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그 기업엔 무언가 특별한 것이 있다.

터프한 소재의 가공 최적화

현재 호황 중인 항공우주산업은 알루미늄합금, 티타늄합금 등 가공이 어려운 새로운 소재들이 지속적으로 개발, 적용됨에 따라 새로운 가공공구와 가공공정의 개발이 뒤따르고 있는 분야다. 발터 역시 항공우주산업을 겨냥해 다양한 연구기관 등과 협업하고 있으며, 그 결과로 BLAXX M3255 포큐파인 커터와 M2131/M2331 램핑 밀링 커터를 개발하는데 성공했다. 전자는 티타늄합금에, 후자는 알루미늄합금 가공에 각각 추천된다. 특히 M3255 커터는 티타늄합금의 가공시간을 20% 이상 줄여주고, M2131/M2331 커터는 고속가공을 가능하게 하여 항공부품 가공에 새로운 표준으로 자리매김하고 있다.

 

 

항공우주산업은 현재 호황기에 있다. 2017년 독일에서만 400억유로 이상의 매출규모를 달성했는데, 이는 역대 최대실적이자 2016년과 비교해 6%나 상승한 금액이다. BDLI 통계 자료에 따르면, 독일 항공기 제조업체들은 매출의 10%를 다시 투자하고 있다. 

항공우주산업은 새로운 소재의 가공공정을 개척해 나가는 분야다. 가공분야의 전문가인 발터와 같은 공구 제조업체들은 해당산업에서 지속적으로 혁신적인 다이나믹함을 갖추기 위해 노력을 하고 있으며, 발터는 이를 실현하기 위해 함부르크기술대학의 생산관리연구소 등과 같은 곳과 연구개발을 위한 강력한 파트너십을 유지해 나가고 있다. 이런 협력의 결과로 BLAXX M3255와 같은 티타늄-알루미늄합금 가공용 포큐파인 커터가 개발됐다. 이에 더해 최근  M2131/M2331과 같은 램핑 밀링 커터가 새롭게 추가되어, 사용자는 알루미늄합금을 더욱  안정적으로 정밀하고 효율적인 가공할 수 있게 됐다. 

 

여전히 주요 트렌드 - 알루미늄합금

발터의 항공우주 매니저 Dirk Masur씨는 “최근까지도 많은 산업 전문가들은 항공기 제조시 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 중요도와 활용도가 높아질 것이라고 예상하고 있다. CFRP 소재의 장점은 매우 분명하다. 경량화에 장점이 있으면서 놀랍도록 강한 성질을 갖고 있다.  이런 성능은 항공우주산업에서 지속적으로 매우 어려운 수준으로 요구되는 연료효율 증가와 유해배출가스 저감 조건에 따라가기 위해 꼭 필요하다”고 설명했다. “어쨌든 CFRP는 가공비용이 많이 들고 가공이 어려운, 문제가 많은 대표적인 소재중 하나다. 이런 이유로 CFRP의 대체 소재로 알루미늄합금이 최근 다시 스포트라이트를 받고 있으며, 현재 예상치로만 볼 때 2020년까지는 가공할 볼륨이 지속적으로 증가할 것으로 보인다.”

알루미늄합금은 지난 수세기 동안 항공기 제조에 있어 결정적인 역할을 해왔다. 새로운 요구 사항들과 경량화 추세들로 인해, 알루미늄 가공에 있어 알루미늄합금 종류별로 혁신적인 가공방식들이 개발되면서 이런 추세를 선도해 나가고 있다. 해당분야의 주요 도전사항은 알루미늄합금 소재가 더욱 경량화되고, 더욱 높은 강성을 갖는 알루미늄 리튬 소재로 난삭재화가 진행되고 있고, 또한 원소재의 90% 이상을 가공해내야 한다는 것이다. 가공소재의 원소재 비용 역시 고려돼야 한다. 알루미늄합금이 CFRP보다 더욱 효과적이긴 하지만, 부품당 비용을 계산할 때는 이런 비용요소가 더욱 도드라지게 된다.

고속 가공을 위한 디자인 

대부분의 알루미늄합금 소재의 구조물 부품은 고속 가공을 사용해 복잡한 형상을 가공하게 된다. 전형적으로 다양한 사이즈의 포켓과 깊이가 원소재 상태에서 밀링 가공된다. 이런 작업을 경제적으로 하기 위해서는 절삭속도 3,300m/min의 고속 가공(HSC)이 필수적이다. 이보다 낮은 가공조건에서는 절삭날에 구성인선이 형성되어 밀링공구의 마모가 더욱 빨라지고, 이로 인해 장비가 자주 서게 되며 전체적인 부품비용이 증가한다. 고속 가공에서는 가공장비와 공구가 반드시 항공부품에 요구되는 가공속도에 맞춰 설계돼야 하며, 이는 일반적인 가공값보다 월등히 높다. 발터의 가공 전문가들은 이런 요구조건을 만족시키는 설계가 반영된 스페셜 램핑 밀링 커터를 소개했다. M2131와 M2331가 바로 그 주인공이다. 이중 M2331 커터는 마키노의 가공장비에서 30,000rpm의 주축 스피드로 가공하기 위해 특수 개발됐다.

절삭깊이에 따라 15mm나 20mm의 2가지 인서트 크기가 적용되며, 램핑 밀링과 포켓 밀링에 적합하다. 이 밀링 커터는 약간의 조정으로 거의 단차가 보이지 않는 가공을 실현하며, 높은 정밀도를 보증하므로 예비 정삭작업에도 적용이 가능하다. 부드럽고 고밀도의 PVD 코팅층을 통해 날끝에 발생하는 구성인선을 효과적으로 억제하며, 이로 인해 절삭날이 매우 강한 특성을 갖는다. 또한 독창적인 인서트 시트 설계를 통해 인서트가 고속 회전시 발생하는 높은 원심력을 버틸 수 있도록 보호된다. 맞춤 설계한 내부 쿨런트 홀을 통해 쿨런트나 윤활유가 절삭작용이 발생하는 꼭 필요한 방향으로 갈 수 있도록 되어 있으며, 에멀션이나 미스트 윤활방식(MQL)도 가능하다. 

 

티타늄 가공시 공정 안정성 최적화

알루미늄합금은 항공기의 Fuelage와 윙 부품에 주로 사용된다. TiAl6V4나 Ti5553과 같은 티타늄합금은 높은 강성이 요구되는 곳에 적용되며, 이런 높은 요구사항이 필요한 부품으로는 스트럿과 같은 새시 부품, 도어 플레임, 랜딩 플랩 가이드 등이 있다. 이들 부품도 많은 가공량을 요구한다. 티타늄 소재가 갖는 높은 경도와 낮은 열전도성 등의 특징으로 인해 이를 가공하기 위한 공구에는 공정 안전성을 위한 굉장히 극한의 조건이 요구된다. 절삭날의 마모가 매우 빠르게 진행되고 가공조건 또한 매우 낮은 값에서 작업해야 하기 때문에 티타늄 소재 구조물 부품의 황삭가공은 그야말로 시간을 소비하는 작업이다. 이와 함께 요구되는 수량은 아주 다이나믹하게 높아지고 있다. 이런 이유로 부품당 가공시간을 줄이는데 성공한 회사들은  경쟁사보다 더 많은 강점을 가질 수 있게 된다. 

가공시간 20% 단축 실현

개조된 M3255 포큐파인 커터는 사용자로 하여금 티타늄 부품 가공시 확연히 더 빠른 생산성과 완벽한 공정 안정성을 제공해준다. 기본적인 공구의 콘셉트는 이미 검증된 Blaxx 포큐파인 커터의 기본 디자인을 기초로 했으며 특별한 요구사항이 반영됐다. Premium AEROTEC의  적층가공과 가공부서를 이끌고 있는 Matthias Lange씨는 자신의 팀이 티타늄 구조물 부품을 더욱 효율적으로 가공할 수 있도록 공정을 구조화할 것을 요구했다. Premium AEROTEC는 복합구조물 부품 생산 분야의 세계적인 리딩기업이다. 그들은 티타늄 구조물 부품을 가공할 때 전체 공정시간의 반 이상을 황삭작업에 소비하고 있었다. 다시 말해 황삭 가공공정의 밀링 공구와 장비 전략을 최적화하는 것이 전체 가공시간을 단축하는데 중요한 요소가 된다.

거의 20달의 작업기간 동안 발터의 전문가는 Premium AEROTEC의 사업담당팀과 함부르크 기술대학과 팀을 이뤄 Wolfgang Hintze 교수와 Carsten Moller씨의 지휘 아래 솔루션 개발 작업을 진행했다. 작업 조정과 설계 개선을 통해 BLAXX 포큐파인 커터는 고객의 가공시간을 초기 시작했을 때 대비 22%가량 줄여줬다. 이번 협업은 냉각, 칩 배출, 가공된 소재 분석, 인서트의 마크로 및 마이크로 형상 최적화, 인서트 시트와 가공 조건조정 등 분야를 아울러 진행됐다. 혁신적인 새로운 밀링 바디와 인서트의 형상 개발을 통해 최대한 많은 절삭날이  소재에 접촉, 작업되도록 했다. 그 결과 밀링 코너 부위, 곡면 또는 포켓 가공, 풀 슬롯 1/2×D까지 확연히 높은 절삭 효율성과 공정 안정성을 확보했다. 부드럽게 절삭작용을 하는 인서트 형상을 통해 매우 포지티브한 가공작용을 실현했으며, 이를 통해 금속 제거율을 극대화하고 가공시간을 단축했다.

티타늄합금 가공시 가장 어려운 부분은 소재가 갖는 낮은 열전도율로 인해 열을 관리하는 것이다. 쿨런트를 최적화해 모든 날 끝에 공급해야만 이런 문제를 제어할 수 있다. 칩에 대한 충분한 공간을 확보해야만 높은 가공속도에서도 칩을 안정적으로 제거할 수 있다. 밀링 바디에 탄젠 방향으로 인서트를 체결하고 축방향으로 지지되도록 설계해 안정적으로 클램핑 되도록 했다.  이런 설계를 통해 작은 커터 직경에서도 완벽한 안정성을 보증할 수 있었다. 각 인서트는 2개나 4개의 절삭코너를 가지며 이를 통해 각 인서트가 절삭효율을 극대화하도록 한다. 인서트의 탄젠셜 배치로 인해 M3255 커터 시스템은 단조부품 가공에 최적이며, 단조 표피의 끝단 부분의 매우 도전적인 가공영역에서도 뛰어난 성능을 발휘한다.