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그 기업엔 무언가 특별한 것이 있다.

내열합금 가공문제, 세라믹 공구로 극복

항공기 엔진을 생산하는 업체나 2차 협력업체들은 가공량이 많은 주문을 수주하게 되면 높아지는 장비 가동률로 인해 많은 압력을 받는다. 그러므로 부품당 가공시간을 줄이는 것은 큰 혜택이 된다. 높은 내열성능의 초합금들의 경우 초경 엔드밀로 가공할 경우 가공속도는 대략 50m/min에 머무르게 되나, 세라믹 커터를 사용하게 되면 가공속도를 1,000m/min까지 올릴 수 있다. 발터가 공급 중인 초합금 가공시 가공속도과 가공시간 개선 등의 이점을 제공하는 세라믹 엔드밀 커터 MC275와 MC075를 사용할 경우 이전과는 다른 차원의 접근이 가능해진다.

 

발터는 세라믹 엔드밀 커터에 2종의 시리즈를 추가했다. MC275와 MC075가 바로 그 주인공이다. MC275 규격은 대부분의 애플리케이션에 적합한 범용 형상이고, MC075는 고이송용으로 설계됐다. 2가지 제품군은 직경 8mm~25mm의 범위에서 공급되며, 8~12mm은 일체형 엔드밀로, 12~25mm는 ConeFit 엔드밀 타입으로 각각 공급된다. 또 2가지 모두 엔드밀의 헤드 부위만 세라믹으로 되어 있다. 세라믹 헤드는 초경 생크나 초경 ConeFit 바디에 브레이징으로 용접된다. 이론적으로는 전체를 세라믹으로 만들 수 있지만 초경 생크와 결합하면 공구 강성이나 충격에 따른 댐핑효과 등의 이점이 있으며, 날장 길이 또한 길게 할 수 있다.

세라믹 엔드밀의 애플리케이션 영역은 ISO S 그룹중 니켈 베이스, 코발트 베이스, 철 베이스의 내열합금강이며, 인코넬 718, 르네 80, 니모닉 80A, 하네스 556®, Mar-M-247, Stellite 31 등이 대표적이다. 이런 HRSA(Heat-Resistant Super Alloys) 소재들은 항공기 엔진의 내열성이 필요한 부분에 애용되고 있다.

 

밀링 애플리케이션에 추천 

발터의 세라믹 엔드밀은 밀링 애플리케이션에 적합하도록 맞춤 제작됐다. SiAlON 세라믹은 휘스커 강화 세라믹 소재들보다 열적인 변화에 더 뛰어난 저항성을 가지며, 이런 특성으로 인해 밀링작업에 최적의 선택이 된다. 기본적인 단속 가공은 절삭날의 온도변화를 크게 만들고, 이에 더해 쿨런트 용재들이 온도변화를 더 크게 만들며, 이로 인한 열적 충격효과가 발생한다. 이런 이유로 발터는 세라믹 엔드밀로 높은 온도로 초합금을 가공할 때 건식 가공을 추천한다. 건식 가공은 위의 혜택 외에도 쿨런트 윤활제를 사용하지 않아 환경 친화적이고 경제적이라는 이점이 있다.

니켈 베이스 합금을 세라믹 공구로 밀링작업시 마모가 발생하는 주요 요인은 높은 온도와 구성인선이며, 이들은 대표적인 화학적인 마모 현상이다. 화학적 마모와 확산 마모가 절삭소재를 지속적으로 약하게 만드는 동안 구성인선으로 인해 발생하는 점착 마모가 날끝에 더해지면, 갑작스럽게 마모가 악화되면서 마모한계 예측이 더욱 불가능하게 된다. 고속 가공으로 인한 온도로 인해(2번 사진 참조), 그리고 고온에서도 인성을 유지하는 초합금들의 특성(인코넬 718의 경우 750℃에서 인장강도 Rm=880N/mm² 유지)으로 절삭날에 구성인선이 매우 크게 생성될 수 있다. 이런 현상으로 절삭날 표면에 가공소재가 점착됐다 구성인선이 탈락되면, 세라믹 소재의 칩핑이 발생하게 된다. 이런 구성인선은 3번 사진에서 확인 가능하다. 비록 HRSA 소재가 가공시 높은 온도를 발생하는 것이 공구수명에 안좋은 영향을 준다고 하더라도 이는 불가피하다. 그 이유는 이렇게 해야만 이들 소재의 경도를 낮추고 가공효율을 높일 수 있기 때문이다.

절삭 데이터는 절삭날 소재와 가공될 소재에 의해 결정된다. 깨지기 쉽긴 하지만 내열성능이 높은 공구 소재만이 높은 온도에서 작업이 가능하며, 이런 이유로 가공 충격량을 줄이기 위해 낮은 날당 이송(0.02mm~0.05mm), 낮은 공구 접촉률, 즉 풀 슬롯 가공시 ap의 경우 공구 직경 대비 5% 이하를 사용하거나 직경 대비 낮은 접촉율 Dc ae=5% 이하로 가공해야만 한다. 이런 제한사항을 극복한 공구가 MC075 고이송 형상 엔드밀이다. MC075는 최대 가공 절입 ap≤apf에서 fz=0.15mm로 적용 가능하며, 이때 가공속도는 400m/min~1,000m/min 까지 달성 가능하다.

초경 VS 세라믹 

초경 밀링 커터와 세라믹 밀링 커터의 가공결과는 이들이 왜 차이가 있는지를 분명하게 보여준다. 3번 사진을 보면 세라믹 밀링 커터를 왜 황삭에서만 사용해야 하는지 알 수 있다. 2가지 절삭소재 타입에 따른 차이점은 또한 가공조건으로도 분명해진다. 직경 10mm의 엔드밀 커터로 인코넬 718의 풀 슬롯 가공을 예로 비교해 봤다(7번 사진 참조). 이때 세라믹 커터의 이송률이 확연히 높은 것을 볼 수 있었고, 이로 인한 장점이 초경 엔드밀로 더 깊은 절입깊이를 가공할 수 있다고 하더라도 범접할 수 없다는 것을 확인할 수 있었다.

금속 제거율로 비교해 보면 세라믹이 56% 높다. 총 금속소재 가공량 면에서도 세라믹 공구가 초경 엔드밀보다 180% 높은 것을 알 수 있다. 금속 가공률과 공구수명간 총 금속 가공량은 세라믹  공구가 초경 공구 보다 분명히 장점이 있다는 것을 보여주는 지표다. 가공시간 단축은 장비의 추가 없이도 더 많은 배치를 가공할 수 있게 해준다. 사용자에게는 보유장비중 더 작은 수량만을 가지고 작업을 완료할 수 있도록 줄 뿐 아니라 더 많은 가공량은 공구비용을 절감시켜 준다.

 

가공시간 개선

전통적으로 니켈 베이스 합금으로 만드는 항공기 엔진 부품은 블리스크다. 이 회전복합 부품은 디스크에 많은 수의 블레이드가 결합된 형태를 가진다. 블레이드 사이 공간은 황삭 가공시 초경 커터를 사용해 밀링작업으로 가공된다. 가공시간은 대략 30분이다. MC075 세라믹 커터는 고이송을 위한 특수 형상으로 설계되어 똑같은 공간을 10분 만에 가공해낸다. 이런 애플리케이션에서 내열합금 소재인 경도 44HRc, 인장강도 1,400N/mm²의 니켈 베이스 합금 가공에서 달성된 이송률은 9,500mm/min이다. 이런 높은 이송률은 보통 알루미늄에서나 실현 가능하며 니켈 베이스 합금은 그렇지 못하다.

세라믹 공구가 매우 빼어난 가공시간 개선을 보여줬지만, 여기서 또한 반드시 확인해 봐야 하는 것은 세라믹 커터의 높은 가공온도가 피삭재에 손상을 주는 가이다. 세라믹 커터는 황삭 가공에서만 적용됐기 때문에, 열로 인한 영향이 소재에 정삭가공 여유량 이상으로 침투했는가 여부만 확인해보면 쉽게 알 수 있다.

발터는 독일 아첸(Aachen)에 있는 Fraunhofer IPT 연구소와 협업해 인코넬 718 가공시 마모양상 레벨에 따라, 그리고 깊이에 따른 가공 경화량을 측정했다. 경도 측정은 세라믹 공구가 13개 또는 14개 슬롯, 또는 23개 슬롯 가공을 한 다음 마모 정도를 기준으로  진행됐다. 슬롯의 측정 포인트는 4번 사진과 같이 슬롯의 선택 부위에서 최대 열부하를 평가해 이뤄졌다. 데이터 표본 취합을 정확하게 하기 위해 5번 사진에 나타난 측정법을 사용했다. 소재의 기본 경도는 446HV이다.

그 결과 640HV까지의 경화는 100㎛ 지점까지 측정됐다. 200µm 이상의 깊이에서는 경화를 발견하지 못했고 공구 마모나 가공방향 또한 영향이 없었다. 일반적으로 황삭 가공시 정삭 여유량은 3~5/10mm 정도이므로 세라믹을 사용한 황삭작업의 열적 영향이 정삭작업에 미치는 영향은 없다는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 세라믹 밀링 커터는 HRSA 소재 가공시 아주 효율적이고 안정적인 가공방식이라는 점이 명확해졌다.

*사진 및 그림은 본지 참조