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그 기업엔 무언가 특별한 것이 있다.

고경도 소재, 하드 터닝으로 생산성을 높이다

최근 자동차산업에서는 경량화 소재 적용이 늘고 있으나 트랜스미션, 베어링, 일반 샤프트 등의 부품에서는 여전히 고경도 소재가 주로 사용되고 있다. 고경도 소재는 고전적인 가공공정만으로는 가공이 어렵기 때문에 최근에는 ‘하드 터닝’이라고 하는 정삭공정의 활용이 점차 확대되는 추세다. 최근 발터는 이런 추세에 맞춰 기존 자사 인서트 보다 2배 이상 성능 개선을 이룬  CBN 인서트인 ‘WBH10C’를 새롭게 개발, 출시했다. WBH10C는 TiAlSiN 코팅과 절삭날 형상의 조합으로 날당 공구 수명을 2배 이상 증대시키고 정삭작업시 뛰어난 표면조도를 달성해 현재 시장에 출시된 하드 터닝 절삭소재중 기술적으로 가장 진보한 소재로 평가받고 있다. 

 

이산화탄소 배출량 절감을 위한 자동차산업의 경량화 추세로 인해 알루미늄이나 특수합금 등과 같은 소재의 활용도와 중요도가 증가하고 있지만, 트랜스미션, 베어링, 일반 샤프트, 드라이브 휠 등의 주요 부품에는 여전히 고경도 소재(ISO H-그룹)가 중요소재로 사용된다. 이런 소재들은 어쨌든 고전적인 가공공정에서는 가공이 매우 어려워 가공 난제의 한 원인이 된다.

불과 몇 년 전만 하더라도 고객들은 연마공정 전 과정의 공차만 요구했으나, 근래에는 그 이상을 원한다. 이런 가공요구에 맞춰 최근 ‘하드 터닝’이라고 불리는 정삭공정의 활용이 점차 늘어나는 추세다. 하드 터닝을 적용하면 셋업시간이 단축되고 세팅횟수도 줄어들며 실제 가공시간 단축과 함께, 기존 연마공정과 비교해 환경오염과 유독성에 영향을 미치는 연마 잔유물이 남지 않는다. 하드 터닝이 최근 고경도 소재를 효율적이고 경제적으로 가공할 수 있는 공정으로 각광받고 있는 이유다. 그 외에도 또다른 효율성 향상이 가능하다.

최근 발터는 하드 터닝에 매우 유용한, 기존 자사 인서트 대비 2배 이상 성능이 개선된 CBN 인서트를 시장에 새롭게 발표했다.

 

극한의 절삭조건에서의 가공성

하드 터닝중 가공소재는 극한의 부하에 맞닥뜨리게 된다. 일반적으로 하드 터닝을 하는 소재의 경도는 HRc 55~65 사이의 소재다. 절삭공구의 소재는 극한으로 발생되는 열과 화학 반응성, 소성 변형 및 마멸에 저항하는 매우 안정적인 상태가 되어야 한다. 정입방 결정 질화붕소(Cubic-crystalline Boron Nitride)의 약자인 CBN은 이런 작업을 하기에 적합한 거의 유일한 소재다. 다결정 합성 다이아몬드(Poly Crystalline Diamond ; PCD)의 경우 700℃ 정도에서 경도를 잃어버리는데 반해, 고경도인 CBN은 1,000℃까지도 경도 특성을 유지한다. 또 폭넓은 범위에서 화학적으로 안정적이고 온도가 높은 상태에서도 고경도 가공소재의 합금 성분들과 반응을 하지 않는다는 특징이 있다.

금속 제거공정의 측면에서, 다시 말해 고경도 소재 가공시 절삭가공 부위의 최적의 가공온도 측면에서 가공조건은 가공속도와 공구형상은 고경도 가공소재의 외피를 용융시킬 수 있는 최적 조합을 필요로 하며, 이를 통해 요구되는 가공치수가 달성된다. 가공소재의 열 발생 정도는 아래와 같은 여러 가지 조합에 따라 결정된다.

-사용하는 CBN 인서트의 절삭날 마이크로 형상

-가공소재 경도

-이송(f)

-가공속도(vc)

-절입깊이(ap)

대량 생산에서 비용 효율 증대

고경도 가공시 효율성과 공정 안정성을 위한 한가지 중심요소는 사용되는 인서트다. 발터의 전문가들은 새로운 CBN 인서트를 개발하면서 혁신적인 TiAlSiN 코팅과 최적의 절삭날 형상을 적용함으로써 눈의 띄는 성능 향상을 이뤘다. 발터의 Advance 제품 매니저 Marco Axtmann은 다음과 같이 설명했다. “이번에 발표한 신개발 CBN 인서트는 발터 전문가들이 자체 코팅기술을 개발하면서 쌓은 노하우와 기술의 전문성이 투영된 제품이라 할 수 있다. 새로운 WBH10C는 현재 시장에 나와 있는 하드 터닝 절삭소재중 가장 기술적으로 진보한 소재라 할 수 있다. 물론 이번 개발은 그 자체로 끝이 아니다. 애플리케이션에 따라 TiAlSiN 코팅과 절삭날 형상의 조합은 날당 공구 수명을 2배 이상 증대시키고 정삭작업시 매우 뛰어난 표면조도 달성을 가능하게 할 것이다.”

실제 필드 테스트를 진행한 담당자는 이런 증언을 새로운 CBN 인서트 테스트 과정에서 직접 경험할 수 있었다. 새로운 WBH20 CBN 인서트는 선기어(Sun-gear)용 샤프트의 내경 선삭작업시(소재 17CrMoV5 경도 HRc 60), 기존에는 3개의 공작물을 가공하는 그쳤으나, 7개를 가공하며 기존 절삭재종 대비 2배 이상의 공구 수명을 달성했다. 가공조건은 기존의 이송(f), 가공속도(vc), 가공깊이(ap) 모두 동일하게 적용됐다.

 

가공속도 극대화를 위한 혁신적인 코팅

새로운 TiAlSiN 코팅의 특별한 특징은 현미경을 통해 확인해 볼 수 있다. 이 코팅은 매우 균일하고 표면입자가 고운 구조로 되어 있다. 또 부드러운 특징을 가지고 있고 매우 높은 코팅 접착률을 자랑한다. 하드 터닝에 적용시 이런 특징으로 인해 TiAlSiN 코팅된 WBH10C 인서트는 일반적인 CBN 공구의 내마모 성능을 가볍게 초월하는 성능을 보여준다. 경도가 HRc 65 가까이 되는 ISO H 소재를 정삭 가공할 경우 가공속도(vc) 300m/min까지 도달 가능하다. 그러므로 WBH10C는 특정 공차가 매우 엄격하게 유지돼야 하는, 비용 압박이 높은 대량 양산에 특히 적합하다.

 

공정 안정성이 극대화된 M 칩 브레이커

대부분 하드 터닝의 경우 칩 브레이커는 중요한 역할을 하지 못한다. 하지만 근래 많은 사용자들이 경도가 부분별로 다른 소재를 사용한 부품들을 마주하는 경우가 증가하고 있다. 이런 소재들은 칩 컨트롤이 중요한 이슈가 된다. 소프트한 소재가 사용된 부분에서는 롱 칩이 발생하며 코일 모양의 칩이 발생할 우려가 있다. 형성된 칩을 제대로 컨트롤하지 못하면, 부품에 손상을 입힐 위험성도 증가한다.

새로운 CBN 인서트는 M 칩 브레이커를 통해 최적의 칩 브레이킹을 보장하며, 대량 양산이 필요한 하드 터닝 작업에서 안전성과 이윤을 증가시킨다.

와이퍼 형상의 인서트

일반가공에서는 와이퍼 형상이 매우 친숙한 가공전략이다. 와이퍼 형상은 코너R 형상을 부드럽게 연장한 것으로 가공시 표면조도를 향상시킨다. 발터는 이런 원리를 하드 터닝에 적용했다. CBN 인서트를 사용한 와이퍼 연장 형상의 절삭날은 가공표면의 평균 조도값(Ra)을 이송량을 줄이지 않고도 달성 가능하게 한다. 이는 실제 애플리케이션에서 요구되는 표면조도(Ra값)을 일반적인 절삭날 형상 대비 2배의 이송속도에서 달성이 가능하다는 것을 의미한다. 동일한 이송에서 와이퍼 없는 인서트를 사용하는 것보다 더 좋은 표면조도를 달성할 수 있다. 실제 Ra 0.2~0.5µm를 실현한다. 생산공정은 부품의 요구사항에 따라 달라지며, 이런 디자인을 통해 효율성이 향상된다.

발터의 새로운 CBN 인서트는 3가지 재종으로 출시됐다. WBH10C는 TiAlSiN 코팅 적용으로 정삭시 생산성을 극대화하고, WBH10은 고속 가공시 비용 효율성을 향상시키며, WBH20은 평균적인 가공속도로 가공되는 짧은 단속 구간에 효율적인 재종이다.