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난삭재 가공을 위한 날 선 두 가지 솔루션 – 발터

① PVD 인서트 코팅이 주는 놀라운 이점

 

구성인선과의 싸움
인코넬이나 티타늄과 같이 경도가 높거나, 매우 질긴 가공 소재를 선삭하기 위해서는, ISO 인서트 역시 복잡한 요구 사항을 필요로하게 마련이다. 질긴 소재, 특히 니켈(Ni) 함유량이 많을 경우에는 소재의 점착성이 높아지기 때문이다. 그 결과 가공 칩 형성 시 절삭 날에 점착되어 구성인선을 쉽게 형성한다. 이는 치수 안정성과 표면 품질의 저하를 가져온다. 높은 인장강도를 가지는 소재를 가공할 때 절삭날의 마모가 쉽게 온다는 것은 현장에서 널리 인지하고 있는 사실이다.

CVD 코팅 vs PVD 코팅
반면, 선삭에서 정밀 정삭 공정은 요구되는 표면 품질을 일관되게 달성해야 하는 작업이다. 요구되는 표면 조도의 범위는 대략 Ra 1.6µm에서 Ra 6.3µm 까지로 보고, 이 구간을 만족하면서 가공되는 동안까지 만으로 사용할 수 있는 인서트의 수명이 결정된다고 볼 수 있다. 이를 만족하기 위한 방안으로 중간 영역 정도 절삭 깊이의 ISO 선삭 작업의 경우 시장에서 지배적으로 사용했던 CVD 코팅 인서트도 뛰어난 성능을 보여준 제품이라 할 수 있다. 그러나, CVD 코팅은 정삭과 미세 정삭 가공 영역에서, 특히 정밀도와 공구 수명의 측면에서 한계에 도달하는 경우가 발행한다.

코팅 기술 중의 하나인 HIPIMS 공법은 고출력 임펄스 자력 스퍼터링(High Power Impulse Magnetron Sputtering)을 말한다. 분자 단위로 코팅될 입자를 뿌려주는 DC 스퍼터링 공정과 대조적으로, HIPIMS 프로세스는 코팅 시 부가 전력 중 수 킬로와트의 짧은 펄스만 코팅 대상체에 사용되도록 하는 기술이다. 다시 말해 단위 센티미터 당 1013의 플라스마 조밀도를 생성하여 대상 금속 이온의 함량을 높이도록 한다. 그렇기 때문에 모재와 층간 결합력이 우수하다. HIPIMS PVD 공정을 사용하여 생성된 표면은 매우 부드럽다는 것을 알 수 있다. (사진) 이러한 표면은 마찰을 감소시켜 절삭 날에 구성인선과 마찰열 발생을 감소시킨다.

1. 표준 PVD 공정 : 드로플(점 형상)이 형성 2. HIPIMS PVD 공정 (WNN10) : 매우 매끄러운 표면 3. 머리카락과 HIPIMS 코팅 표면을 직접 비교
1. 표준 PVD 공정 : 드로플(점 형상)이 형성 2. HIPIMS PVD 공정 (WNN10) : 매우 매끄러운 표면 3. 머리카락과 HIPIMS 코팅 표면을 직접 비교

발터의 PVD 코팅 재종
발터의 FN2 또는 MN2 등과 같은 “알루미늄용 칩브레이커”는 매우 날카로운 절삭날 형상의 인서트로서 여기에 HIPIMS 코팅을 적용하게 되면 안정적인 절삭날 형상을 생산할 수 있는 장점이 있다. 높은 부하에서도 코팅 층이 칩핑으로 탈락되지 않으며 절삭 날이 손상 되지 않는다. 이에 더해, 절삭날 끝의 안정성이 높아 절삭 날이 마모되는 것을 지연 시켜주며, 이 마모 또한 고르게 발생하게 한다. 이 균일한 마모 진행은 가공 치수 안정성과 규정 조도 품질을 공구 수명이 거의 끝날 때까지 유지한다. 또 다른 HIPIMS 공법의 장점은 코팅 층이 매우 부드러운 것이다. 이러한 특성으로 인해 끈적이는 성질의 알루미늄 합금 가공을 위해 이상적이다. 소재가 절삭날에 점착되지 않고 미끄러지는 현상으로, 이는 화학적인 또는 물리적인 반응성으로 인해 발생되었던 구성인선이나 측면 마모 등의 발생을 억제한다. 발터의 HIPIMS PVD 코팅 재종은 WNN10, WSM01이 있다.

발터의 HIPIMS PVD 재종 MS3 WNN10 (위) 및 MN2 WSM01(아래)
발터의 HIPIMS PVD 재종 MS3 WNN10 (위) 및 MN2 WSM01(아래)

가공 사례
54 HRC의 경도를 갖는 공구강 X40CRMoV5(Din 1.2344)의 최종 정삭 작업에서 공구 수명을 275%로 증가시켰고 Ra 0.8 µm의 표면 조도를 전체 공구 수명이 끝날 때까지 계속 유지하였다. 다른 사례로는 WSM01으로 인코넬 718da를 80m/min의 가공 속도로 가공하여 공구 수명을 18분까지 달성할 수 있었다.

 

② 내열합금을 알루미늄과 같은 이송률로 – 세라믹 엔드밀

 

부품당 가공 시간을 줄이는 것은 지상 과제다. 특히 내열합금을 가공해야 한다면 문제가 복잡해진다. 내열합금의 경우 보통 초경 엔드밀로 가공 시 절삭 속도가 대략 50m/min에 머무르게 된다. 만약 가공 속도를 1,000m/min까지 올릴 수 있다면…. 세라믹 공구를 사용하게 되면 현실이 된다.

그림 1) MC075 커터의 마모 패턴 (vc = 600 m/min, ap = 0.4 mm, fz = 0.15 mm, Inconel 718) 과도한 구성인성과 치핑에서 불구하고, 세라믹 엔드밀은 5개 블레이드 가공 후에도 여전히 사용 가능하다. 색상이 변화된 부분은 칩이 엔드밀에 점착된 것으로 매우 높은 온도로 가공이 이루어짐을 짐작게 한다.
그림 1) MC075 커터의 마모 패턴 (vc = 600 m/min, ap = 0.4 mm, fz = 0.15 mm, Inconel 718) 과도한 구성인성과 치핑에서 불구하고, 세라믹 엔드밀은 5개 블레이드 가공 후에도 여전히 사용 가능하다. 색상이 변화된 부분은 칩이 엔드밀에 점착된 것으로 매우 높은 온도로 가공이 이루어짐을 짐작게 한다.

초경 VS 세라믹
초경 소재의 밀링 커터와 세라믹 밀링 커터의 가공 결과를 가공 조건으로도 비교해보면 세라믹 밀링 커터가 우수함을 분명히 알 수 있다. 직경 10mm의 엔드밀 커터로 Inconel 718 소재에 대한 풀 슬롯 가공하면서 비교해 보았더니, 세라믹 커터의 이송률이 확연히 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 초경 엔드밀로 아무리 더 깊은 절입 깊이를 가공할 수 있다 하더라도 극복할 수 없는 장점이다. 금속 제거율로 비교해 보면 세라믹은 56% 더 높았고, 총 금속 가공율 면에서도 세라믹 공구가 초경 엔드밀보다 180% 높은 것을 알 수 있었다.

고온 가공의 양면
니켈 베이스 합금을 세라믹 공구로 밀링 작업 시 마모가 발생하는 주요 요인은 높은 온도와 구성인선으로 이들은 대표적인 화학적인 마모 현상이다. 이 화학적 마모와 확산 마모가 절삭 소재를 지속적으로 약하게 만드는 동안 구성인선으로 발생하는 점착 마모가 날 끝에 더해지면 더욱 마모 한계 예측이 어렵게 되며 갑작스럽게 마모가 악화된다. 고속 가공으로 인한 온도 그리고 고온에서도 인성을 유지하는 슈퍼알로이들의 특성으로 인해, 절삭 날에 구성인선이 매우 크게 생성될 수 있다. 이러한 현상으로 절삭 날 표면에 가공 소재가 점착되었다가 구성인선이 탈락되면 세라믹 소재의 치핑을 유발한다. 이러한 구성인선은 (그림 1)에서 분명하게 확인 가능하며 세라믹 밀링 컷터가 왜 황삭에서만 사용해야 하는지 알 수 있다. 비록 내열합금 소재 가공 시 높은 온도가 발생하는 것이 공구 수명에 안좋은 영향을 준다고 하더라도 이는 불가피하다. 이렇게 해야만 이들 소재의 경도를 낮출 수 있고 가공의 효율을 높일 수 있기 때문이다.

그림 2) 일체형 세라믹 엔드밀과 ConeFit 인터페이스 세라믹 엔드밀. MC275 세라믹 커터는 범용 형상이며 MC075 세라믹 커터는 고이송 타입으로 일체형 엔드밀 타입과 조립형 ConeFit 솔루션이 표준으로 제공된다.
그림 2) 일체형 세라믹 엔드밀과 ConeFit 인터페이스 세라믹 엔드밀. MC275 세라믹 커터는 범용 형상이며 MC075 세라믹 커터는 고이송 타입으로 일체형 엔드밀 타입과 조립형 ConeFit 솔루션이 표준으로 제공된다.

발터의 세라믹 엔드밀 MC275, MC075
엔드밀의 헤드 부위만 세라믹으로 되어 있다(그림 2). 이 세라믹 헤드는 초경 생크나 초경 ConeFit 바디에 브레이징으로 용접된다. 이론적으로는 전체를 세라믹으로 만들 수 있지만, 초경 생크를 결합함으로 공구의 강성이나 충격에 따른 댐핑 효과등의 이점이 있다. 이를 통해 날장의 길이 또한 길게 가져갈 수 있다. 이 세라믹 엔드밀은 밀링 어플리케이션에 적합하도록 맞춤 제작되었다. SiAlON 세라믹은 휘스커 강화 세라믹 소재들보다 열적인 변화에 더 뛰어난 저항성을 갖는다. 기본적인 단속 가공은 절삭 날의 온도 변화가 큰 데다가 절삭유가 가해지면 온도 변화가 더 커져서 열적 충격 효과를 유발한다. 세라믹 엔드밀로 슈퍼알로이를 높은 온도로 가공할 때 건식 가공을 추천하는 이유가 그것이다.

절삭 데이터는 절삭 날 소재와 가공될 소재에 의해 결정된다. 깨지기 쉽긴 하지만 내열 성능이 높은 공구 소재만이 높은 온도에서 작업이 가능하다. 이 때문에 가공 충격량을 줄이기 위해 일반적으로 낮은 날당 이송, 낮은 공구 접촉률로 가공해야만 한다. 이러한 제한 사항을 극복하기 위해 가공 분력을 축 방향으로 대부분 보낼 수 있도록 진입 각도를 눕혀서 설계한 엔드밀이 MC075이다. 진입 각도를 15도 이하로 해야 효과를 볼 수 있는데, 진입 각도가 낮으면 날당 이송량을 극대화할 수 있으며 fz값을 기존보다 5~6배 크게 가공할 수 있기 때문이다. 진입 각도가 낮아질수록 실제 가공되는 칩 두께가 작아지는 원리 때문이다. 이 공구는 최대 가공 절입 ap ≤ apf 에서 fz = 0.15mm로 적용 가능하며 이때 절삭 속도는 400~1,000m/min까지 달성 가능하다.

항공 부품 가공 사례
전통적으로 니켈 베이스 합금으로 만드는 항공기 엔진 부품은 브리스크이다. 이 회전복합 부품은 디스크에 많은 수의 블레이드가 결합된 형태를 가진다. 이 블레이드 사이 공간은 황삭 가공 시 초경 커터를 사용하여 밀링으로 가공한다. 이 부분의 가공 시간은 대략 30분이 소요된다. MC075 세라믹 밀링 커터는 고이송을 위한 특수 형상으로 설계되어 같은 공간을 10분만에 가공해 낸다. 이 어플리케이션에서, 내열 합금 소재인 경도 44 HRC 인장강도 1,400 N/mm² 의 니켈 베이스 합금 가공에서 달성된 이송률은 9,500mm/min이다. 이러한 높은 이송률은 보통 알루미늄에서나 실현 가능한 수치이다.

그림 3) MC275 세라믹 커터로 항공기용 브리스크를 가공하는 모습. (동영상 캡쳐)
그림 3) MC275 세라믹 커터로 항공기용 브리스크를 가공하는 모습. (동영상 캡쳐)

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.