석유화학 및 석유·가스 운송 분야에서 플랜지는 파이프라인 시스템의 핵심 연결 부품이다. 밀봉면의 평탄도, 볼트 홀의 위치, 재료 가공의 안정성은 파이프라인 운전의 안전성을 직접적으로 결정한다(석유·가스 파이프라인에서 플랜지 누출로 인한 폭발, 환경 오염 등의 주요 사고와 관련하여 국가 표준은 플랜지 밀봉면의 평탄도를 ≤ 0.03mm/100mm, 볼트 홀 각도 오차를 ≤ ±5′ 이하로 요구함). 국내 유수의 석유화학 설비 제조업체는 과거 플랜지 가공에서 병목 현상을 겪은 적이 있다. DN400-DN1200mm 플랜지(재질은 Q345R 탄소강, 316L 스테인리스강, 12Cr1MoVG 합금 등)의 경우 기존 가공 방식은 '대형 선반을 이용한 대략 선삭 → 세로 선반을 이용한 정밀 밀봉면 선삭 → 암드릴링 머신을 이용한 볼트 홀 가공'의 세 단계 공정이 필요했으며, 단일 가공 사이클이 최대 45분에 달했다. 다중 클램핑으로 인해 플랜지 내경과 밀봉면 간 동축도가 종종 0.08mm를 초과하였고, 밀봉면의 평탄도 오차는 0.06~0.09mm에 달해 파이프라인 압력 시험 시 누수율이 8%에 이르렀다. 또한 스테인리스강 플랜지는 고속 절삭 시 가공 경화가 발생하기 쉬우며, 표면 거칠기가 Ra1.6μm를 초과하여 추가 연마 공정이 필요했고, 이로 인해 단일 플랜지당 노동 비용이 18위안 증가하였다.
처리 사이트
이 난제를 해결하기 위해 회사는 Zhongjie Friendship Machine Tool VTC100A CNC 세로 선반을 도입하고 '한 번의 클램핑으로 전 공정 완료'가 가능한 플랜지 전용 가공 시스템을 구축했다. 장비는 벽 두께 최대 80mm에 달하는 일체형 두꺼운 주철 베드 본체를 채택하여 진동 노화 및 자연 노화의 이중 응력 제거 처리를 거쳤다. 크로스 슬라이드 테이블의 중부하 설계와 결합하여 유한 요소 해석(FEA)을 통해 강성 분포를 최적화하였으며, 반경 방향 절삭 강성은 32kN/mm에 달해 합금 플랜지 가공 시 발생하는 22kN의 반경 방향 절삭력을 안정적으로 견딜 수 있다. 지멘스 828D 어드밴스드 CNC 시스템과 그레이팅 룰러(해상도 0.1μm)의 완전 폐루프 제어를 장착하여 ±0.002mm의 위치 결정 정밀도와 ±0.001mm의 반복 위치 결정 정밀도를 달성하였으며, 이는 플랜지 밀봉면의 평탄도 요구 사양인 ±0.02mm에 정확하게 부합한다. 다양한 재료 특성에 대응하기 위해 장비는 듀얼 채널 스핀들 냉각 시스템을 갖추고 있다. 탄소강 가공 시에는 에멀젼 냉각을 사용하며(냉각 효율 ≥95%), 스테인리스강 가공 시에는 오일 미스트 냉각으로 전환한다(액적 지름 5~10μm). 여기에 초미립 경질 합금 절삭 공구(TiAlN 코팅, WC-Co 함량 92%의 공구를 스테인리스강 가공용으로 사용)를 병행하여 작업 경화와 칩 부착을 효과적으로 억제하고 표면 거칠기의 안정성을 보장한다.
기술 혁신 측면에서 본 장비는 플랜지 가공 분야에서 '공정 통합+재료 적응'의 이중 돌파를 달성하였습니다. Φ32mm 3구동 파워 척(클램핑 힘 120kN, DN750-DN1000mm 플랜지 클램핑 요구사항에 적합), 24스테이션 서보 타워렛(툴 교환 시간 1.5초), CNC 인덱싱 디스크(인덱싱 정밀도 ±3′)를 통합하여 플랜지 내공(H8 공차), 외경(IT7 공차), 밀봉면(튼홈면/오목-볼록면, 평면도 ≤0.03mm), 및 8~24개 볼트 홀(홀 지름 공차 H9, 인덱싱 오차 ≤±4′)을 한 번의 공정으로 완료할 수 있습니다. 밀봉면의 정밀 가공을 위해 우리는 혁신적으로 '나선형 보간 정밀 가공 공법'을 도입하였습니다. 원당 500포인트의 표면 데이터 수집 및 보정을 통해 밀봉면의 평면도를 0.02mm/100mm 범위 내에서 안정적으로 유지합니다. 합금 플랜지(12Cr1MoVG)의 고온 강도 특성에 대응하기 위해 장비에는 내장형 재료 및 공정 데이터베이스가 탑재되어 있어 절삭 조건(주축 회전수 800~1200r/min, 이송 속도 60~100mm/min)을 자동으로 매칭함으로써 공구 파손을 방지합니다. 다양한 사양의 플랜지 교체 시, 장비는 공정 파라미터의 원클릭 조정을 지원하며(내장된 30세트의 플랜지 가공 템플릿 제공), 기존의 2시간 소요 시간을 18분으로 단축시킵니다.
플랜지 클램핑
구현 결과는 석유화학 산업의 엄격한 기준을 완전히 준수한다: 단일 가공 사이클이 45분에서 32분으로 단축되었으며, 일일 생산 능력은 150세트에서 260세트로 증가하였다. 플랜지 내부 구멍과 밀봉면 간의 동축도는 ≤ 0.04mm로 안정적으로 유지되며, 밀봉면의 평탄도는 ≤ 0.03mm, 표면 거칠기는 Ra0.8 μm에 도달하고, 볼트 홀의 분할 오차는 ≤± 3.5′ 이내이다. 이는 GB/T 9113.1-2022 "일체형 강관 플랜지" 및 ASME B16.5 "파이프 플랜지 및 플랜지 피팅" 표준의 요구사항을 충족한다. 배관 압력 시험 시 누출률은 8%에서 0.5%로 감소하였으며, 연마 공정이 생략됨에 따라 개별 플랜지의 제조 비용이 15위안 절감되었다. 316L 스테인리스강 플랜지의 경우, 유무 냉각과 파라미터 최적화를 통해 공구 수명이 40% 연장되었다. 장비에 탑재된 지능형 진단 모듈은 스핀들 부하(정확도 ± 0.5%)와 절삭 온도(해상도 0.1 ℃)를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 공구 마모 예측 알고리즘과 결합하여 설비 종합 가동률이 80%에서 94%로 향상되었으며, 연간 다운타임이 380시간 줄어들었다.
CK5263은 플랜지의 '밀봉 안전성과 가공 효율성'이라는 이중 문제를 완전히 해결했다. 회사의 제조 담당 이사는 '이제 우리 플랜지는 국가석유관로 품질감독검사센터의 엄격한 시험을 통과했을 뿐 아니라, 서부-동부 천연가스 송유관 3호와 같은 주요 프로젝트에서 고압 플랜지(PN40)에 대한 최고 수준의 요구사항도 충족하고 있어 석유화학 장비 분야에서 경쟁사들과의 기술적 장벽을 구축했다.'라고 말했다. 이 사례는 CNC 세로 선반(CNC vertical lathes)이 '강성 구조 적응 + 재료 및 공정 맞춤화 + 정밀 폐루프 제어'의 심층적 융합을 통해 '안전성, 정확성, 효율성'의 병목 현상을 타개하는 핵심 장비로 자리 잡았음을 입증한다.
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