최근 연삭반을 이용한 초정밀 연삭가공에서 EV 관련 부품가공이 큰 화제이다. 미국과 유럽, 아시아 각국은 카본 뉴트럴(Carbon Neutral) 사회 실현을 위해 여러 가지 사업에 국책 수준의 투자를 하고 있으며, EV는 그 가운데서도 가장 주목받고 있는 분야라고 할 수 있다. 특히 EV 관련해서 큰 움직임을 보이는 것이 중국이다.

 

현재 중국은 구입 보조금이나 조세 감면 조치와 같은 우대 조치 도입에 의해 EV 산업을 국가의 주간 산업으로 성장시켰다. 그 결과 국제에너지기관(IEA)의 발표 데이터에 의하면, 중국의 신차 판매 대수에서 EV·PHEV가 차지하는 비율은 2022년 시점에서 29%였다. 3대 중 1대가 전기자동차라고 할 수 있으며, EV의 충전 스탠드에 관해서는 176만기를 가동하고 있다고도 보고되고 있다. 또한 중국 기업이 2023년 시점에서 판매 대수 세계 1위를 마크했다.

 

이 사례로부터 중국 국내에서 EV의 수요는 매우 높아지고 있으며, 동시에 그 부품을 가공하기 위한 설비의 수요도 높아질 것으로 예상할 수 있다.

 

아래의 그래프는 5년간 ㈜오카모토공작기계제작소가 중국에 수출한 연삭반 판매 추이를 나타낸 것이다. 중국용 사용자의 대부분은 EV 메이커에 워크를 납품하는 기업이 많고, 설비 사업에 대한 투자도 커지고 있는 것을 알 수 있다(그림 1).

 

EV의 부품 수는 2만 개라고 알려져 있으며, 그 가운데서도 매우 높은 정도를 요구하는 부품, 제조하는데 높은 정도의 금형 등이 필요한 부품이 많이 존재한다. 예를 들면 모터 코어나 센서의 렌즈 금형, 배터리 도공장치의 슬롯다이이다. 이들에 공통된 특징은 1μm 수준의 ‘초정밀 연삭가공’이 필요하고, 필연적으로 초정밀 연삭반을 이용하지 않으면 가공이 곤란하다.

 

㈜오카모토공작기계제작소는 종합 숫돌입자 가공기 메이커로서 범용적인 가공에서부터 EV 부품용 초정밀 가공에 대응할 수 있도록 끊임없이 연구와 개발을 계속하고 있다.

 

 

슬롯다이

 

EV에서 현재 리튬이온 배터리는 반드시 필요한 요소이다. 그 제조 공정에서 도공이라고 불리는 공정이 있다. 도공이란 롤러 위의 전극 기판에 슬롯다이라고 불리는 부품으로 재료를 도포해 균일하게 늘림으로써 양극과 음극, 그들을 갈라놓는 세퍼레이터의 기능을 부여해 적층 전극의 부재를 생성하는 공정이다(그림 2).

 

슬롯다이는 사진과 같은 봉 모양의 고정도 부품으로 구성되어 있다(그림 3). 도막을 균일하게 칠하기 위해서는 이음매가 경면이고, 형상도 ‘곧을’ 필요가 있다. 면조도 Rz 0.1μm 이하, 진직도 0.5μm의 가공 정도이다. 또한 EV의 리튬이온 배터리 도공에 사용되는 슬롯다이의 크기는 길이 2m를 넘는 것이 많아 고정도 가공을 하는 것이 매우 곤란하다고 알려져 있다.

 

따라서 슬롯다이 제조에는 절삭기뿐만 아니라 초정밀 가공을 할 수 있는 연삭반이 반드시 필요하다. 이 글에서는 대형 금형에 요구되는 높은 평면 정도에 대응하는 문형 평면연삭반 시리즈 ‘UPG-CHLi’ 시리즈를 소개한다.

 

 

1. UPG-CHLi 시리즈(그림 4)

UPG란 ‘Ultra Precision surface Grinder’ 즉 초정밀 평면연삭반의 약자이며, CHLi란 문형 구조(Cross rail) 숫돌축 가로축(Horizontal) 좌우 테이블 리니어 모터 구동을 의미한다. 이 기기의 특징은 크게 나눠 세 가지, ①리니어 모터 구동과 정압 섭동면에 의한 고정도 가공 ②정압 스핀들에 의한 숫돌의 회전 정도 ③기존기보다 높은 메인티넌스성을 들 수 있다.

 

(1) 리니어 구동과 정압 섭동면에 의한 고정도 가공

이 기기는 섭동면에는 유정압 슬라이드 방식을 채용하고 있다. 정압 섭동면이란 테이블 섭동면에 얇은 유막을 형성해 항상 테이블을 기름으로 부상시켜 비접촉 환경을 구축, 높은 진직도와 무진동 상태를 실현한다. 이에 의해 진동에 의한 채터 마크를 없애고 보다 높은 정도의 경면 연삭이 가능하다.

 

이 기기는 독자의 6면 정압 구속 슬라이드 방식을 채용함으로써(그림 5) 유막 두께를 작게 할 수 있고, 높은 강성의 확보가 가능하다. 가변 정압 슬라이드는 기름의 압력과 유량을 실시간으로 컨트롤하고 있기 때문에 좌우 테이블 반전 시의 부상은 거의 없고, 테이블의 구동이 매우 곧게 유지되어 보다 높은 정도의 평면가공을 할 수 있다.

 

또한 리니어 구동이라는 것도 있으며, 이 기기는 3축 NC의 제어로 되어 있다. 프로그램을 구성하면 컨투어링 가공이나 크라우닝 가공 등과 같은 복잡 형상의 가공이 가능하다.

 

(2) 정압 스핀들에 의한 숫돌의 회전 정도(옵션)

UPG 시리즈는 일반적으로 ㈜오카모토공작기계제작소의 PSG 시리즈에 채용되고 있는 앵귤러 콘택트 베어링 방식의 스핀들이 아니라, 새롭게 개발된 새로운 정압 스핀들을 채용함으로써 보다 높은 평면도 정도에 대응할 수 있다.

 

새로운 방식의 정압 스핀들의 회전 정도란 비동기 오차(NRRO) 0.04μm를 달성하고 있으며, 이것은 업계 내의 최고봉인 회전 정도이다. 또한 옵션으로 숫돌 동밸런스를 자동 밸런싱할 수 있는 풀 오토 밸런서도 준비되어 있으며, 자동화나 회전 중의 숫돌 밸런스를 고정도로 하고 싶은 사용자의 요구에도 대응할 수 있다.

 

(3) 기존기보다 높은 메인티넌스성

이 기기는 독자의 크로스 레일 조정기구를 채용하고 있다. 문형 연삭반의 전후 섭동면은 경년 열화에 의해 변형이 발생한다. 다른 문형 연삭반에서는 NC 진직 보정에 의해 수치적인 보정을 하는데, 숫돌의 기울어짐은 피할 수 없어 가공면 채터 마크 등의 발생으로 이어진다. 또한 크로스 레일을 떼어내어 수정 작업을 하는 경우는 재설치 작업이 파생해 시간과 노력이 들게 되는데, 이 기기의 크로스 레일 조정기구에서는 크로스 레일을 설치한 채로 조정하는 것이 가능하기 때문에 사용자의 필드에서 수정이 가능하고, 오랜 기간 안정된 가공 정도를 유지할 수 있다(그림 6). 또한 크로스 레일의 섭동면은 유정압 슬라이드/리니어 모터 구동 방식에 옵션 대응하고 있다.

 

2. 슬롯다이 가공의 향후 수요

앞으로 EV용 리튬이온 배터리용 슬롯다이 수요가 증가할 것으로 예상된다. 배터리 도공 이외에도 슬롯다이는 사용되고 있으며, 앞으로 슬롯다이가 활용되는 사례로서 주목받고 있는 것은 ‘페로브스카이트(Perovskite) 태양전지’이다. 페로브스카이트 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 더 얇고, 더 가볍고, 더 저렴하게 제조할 수 있는 것이 특징인 태양전지이다. 그 최대 특징은 꺾거나 구부려서 사용할 수 있다는 점이다. 이에 의해 둥그런 가옥의 지붕이나 자동차의 루프 등 기존에 부설할 수 없었던 장소에도 운용이 가능하고, 차세대 태양전지로서 주목받고 있다. 그 제조 공정에서 페로브스카이트라고 불리는 물질의 도공 작업이 있는데 슬롯다이가 이용되고 있다.

 

EV의 리튬이온 배터리와 페로브스카이트의 도공. 이 두 개의 기둥으로 슬롯다이의 가공은 크게 이용이 확대될 것으로 예상할 수 있다.

 

 

모터 코어

 

모터 코어는 모터를 구성하는 로터(회전자)나 스테이터(고정자)의 철심 부분에 해당되는 부품으로, 금형으로 블랭킹한 강판을 적층해서 만들고 있다(그림 7).

 

모터 코어의 금형에는 SKD11의 플레이트 중에 초경을 끼워 넣고 있는데, 매우 단단해서 가공이 곤란하다. 그리고 금형은 좌우 폭이 2m 가까이 되며, 슬롯다이와 마찬가지로 높은 면조도와 진직도를 요구받는다. 이상의 점으로부터 적층 금형은 초숫돌입자 숫돌에 의한 연삭가공으로 하는 것이 최적이라고 알려져 있으며, UPG-CHLi 및 유압 구동 모델 PSG-CH-iQ 시리즈를 채용하는 사용자가 많고 평가도 매우 높다.

 

또한 강판을 블랭킹하는 펀치에도 높은 정도가 요구된다. 다양한 형상을 하고 있는 펀치는 NC 사양의 성형연삭반으로 가공된다.

 

EV를 제조하는 것에 맞춰 구동용 모터의 생산량이 증가한다. 로봇의 관절부 모터로 대표되는 자동화 라인 설비에 대한 모터 코어 제조의 수요가 증가할 것으로 예상할 수 있다. 이러한 점으로부터 초정밀 연삭가공의 필요성은 EV와 함께 증가할 것으로 확신한다.

 

광학렌즈 금형

 

EV와 함께 자동차 업계에서 중요한 화제로서 이야기되는 것이 ‘자동 운전’과 ‘센싱 기술’이다. 자동차나 자전거, 보행자를 감지해 감속하기 위한 센싱 기술에는 크게 나눠 차량과의 거리를 측정하기 위한 밀리파를 이용한 레이더와 광학 카메라를 이용한 화상 인식의 두 가지 감지 방법이 있다.

 

물론 EV에도 안전장치로서 센싱 기술은 채용되고 있으며, 앞으로 EV의 수요가 증가하면 이러한 센서의 수요도 높아진다. 연삭가공은 카메라의 광학렌즈 금형 제조와 메인티넌스에 필요하다. 광학렌즈의 제조 방법으로 현재 일반적으로 많이 사용되는 것은 금형에 녹인 유리/수지를 흘려 넣고 눌러서 하는 몰딩이다(그림 8). 광학렌즈에는 높은 정도가 요구되고 있으며, 그것을 만들기 위한 금형도 마찬가지로 Rz 0.1μm 수준의 고정도를 요구받는다. ㈜오카모토공작기계제작소의 초정밀 평면연삭반 UPG-CALi 시리즈는 이러한 고정도 금형의 경면가공에 실적이 풍부하다.

 

 

1. UPG-CALi 시리즈

이 기기는 중형의 초정밀 평면연삭반으로, CHLi 시리즈와 마찬가지로 6면 구속 슬라이드를 채용하고 있다. 좌우 테이블이 프레임에서 튀어나오는 것에 의한 자세 변화를 없앤 ‘오버행 리스’ 구조도 특징이다. 또한 상하의 절입은 고강성 직동 가이드＋볼나사를 표준으로 하고 있는데, 옵션으로 정압 리니어 모터에도 대응한다. 이것에 의해 광학렌즈와 같은 경면가공이 가능하다.

 

또한 화면에서 문자를 배제한 ‘문자 리스’, 데이터 입력을 간략화해 연삭/드레스 조건을 자동 설정할 수 있는 ‘스킬 리스’를 특징으로 하는 ㈜오카모토공작기계제작소 독자의 세계 표준 iQ 소프트웨어에도 대응할 수 있고, 수치제어에 의한 ‘가공의 자동화’, ‘가공의 가시화’, ‘가공의 평준화’ 등에도 공헌한다(그림 10).

 

초정밀 연삭가공과 높은 사용성을 자랑하는 UPG-CALi 시리즈는 앞으로 증가할 것으로 예상되는 EV의 광학 센서 금형, 그 이외에 스마트폰 등의 카메라 렌즈와 같은 금형의 연삭에 대응할 수 있는 기종이다.

 

 

맺음말

 

EV 시장에서는 미국이나 유럽뿐만 아니라 중국도 대두하고 있으며, 일본은 뒤쳐져 있는 것이 현실이다. 그러나 현재 반격의 조짐이 있다. 전 개체 전지의 제조 개발, 앞에서 말한 페로브스카이트 태양전지 등과 같은 기술에서 일본은 다른 나라를 리드하고 있다. 앞으로 EV와 함께 일본의 제조업은 성장해 가고, 동시에 연삭가공의 필요성과 폭이 확대될 것으로 확신하고 있다. 변화해 가는 정세 속에서 ㈜오카모토공작기계제작소는 종합 숫돌입자 가공기 메이커로서 앞으로 이러한 사용자 요구에 대응할 수 있도록 제품 개발 및 연삭가공 기술 연구에 노력해 갈 것이다.