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그 기업엔 무언가 특별한 것이 있다.

정밀·미세 절삭기술 세미나 개최

공작기계, 절삭공구, 공구홀더, CAD/CAM 업체가 한 곳에 모여 정밀·미세 절삭기술 세미나를 열었다. 주최 업체는 마키노, NS TOOL, MTS, C&G 시스템 등 모두 일본 기업들로 한국에 공급사를 두고 있다. 광학기기나 의료기기, 반도체 산업뿐 아니라 자동차산업에서도 램프금형 가공과 같은 미세가공·초정밀가공 영역에서 요구되는 절삭기술 세미나는 지난달 4일 한국금형공업협동조합에서 열렸다.

글/신동완 기자

 

경면가공용 기계, 솔루션은 따로 있다

자동차의 헤드라이트용 렌즈금형이나 반사경 금형 등에는 거울 같은 면조도가 요구된다. 이같은 경면가공을 위한 기계, 공구들은 이 분야에 특화한 제품들이 있다. 현재 경면의 면조도라면 소숫점 이하의 미크론 단위에서 수십 나노미터에 이르는 나노급 표면품질을 말하는데, 최근에 자동차 램프 렌즈 금형의 표면조도는 20~30nm 수준인 것으로 알려진다.

이같은 면조도를 실현하는 기계와 공구는 특별하다. 일단 기계는 열변위나 진동이 최대로 억제돼야 하고 주축도 떨림이 없어야 고품위 가공면을 얻을 수 있다. 특히 경면 수준의 표면품질을 내면서 폴리싱 공정을 생략할 수 있는 가공조건이라면 기계는 고정도를 유지하며 장시간 가공할 수 있어야 한다. 고품위 표면가공은 극소경의 공구로 절입량을 낮춰 장시간 가공해야 하기 때문이다.

축 이송 역시 매끄러워 진직도나 위치결정 정도가 높아야 한다. 그럼에도 경면가공에는 별도의 가공 프로그램을 쓰기도 한다. 초정밀가공기계를 생산하는 업체마다 다르지만, 경면가공 프로그램은 고정도 공작물 자동측정 장치나 다이아몬드 휠 등을 옵션으로 동반하여 가공에 활용하도록 하고 있다.   

마키노의 경면가공용 장비 iQ500(iQ300)를 소개하기 위해 나온 마키노코리아 이주성 과장은 금속가공에서 미래의 키워드로 ‘고품질, 소형화, 장시간’을 꼽았다. 이미 의료산업, 모바일 기기 등에서 보이는 것처럼 제품·부품의 소형화와 고품질은 뗄 수 없는 것이 됐으며, 생산성과 수익성을 위한 장시간 무인가공과 같은 키워드는 먼 미래의 말이 아닌 것이 됐다.

마키노의 미세정밀 가공기 iQ500은 자동차 광학부품 금형 등의 미세정밀가공에 대응하는 장비로, 테이블의 작업면의 크기가 800×500mm여서 비교적 대형 부품을 위한 금형가공용이다. 스핀들 스피드는 최고 45000min-1로 최고 회전속도로 장시간 운전해도 늘어나거나 떨림, 진동이 없는 주축이다. 이 주축은 또 날 끝의 위치가 안정되어 고품위 가공면을 얻을 수 있다.

iQ500는 기계 본체가 고정도 가공에 알맞게 정밀 롤러가이드와 리니어모터를 최적의 밸런스로 조정하는 등 NC 지령에 대해 서브미크론 단위로 제어한다. 위치결정 정도는 ±1.0㎛를, 반복 위치결정 정도는 ±0.5㎛를, 진원도는 3.0㎛를 보증한다.

 

경면가공을 위한 솔루션 옵션들

이 과장은 이날 세미나에서 마키노의 경면가공 시스템(Mirror Surface Finish Solution ; MSFS)을 소개했다. 옵션으로 제공하는 이 시스템은 가공정도와 표면조도를 대폭으로 개선할 수 있다. 래핑공정을 삭감하고, 공구를 재연마하는 것으로 생산비용도 절감할 수 있다. 특히 이 시스템에 포함된 공구 재연마 시스템은 공구선단 형상을 기계 상에서 고정도로 성형해 표면의 정도를 가공 끝까지 유지하도록 하는 기술이다. 공구선단 형상을 재연마하면 공구 끝의 떨림을 개선할 수 있는데, 이로써 표면품질은 향상된다.

한편 경면가공 시스템은 방전가공에 의한 열변위층을 제거하고 공구의 표면조도도 개선한다. 이 과장은 “가공물 광택 유무를 결정짓는 요소는 1날 당 절삭면의 조도로, 이는 공구날의 조도가 좋아야 한다는 것을 의미한다”고 했다. 따라서 기계상의 공구성형은 공구 표면조도가 가공면의 광택 유무를 결정한다는 데에 근거한 기술 채택이다.

마키노의 경면가공 시스템은 가공기 iQ500에서 PCD 볼엔드밀로 플라이 아이 렌즈 금형의 표면조도(Rz) 17.47nm를 실현한 것으로 소개됐다. Ø16×30mm 크기의 STAVAX(52HRc) 소재다. 

 

품질 대비 비용 효과적인 CBN 공구 적용영역

NS TOOL은 자동차 헤드램프 금형을 가공하는 공정에서 황삭은 초경공구로, 중삭은 CBN 공구로, 피니싱은 PCD 공구를 적용해 면조도(Ra) 30nm를 실현한 사례 등을 발표했다. 공구재질과 코팅, 공구 사이즈 등이 절입량, 주축 회전수, 이송속도 조건과 조화를 이루는 최적가공 사례들이다.   

이번 세미나 주제가 ‘정밀·미세절삭기술’인 만큼 NS TOOL의 토모유키 시미츠 팀장은 ‘경면의 품질을 내야하는 정삭공정에는 CBN 공구와 PCD 공구가 적격’이라고 했다. 먼저 CBN 공구에 대해서는 절입량을 많이 내지 않는 초정밀·미세가공에서 CBN 공구를 정삭가공에 적용하면 초경코팅 엔드밀에 비해 면조도와 치수정도가 향상될 뿐 아니라 공구수명도 연장된다는 것이다. 공정이나 절삭조건에 따라, 또 공구의 수명과 비용, 가공시간도 공구선택에 고려해야할 대상이지만 고품질 표면을 요구하는 정밀가공의 정삭공정은 절입량이나 가공시간 등이 달라야하고 공구도 작은 사이즈의 CBN 공구가 고정도 품질을 낸다고 주장했다.

CBN 결정체는 알려진 대로 다이아몬드 다음으로 단단한 것이 특징이다. 다이아몬드 결정체가 8,000~10,000Hv의 경도를 갖고 코팅 초경합금이 2,000~3,600Hv의 경도인데 비해 CBN 소결체는 4,000Hv 전후의 경도를 갖는다. 내산화 온도는 1,300℃다.

토모유키 시미츠 팀장은 “절입량이 크고 공구도 커야하는 가공조건이 아니라면 초정밀 정삭가공에서는 절입량과 공구 사이즈도 작아야 표면 품질이 우수한데, 그 중에도 CBN 공구는 정삭가공공정에 뛰어난 장점을 발휘한 사례가 많아 소개한다”고 말했다. 정삭에도 코팅 초경엔드밀이 쓰이지 않은 것은 아니지만, 가공사례를 보면 공구수명은 CBN 공구가 3배~10배 높고 가공정도와 치수가 안정적인 것으로 나타났다. 문제는 가격이 초경 엔드밀에 비해 비싸다는 점이다.

먼저 CBN과 초경엔드밀의 공구수명의 비교 실험은 SKD11 재질의 포켓을 연속 가공한 사례였다. 포켓의 크기는 14×14mm, 사용공구는 R0.5 볼 엔드밀. 가공은 스핀들 회전수 30,000rpm에 포켓 개당 30분의 시간이 걸렸으며, 오일미스트 절삭유를 썼다. 이 조건에서 CBN 공구는 30개의 포켓을 가공할 때까지 표면조도(Rz) 0.9~1.0㎛가 안정적으로 나왔다. 반면 초경엔드밀은 처음 1.0㎛으로 시작한 표면조도가 10개째 가공에서 6.2㎛로 저하하는 마모를 나타내 수명을 다했다.

 

램프 금형의 경면가공용 공구의 선정과 가공조건

NS TOOL의 CBN 공구는 작은 직경의 정삭용 공구들이다. 절입량을 크게 하는 가공조건이라면 CBN 공구보다 공구 사이즈가 큰 초경공구가 적격일 수 있다. 토모유키 팀장은 “CBN 공구를 정삭공정에 적용하는 영역은 절입량이 작고, 공구 사이즈가 작은 영역이며, 이 반대의 조건이라면 CBN 공구가 부적합한 영역”이라고 강조했다.

이를 뒷받침하는 사례로 R1×5L 사이즈의 초경공구로 주축회전수 30,000rpm, 이송속도 3,000mm, 절입량 0.1×0.2mm의 조건으로 피삭재 60HRc를 가공했을 때, 가공시간 30분이 걸리지만 CBN 공구는 작은 직경의 사이즈인데다 절입량 조건이 커 치핑이 발생했다. 이 조건으로 공구사이즈 R0.3×1.5L인 작은 CBN 공구를 쓰려면 절삭조건을 바꿔야 한다. 이송속도는 1,200mm로 낮추고 절입량도 0.03×0.06mm로 작게 해야 한다. 당연히 가공시간도 많이 걸린다. 이처럼 CBN 공구는 초경공구와 동일한 절입량으로 가공 가능한 영역이 있는가 하면, 절입량이 많고, 때문에 공구 사이즈가 커야 하는 황삭가공 등에는 적합하지 않다.   

초정밀 가공과 관련해 자동차 램프 같은 경면가공은 공정마다 적용공구와 가공조건이 달라야 한다. 초경-CBN-PCD 공구가 황삭-중삭-정삭의 공정에 적용돼야 하고 스핀들 스피드, 이송속도, 절입량, 잔삭, 가공길이·가공시간이 달라져야 한다.

머시닝센터의 고속가공만으로 폴리싱 공정을 없앨 수 있는 경면가공 방법은 정삭에서 PCD 공구를 사용하는 것이다. PCD 공구라 해서 폴리싱 없이 경면을 얻을 수 있는 것은 아니며, 역시 황삭이나 중삭과정의 가공조건과는 많이 다른 조건을 설정해야 한다. 이송속도와 절입량, 공구 사이즈는 작아지고 가공시간을 길어진다. 

토모유키 팀장은 “가공현장에서 이 조건을 설정하고 실행하기는 쉽지 않아 NS TOOL이 PCD 트라이얼 키트를 내놨다”고 밝혔다.

PCD 트라이얼 키트는 황삭용 초경코팅 엔드밀 1개, 중삭용 CBN 엔드밀 1개, 정삭용 PCD 엔드밀 1개에 NC 프로그램과 가공용 소재가 들어있다. 경면가공용 공구와 공정에 따른 NC가공 프로그램, 육면체 램프가공용 소재까지가 세트로 구성됐다. 프로그램은 공정마다 선택해야 하는 공구와 공정마다 적용해야 할 기계 스핀들 스피드, 이송속도, 절입량 등의 가공 프로그램을 말하는데, 중정삭 공정의 프로그램은 실제 공구경을 반영한 데이터를 제공한다. 소재는 25×25×20mm 크기의 육면체 ELMAX 59HRc다.