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공구로 본 고속 절삭의 실제와 장래 동향
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.09.01 | 2002년 9월호
 
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금형 가공을 중심으로 고능률, 고정밀도 가공을 실현하는 유효한 방법으로서 고속 절삭 가공이 널리 도입되기에 이르렀다<그림 1>. 고속가공을 실현하려면 공작기계나 CA M의 대응은 물론 가공물을 유지 보전하는 방법이나 절삭유제 등다기에 걸치는 기술과 환경 정비가 중요하다. 공구로 서는 공구 자체의 형상, 재질, 표면 처리가 그 성능을 결정하는 중요한 요소이다.
  여기서는 엔드밀 가공에 대한 고속 절삭 가공의 실제와 장래 동향에 대해 소개한다.
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1. 고속 절삭용 공구 소재와 코팅
각 공구 재질의 특성 개념을 <그림 2>에 나타낸다. 일반적으로 경도가 높을수록 절삭 속도는 올라가고 인성이 높을수록 절삭날당 이송 량이 올라가게 된다.
  <표 1>에서는 대표적인 코팅 피막의 특성을 나타내 는데 모두 고경도이고 산화 개시 온도가 높음을 알 수있다. 고속 절삭에 대응하려면 내열성이 뛰어난 이러한 경질 피막을 모재와 잘 조합하여 마음대로 사용하는 것이 중요한 포인트이다.
  최근에는 TiAlN계 코팅을 실시한 초경 공구가 강(鋼)을 고속 절삭하는 데 널리 사용되기에 이르렀다.
  그리고 주철이나 탄소강 등의 다듬질 가공에서는 CBN 엔드밀도 사용되기에 이르렀다.
  알루미늄 합금의 고속 절삭 가공에서는 다이아몬드 공구가 사용되고 있는데 다이아몬드 코팅을 실시한 초경 공구도 많이 사용되고 있다. <그림 3>에서는 당사가 실용화하고 있는 초미세 결정 구조의 다이아몬드 코팅을 나타낸다.
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2. 엔드밀에 의한 고속 절삭 사례
가. 코팅 초경 엔드밀에 의한 고속 절삭
 
  <그림 4>는 당사가 실용화하고 있는 피막 TiAlN계 복합 다층 코팅을 실시한 초경 솔리드 엔드밀 4매 절삭날에 의한 절삭 속도와 절삭 내구(耐久) 길이와의 관계를 조사한 시험 결과이다. 이것은 절입량 및 절삭 날당 이송량을 일정하게 하고 각 절삭 속도에 대한 절삭 내구 길이(VB 마모 0.1mm에서 판단)를 비교한 것인데 고속 절삭 영역에 절삭 내구 길이가 신장하는 영역이 있음을 알 수있다. 이같이 탄소강이나 담금질강의 절삭에 있어서는 고속 절삭 영역에 공구 마모 진행이 완만해지는 영역이 있고 이러한 영역에서 절삭 가공을 안정적으로 할 수있다면 가공 능률과 공구 수명 모두 향상 된다.
  있다면 가공 능률과 공구 수명 모두 향상 된다.
  <그림 5>는 마찬가지로 TiAlN계 복합 다층 코팅을 실시한 초경 솔리드 볼 엔드밀로 SKD61 경도 50HRC를 절삭하였을 때의 시험 결과이다. 이것은 각절삭 속도로 100m를 절삭한 후 엔드밀 릴리프면의 마모량을 비교한 것이다. 또한 여기서의 절삭 속도는 엔드밀로 실제 절삭하는 최대 지름부에 대한 최대 절삭 속도이다. 그리고 시험은 단순 직선 절삭으로 하였다.
 그 결과 절삭 속도 300m/min의 고속 영역이 절삭 속도 50m/min의 저속 영역에 비해 릴리프면 마모량이 적음을 알 수있다.
 볼 엔드밀에서는 회전 속도를 올림으로써 볼 중심부(절삭 속도 0인 부분) 부근의 절삭성이 개선되기 때문에 고속 절삭성이 현저히 우위에 있음을 알 수있다.
 
 나. CBN 엔드밀에 의한 고속 절삭
 
  <그림 6>에서는 CBN 소결체 팁을 초경 보디 (body)에 납땜한 1매 절삭날의 엔드밀로 실시한 기초 실험 결과를 나타낸다. CBN 엔드밀에서는 앞에서 말한 각절삭 속도에서 절삭 내구 길이(VB 마모 0.1mm에서 판단)가 초경 엔드밀 이상으로 고속 영역에서 우위성이 있음을 확실히 알 수있다. 본 실험의 조건 범위 내에서는 절삭 속도를 올리면 올릴수록 공구 수명이 연장된다.
 
 다. 다이아몬드 코팅 엔드밀에 의한 고속 절삭
 
  알루미늄 합금은 강에 비해 고속 절삭하기가 쉽지는 않으나 절삭날에 융착이 생기기 쉽고 실리콘 함유량이 많아지면 공구 마모가 진행되는 속도도 빨라진다.
  <그림 7>에서는 알루미늄 합금의 고속 절삭 사례를 나타낸다. 이것은 앞에서 말한 미립 결정 다이아몬드 코팅을 실시한 초경 솔리드 볼 엔드밀로 ADC12를 절삭하였을 때 릴리프면이 마모되어 가는 추이를 나타낸 것이다. 비교로 무처리품에 대해 실시한 결과도 나타 낸다. 경도 높은 다이아몬드 코팅막에 의해 내마모성이 탁월해짐을 알 수있다.
  그리고 알루미늄과의 친화성이 낮은 다이아몬드 코팅을 실시함으로써 융착을 방지할 수 있고 에어 블로에 의한 고속 건식(dry) 가공도 실현할 수 있다.
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3. 고속 절삭을 효과적으로 하기 위한 대응
가. L/D가 클 경우의 고속 절삭 대응 예
 
  엔드밀에 의한 절삭 가공에서 L (공구 돌출 길이)/D(공구 지름)는 매우 성가신 문제라고 할 수 있다. 공구 강성은 돌출 길이의 3승에 반비례하고 공구 단면적의 2승에 비례한다. 그러므로 L/D가 커지면 절삭 적응 영역도 좁아지고 가공 정밀도, 공구 수명도 저하되어 버린다.
  여기서는 L/D가 클 경우의 고속 가공 대응 예에 대해 소개한다.
  <그림 8>에서는 TiAlN계 복합 다층 코팅을 실시한 초경 솔리드 볼 엔드밀로 홀더 선단면에서부터 공구 돌출 길이(L/D)를 바꾸어 고속 절삭의 가능성을 조사한 시험 결과를 나타낸다. L/D=4일 경우에는 고속 절삭 영역에서 공구 수명이 현저히 연장되는 것으로 보이나 L/D=8이 되면 가공 능률은 향상되지만 공구 수명 연장은 그다지 기대할 수 없다.
  개선책으로는 <그림 9>에 나타내는 공구 형상을 도입하여 공구 강성을 높이면 된다. 이러한 대응책은 이미 금형의 형상 가공에서 널리 실시되고 있다. 엔드밀 목부의 구배는 금형의 빼기구배 이하로 설정하면 간섭의 문제도 없다.
  이에 대해 수직 벽이 긴 가공에서는 이같은 형상의 대응을 당연히 할 수없다. ф50 이상인 대경(大徑) 공구로 대응할 수 있다면 스로어웨이 공구에 의한 플랜지 가공에서도 그 효과를 기대할 수 있다.
  그러나 그렇지 않은 경우에는 절삭날이 긴엔드밀로 다듬질 절삭을 하는 것이 일반적인 대응인데 가공 능률은 매우 낮다.
  이러한 수직벽에 대해 고능률 가공, 고정 밀도 가공을 추구하기 위해 <그림 10>에 나타내는 초경 솔리드 엔드밀을 사용하였다.
 이 엔드밀은 몸집이 가는 형상의 초경 솔리드 타입으로 절삭날 길이는 짧고 그 양선단에 둥근 절삭날이 부착되어 있으며 표면에는 TiAlN계 복합 다층 코팅이 실시되어 있다.
  절삭날 길이를 짧게 함으로써 절삭 저항을 줄이고 돌출량(L/D)이 큰 수직벽의 다듬질 가공을 고속 절삭과 스텝 절입으로써 실현하고자 하는 것이다.
  물론 절삭 저항을 경감시키는 것은 가공면의 기복이나 경사를 개선하는 것으로도 이어진다. 또한 절삭하는 중에 피절삭면과 접촉하는 절삭날 수가 변동되지 않도록 비틀림각을 연구하였고 가공면에 기복이 발생 하는 것을 방지하였다.
  <그림 11>에서는 이 엔드밀로 수직벽을 가공한 결과를 소개한다. 비교로서 종전에 사용하던 가공법인 초경 솔리드 롱 절삭날 엔드밀로 가공한 결과도 아울러 나타낸다.
 롱 절삭날 엔드밀에서는 절삭 속도 20m/min, 이송 속도 127m/min으로 절삭 속도나 이송 속도나 향상되지 않았고 가공면의 경사량도 0.049mm로 크고 제로 컷을 3회 반복한 후에야 겨우 경사량이 0.017mm 정도로 되었다.
  이에 대해 여기서 사용한 그림 10의 엔드밀은 절삭 속도 150m/min, 이송 속도 1,061m/min으로 고속 절삭이 가능하고 절입을 5회로 나눈 스텝 이송에서도 가공 능률을 대폭 향상시킬 수 있었다.
  또한 이 고능률화와 더불어 경사량도 0.018mm가 되어 1회의 제로 컷에서 0.010mm로 고정밀하게 가공할 수 있었다.
 
 나. 수축 끼워맞춤식 홀더의 활용
 
  가공시의 L/D를 가능한한 크지 않게 하기 위한 대응으로는 수축 끼워맞춤식 홀더를 사용하는 방법도 있다.
  <그림 12>와 같이 수축 끼워맞춤식 홀더는 공구를 고정하기 위한 너트부가 없고 슬림(slim)한 형상이기 때문에 가공물에 대한 접근성이 크게 개선된다. 그리고 유지 보전 토크, 유지 보전 정밀도도 탁월하기 때문에 고속 절삭에는 효과적인 툴링 시스템이라고 할수 있다.
  <그림 13>에서는 TiAlN계 복합 다층 코팅 엔드밀로 고속 중(重)절삭한 사례를 나타내는데 홀더는 수축 끼워맞춤식을 사용하였다. 이 가공에서는 수축 끼워맞춤식 홀더를 사용함으로써 채터 진동도 없고 중절삭을 계속해도 공구가 느슨해지는 현상도 발생하지 않았다.
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4. 향후 고속 절삭 가공의 어프로치
고속 절삭 가공은 고능률 가공을 실현하는 데 매우 유효한 방법이라고 말할 수 있다. 이와 관련하여 당사 에서는 소경 공구에서 주축 회전을 정지시켜 고이송을 생각한 셰이퍼에 의한 가공 테스트도 실시한 적이 있는데 가공 형상이나 피절삭 재질이 한정되어 역시 고속 회전, 고이송에 의한 가공 방법에는 이르지 못하 였다.
  향후 고속 다듬질 가공을 위한 공구 대응으로는 CBN, PCD 등과 같이 소재에 의한 대응이나 내열성이 뛰어난 코팅 피막 개발에 기대가 모아진다.
  그리고 이러한 경(輕)절입 고이송에 의한 다듬질 가공을 중심으로 한 고속 가공에 더하여 거친 가공, 중간 거친 가공으로 더 한층의 고효율화를 도모하기 위해 절입량과 이송량 모두를 증가시킬 수 있는 공구 및가공 방법의 실용화가 요망된다.
  당사에서는 60HRC의 담금질강을 R5의 볼 엔드밀로 절입량 1mm, 픽 피드(pick feed) 2mm의 조건으로 이송 속도 4,000m/min의 고능률 거친 가공을 실현하여 조만간에 상품화해서 발매할 예정이다.
  고속 가공 특히 강에 대한 고속 가공의 역사는 아직도 짧아 향후 전개에 대한 큰 기대와 더불어 공구로서 해결해야 할 과제도 많다.
  예를들면 내열(耐熱) 합금 등에 대한 고속 절삭은 공구 수명의 저하가 현저하여 어려운 실정이다. 이런 경우에는 차라리 회전수보다는 절삭날당 이송량을 높게 설정함으로써 공구 수명의 연장과 가공 능률의 개선을 도모하고 있다.
  또는 앞에서 말한 L/D도 7 이상이 되면 고속 회전에서 가공하기가 어려워진다.
  고속 가공이 만능의 가공 방법은 아니나 이러한 과제를 해결함으로써 보다 용도가 넓은 효과적인 가공 방법으로 될 수있을 것이다.

 
TAG :  공구  엔드밀  절삭공구  코팅
 
 
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