[헬로티]

자동차 산업에서 전기자동차(EV)의 중요성이 높아지고 있으며, 전동 모터 탑재 차량의 생산 대수는 해마다 계속 증가하고 있다. 전동 모터 자체는 새로운 것은 아니지만, 전동 모터를 자동차의 구동 수단으로서 사용하기 위한 기술 혁신이 추진되어 이들 부품을 양산하는 방법의 확립이라는 점에서, 현재 자동차 산업의 많은 분야에서 미지의 영역에 도전하고 있다. 마팔(주)는 고객의 테크놀로지 파트너로서 전기 모터 하우징의 복합가공을 포함한 수많은 혁신적인 툴링 시스템을 연구해 왔다(그림 1).

그림 1. 동사가 제공하는 전기 모터 하우징의 전가공을 위한 툴

전기자동차(EV)용 모터 하우징의 양산화를 위한 과제

전기 모터의 개발에서는 각각의 부품이 명확하게 통합화가 추진되고 있다. 최신 전기 모터의 설계에서는 모터, 파워 일렉트로닉스 및 변속기가 모두 모터의 센터 하우징 내에 설치되어 있다. 또한, 각각의 전기 모터에 요구되는 성능은 모터의 사용 방법에 따라 크게 다르다. 예를 들면 전기 모터는 차량의 구동 시스템으로 사용하는 경우, 폭넓은 온도에서 성능을 유지할 필요가 있다. 그 중량과 효율도 큰 역할을 한다. 한편, 자동차 업계의 부품 제조 라인에서는 항상 코스트 효율이 높고, 고도로 자동화된 양산 가공 라인이 요구되고 있다.

지금까지 수십 년 동안, 내연 엔진의 제조 라인은 이러한 요구에 맞춰 최적화되어 수백만 대 제조되어 왔다. 자동차 메이커와 그 서플라이어에 요구되어 온 이와 같은 엔진이나 관련 부품의 제조에 대한 요구는 전기 모터의 부품 제조에 대해서도 동일한 과제를 제기하고 있다. 여기서는 전기 모터의 센터 하우징 가공에서 이러한 과제가 얼마나 큰지를 해설한다.

모터의 효율을 결정하는데 있어 이 하우징의 정도가 매우 중요하기 때문에 내연 엔진에 사용되는 기어 박스 하우징보다도 훨씬 엄격한 허용 정도를 유지해 가공·제조할 필요가 있다.

그림 2. 스틸 부시 압입 통합형 전기 모터 하우징

그리고 보통의 전기 모터용 센터 하우징은 냉각회로가 통합되어, 지금까지의 내연 엔진용 기어 박스 하우징보다 훨씬 얇은 벽면으로 되어 있다. 또한, 일부 하우징에는 스테이터 구멍과 스틸 베어링 부시가 장착된 것도 있다(그림 2). 이러한 경우에 생기는 복합가공에 대해, 이와 같은 엄격한 요구 기준을 만족시키는 것은 쉽지 않다.

프로토타입 생산의 경우, 이러한 요구 과제는 큰 어려움이 없이 실현할 수 있다. 한편, 양산 가공의 경우에는 큰 문제에 직면한다. 이것은 가장 엄격한 미크론 단위의 가공 정도를 유지하는 것뿐만 아니라, 가공 코스트 절감을 위한 과제도 동시에 생긴다. 베어링 구멍과 스테이터 구멍의 가공에서는 고정도의 큰 지름과 깊은 구멍가공이 요구되므로 특히 어려운 가공이 된다.

가공 어프로치가 공구 설계에 미치는 영향

얇은 벽으로 구성된 전기 모터 하우징 구멍은 범종과 같은 형태이기 때문에 고유 진동을 일으키기 쉽다. 이에 더해 성형품의 주조 잔류응력의 영향 때문에 가공 워크의 클램프 방법과 각종 가공 순서는 특히 배려가 필요하다. 부품의 클램프 설정 시에는 구멍의 지름 방향 클램프력을 가급적 작게 하고 최종 가공 정도, 특히 원통도에 악영향을 미치지 않도록 할 필요가 있다.

또한, 소재에서 다듬질까지의 가공 절삭값은 구멍의 입구 내경 절삭값이 대략 0.5mm/지름인 경우, 주조 공정에 동반되는 주형의 빼기구배에 의해 구멍 바닥에서는 최대 13mm/지름이 된다. 이와 같은 큰 절삭값의 가공에서는 가공 부품과 공구가 매우 큰 절삭부하를 받는다. 그렇기 때문에 가공 프로세스 설계 및 공구 설계에는 이들을 충분히 고려해야 한다.

기울기 모멘트에 기인하는 공구의 제약

일반적으로 스테이터의 구멍 지름은 300mm를 넘는 것이 드물지 않다. 그렇기 때문에 이러한 큰 지름·깊은 구멍의 가공을 효율적으로 가공하기 위해서는 큰 외경과 함께 긴 돌출 공구가 요구된다. 이와 같은 외경과 돌출 길이의 비율에서는 공구의 중량과 기울기 모멘트 양쪽에서 기계가공 프로세스에 결정적인 영향을 준다. 머시닝센터 탑재 공구의 선정에는 머신의 ATC 장치(자동공구교환장치)가 허용되는 최대 중량과 최대 모멘트를 충분히 고려할 필요가 있다. 이러한 제약을 만족시키기 위해 탑재 공구는 가급적 경량화를 도모해야 한다.

이를 위한 하나의 수단으로서 특수 설계에 의한 공구의 경량화를 들 수 있다. 설계의 최적화에 의해 공구의 중량과 기울기 모멘트를 줄이는 것이 가능하다. 그러나 기존의 제조 방법으로는 경량화에 한계가 있다.

한편, 적층조형법(3D 프린터)의 채용에 의한 초경량 설계를 함으로써 기존 제조법의 경량화 한계를 넘는 것이 가능하다. 적층조형법에 의해 쿨런트 유로의 커스터마이즈가 가능할 뿐만 아니라, 제조상의 제약 해소에 의한 설계 자유도 향상, 그리고 옵션 효과로서 툴 보디 내부의 중공화에 의해 대폭으로 중량을 경감할 수 있다.

이와 같은 공구의 경량화에 의해 HSK-A63 등의 작은 스핀들 인터페이스의 머시닝센터 채용이 가능하다. 또한, 한편으로 작은 스핀들 탑재의 머신에서 큰 지름 구멍의 가공을 쉽게 하기 위해서는 공구의 날수를 줄이고 가공 절삭값과 절삭저항을 줄이는 것이 필요하다. 그러나 이러한 대책은 가공 시간의 대폭적인 증대와 생산성 저하를 불러온다.

현재 대부분의 자동차 생산의 기존 가공 라인에서 사용되고 있는 머시닝센터는 HSK-A63 인터페이스가 채용되어 있다. 이것은 특히 공구 설계에서 중요한 요인이 된다. 전기자동차용 부품 제조 라인에 새롭게 요구되는 조건의 하나로서, 현재 보유한 머신의 개조에 의한 활용을 들 수 있다. 또한, 대부분의 가공 프로세스에서는 복수의 기계에 의한 멀티 머신 어프로치가 권장된다. HSK-A63 스핀들의 경우, HSK-A100 스핀들보다 플렉시블하고, 또한 최대 15% 고속의 회전수로 가공할 수 있다. 따라서 HSK-A63 인터페이스의 머시닝센터를 모든 가공 공정에서 사용하는 것이 이상적이다.

한편, 스테이터 구멍을 가공하는 경우에는 HSK-A100 머신을 선정하는 것이 일반적이다. 어떠한 경우나 스핀들 측의 인터페이스는 공구 설계에 근본적인 영향을 준다. 가장 큰 문제는 툴의 날수가 스핀들 모터의 최대 정격 토크와 가공 절삭저항에 따라 제한되는 것을 들 수 있다. 원칙적으로 공구의 날수가 많을수록 사이클 타임이 짧아진다. 한편으로 머시닝센터는 보다 고출력의 스핀들 모터가 요구된다.

그림 3. 알루미늄 가공용 절삭칩 안내 홈 설치 PCD 인서트

기계가공 프로세스에 요구되는 항목

스테이터 하우징의 가공은 최종적으로는 베어링 구멍과 스테이터 구멍의 동심성, 기준면과 구멍의 수직도 및 스테이터 구멍과 베어링 시트 구멍의 진원도 및 원통도에 엄격한 허용공차가 설정되어 있다. 엄격한 가공 정도와 함께, 전기 모터 하우징에 보통 사용되는 실리콘 함유 알루미늄합금 가공에서는 가공 프로세스에 특별한 배려가 필요하다. 알루미늄합금의 조성에 따라서는 가공 시에 매우 긴 절삭칩이 생성되는 경우가 있다. 그러나 너무 긴 절삭칩은 어떠한 가공 프로세스에서도 바람직하지 않다. 그들은 부품이나 툴의 마모뿐만 아니라, 절삭저항 및 부품(워크) 온도의 상승을 일으킬 가능성이 있기 때문에 가급적 피할 필요가 있다. 절삭칩의 온도는 보통 100℃를 넘기 때문에 가공에서 생성된 열은 절삭칩과 함께 즉시 제거할 필요가 있다.

그림 4. 스틸 가공용 칩 브레이커 설치 인서트

이 과제를 확실하게 해결하기 위해 동사는 유한요소법(FEM)을 사용, 실리콘 함유량이 낮은 특수 알루미늄합금 가공용 PCD 인서트(그림 3) 및 스틸 가공용 칩 브레이커 설치 인서트를 개발했다(그림 4, 그림 5).

그림 5. 유한요소법(FEM)에 의한 절삭칩 배출 및 분단의 시뮬레이션

고정도 하우징 가공에 관한 또 다른 하나의 과제는 부품의 온도 구배에 의해 부품이 변형되어 버리는 점이다. 이와 같은 문제는 알루미늄의 열팽창 특성 때문에 자주 발생한다. 예를 들면 온도가 5℃ 상승하면, 직경 219mm의 구멍 지름은 0.026mm 팽창한다. 이 값은 언뜻 그다지 크게 보이지 않을지도 모르지만, 실제로 가공에서 요구하는 허용공차와 비교하면 상당히 큰 비율이 된다. 이와 같이 열팽창에 의한 영향은 전기 모터 하우징의 직경과 형상 허용도에 크게 의존한다. 수용성 쿨런트를 사용한 가공이나 적절한 절삭칩 배출을 실현한 최소량 윤활(MQL) 가공에서는 온도의 변동을 저감할 수 있다. 절삭 파라미터와 이송 속도의 조정도 온도 변동을 저감하는 방법의 하나로서 효과적이다.

툴 설계

마팔(주)는 새로운 설계 방법에 의해 이러한 과제를 만족시키기 위한 툴을 개발했다. 이 툴은 용접 구조 설계를 채용해 경량화와 동시에 고강성 구조를 가능하게 하고, 하우징의 얇은 벽을 가공하기에 매우 적합한 툴로 되어 있다(그림 6).

그림 6. 용접 구조 설계에 의한 경량화 툴

용접 설계에서 툴은 관상체로 이루어지는 보디 형상(관 모양 설계)를 선정하고 있다. 이러한 툴의 1개는 기존 보링 바의 반 정도의 중량으로 되어 있다. 가공 요구에 따라 절삭날 인서트와 가이드패드용 탑재용 리브가 용접되어, 리브의 접선을 따라 서로 의지한다. 이것에 의해 채터링의 위험이 최소한으로 억제된다. 또한, 단속 절삭의 경우에 가이드패드에 의해 툴이 서포트된다. 관 모양 설계와 안정화용 리브에 의해 굽힘 단면계수는 커져 있다. 긴 둘출 길이와 큰 구멍 지름에도 불구하고, 툴의 가공 정도는 매우 높게 유지된다. 이것을 달성하기 위해 유한요소법(FEM)에 기초한 광범위한 해석을 사용해 냉각회로의 배치, 절삭저항, 가공 토크, 기울기(틸트) 모멘트의 해석을 하고 있다(그림 7).

그림 7. 유한요소법(FEM)에 의한 관 모양 용접 설계 툴의 최대 변형 해석

기계가공 프로세스(공정)와 툴은 요구 치수, 사용 기계, 워크의 클램프 설정에 맞춰 최적화되어 있다. 이것에 의해 부품에 작용하는 절삭저항을 최소화하는 데 도움이 된다. 스테이터 구멍의 가공 공정은 전공정, 중다듬질, 다듬질가공의 3공정으로 구성되어 있다(그림 8).

그림 8. 수 미크론 정도의 스테이터 구멍가공을 실현하는 용접 설계에 의한 가이드패드 설치 파인 보링 툴

대부분의 경우, 이 공작기계의 선정은 스테이터 구멍을 전가공하기 위한 툴의 설계에서 중요한 요소가 된다. 마팔(주)가 권장하는 가공 프로세스로서 우선 첫 번째로 PCD 인덱스 인서트를 탑재한 다날 사양의 보링 툴을 권장한다. 이 툴은 높은 절삭 속도와 이송 속도의 가공을 가능하게 하고, 높은 재료 제거율과 코스트 효율을 달성할 수 있다. 이와 같은 툴의 사용에는 높은 가공부하에 따른 토크와 출력의 스핀들 모터를 탑재한 머시닝센터가 필요하다.

만약 충분한 하이파워 머신을 준비할 수 없는 경우, 대체안으로서 스테이터 구멍을 전가공해 두는 것을 들 수 있다. 마팔(주)는 이 목적을 위해 PCD 인덱스 인서트 탑재의 나선형 밀링커터를 제공하고 있다. 이 툴은 매우 높은 절삭 속도와 이송 속도의 가공에 사용할 수 있지만, 보링 가공과 비교해 매우 긴 가공 스트로크이기 때문에 가공 시간은 훨씬 길어진다.

중다듬질용 툴을 설계할 때, 마팔(주)는 기계의 토크와 파워에도 초점을 맞춰 왔다. 중다듬질가공에서는 면떼기 및 반경 방향의 형상 변화 등 모터 하우징의 복잡한 윤곽 형상을 미리 가공함으로써 후공정의 다듬질가공 시의 요구 정도를 달성할 수 있다. 이 가공 공정용 툴로서 마팔(주)는 PCD 인덱스 인서트 탑재 용접 설계의 정밀 보링 툴을 권장하고 있다.

최종 공정에서는 용접 설계에 의한 파인 보링 툴에 의해 스테이터 구멍은 미크론의 정도로 가공된다. PCD 인덱스 인서트는 미조정이 가능하고, 가공 정도를 최대한으로 높일 수 있다. 구멍가공 시에 절삭저항의 변동에 대해, 툴은 가이드패드에 의해 가능한 한 최고의 서포트를 받을 수 있다(그림 9).

그림 9. 동사 권장의 3공정에 의한 스테이터 구멍가공 예 ― 1. 전가공 툴, 2. 중다듬질가공 툴, 3. 다듬질가공 툴

베어링 구멍과의 혼합가공에 대한 과제

일부 형식의 전기 모터용 하우징은 로터 샤프트의 베어링용으로서 스틸제의 부시가 압입되어 있다. 부시 압입용 구멍은 사전에 기계가공되어 부시가 압입된다. 부시 내의 베어링 구멍과 하우징의 스테이터 구멍의 동심도는 엄격한 요구 허용공차이기 때문에 양쪽의 구멍은 콤비네이션 툴로 다듬질가공된다.

이와 같은 스틸과 알루미늄의 동시 가공에서는 공구 메이커는 많은 과제에 직면한다. 최초로 가공 생성하는 스틸의 절삭칩은 알루미늄의 가공 영역에 들어가지 않도록 확실하게 제거할 필요가 있다. 일단 스틸의 절삭칩이 들어가면, 알루미늄 표면의 손상이나 툴에 탑재한 PCD 가이드패드의 파손 위험성이 대폭으로 높아진다.

정밀 공구 메이커인 동사는 가공 공정용 툴 설계에 있어, 이와 같은 과제를 고려해 트러블 방지에 주의를 기울여 왔다. 그 결과, 스틸의 절삭칩은 확실하게 전방으로 배출된다. 이것은 인서트 상의 특수 절삭칩 안내 홈과 툴 본체의 적절한 쿨런트 공급 및 넓은 절삭칩 포켓에 의해 실현된다. 한편 스테이터 구멍가공에 의해 생기는 알루미늄 절삭칩은 특별히 설계된 쿨런트 구멍의 플래싱에 의해 후방으로 배출된다. 공구 보디에는 확실하게 스틸 절삭칩이 전방의 칩 포켓에 남아 알루미늄 가공 영역에 침입하지 않도록 절삭칩 차단용 플레이트가 설치되어 있다(그림 9-3 다듬질용 툴).

그리고 남은 과제로서는 알루미늄(800m/min)과 강(200m/min)을 동시에 가공하는 경우의 권장 절삭 속도의 차이를 들 수 있다. 또한, 각각의 절삭날 수명도 다르다. PCD 인서트로 알루미늄 부품을 가공한 경우 6,000～8,000워크를 가공할 수 있는데, 스틸 가공의 절삭날 수명은 250～300워크가 된다. PCD 인덱스 인서트는 이와 같은 문제의 해결책이 된다. 알루미늄 가공용 공구 재종에는 PCD 인서트가 사용되고, 스틸 가공용으로는 서멧 인서트가 사용된다. 양쪽의 인서트는 모두 현장에서 공구 교환할 수 있다.

그 결과, PCD제 절삭날의 수명과 스틸 가공용 절삭날의 수명에는 큰 차이가 생겨도 PCD 날끝의 수명 한계까지 최대한으로 유효 활용하는 것이 가능하다.

큰 지름의 깊은 구멍 가공 옵션의 비교

제시된 솔루션에는 지금까지 소개된 다날 보링과 파인 보링에 의한 3공정의 가공이 포함되는데, 스테이터 구멍가공의 다른 옵션으로서 기존의 가공 방법인 1날 보링 공구에 의한 2공정 가공이 있다. 예를 들면 가공 깊이 200mm, 다듬질 구멍 지름 220mm, 소재 지름 215.7mm의 가공 워크인 경우, 실제 가공 시간은 약 5분이 된다.

이 가공에서는 2종류의 툴을 사용, 각각에 PCD 인서트를 사용해 거친가공과 다듬질가공을 한다. 기존의 1날 보링 툴에 의한 가공과 그림 8에 나타낸 동사의 PCD 인서트 탑재의 다날 파인 보링 툴에 의한 가공을 비교하면, 다날 툴에 의한 가공 시간이 대폭으로 짧아져 있다. 1날 보링 가공에 의한 가공 시간은 5분이 필요한 것에 대해, 마팔(주)의 다날 툴에 의한 가공 시간은 겨우 0.48분이 된다. 표 1에 각각의 가공 방법에 의한 가공 시간 비교를 나타냈다.

표 1. 1날 보링(2공정)에 의한 가공 시간과 다날 보링 툴과 파인 보링 툴(3공정)의 가공 시

그 결과, 다듬질 보링보다 훨씬 비용 대비 효과가 높은 보링 및 파인 보링의 프로세스를 실시하는 것이 가능해진다. 이러한 3공정으로 이루어진 가공 방법은 이미 실제 양산 가공에 채용되어 우수한 효과를 발휘하고 있다. 동심도, 진원도 및 원통도 등의 요구 가공 정도는 양산 가공에서도 확실하게 수 미크론의 정도로 유지되고 있다.

맺음말

앞으로 전기자동차 분야에서 공구 메이커로서의 큰 가능성은 구동 모터뿐만 아니라, 기타 많은 기계가공 부품이 있다. 휠 서스펜션, 브레이크, 스테어링 시스템 등의 일반적인 부품과 높은 가공 정도가 요구되는 전기자동차용 배터리 트레이나 하우징 등의 새로운 부품을 들 수 있다. 앞으로도 마팔(주)는 기계가공되는 모든 구동 시스템 부품에 대해, 고정도와 경제성이 양립하는 최적의 솔루션을 제공해 갈 것이다.

코보리 쇼이치, 마팔(주) 프로젝트팀