승용차의 브레이크 시스템에서 브레이크 디스크는 핵심 마찰 부품으로 작용하며, 양면 평행도, 단면 편심도 및 마찰면 거칠기는 제동 반응 속도와 주행 안전성을 직접적으로 결정짓는다(국가 표준 GB/T 34872-2017에서는 브레이크 디스크의 양면 평행도를 ≤ 0.05mm, 단면 편심도를 ≤ 0.08mm, 마찰면 거칠기를 ≤ Ra1.2 μm로 요구함). 가공 정밀도가 기준에 부합하지 않을 경우, 브레이크 편마모, 브레이크 이상 소음이 발생하기 쉬우며 극한 운전 조건에서 제동 거리가 15% 이상 증가할 수도 있다.
한국의 주요 승용차 브레이크 시스템 제조업체는 한때 브레이크 디스크 가공에서 병목 현상을 겪었다. Φ 280-380mm 브레이크 디스크(HT250 회주철, FC250 연성주철로 제작되며 통풍 홈 구조 포함)의 경우 기존 가공 방식은 '수평 선반을 이용한 한면의 대략 선삭 → 뒤집기 후 반대면 대략 선삭 → 수직 밀링 기계를 이용한 통풍 홈 밀링 → 암 드릴링 기계를 이용한 위치결정 홀 가공'의 네 가지 공정이 필요했으며, 단일 제품당 가공 사이클은 최대 28분에 달했다. 여러 번의 뒤집기 및 클램핑으로 인해 브레이크 디스크 양면의 평행도가 종종 0.09mm를 초과하였고, 단면 편심 오차는 0.1~0.15mm에 이르러 제동 시 브레이크 패드의 접착 불균형률이 18%에 달했다. 또한 회주철의 고속 절삭 과정에서 발생하는 절삭 부스러기가 통풍 홈에 잘 달라붙어 추가로 12%의 수작업 청소가 필요했다. 게다가 진동으로 인해 공구 마모가 빠르게 진행되어 블레이드당 수명이 60~80개 부품에 불과했으며, 단일 디스크 공구 비용은 22원을 초과하였다.
고객 사용 현장
이 난제를 해결하기 위해 회사는 Taiyun CNC 기계식 CK525 CNC 세로 선반을 도입하고 '이중 컬럼 동기 가공+일회 클램핑 풀 프로세스' 방식의 브레이크 디스크 전용 제조 시스템을 구축했다. 장비는 일체형 고강도 주철 베드 본체(주물 벽 두께 70mm)를 채택하며, '6개월 자연 노화 + 48시간 진동 노화'의 이중 응력 제거 처리를 거쳤다. 대칭 박스 타입 슬라이딩 테이블 구조와 결합하여 유한 요소 해석(FEA)을 통해 강성을 최적화하였으며, 직경 방향 절삭 강성은 30kN/mm에 달해 회색 주철 가공 시 발생하는 14kN의 직경 방향 절삭력을 안정적으로 견딜 수 있다. Fanuc 0i MF Plus CNC 시스템과 그레이팅 자가(분해능 0.1μm)의 완전 폐루프 제어를 갖추고 있어 위치 결정 정확도 ±0.008mm, 반복 정확도 ±0.005mm를 실현하며, 브레이크 디스크 양면 평행도의 공차 요구 사항인 ±0.03mm에 정확하게 부합한다. 브레이크 디스크의 양면 가공 요구에 대응하여 장비는 이중 컬럼 및 양방향 툴타워, 고효율 스핀들(스핀들 회전속도 100-1000rpm/분), 고압 외부 냉각 시스템(냉각 압력 1.0MPa, 유량 30L/분), 자기식 칩 제거 장치(칩 제거 효율 ≥60L/h)를 장착하여 칩 축적 및 절삭날 칩 형성을 효과적으로 억제한다. 동시에 AlTiN 코팅 하드메탈 절삭 공구(WC-Co 함량 94%, 경도 HRA93)를 선택하여 절삭 마모 저항성을 향상시켰다.
기술 혁신 측면에서, 이 장비는 브레이크 디스크 가공 분야에서 '공정 통합 + 양면 동기 형상 제어'라는 두 가지 돌파구를 달성하였다. 여기에는 21인치 3지 연결 척(클램핑 힘 75kN, Φ500mm-700mm 브레이크 디스크에 적합), 8스테이션 서보 공구 홀더 및 절삭 공구(공구 교환 시간 1.4초), 그리고 통풍 홈 전용 성형 공구 홀더가 통합되어 있다. 이 장비는 한 번의 공정으로 브레이크 디스크의 양면 선반 가공(마찰면 평면도 ≤ 0.04mm), 외경 정밀 선반 가공(공차 IT7), 통풍 홈 밀링 가공(홈 너비 공차 ±0.1mm, 깊이 공차 ±0.05mm), 그리고 4~5개의 위치결정 홀 드릴링(홀 지름 공차 H9, 위치 공차 ≤ 0.12mm)을 동시에 완료할 수 있다. 브레이크 디스크 양면의 평행도 제어가 어렵다는 문제에 대응하여, 혁신적인 '이중 기둥 동기 보상 공정'을 도입하였다. 좌우 스핀들의 절삭력(정확도 ±0.5%)과 속도 편차를 실시간으로 수집하여 이송 속도(보상 정확도 0.001mm)를 자동 조정함으로써 양면 평행도를 안정적으로 ≤ 0.04mm 이내로 유지한다. 연성 철(FC250)의 높은 인성과 높은 절삭 저항 특성을 고려하여, 장비 내부에는 재료 및 공정 데이터베이스가 내장되어 있어 절삭 조건(스핀들 회전속도 1500-2000r/min, 이송 속도 40-70mm/min, 절삭 깊이 1.5-2.5mm)을 자동으로 매칭시켜 공구 파손을 방지한다. 다양한 차량의 브레이크 디스크 교체 시(예: 세단과 SUV 간 사양 차이)에는 장비가 공정 매개변수의 원클릭 조정을 지원하며, 내장된 35개의 브레이크 디스크 가공 템플릿을 통해 기존의 1.2시간 소요되던 교체 시간을 10분으로 단축시킨다.
브레이크 드럼 클램핑 1회
구현 결과는 승용차 제동에 대한 안전 기준을 완전히 준수합니다. 단일 부품 가공 사이클은 28분에서 16분으로 단축되었으며, 일일 생산 능력은 320세트에서 580세트로 증가하였습니다. 브레이크 디스크의 양면 평행도는 ≤ 0.04mm로 안정적으로 유지되며, 단면 편위(wobble)는 ≤ 0.06mm 이하이고, 마찰면의 표면 거칠기는 Ra0.8 μm에 도달하여 GB/T 34872-2017 "승용차 브레이크 디스크" 및 EU ECE R90 표준의 요구사항을 충족합니다. 제동 시 브레이크 패드의 불균일한 맞춤률은 18%에서 2.5%로 감소하였으며, 고객의 비정상적인 제동 소음에 대한 불만 건수는 92% 감소하였습니다. 냉각 최적화 및 파라미터 조정 덕분에 공구 수명이 50% 연장되어(최대 90~120개/날개) 단일 디스크 당 공구 비용이 14위안으로 감소하였습니다. 동시에 수작업 칩 제거 공정이 폐지되어 단일 디스크 당 인건비가 8위안 절감되었습니다. 장비에 탑재된 지능형 진단 모듈은 스핀들 온도(해상도 0.1℃), 전류 부하(정확도 ±0.8%) 등의 실시간 데이터를 수집할 수 있으며, 공구 마모 예측 알고리즘과 결합함으로써 장비의 종합 가동률이 78%에서 95%로 향상되었고, 연간 다운타임은 320시간 감소하였습니다.
CK525은 브레이크 디스크 제조에서 '양면 정밀 동기 제어와 대량 생산 효율성' 사이의 핵심 모순을 완전히 해결했다. 회사의 제조 담당자는 "이제 우리 브레이크 디스크는 폭스바겐, 도요타 등 주요 자동차 기업들의 PPAP(양산 부품 승인 절차) 인증을 통과했을 뿐 아니라, 전기차가 요구하는 '저소음, 장수명' 브레이크 시스템의 극한 조건도 충족하고 있다. 이는 당사가 주요 자동차 제조사들로부터 연간 납품 계약을 수주하는 데 중요한 기반을 마련했다"고 말했다. 이 사례는 CNC 세로 선반 기계가 '이중 스핀들 강성 구조 + 양면 동기 형상 제어 + 소재 및 공정 맞춤화'의 심층적 협업을 통해 승용차 브레이크 디스크 제조 분야에서 '안전 정밀도와 비용 효율성'의 병목 현상을 돌파하는 핵심 장비가 되었음을 입증하고 있다.
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