 아닙니다."라고 케나메탈의 항공우주 및 방산 프로젝트 스태프 엔지니어 마크 프란시스는 말합니다. "단순 터닝 사이클을 할 수 없는 형상들이 가득합니다. … 80%의 시간은 밀링으로 소재를 제거한다고 봅니다."

해결책: 직경에 맞으면서 진동과 밀어내기를 동시에 제거할 수 있는 특수 공구 사용.

결과: 예측 가능한 금속 절삭 효율로 안정적이고 신뢰할 수 있는 생산 라인 구축. 표준 제품이 된 맞춤형 공구.

생산 공정과 부품당 비용의 중요성

대부분의 1차 항공우주 부품 공급업체는 동일한 OEM 사양으로 동일한 부품을 제작하더라도 정확히 같은 가공 장비를 운용하지는 않습니다. 툴링 제조사와 금속 가공 전문가는 각 가공 환경을 이해하고 모든 고유한 가공 환경에서 작동하는 전략을 설계해야 합니다.

독립적으로, 경쟁 관계인 세 툴링 제조사 모두 한 가지를 분명히 하고 싶었습니다: 올바른 공구를 사용하여 생산성과 정확성에 실질적인 영향을 미치는 생산성 향상에 초점을 맞춰야 합니다. 또한 부품당 비용이라는 더 전체적인 지표 관점이 점점 더 많은 항공기의 정시 납품을 달성하는 데 도움이 된다고 믿습니다.

증명은 생산성에 있습니다.

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