금속 스피닝은 축대칭, 박판, 중공 원형 부품을 생산하는 데 널리 사용되는 고효율 준정형 성형 공정입니다. 성형 원리는 회전하는 금속 블랭크 또는 튜브에 하나 이상의 롤러를 사용하여 국부적인 압력을 가하는 것입니다. 블랭크가 스핀들과 함께 회전하면서 롤러가 표면에 닿으면서 연속적인 소성 변형이 발생하여 소재가 원하는 형상으로 성형됩니다.
다른 성형법에 비해 금속 스피닝은 낮은 성형 하중, 더 간단한 툴링, 높은 치수 정확도, 뛰어난 소재 활용도, 그리고 생산 비용 절감 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 또한 최종 부품의 기계적 물성을 크게 향상시킵니다. 이 공정은 경량 부품 제조에 탁월하며, 뛰어난 적응성을 갖추고 있어 항공우주, 자동차, 의료, 에너지 및 전자 산업 전반의 고성능 응용 분야에 이상적입니다.
피닝은 대형 산업용 부품부터 실험 환경에서 10마이크론 정도의 작은 부품까지, 그리고 두께 0.4mm에서 25mm 사이의 다양한 직경을 가진 부품을 가공할 수 있습니다. 그러나 기존 스피닝은 주로 균일한 두께를 가진 축대칭 원형 단면 부품에 적합하여 적용 범위가 제한적입니다. 더욱 복잡한 형상에 대한 요구가 증가함에 따라, 이러한 제약을 극복하기 위해 여러 가지 새로운 스피닝 기법이 등장했습니다.
예를 들어, 연구자들은 공작물이 고정된 상태에서 롤러가 스핀들과 함께 회전하는 비축대칭 스피닝 기법을 개발했습니다. 이 기법은 사선 또는 다축 형상의 얇은 벽 부품을 성형할 수 있게 하여 용접 후 조립이 필요 없게 합니다. 또한, 기존 스피닝 선반에 스프링 제어 롤러를 추가하여 삼각대와 같은 비원형 중공 부품을 생산하는 혁신 기술도 있습니다. 또 다른 발전으로는 특수 설계된 분할 롤러와 지지 롤러를 사용하여 성형 과정에서 반경 방향 설계 공간을 확장하는 "분할 유동 스피닝" 기술이 있습니다. 최근에는 기어 톱니 스피닝 기법을 통해 스피닝을 통해 직접 내측 기어 프로파일을 제작할 수 있게 되었습니다.
전반적으로 금속 스피닝은 기존의 축대칭 형상을 넘어 더욱 복잡하고 다양한 구조로 진화하고 있습니다. 결과적으로 금속 스피닝은 필수적인 정밀 성형 기술로 자리 잡고 있습니다. 재료 과학 및 공정 제어 분야의 지속적인 발전으로 금속 스피닝은 더욱 광범위한 산업 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
전통적인 금속 회전 분류
전통적인 금속 회전 공정은 일반적으로 4가지 핵심 기준에 따라 분류됩니다.
- 블랭크의 변형 특성
- 롤러와 작업물 사이의 상대 위치
- 맨드렐의 사용
- 방적 과정 중 온도
따라서 전통적인 방적 기술은 일반적으로 다음 네 가지 범주로 구분됩니다.
1.0 기존 방사 vs. 두께 감소 방사
| 프로세스 유형 | 일반적인 부품 | 형성 특성 | 장비 특징 | 응용 프로그램 예제 |
| 비축대칭 회전 | 오프셋 배기 파이프 | 일체형 다축 성형 | 다축 동기 제어 | 자동차 튜빙 |
| 비원형 단면 방적 | 삼각대 지지 튜브 | 동적 윤곽 제어 | 멀티 롤러 조정 | 의료기기 하우징 |
| 기어-톱니 회전 | 멀티 웨지 풀리 | 지역화된 물질 흐름 | 정밀 변위 제어 | 댐퍼, 벨트 풀리 |
방사 공정은 재료의 변형 특성에 따라 일반 방사와 두께 감소 방사의 두 가지 범주로 구분됩니다. 두께 감소 방사에는 전단 방사와 유동 방사가 포함됩니다.
- 기존 방적: 블랭크의 벽 두께는 성형 과정 내내 기본적으로 변하지 않습니다. 최종 부품은 원래 블랭크와 동일한 두께를 유지합니다.
- 두께 감소 방적: 이 공정은 성형 과정에서 벽 두께를 줄이는 과정을 포함합니다. 두께 감소법으로 분류되며, 다음과 같이 세분될 수 있습니다.
- 전단 방적: 원래 블랭크의 윤곽은 그대로 유지하면서 벽의 두께를 줄이며, 일반적으로 원뿔형이나 원통형 부품에 사용됩니다.
- 플로우 스피닝: 튜브형 부품용으로 설계되었으며, 부품 길이가 길어질수록 소재 두께가 얇아집니다. 유동 회전은 정방향 또는 역방향으로 수행될 수 있습니다.
그림 1은 변형 특성에 따른 방사 방법의 분류를 나타낸 것이다.
2.0 외부 회전 vs. 내부 회전
작업물에 대한 롤러의 위치를 기준으로 회전 공정은 다음과 같이 구분됩니다.
- 외부 회전: 롤러는 공작물 외부에서 압력을 가하고 맨드렐은 내부에서 공작물을 지지합니다. 이것이 가장 일반적인 구성입니다.
- 내부 회전: 롤러는 안쪽에서 바깥쪽으로 작용하여 재료를 바깥쪽으로 누릅니다. 이 방식은 특수 구조나 역성형이 필요한 경우에 사용됩니다.
그림 2는 외부 회전과 내부 회전의 일반적인 설정을 보여줍니다.
3.0 맨드렐 기반 스피닝 vs. 맨드렐 프리 스피닝
맨드렐을 사용하는지 여부에 따라 회전 작업은 다음과 같이 분류될 수 있습니다.
- 맨드렐 기반 스피닝: 각 부품은 맞춤 설계된 맨드렐로 성형됩니다. 블랭크는 심압대에 고정되며, 맨드렐은 제품의 최종 형태를 결정합니다.
- 맨드렐 프리 스피닝: 네킹(necking)이나 압력 용기 밀봉과 같은 특정 성형 작업이나 대형 부품 가공 시 적용됩니다. 이러한 경우, 기계 부하를 줄이기 위해 내부 지지 롤러가 맨드렐을 대체할 수 있습니다.
그림 3은 맨드럴 없는 방적 장치의 구조적 구성과 응용 분야를 보여줍니다.
4.0 냉간 방적 vs. 열간 방적
가공 온도에 따라 방적은 다음과 같이 나눌 수 있습니다.
- 콜드 스피닝: 실온에서 수행되며, 가소성이 좋고 벽 두께가 적당한 재료에 적합합니다.
- 핫 스피닝: 재료의 재결정 온도 이상에서 진행됩니다. 이 방법은 성형력을 감소시키며 고강도 또는 취성 재료에 더 적합합니다.
그림 4는 이러한 4가지 전통적인 방적 분류의 논리를 요약한 것입니다.
5.0 고급 금속 회전 공정의 분류 및 재료 변형 메커니즘 분석
새로운 분류는 복잡하고 축대칭이 아닌 구성 요소를 수용하기 위해 단면 기하학 및 상대 축 방향과 같은 추가 기준을 도입하여 기존 차원을 확장합니다.
- 회전축 사이의 상대 위치
- 부품 단면의 기하학적 모양
- 벽 두께 변화의 특성
이러한 기준에 따라 고급 방적 기술은 세 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 비축대칭 회전, 비원형 단면 방적, 그리고 기어 톱니 회전.
5.1 비축대칭 회전
회전 부품은 회전 축 구성에 따라 축대칭 및 비축대칭으로 분류할 수 있습니다.
- 축대칭 회전: 작업물은 표준 원형 단면을 가진 단일 축을 중심으로만 회전합니다.
- 비축대칭 회전: 작업물은 단일 축을 중심으로 회전하지만, 작업물의 기하학적 구조나 회전 경로는 의도적으로 오프셋되거나 기울어져 축대칭이 아닌 특징이 생성됩니다(그림 5 참조).
비축대칭 회전에는 일반적으로 두 가지 주요 접근 방식이 포함됩니다. 오프셋 방적 그리고 기울어진 회전.
가공 과정에서 튜브형 블랭크는 고정 장치에 의해 고정되고, 동기 회전하며 롤러 어셈블리를 통해 이송됩니다. 회전 경로는 고정 장치를 이동시키거나 회전시켜 오프셋 또는 틸팅을 구현함으로써 변경될 수 있으며, 이를 통해 블랭크의 위치 상태가 변경됩니다. 롤러는 반경 방향으로 이송되며, 공작물 주위에 고르게 분포되고 스핀들과 동기적으로 회전합니다.
- 오프셋 스피닝: 각 회전 경로가 시작되기 전에, 블랭크는 사전 설정된 오프셋만큼 작업물 축에 수직으로 이동한 다음, 목표 오프셋에 도달할 때까지 롤러 축을 따라 공급됩니다(그림 7a 참조).
- 기울어진 회전: 공급하기 전에 작업대의 수평면에 대해 블랭크를 특정 각도로 기울인 후 공급하는 동안 기울기 각도를 점차 목표 값 ϕ0°로 조정합니다(그림 7b 참조).
비축대칭 회전에서 응력 및 변형률 분포는 상당한 불균일성을 보입니다. 최대 응력 및 변형률은 일반적으로 가장 큰 오프셋 또는 기울기 위치(예: 0°)에서 발생하는 반면, 대칭 위치(예: 180°)에서는 더 낮은 값을 보입니다. 특히, 축 방향 변형률 변화는 기울어진 회전에서 특히 두드러집니다.
회전 압력 분포는 슬랩(Slab) 방법을 사용하여 분석할 수 있습니다. 결과에 따르면 일반적인 회전 공정에서는 반경 방향 및 축 방향 힘이 지배적인 경향이 있는 반면, 접선 방향 힘은 일반적으로 더 작습니다. 단, 크기는 공구 경로와 형상에 따라 다를 수 있으며, 주된 힘은 접선 방향과 축 방향 힘에 집중됩니다. 반경 방향 회전 압력 Pr과 축 방향 회전 압력 Pz는 그림 8에 제시된 공식을 통해 도출할 수 있습니다.
5.2 비원형 단면 방적
단면 기하학을 기반으로 고급 방적은 다음과 같이 세분화될 수 있습니다.
- 원형 단면 방적: 단면의 바깥쪽 가장자리에서 기하학적 중심까지의 거리는 일정하게 유지됩니다.
- 비원형 단면 방적: 이 거리는 각도에 따라 달라집니다. 일반적인 단면 모양에는 삼각형 호, 사각형 호, 오각형 및 기타 다각형 형태가 있습니다(그림 11 및 12 참조).
실험 결과, 스피닝은 비원형 단면을 가진 다양하고 복잡한 중공 부품을 성형하는 데 효과적임이 입증되었습니다. 이러한 공정은 일반적으로 윤곽 기반 툴패스를 사용하여 단면 변화를 수용하는 동시에 균일한 벽 두께를 유지합니다.
실제 성형에서는 롤러 이송 속도가 부품의 기하학적 중심의 변화에 따라 동적으로 조절되어야 합니다. 비원형 단면의 경우, 롤러가 측면의 중앙에서 인접한 정점으로 이동할 때 이송 속도는 성장 거리에 따라 증가해야 합니다. 균일한 벽 두께를 얻으려면 맨드렐과 롤러 사이의 간격을 초기 블랭크 두께와 동일하게 유지해야 합니다.
6.0 4. 고급 금속 회전 공정의 발전 및 응용
최근 몇 년 동안 복잡한 형상의 부품 제조 요구를 충족하기 위해 수많은 첨단 스피닝 기술이 개발되었습니다. 이러한 혁신은 생산 효율 향상, 비용 절감, 그리고 부품 성능 최적화에 있어 상당한 이점을 제공합니다. 이 섹션에서는 주요 공정과 그 산업 응용 분야를 간략하게 소개하고, 툴링 설계, 공정 제어, 그리고 부품 결함과 관련된 중요한 문제들을 분석합니다.
6.1 비축대칭 회전
비축대칭 회전 기술을 이용하여 오프셋 및 틸팅 샤프트 구조와 같은 다중 회전축 관형 부품을 제조하는 데 성공적으로 적용되었습니다. 이 공정을 통해 여러 개의 비동일선 중심선을 갖는 중공 부품을 일체형으로 성형할 수 있어 기존의 용접 및 조립 공정이 필요 없습니다.
예를 들어, 자동차 배기관은 일반적으로 직선형 중간관과 서로 다른 방향으로 배치된 두 개의 끝관으로 구성됩니다. 기존 제조 방식은 세 개의 분리된 부분을 스탬핑하고 용접하는 방식으로 진행되므로 노동 집약적이며 용접 이음매에서 열 변형과 피로 균열이 발생하기 쉽습니다.
새로운 스피닝 공정은 6061 알루미늄 합금 튜브(직경 100mm, 두께 1.8mm)를 사용하여 단일 성형 단계로 전체 구조물을 생산합니다. 기존 방식에 비해 재료 사용량이 약 70%에서 90%로 향상되었고, 공정 단계 수는 10단계에서 2단계로 단축되어 비용과 결함 위험을 크게 낮췄습니다. 또한, 관련 CNC 스피닝 장비는 복잡한 비축대칭 형상의 고정밀 성형을 위해 특별히 설계된 다축 동기 제어 기능을 갖추고 있습니다.
6.2 비원형 단면 방적
비원형 중공 부품 성형을 위해 다양한 스피닝 기술이 개발되었습니다. 예를 들어, 롤러의 반경 방향 오프셋을 조정하여 알루미늄 판과 같은 연성 소재에 적합한 타원형 단면 부품을 스피닝 선반에서 직접 생산할 수 있습니다. 일반적인 부품은 장축 110mm, 단축 90mm, 벽 두께 약 1mm를 갖습니다.
또 다른 접근법은 회전 방향에 맞춰 정렬된 스핀들 구조를 활용하여 다양한 단면 형상을 구현할 수 있도록 합니다. 이 방법은 롤러 툴패스를 제어하여 소재가 맨드렐 프로파일에 정확하게 일치하도록 하여, 뛰어난 맞춤성과 최소한의 스프링백을 가진 비대칭 단면 부품(예: 타원형, 사각형)을 생성합니다.
또한, 기존 방적 장비에 스프링 제어를 반대 방향으로 하는 이중 롤러 메커니즘을 추가함으로써 삼각대 형태의 단면 부품을 성공적으로 제작할 수 있었습니다. 이 혁신은 벽 두께 분포를 크게 최적화하여 최대 두께 편차를 최대 24%까지 줄였습니다.
성형 정확도를 더욱 높이기 위해 연구진은 스핀들 회전과 롤러 공급 사이의 위상 관계를 제어하는 전자 동기화 회전 시스템을 개발하여 복잡한 단면의 매우 일관된 성형을 달성했습니다. 특히 대량 생산에서 타원형 및 불규칙한 모양을 성형하는 데 유용합니다.
6.3 기어-톱니 회전
기어 톱니 스피닝은 V-벨트 풀리, 다이내믹 댐퍼, 자동차 휠과 같은 복잡한 부품 제조에 활용됩니다. 기존 생산 방식은 단조나 주조 후 기계 가공에 의존하는 경우가 많아 재료 낭비가 심하고, 효율이 낮으며, 치수 정확도가 낮습니다.
거의 그물 모양에 가까운 회전 기술을 활용하여 2.5mm 두께의 강판 블랭크를 금형이나 맨드렐 없이 톱니 풀리로 직접 회전시킬 수 있습니다. 이 공정은 정밀한 공차를 유지합니다. 톱니 프로파일은 실제 소재 두께 증가가 아닌 국부적인 소재 흐름에 의해 형성됩니다. 유효 톱니 높이는 베이스 두께에 대한 0.3mm 반경 방향 변위에 해당합니다.
이 방법은 기존 방법과 비교했을 때 재료의 강도와 수명을 향상시킬 뿐만 아니라 수율도 크게 높입니다.
실제 작업에서는 바닥 직경 팽창, 개구부 뒤틀림, 비대칭 종형 단면 등의 결함이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제는 재료 흐름 거동, 롤러 경로 설계 및 공정 변수와 밀접하게 연관되어 있어 장비 제어 및 공정 계획 최적화가 필요합니다.
7.0 결론
본 논문은 다양한 기하학적 부품 형상을 포괄하는 금속 스피닝 공정에 대한 새로운 분류 방법을 제안합니다. 기존 스피닝 기법의 분류 차원과 최근 개발된 다양한 첨단 스피닝 기술을 통합합니다. 기존 스피닝 공정은 일반적으로 재료 변형 특성, 롤러와 블랭크의 상대적 위치, 맨드렐 사용, 그리고 성형 온도를 기준으로 분류됩니다. 본 논문에서 제시하는 새로운 분류 체계는 회전축의 상대적 구성, 부품 단면 형상, 그리고 두께 변화 패턴에 초점을 맞춤으로써 이러한 개념을 체계적으로 확장합니다.
비축대칭 방적, 비원형 단면 방적, 기어 톱니 방적을 포함한 첨단 방적 공정의 개발 현황에 대한 종합적인 검토가 수행되었습니다. 본 개요에서는 툴링 설계, 장비 개발, 그리고 실제 산업 응용 분야를 다룹니다. 이러한 기술 발전은 방적의 적용 범위를 크게 확대하여 더욱 복잡한 형상과 더 높은 성능 요건을 갖춘 부품의 제조를 가능하게 했습니다. 특히, 이러한 공정은 치수 정확도와 구조적 신뢰성이 중요한 자동차 제조 산업에서 큰 잠재력을 보여줍니다.
현재 이러한 첨단 스피닝 공법으로 가공되는 일반적인 소재로는 순수 알루미늄, 알루미늄 합금, 그리고 성형성이 우수한 저탄소강 등이 있습니다. 이러한 공법으로 생산된 부품은 일반적으로 의도된 용도의 구조적 무결성과 성능 요건을 충족합니다. 그러나 고정밀 환경에서 비원형 단면 부품의 정밀한 두께 제어와 같은 기술적 과제는 여전히 남아 있습니다.
향후 연구는 다음 분야에 초점을 맞춰야 합니다.
- 미세구조 진화 메커니즘: 방사 중 미세구조 변화에 대한 이해를 심화하여 재료 특성을 향상시킵니다.
- 통합 프로세스 성능 최적화: 치수 정확도, 재료 강도, 성형 효율성의 균형을 맞추기 위해 통합 모델을 개발합니다.
- 고성능 소재 적응성: 성형하기 어려운 고강도 합금에 대한 회전 적용성 확대
- 지능형 제어 시스템 개발: 첨단 센서와 폐쇄 루프 제어 기술을 통합하여 방적 공정의 자동화와 지능성을 개선합니다.
요약하자면, 새로운 회전 기술의 발전으로 금속 성형이 기존의 단순한 회전체를 넘어 더욱 복잡하고 성능이 향상된 방향으로 나아가고 있으며, 효율적이고 정밀한 제조의 미래에 대한 강력한 지원을 제공하고 있습니다.
