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제조업체, 기존 제조 공정 업그레이드 '복합 가공기에 투자해'

전기자동차 제조업체의 경쟁력 향상

제조업체, 기존 제조 공정 업그레이드 '복합 가공기에 투자해' - 산업종합저널 기계


'기업이 안주에서 벗어나도록 하는 것은 바로 경쟁입니다'

미국 사업가인 존 매키(John Mackey)의 말이다.

우리는 이를 글로벌 전기자동차(EV) 시장에서 목격하고 있다. 제조업체들은 저합금강 같은 고인성 소재를 사용해 더욱 작고 가벼운 EV 변속기를 생산해야 하는데, 기존의 제조 공정에 의존할 경우 경쟁에서 뒤처질 위험이 있다. 금속 절삭 전문 기업 샌드빅 코로만트의 글로벌 자동차 변속기 매니저 매츠 웬모(Mats Wennmo)가 파워 스카이빙이 경쟁력 있는 제조에 중요한 이유를 설명한다.

전기자동차(EV) 판매는 최근 몇 년 동안 크게 증가했다. EV-Volumes에 따르면. 올해 2월 전 세계적으로 54만1천780대의 플러그인 전기자동차가 신규 등록됐다. 이는 전년도 2월 대비 두 배 증가한 수치다.

Virta에 따르면, 지난해 상반기 유럽에서는 106만 대의 EV가 신규 등록됐다. 전년도 상반기는 41만3천대였다. 이는 157% 이상 증가한 수치다. EV 판매를 주도하는 또 다른 주요 시장인 중국과 미국은 각각 197%와 166% 이상 증가했다.

글로벌 EV 시장이 빠르게 성장하고 있음을 보여주는 대목이다. 그렇다면 이러한 판매를 주도하는 것은 무엇일까? 한 가지 요인은 유럽연합(EU), 아시아, 그리고 미국이 약속한 야심 찬 탄소 배출 제로 목표이다. EU는 온실가스를 1990년대 수준 대비 최소 40%로 감축하겠다고 약속했고, 중국은 2030년까지 온실가스를 2005년 수준 대비 60~65%로 감축하겠다고 약속했다. 미국은 2025년까지 2005년 수준 대비 26-28%의 감축을 약속했다.

이 국가들이 목표를 달성하는 데 EV가 어떤 역할을 할 수 있을까? 사실 내연기관 차량과 EV의 환경적 이점을 비교하는 것은 간단하지 않다. Carbon Brief에 따르면 차량의 크기, 연비 추정의 정확성, 전기 배출량 계산 방법, 운전 패턴, 심지어 차량이 사용되는 지역의 날씨에 따라 달라진다. 즉, 모든 곳에 적용되는 단일 추정치는 없다. 그럼에도 불구하고 Carbon Brief의 보고서는 전반적으로 EV가 수명 기간 동안 내연기관 차량보다 훨씬 더 적은 배기가스를 배출한다고 결론짓는다.

E-모빌리티 기술은 EV 판매를 주도할 또 다른 두 가지 주요 요인도 지원할 수 있다. 우선, 최근 유럽연합 집행위원회 위원장 우르줄라 폰 데어 라이엔(Ursula von der Leyen)이 설명한 바와 같이 더욱 효율적이고 재생 가능한 에너지원의 사용을 향한 전 세계적인 움직임이다. 다음으로는 소비자의 태도 변화다. PwC가 2021년 12월에 실시한 Global Consumer Insights Pulse Survey에서 응답자 중 절반이 자신들의 인식이 더욱 친환경적이 됐다고 응답했다.

제조업체, 기존 제조 공정 업그레이드 '복합 가공기에 투자해' - 산업종합저널 기계

유성 기어
자동차 제조업체와 OEM(Original Equipment Manufacturer)에게 위의 모든 요인은 기존의 내연기관에서 탈피해야 할 필요성을 강조하며, 중국과 유럽이 이러한 변화를 주도할 것이라는 관측이다. 또한 EV 시장은 Porsche 같은 기존의 대기업들이, Polestar같이 작지만 전 세계로 확장하는 제조업체들과 경쟁함에 따라 다변화된 경쟁 환경을 형성할 것이다.

동시에 EV 제조는 기존의 생산 공정에 의존하는 제조업체들이 경쟁에서 뒤처질 위험을 비롯해 추가적인 과제를 제시할 것이다. 이 글에서는 기어 가공물 제조에 초점을 맞춰 이러한 과제를 살펴본다.

기어를 사용한 분당 회전수(rpm) 제어는 EV를 비롯한 모든 차량에서 필수적이다. 모든 EV 변속기는 경제적인 제어와 주행을 위해 차량의 속도를 줄이도록 설계된 이른바 감속 변속기다. EV는 내연기관 소리가 없기 때문에 변속기에서 발생하는 모든 소음이 들린다. 따라서 소음을 방지하는 것이 주요 과제이다. 변속기를 최대한 작고 가벼우며 소음이 없도록 만드는 과정에서 결정적인 역할을 하는 것이 가공 셋업의 품질이다.

EV 변속기는 주로 유성 기어와 선 기어가 링 기어 내부에 조립돼 있는 유성 설계다. 링 기어는 얇은 벽과 까다로운 진원도 요건으로 인해 생산하기 가장 어려운 가공물 중 하나다. 불행히도 기존의 제조 공정은 여러 시간 및 비용상의 단점으로 인해 이러한 어려움을 더 악화시킬 수 있다.

기존의 제조 공정
기존의 제조 공정은 일반적으로 단일 목적 기계에 의존한다. 각 기계는 특정 가공 영역으로 제한되고, 가공물은 한 기계에서 다음 기계로 전달된다. 그 결과 가공물 설계에 변경이 필요할 때 생산 라인이 유연하게 대처하지 못하게 된다.

또한 가공물을 기계 간에 이동하면 런아웃과 중심 편차가 발생해 가공물 품질이 악화될 수 있다. 후열 처리는 제어하기가 더 어렵고, 기존의 연가공(soft machining)과 이어지는 연삭 공정은 비용이 많이 든다. 또한 이러한 공정에는 가공 자체와 칩 배출에 도움이 되도록 절삭유를 사용한 가공이 추가로 필요하다.

이러한 단점은 주요 EV 제조 동향에 비춰볼 때, 향후 몇 년간 더욱 두드러질 것으로 보인다. 새로운 변속기의 개발 시간 단축, 생산성과 유연성의 동시 향상, 투자 수익(ROI) 회수 기간 단축 등에 대한 요구도 예상할 수 있다. 유연성, 생산성 및 수익성이 EV 부품 제조에 더욱 중요해지면서 유연하지 않은 단일 목적 기계는 더욱 불리해질 것이다.

제조업체들이 기존의 제조 공정을 업그레이드해야 하는 이유가 여기에 있다. 그렇다면 어떻게 해야 할까? 한 가지 방법은 복합 가공기에 투자하는 것이다. 기존의 제조 공정에서 일반적으로 사용되는 연삭 기계는 값비싼 투자가 될 수 있다. 이를 피하는 좋은 방법은 기어 가공물의 가공을 연가공(soft machining)과 경가공(hard machining)의 두 공정으로 나누는 것이다. 이 방법은 단일 복합 가공기 셋업에서 구현할 수 있다.

복합 가공기는 가공 공정과 제반 시간 및 비용을 제거하고 부품 품질을 향상시킬 수 있다. 복합 가공기는 고객에게도 이점을 제공한다. 제품 품질의 개선과 더불어 공정 사이클 시간이 기존의 생산 솔루션보다 더 낫거나 최소한 동일하다. 실제로 샌드빅 코로만트는 최소 30%의 비용 절감 효과를 경험했다.

마지막으로 제조업체들은 e-모빌리티를 위한 미래의 가공물을 생산할 때 더 큰 유연성을 얻을 수 있다. 이 공정을 통해 변속기 가공물의 소형화와 경량화가 가능하다. 파워 스카이빙은 내경 및 외경 기어와 스플라인에 사용할 수 있지만, 내경 가공에서 특히 생산적이다. 이 가공법은 짧은 리드타임이 중요한 대량 생산에서 특히 효과적이다.

단일 연속 공정
링 기어는 유성 기어에서 생산하기 가장 어려운 가공물이지만, 한 세기 넘게 사용돼온 파워 스카이빙이 이를 가공하는 가장 효율적인 방법으로 부상하고 있다. 파워 스카이빙은 쉐이핑과 호빙(기어 절삭 가공 공정)을 단일 연속 절삭 공정으로 통합한 공정이다.

이 공정은 기존의 가공법에 비해 몇 가지 중요한 이점을 제공한다. 단일 목적 기계에 의존하는 대신 파워 스카이빙을 사용해 하나의 복합 가공기에서 가공물 전체를 가공해 생산성과 유연성을 높일 수 있다. 특수 기계가 필요하지 않게 되고, 기계 변경으로 인한 품질 제한을 완전히 방지할 수 있다. 브로칭, 쉐이핑 및 호빙 공정에 비해 총 생산 시간이 크게 감소하며, 가공물 가공이 더욱 관리하기 쉽고 예측 가능해진다.

파워 스카이빙은 점점 더 인기를 얻고 있으며, 2014년 이후 700대 이상의 파워 스카이빙 가공 기계가 납품됐다. 이들 중 대다수(60% 이상)는 복합 가공기이다. 이는 주요 가공 공정이 동일한 단일 셋업 내에서 발생한다는 의미이다. 그 결과 가공물의 품질이 향상되고 더욱 효율적인 가공이 가능하다.

샌드빅 코로만트는 EV 변속기의 정확한 가공을 지원하도록 최적화된 고품질 파워 스카이빙 공구를 자체적으로 개발했다. CoroMill® 178은 분말 야금 고속도강(PM-HSS)이나 솔리드 초경으로 주문할 수 있는 솔리드 파워 스카이빙 커터이다. CoroMill® 180은 반복적인 정확도를 위해 레일 인서트 시트가 적용된 인서트 교환형 커터다. 이 공구는 공구 강성 및 아웃행, 절삭유 공급, 최대 공구 수명 등과 관련해 최적화 했다.

가공 시간 감소
저합금강 소재의 메인 기어를 생산하는 한 제조업체는 시간이 많이 소요되는 쉐이핑 공정을 대체하기 위해 샌드빅 코로만트에게 연락했다. 이 고객은 기존 공정을 파워 스카이빙으로 대체했으며, 이전에 사용하던 전용 기계 4대를 복합 가공기 2대로 교체했다.

그 결과 고객의 가공 시간은 90% 감소했고 공구 수명은 크게 증가했다. 또 다른 사례에서는 파워 스카이빙이 기존 공정보다 2~3배 더 빠른 것으로 나타났다.

각 EV 변속기 생산업체나 외주업체는 샌드빅 코로만트 센터에 있는 최신 복합 가공기에서 파워 스카이빙으로 가공물을 가공할 수 있다. 숙련되고 경험이 풍부한 직원들이 단일 셋업에서 생산적이고 효율적이며 유연하게 EV용 기어를 가공하기 위한 고객의 투자를 지원한다.

이와 같은 이유로 파워 스카이빙은 가장 빠르게 성장하고 있고 시간과 비용을 절약시켜 주는 기어 가공법으로 부상하고 있다. 소규모 제조업체들은 경쟁력을 높이고 대규모 제조업체들은 존 매키의 말처럼 '안주에서 벗어나도록' 돕는다. [정리=김지성 기자]


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