최근 자동차 분야에서는 CO2 배출량 절감을 위해 PHV나 EV 등의 차세대 자동차의 보급이 추진될 것으로 예상되고 있다. PHV나 EV 등에서는 에너지절감을 고려한 특성을 갖는 모터가 앞으로의 요구인 것은 분명하다. 그 큰 과제의 하나가 모터 특성에 크게 영향을 미치는 모터코어의 개발이다.
이에 모터코어 및 모터코어 금형(프레스 금형)의 과제와 대책에 대해 정리하고, 금형 제조 공정의 하나인 와이어 방전가공의 과제와 동사 대책 사례를 소개한다.
또한 PHV, EV 등의 보급 한편으로, 엔진 자동차의 저연비화로서 엔진의 효율 향상이나 구동계의 효율 향상, 차체의 경량화 등의 개발도 추진되고 있다. 그 중에서 특히 구동계의 효율 향상을 위해 동력 전달 로스를 절감하는 기어 고정도화의 요구가 있다.
이에 보다 높은 정도가 필요한 기어 단조 금형의 형조 방전가공의 과제와 동사 대책 사례를 소개한다.
모터코어 금형에 있어 와이어 방전가공의 과제와 대책
최근 모터코어에 채용되는 전자 강판의 박판화가 추진되고 있다. 박판 재료는 철손이 적고, 모터 특성에 유리한 것이 이유이다. 따라서 최근에는 t0.2~t0.35mm 정도(기존 : t0.5mm 정도)까지의 박판 재료가 채용되고 있다.
1. 모터코어 금형의 과제
여기에서는 박판화에 의한 모터코어 금형의 과제를 3가지 들어, 이하에 서술한다.
(1) 날붙이 클리어런스의 협소화
모터 코어 금형의 날붙이 클리어런스(펀치와 다이의 틈새)는 전자 강판의 판두께에 대해 약 5~8%(한쪽 측)로 설정되는 것이 일반적이다. 가령 5% 설정으로 t0.5mm의 재료를 채용한 경우 날붙이 클리어런스는 0.025mm(한쪽 측)이 되는데, t0.2mm의 재료인 경우 0.010mm(한쪽 측)이 되는 계산으로 상당히 좁은 수치가 된다. 대책은 펀치 및 다이의 형상 정도 향상이 된다.
(2) 날붙이 클리어런스의 균일화
과제 (1)의 대책으로 펀치 및 다이의 형상 정도가 향상되어도 날붙이의 위치결정을 하기 위한 펀치 플레이트와 다이 플레이트의 구멍 피치 오차가 있어서는 안 된다. 구멍 피치 오차는 날붙이 클리어런스의 균일성에 영향을 미치며, 장소에 따라 성형품 버량의 편차가 발생해 적층 정도가 나빠지고 날붙이의 파손 빈도도 높아진다. 대책은 펀치 플레이트 및 다이 플레이트 등 주요 플레이트의 구멍 피치 정도, 펀치 및 다이의 진직도 향상이 된다.
(3) 모터코어의 적층 정도 유지
모터코어 금형의 1부품으로, 스퀴즈링이라고 불리는 중공 원통 형상으로 한 부품이 있다. 링 내경은 모터코어 외경보다 약간 작은 치수 설정으로 되어 있으며, 모터코어는 스퀴즈링 내에서 측압을 받으면서 통과한다. 그 측압이 적층판 사이를 연결하는 성형 돌기물의 볼록부가 오목부에 꼭 끼이는 지지가 된다. 링 내경부의 진원도·진직도에 크게 영향을 미치는 외에 면조도가 나쁜 경우, 마찰력에 의해 코어 외경부에 철분이 발생해 링 내부에서 모터코어가 버닝되어 버린다.
따라서 대책은 스퀴즈링 구멍의 진원도·진직도·면조도 향상이 된다.
2. 와이어 방전가공에 의한 대책
앞에서 말한 과제에 대해, 대책이 가능한 특징을 가진 물 가공액 사양의 와이어 방전가공기 ‘MP 시리즈 Water Technology’, 장시간 가공에서 금형 재료의 부식을 걱정할 필요가 없는 오일 가공액 사양의 와이어 방전가공기 ‘MX2400’을 개발했다. 몇 가지 특징 중 2가지를 소개한다.
(1) 초미세 다듬질가공 ‘Super-DFS 전원’
물 가공액의 MP 시리즈 Water Technology에는 절연회로에 의해 정전용량을 절감, 방전 전류를 계속 단펄스화해 가공 전압을 높이는 초미세 다듬질가공 ‘Super-DFS 전원(Super Digital Fine Surface)’를 탑재했다(그림 1).
▲ 그림 1. 초미세 다듬질가공 ‘Super-DFS 전원’
가공액이 물인 경우에는 비저항 제어를 해도 오일 가공액보다 도전율이 높다. 그렇기 때문에 면조도를 향상시키는 경우 에너지를 작게 한 단펄스화가 필요한데, 방전의 용이함(=가공 효율)은 저하하게 된다. 그것을 보충하기 위해 워크 테이블의 절연성을 높이고 저에너지의 단펄스화와 고전압화의 양립을 도모했다. 따라서 유효 방전 횟수가 증가하고, 면조도 및 가공 속도의 향상을 가능하게 했다.
(2) 다이 가공 어프로치 제어 ‘EM 제어’
물 가공액 사양 MP 시리즈 Water Technology, 오일 가공액 사양 MX2400 모두, 다이 가공 어프로치 제어 ‘EM 제어’를 탑재했다(그림 2).
▲ 그림 2. 다이 가공 어프로치 제어 ‘EM 제어’
판두께에 대응해 단차를 생기지 않도록 와이어의 궤적을 최적화하는 궤도 제어와 가공 조건을 자동적으로 제어하는 조건 제어가 가능하며, 어프로치부 단차 1μm 이하를 실현했다.
3. 와이어 방전가공에 의한 가공 사례
여기에서는 앞에서 말한 특징을 갖고 있는 물 가공액 사양 MP 시리즈 Water Technology에서 모터코어 금형의 키 파츠(그림 3)를 가정한 샘플 사례 3가지(그림 4, 그림 6, 그림 7)과 오일 가공액 사양 MX2400의 샘플 사례(그림 5)를 소개한다.
▲ 그림 3. 모터코어 금형과 사례 샘플 부위
▲ 그림 4. 초경 ?170mm 다이 샘플
▲ 그림 5. 초경 ?400mm 다이 샘플
▲ 그림 6. 다이 플레이트 샘플
▲ 그림 7. 스퀴즈링 샘플
(1) 다이 : 진원도 향상
그림 4는 다이(재질 : 초경)를 가정하고 있으며, 과제 (1) 및 과제 (2)의 날붙이 클리어런스 협소화 및 균일화에 대응해 대경 ?170mm이면서 진원도 2μm를 실현하고 있다.
그림 5도 그림 4와 마찬가지로 다이(재질 : 초경)를 가정하고 있는데, 대경 400mm의 가공 결과이다. 그림 4에서 실시한 가공 사이즈는 내부식성의 초경 재료를 사용함으로써 물 가공액 사양의 MP 시리즈 Water Technology에서도 금형 수명에 대한 부식 영향을 걱정하지 않고 가공이 가능하다. 그러나 예를 들면 그림 5에 나타낸 사이즈는 100시간 정도의 가공이 되므로 물 가공액에서는 부식의 걱정이 생기기 때문에 오일 가공액을 이용한 MX2400의 가공이 필요해진다. 이 MX2400에서는 부식이 걱정되는 대형 워크 가공에서도 기계를 초고정도로 만들기 때문에 ?400mm의 대경 가공에서도 진원도 2μm를 실현하고 있다.
이러한 가공 결과는 면조도도 Rz 0.4~0.6μm로 우수하기 때문에 지그 연삭가공에 의한 절삭가공을 대체하는 것도 검토할 수 있다. 절삭가공의 경우, 가공 공수가 많이 드는 외에 거친가공·다듬질가공의 숫돌 선정 및 가공 중의 마모 관리가 필요하므로 기능을 가진 작업자가 필요하게 된다. 그러나 와이어 방전가공의 경우, 항상 최신 와이어가 보내지기 때문에 와이어의 마모를 걱정할 필요가 없어 관리가 쉽다.
(2) 다이 플레이트 : 피치 정도 향상
그림 6은 다이 플레이트(재질 : 스틸)의 샘플로, 650×300mm 피치에 대해 피치 정도±1.5μm를 실현하고 있다. 그렇기 때문에 박판화 대책뿐만 아니라 지금까지 플레이트 분할 사양으로 조립 시의 조정에 의해 플레이트 간의 피치 정도를 확보하고 있던 공정을 생략하는 것도 가능하며, 조립 공수의 절감으로 이어진다.
(3) 스퀴즈링 : 진직도·면조도 향상
그림 7의 고판두께 부품은 스퀴즈링(재질 : 초경)을 가정하고 있으며, 과제 (3)의 모터코어 적층 정도 유지에 대응, 두께 80mm에 대해 진원도 1.6μm, 진직도 1.3μm, 표면 조도 Rz 0.6μm를 실현하고 있다. 또한 면조도가 우수하기 때문에 오일 가공액 와이어에서 물 가공액 와이어로 대체하는 것을 검토할 수 있다.
기어 금형의 고정도화를 위한 형조 방전가공의 대책
앞에서 말한 와이어 방전가공기에서는 기존에는 높은 가공 정도를 실현할 수 없었던 형상 사이즈의 정도 향상 대책을 소개했다. 형조 방전가공에서도 마찬가지로 기존에는 대응할 수 없었던 형상 사이즈의 기어 금형의 정도 향상 요구가 있다.
여기에서는 ?100mm 단조 금형가공의 이 홈의 진동 정도 향상을 위해 신제어를 추가한, 형조 방전가공기 ‘EA-PS 시리즈’의 고정도 기술에 대한 특징을 소개한다.
1. ‘EA-PS 시리즈’의 특징
(1) 전극 변형의 최소화
전극이 ?100mm 정도 있는 경우에는 가공 중의 점프 업/다운 동작이나 요동 시에 전극이 받는 액체 저항이 크기 때문에 점프 동작에 의해 전극의 변형이 발생한다(그림 8). 이 전극의 변형은 점프 속도을 저속으로 하면 액체 저항이 줄어 억제할 수 있다. 그러나 이 경우, 가공에 기여하지 않는 점프 시간이 길어지고 가공 효율이 저하하게 된다.
▲ 그림 8. 점프 시의 전극 변형
그래서 특히 가공(방전 상황)에 영향을 미치는 점프 다운 시의 전극 변형을 최소화하는 점프 제어 기능과 변형이 발생한 의도하지 않은 상태의 방전을 억제하는 가공 서보 기능을 새롭게 탑재함으로써 가공 효율과 정도 향상의 양립을 실현할 수 있었다.
(2) 온도 변화 시의 영향 억제
기계 설치 환경의 온도 변화 영향을 억제하는 ‘서멀 버스터’를 탑재했다. 온도 변화가 발생하면 기계 구조체의 신축이 일어나고, 워크와 전극의 위치 관계가 어긋나 가공 정도의 악화 요인이 된다.
또한 점프를 반복하는 형조 방전가공은 Z축의 발열을 억제하는 것도 Z축 위치 정도를 유지하기 위해 중요하다. 서멀 버스터에 의해 온도 환경 변화 시에 있어서도 워크와 전극의 위치 관계 어긋남을 저감한 가공이 가능해진다(그림 9).
▲ 그림 9. 온도 변화의 영향을 억제하는 ‘서멀 버스터’
2. 형조 방전가공에 의한 가공 사례
앞에서 말한 특징을 가진 동사 형조 방전가공기의 가공 사례를 그림 10에 나타냈다. 동 그림은 ?100mm 기어 전극(동재)을 사용한 와셔붙이 기어의 가공 사례이다. 기존기에서는 0.020mm 정도였던 이 홈 진동 정도를 0.010mm 이내로 개선하는 것이 가능했다.
▲ 그림 10. ?100mm 기어 샘플
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동사에서 파악하고 있는 모터코어 금형, 기어 단조 금형의 과제에 대해, 방전가공에 의한 대책을 샘플 사례로 소개했다. 동사로서는 단순히 방전가공기의 정도 및 기능을 추구하는 것이 아니라, 금형 유저 시점에서 금형가공 코스트 절감·금형 정도 향상·금형 수명 향상·성형품 정도 향상 등 토털 메리트를 고려한 방전가공기의 개발에 앞으로도 노력해 갈 것이다.
코바야시 히로아츠 (小林 浩敦) 三菱電機㈜
본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.
