특수 소재 선삭

내열합금과 티타늄 합금은 가공이 매우 까다롭습니다. 다른 금속과는 매우 다른 특징을 가지고 있는데, 중량 대비 강도, 고온에서의 강도 및 경도 유지, 내부식성 등에서 매우 우수합니다.
가공하기 어려운 소재를 다룰 때는 '특수한' 솔루션이 필요합니다. 효율성, 안정성 등에서 좋은 결과를 얻으려면 솔루션 계획을 제대로 세우고 전용 공구 및 공구 경로를 신중하게 선택하시기 바랍니다.
이 개요에서는 선삭 가공에서 성능과 공정 안정성을 향상시키는 가공 요구사항 및 개발에 대해 알아보겠습니다.

가공이 까다로운 가공물의 고유한 특징

가공물 재질을 가공하는 성능은 금속 절삭 작업의 요구사항 및 결과에 영향을 미치는 여러 요인에 따라 결정됩니다. 넓은 의미에서는 절삭 대상 소재의 공구 마모 성향 및 칩 형성 방식과 관련된 성능입니다. 대부분의 스케일에서 이러한 특수 소재는 가공성이 좋지 않아 절삭이 까다로워 보이지만, 올바른 방식을 이용하면 어렵지 않습니다.
비교적 일반적인 가공물 재질 중에서 다소 특이한 소재는 ISO S 그룹에서 내열합금과 티타늄 합금으로 분류되며, 가공에서는 구성, 조건 및 특성에 따라 여러 하위 그룹으로 나눌 수 있습니다. S 계열 합금의 화학적 성질과 야금학적 구성에 따라 물리적 특성과 그에 따른 가공성이 결정됩니다. 일반적으로 칩이 분할되면서 칩 컨트롤이 어려워지고, 절삭 부하가 강의 2배인 경우도 드물지 않습니다. 이를 통해 소재 절삭이 얼마나 어렵고 절삭 부하와 힘을 결정하는 요인이 무엇인지를 알 수 있습니다.
HRSA 소재가 절삭하기 어려운 이유는 고온에서도 높은 강성을 유지하기 때문입니다. HRSA 소재는 다른 대부분의 소재와 달리 쉽게 부드러워지거나 흐르지 않으며 쉽게 경화되며, 높은 기계적 하중과 고열이 절삭날에 집중됩니다. 니켈, 철 또는 코발트 기반 합금은 HRSA의 하위 그룹이며, 주로 우주 항공, 에너지 및 의료 산업의 부품으로 많이 사용되는데, 융점에 가까워질 때까지 크게 변하지 않는 특징을 갖고 있고부식에 매우 강하기 때문입니다. 그러나 가공성을 높이려면 고성능 기계, 견고한 셋업 조건, 전용 인서트 재종 및 형상, 최적화된 절삭유, 마지막으로 올바른 가공 방법 및 공구 접근 방식이 필요합니다. 보다 세부적인 계획을 세우고 제조 과정에서 더 많은 작업을 처리해야 합니다.
티타늄 합금도 가공성 등급이 다양한 여러 하위 그룹으로 분류됩니다. 일반적으로 가공성은 다양한 수준의 인성으로 평가되며, 가공성을 높이려면 특별한 공구와 가공 방법을 선택해야 합니다. 즉, 열전도도가 낮고, 고온에서의 강성이 높아야 하며, 고전단 얇은 칩이 발생하고, 인서트 경사면의 접촉 영역이 좁고, 절삭날 부근에 집중되는 절삭 부하가 높아야 합니다.칩이 주기적으로 형성되어 절삭 부하가 수시로 변할 수 있으며, 일부 합금은 상대적으로 초연마 특성을 가지는 탄화물 수준이 높습니다.절삭 속도가 과도하면 칩과 공구 소재 간에 화학반응이 일어나서 절삭날 치핑/파손 또는 절삭날 소재 점착/융착이 발생할 수 있습니다. 일부 합금은 쉽게 가공 경화되면서 확산형 마모를 일으켜 과도한 버가 형성되므로다음 작업까지 어려워질 수 있습니다.
특수 소재이지만, 대부분의 HRSA 및 티타늄 합금을 제대로 가공할 수 있는 소재는 많지 않습니다.

이러한 소재를 선삭 가공할 때는…

… 소재와 작업 요인을 종합적으로 고려해야 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 더 나은 작업 결과를 위해 따라야 하는 몇 가지 기본 원칙이 있습니다.

• 가공 계획을 최대한 상세하게 미리 세우십시오.
• 최적의 공구 활용 방안을 세우십시오.
• 최적의 공구 경로를 정하고 매우 안정적인 홀딩 공구를 이용하십시오.
• 최고의 최신 전용 절삭 공구 기술을 이용하십시오.
• 공정 안정성과 생산성을 위해 검증된 절삭 조건을 적용하십시오.
• 절삭 예측을 위해 나선형 절삭 길이를 계산하십시오.
• 최신 고압 솔루션을 통해 절삭유를 올바르게 사용하십시오.
• 전문가의 권장사항을 참고하고 도움을 최대한 활용하십시오.

항상 가공물 소재의 상태/조건과 같은 중요한 요인을 고려하여 가공 공정을 신중하게 계획해야 합니다. 공구 및 가공 방법 선택에 영향을 미치는 주조, 단조, 봉 스톡, 열처리, 용체화 처리 및 시효는 가공물에도 상당한 영향을 미칩니다. 가공물의 표면 상태는 경도와 마찬가지로 다양하며 그에 따라 가공 결과가 달라집니다. 선삭 전략에는 황삭(첫 번째 단계), 준정삭(중간 단계), 정삭(마지막 단계)과 같은 가공 단계뿐 아니라 가공할 대상의 디자인적 특징에 따른 요구사항도 포함되어야 합니다. 복잡한 형상과 표면 무결성은 일반적인 문제입니다.

특수 소재의 선삭을 계획할 때는 기본적으로 가공물 디자인, 소재 및 상태를 고려해야 합니다. 해당하는 경우 소재 상태 및 품질 요구사항과 관련하여 첫 번째, 중간 및 마지막 단계 가공 방법을 정하십시오. 프로그래밍할 때 공구 경로를 계획하고 이송 감소를 적용하면 그에 따라 마모 정도, 공구 유형, 사이클 시간 및 안정성이 정해집니다.

이러한 소재의 절삭은 ...

…절삭날이 가공물에 접근하는 방식에 따라 달라집니다. 인서트 형상과 절삭날의 절입각에 따라 가공 결과, 공구 수명, 안정성 및 결과가 달라집니다. 많은 경우 사용할 절삭 방식을 고려하여 인서트 모양을 선택해야 하지만, 어떤 작업에서든 절입각 크기가 가공 결과 및 공구 수명에 영향을 준다는 점을 명심해야 합니다.
인서트 재종을 선택할 때는 절입각을 일부 고려해야 합니다. 다른 여러가지 중에서 이 각도에 따라 절삭날의 노치에 형성되는 마모 유형이 달라지며, 그 크기는 결과에 영향을 주며, 공구의 빠른 폐기를 가져온다.작업 내용을 정확하게 파악하면 생산성 높은 인서트 재종을 선택해서 공구 수명과 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

절삭 공구의 절입각에 따라 칩 두께, 이송률, 절삭 부하 및 가능한 절삭의 유형이 달라집니다. 특수 소재의 경우 생산성과 공정 신뢰성은 물론이고 인서트 모양과 노즈 반경, 공구 소재의 활용 효율까지 각도 선택의 영향을 받습니다. 일반적으로 원형 인서트와 엑셀 유형 인서트를 선택하는 것이 가장 좋습니다.

공구 소재(인서트 재종)를 선택할 때는 관련된 선삭, 황삭, 준정삭 또는 정삭 작업의 유형, 가공물의 상태, 절삭 유형을 고려해야 합니다. 또한 인서트 재종을 선택할 때는 소재의 경도로 인해 절삭날 소성 변형이 발생할 수 있다는 점을 항상 명심해야 합니다(앞서 언급한 것처럼 노치 마모는 주로 절입각과 절입 깊이의 영향을 받음). 그리고 가공 방식, 칩 부하, 절삭의 연속성 여부에 따라 강성 문제가 나타나므로 인서트 재종을 선택할 때 인서트 형상도 반드시 고려해야 합니다. 따라서 HRSA 가공에서는 전용 재종이 매우 중요합니다.
기본적으로 인서트 고온 경도가 높고, 인서트 인성이 적절하며, 인서트 코팅의 접착력이 충분해야 합니다. 이러한 소재를 가공하는 교환형 인서트는 포지티브 절삭 형상, 날카로운 절삭날, 강한 날과 비교적 개방된 칩브레이커를 갖추고 있어야 합니다.
또한 이러한 소재를 가공할 때는 최적의 절삭 조건이 매우 중요합니다. 속도, 이송, 절입 깊이에 따라 최대 속도가 정해지며, 절삭 속도를 최적화하면 생산성, 안정성 및 품질을 극대화할 수 있습니다. 절삭 속도에 따라 열 발생과 인서트에 미치는 영향이 달라집니다. 온도는 칩의 가소성이 충분할 정도까지만 높아야 하며, 공구 소재의 균형이 상실될 정도로 높으면 안 됩니다. 일반적으로 속도는 전용 초경 합금 인서트의 경우 40~80 m/min( 130~260 sfm), 세라믹 인서트의 경우 150~400 m/min( 490~1310 sfm)입니다.
이송률은 절삭 시간과 칩 두께에 가장 큰 영향을 미치는 요인입니다. 특수 소재의 경우 한계가 상대적으로 제한적이므로 균형을 유지하는 데 더욱 신경써야 합니다. 황삭에서는 칩을 최대한 크게 유지해야 하지만, 날에 과부하가 걸리지 않아야 하며, 정삭에서는 과열과 경화가 발생하지 않을 만큼 두꺼워야 합니다.
많은 경우 절입 깊이는 날 접근에 영향을 미치므로 특정 값보다 작아야 합니다. 예를 들어 HRSA 가공 시 원형 인서트를 사용할 때의 절입 깊이가 인서트 직경의 15%보다 크지 않아야 합니다.프로파일 가공 시에도 절입 깊이를 신중하게 프로그래밍해야 합니다. 절삭날 진입에서 적절한 호를 초과하지 않도록 우묵한 곳 또는 직각이 포함됩니다.
공구 수명를 늘리려면 나선형 절삭 길이(SCL)를 폭넓게 활용해야 합니다. 이 값을 올바르게 설정하면 인서트 인덱싱을 위한 기계 정지를 예측하고 프로그래밍할 수 있으며, 절삭날의 표면 품질을 필요한 수준으로 유지하면서 올바른 속도로 공구를 이용해 패스를 완료할 수 있습니다.

나선형 절삭 길이를 계산하면 시간 또는 가공 길이를 예측하는 데 도움이 되므로 까다로운 특수 소재의 가공 시간을 줄이고 표면 조도를 개선할 수 있습니다. 작업 및 절삭 조건에 더 잘 맞도록 나선형 길이 절삭과 함께 인서트 교체를 위한 기계 정지를 계획하여 공구 수명과 기계 가동률을 최적화할 수 있습니다.

공구 마모에 가장 큰 영향을 미치는 요인에는…

… 높은 절삭날 온도와 특정 유현의 절삭날 마모 경향과 조합된 높은 절삭부하가 있습니다.주요 요인으로 앞서 언급한 노치 마모(절입 깊이에 따라 공작물 소재 라인이 정해지는 기계적 마모 유형), 고온과 고압이 동시에 발생하여 생기는 절삭날의 소성 변형과 경도가 더 높은 소재 때문에 발생하는 연마성 마모, 그리고 세라믹 인서트에서 발생하는 절삭날 상단의 레이어가 잘려 떨어지는 상단 슬라이스 마모가 있습니다.절삭날의 접근 방식에 따라 마모 결과가 크게 달라집니다.

인서트 재종 선택은 다른 소재에서와 달리 특수 소재 황삭 및 정삭과 직접 관련이 없지만, 최적화에 더 큰 영향을 줍니다. 인서트의 모양과 절삭날의 접근 방식 및 작업 유형에 따라 조금 더 복잡해집니다. 노치 마모, 소성 변형과 같은 파괴적인 마모 패턴은 주로 공구, 절삭 조건, 방법을 적절하게 활용하여 최소화해야 합니다. 초경 합금 인서트는 최근의 시알론 세라믹 및휘스커 세라믹과 함께 광범위하게 적용되는 최적의 옵션인 경우가 많습니다.

특수 소재 선삭에서 가장 적절한 절입각은 45도 이하입니다. 절입각이 90 또는 0도이거나 절입 깊이가 인서트의 노즈 반경보다 큰 경우가 가장 안 좋습니다. 각도가 크거나 작으면 칩이 얇아지고 고이송 상태가 됩니다.
HRSA 선삭의 경우 공구의 절입각에 따라 PVD 또는 CVD 코팅 인서트 중 어느 것이 가장 적합한지가 정해집니다. 이러한 코팅은 열 효과로부터 가공물을 보호하기 위해 사용됩니다. PVD는 절입각이 90도 또는 0도일 때, CVD는 45도에 적합합니다. 반면에 티타늄 선삭의 경우 인서트 코팅을 적용해도 별다른 이점이 없습니다. 이 경우에는 최적의 절삭날 조건(예: 정삭에서 원형 인서트)을 사용하는 것이 더 중요합니다. 최신 PVD 인서트 제품군은 경도가 높고 날 변형 및 열 충격에 강합니다. 또한 날이 날카롭기 때문에 점착성 재질을 황삭에서 정삭할 때 탁월한 성능을 발휘합니다.

최적의 인서트 모양은…

…이러한 소재를 가공할 때 매우 중요한 고려사항입니다. 원형(R모양)은 이러한 소재를 가공할 때 가장 권장하는 인서트 모양 중 하나입니다. 원형 인서트를 이용하면 날카롭고 포지티브한 절삭날의 강도가 증가하고, 이송률이 높은 긴 절삭날을 따라 칩 두께가 다양해지며, 인서트 반경이 커서 표면 조도로 인한 이송률 제한이 발생하지 않습니다. 또한 원형 인서트는 다수의 가공물 모양에서 필요한 프로파일 가공과 포켓 가공이 가능하도록 유연하게 프로그래밍할 수 있습니다.
일부 경우에는 45도에서 다양한 방향으로 황삭 절삭할 수 있는 정사각형 인서트(S모양)가 1단계 가공에 가장 적합합니다. 마름모꼴 인서트(C모양)를 이용하면 공구 경로를 유연하게 활용할 수 있으며, 엑셀 유형 인서트로 확장할 경우 코너, 직각, 오목한 부분에 공구를 더 편하게 접근시킬 수 있습니다. 그리고 인서트 형상과 45도 절입각을 동시에 적용하면 반경 방향 절삭 부하가 감소하고, 칩 두께가 일정하게 유지되며, 노치 마모가 줄어듭니다. 결과적으로 생산성과 안정성이 향상되고 공구 수명이 연장됩니다.

프로그램 최적화가…... .…

… 중요하며, 특수 소재에 원형 인서트를 사용할 때 가공 성능을 높이기 위한 권장사항이 아래에 나와 있습니다.

• 충격 완화를 위해 플런지 가공은 하지 마십시오. 플런지 가공이 필요하면 이송률을 반으로 줄여야 합니다.
• 직각 선삭에 진입할 때에도 프로그램된 반경과 인서트의 직경이 같은 경우에 이송을 절반으로 줄이거나, 공구를 직각으로 롤업해야 합니다.(프로그래밍된 최소 반경이 인서트 직경의 약 25%, 가공물 반경이 인서트 직경의 75%가 되게 하는 것이 지침이며, 프로그래밍된 반경에 대해서는 공구 중심 이송 사용)
• 황삭에서 원형 인서트를 이용하면 프로그래밍된 반경이 인서트 직경과 같아야 하며, 정삭에서는 프로그래밍된 반경이 인서트 직경보다 커야 합니다.
• 인서트를 최대한 활용하려면 대체 공구 경로, 다중 패스, 양방향 가공을 이용해 보십시오.
• 세라믹 인서트를 보호하기 위해 미리 챔퍼를 가공한 후, 챔퍼로 이송하십시오.
• 가공 과정 전체에서 인서트 맞물림의 호와 절입각이 균형을 이루게 하십시오. 우수한 성능을 유지하려면 각도를 제한해야 하며, 최신 인서트 재종으로 최대한의 효과를 거두려면 원형 인서트를 사용해야 합니다.
• 인서트에 과부하가 걸리지 않도록 프로파일 가공 또는 플런지 가공 시 랩어라운드 효과가 발생하지 않게 하고, 대체 공구 경로나 더 작은 인서트 직경을 사용하십시오.
• 특히 포켓 가공 시 적절한 더 작은 크기로 절삭을 나누는 트로코이드 선삭을 이용해 보십시오.

HRSA 및 티타늄 가공을 위한 공구 유형과 방법에서 어떤 점이 중요할까요? 다음과 같은 점을 확인해 보십시오.

• 정밀 절삭유 사용을 항상 고려해야 합니다. 관통 절삭유 툴링을 통해 제공되어 절삭날 뒤와 표면에 분사되는 정밀 절삭유를 이용하면 선삭, 밀링 및 드릴링 가공에서 큰 도움이 됩니다. 다양한 압력 범위에서 표준 및 엔지니어링 솔루션으로 제공되는 최신 노즐 기술을 적절한 절삭유가 공급되는 모든 유형의 기계에 적용할 수 있습니다. 새로 구입할 기계의 절삭유 압력은 칩 브레이킹 개선을 위해 티타늄 선삭에서 70 bar가 가능해야 하지만, HRSA 선삭에서는 칩이 단단해서 최대 200 bar의 압력이 유리합니다.

특수 소재 가공에서는 절삭유가 매우 중요합니다. 정밀 절삭유는 첨단 표준 또는 엔지니어링 기술이며, 절삭, 칩 형성, 공구 수명 및 생산성을 결정짓는 요인이 되기도 합니다. 일반적으로 특수 소재에서 발생하는 높은 온도를 냉각시켜야 하지만, 전용 인서트와 관통 절삭유를 사용하고 고압에서 정밀도를 높이면서 절삭유를 충분히 분사하면 최상의 가공 성능과 결과를 얻을 수 있습니다.

• 접근성은 주로 특수 소재를 선삭할 때 문제가 됩니다. 복잡한 형상과 공구 오버행이 있을 때 작업을 올바르게 진행하려면 제대로된 툴링과 가공 방법이 중요합니다. 다양한 각도와 오버행에서 절삭날이 작동하는 블레이드 공구를 안정적으로 사용할 수 있는 모듈러 시스템을 이용해 보십시오. 제한된 표준 공구에서 구성에 맞고 외부 또는 내부의 제한된 공간에 쉽게 접근할 수 있는 공구를 유연하게 이용할 수 있도록 대체 어댑터와 블레이드가 준비되어야 합니다. 또한 정밀 절삭유가 공구를 통해 절삭날에 공급되면서 각진 홈의 깊은 부분에까지 도달하려면 이에 맞는 반경 및 축 방향 여유 공간이 블레이드에 있어야 합니다.
• 공구 소재는 모든 가공 작업에서 매우 중요하며, 특히 특수 소재를 가공할 때는 공구 소재를 반드시 고려해야 합니다. 이때 최신 초경 합금 및 세라믹의 형태로 올바른 인서트 형상과 결합된 전용 인서트 재종이 필요합니다. 비코팅 초경 재종도 여전히 중요하지만, 최근에 인서트 코팅 기술이 발전하면서 절삭 시간을 단축하고 공구 수명을 연장하여 절삭날의 성능을 향상시킨 특수 코팅 초경 합금 인서트가 탄생했습니다.
• 진동 성향을 최소화하려면 보링 바, 블레이드 및 밀링 커터에 공구 진동 방지 기능이 내장되어 있어야 합니다. 진동 방지 기술은 최근에 크게 발전하여 공구 오버행에서 불안정성이 높아지면 자연스럽게 선택하는 기술이 되었습니다. 생산성, 공정 안정성 및 가공물 품질이 진동 방지 툴링의 품질 및 가용성과 직접 관련이 있습니다. 진동 방지 기능이 없으면 수많은 작업을 처리할 수 없습니다. 이제는 250 mm 이하 직경의 최대 14배에 달하는 오버행이 사용되는 내경 선삭 가공도 매우 효율적으로 표면 조도가 높게 처리할 수 있습니다.