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서클 세그먼트 공구로 여는 5축 가공의 신세계 – 에무게프랑켄의 서클 세그먼트 공구

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자유 곡면 가공의 어려움
5축 가공을 이용해 자유 곡면을 가진 가공물을 가공하는 일반적인 정삭 공정은, 보통 다양한 소재에 적용 가능한 표준형의 형상 엔드밀인 볼 노즈 타입 또는 공구 끝단에 R 형태를 가지는 엔드밀을 통칭하는 토러스 엔드밀을 사용한다. 이 공구를 사용해 다중 경로를 한 라인씩 순차적으로 밀링하는 방법이 기본적이라고 할 수 있다. 전통적인 볼 노즈 엔드밀의 장점은 공구와 가공물 간의 맞물림 각도에 대해 독립적이라는 것이다. 공구가 사용되는 모든 각도에서 공구의 팁은 항상 원형 프로파일을 나타낸다는 의미로 캠 프로그램을 짤 경우 수월하다는 장점이 될 수 있다. 

반면, 볼 노즈 타입 엔드밀의 단점은 사이클 타임이 너무 길다는 것이다. 매끄러운 표면을 가공하려면 툴 패스 상의 스텝 오버 증가가 미세해야 하므로 가공해야 할 표면이 넓을 경우 가공 시간이 길어질 수밖에 없다. 볼 노즈 타입 엔드밀은 정확하게 공구 반경 만큼만의 R만을 제공할 수밖에 없기 때문이다.

서클 세그먼트 공구의 등장
업계에서는 ‘배럴 공구’라고 불리기도 하는 ‘서클 세그먼트(Circle Segment, KSF) 공구’는 공작물 표면을 효과적으로 밀링 가공 할 수 있도록 원형의 일부를 절삭날의 형상으로 가지고 있는 엔드밀을 뜻한다. 공구가 회전하였을 때 생성되는 가장 외측의 윤곽을 의미하는 것이 프로파일인데, 서클 세그먼트 공구의 프로파일은 기성 공구 반경보다 훨씬 더 큰 절삭날 반경(R)을 제공하는 것을 목적으로 설계된 것이다.

아래 그림에서 좌측은 종전의 볼 노즈타입 엔드밀로 r=5mm인데 반해, 우측은 r=75mm에 달하는 서클 세그먼트 타입의 공구로 훨씬 넓은 ap 값을 가지고 가공을 하는 것을 알 수 있다. 이 때문에 서클 세그먼트 공구는 5축 가공에서 스텝 오버 거리를 큰 폭으로 증가시켜 가공하므로 적은 툴패스를 사용해 사이클 타임을 단축하고 더 매끄럽게 더 많은 재료를 제거할 수 있다. 일반적으로 사용되는 볼 노즈 타입 엔드밀은  Ø20mm를 한계로 보고 있는 반면, 서클 세그먼트 공구는 이를 초월한 공구 반경을 제공하는 것이다.

좌측이 종전의 볼 노즈 엔드밀을 이용한 경우, 우측이 서클 세그먼트 오벌 타입 커터를 사용한 경우. 훨씬 큰 스텝 오버로 가공할 수 있다.
좌측이 종전의 볼 노즈 엔드밀을 이용한 경우, 우측이 서클 세그먼트 오벌 타입 커터를 사용한 경우. 훨씬 큰 스텝 오버로 가공할 수 있다.
그림과 같은 부품을 서클 세그먼트 공구로 가공할 경우 큰 스텝 오버 값으로 가공이 가능하다. 만약 동일한 스텝 오버 값으로 가공하기 위해서는 150mm의 반경을 가진 볼노즈 엔드밀이 필요한데, 이는 현실적으로 불가능하다.
그림과 같은 부품을 서클 세그먼트 공구로 가공할 경우 큰 스텝 오버 값으로 가공이 가능하다. 만약 동일한 스텝 오버 값으로 가공하기 위해서는 150mm의 반경을 가진 볼노즈 엔드밀이 필요한데, 이는 현실적으로 불가능하다.

서클 세그먼트 공구의 종류
에무게프랑켄의 서클 세그먼트 솔리드 초경 엔드밀은 배럴 모양, 타원형 모양, 테이퍼 모양 및 렌즈 모양의 네 가지 형상으로 제공된다. 

[1] 배럴 형(Barrel form) 엔드밀은 좁은 공간에서 나선형 그루브 측면 및 유사한 용도에 매우 효과적인 플랭크 밀링을 제공한다. 주로 측면 가공에 적합하기 때문에 5축 가공에서는 다른 형태의 서클 세그먼트 공구 대비 사용성이 한정적인  편이다. 

[2] 오벌 형(Oval form) 엔드밀은 외부 윤곽, 내부 윤곽 또는 포켓 내부 정삭 공정에 사용된다. 오벌 형 엔드밀의 최대 반경은 90mm에 불과하지만, 공구에 각이 져 있지 않은 형상을 가지고 있고 공구 날의 사용 범위가 넓기 때문에 공구를 기울여 가면서 윤곽 가공이 가능하도록 높은 접근성을 가지고 있다. 

[3] 테이퍼 형(Taper form) 엔드밀은 서클 세그먼트 공구 중 가장 큰 효율을 낼 수 있는 타입이다. 에무게에서 제공하는 테이퍼 타입의 최대 반경이 1,500mm에 달할 정도다. 절삭 면을 기울여 가공하기에는 오벌 형 대비 사용에 한계를 가지고 있으나, 다양한 각도를 가진 공구가 제공되기 때문에  주어진 특정한 각도에서는 가장 높은 효율을 낼 수 있는 디자인이다. 이 타입은 주로 평면 또는 반경 1,500mm를 넘는 완만한 곡면을 가공하기에 적합하다. 

[4] 렌즈 형(Lens form) 엔드밀은 측면에는 Rib이 있고 바닥 면은 곡률을 가진 타이어 금형과 같은 경우나 좁은 채널을 가공하는 경우에 탁월하다.

 에무게프랑켄의 서클 세그먼트 솔리드 초경 엔드밀은 배럴 모양, 타원형 모양, 테이퍼 모양 및 렌즈 모양의 네 가지 형상으로 제공된다. 그림에서 빨간색 원은 최대 Ø3,000mm 원형을 의미하며, 파란색 영역이 서클 세그먼트 공구가 제공하는 r=1,500mm에 해당하는 프로파일을 나타낸다.
에무게프랑켄의 서클 세그먼트 솔리드 초경 엔드밀은 배럴 모양, 타원형 모양, 테이퍼 모양 및 렌즈 모양의 네 가지 형상으로 제공된다. 그림에서 빨간색 원은 최대 Ø3,000mm 원형을 의미하며, 파란색 영역이 서클 세그먼트 공구가 제공하는 r=1,500mm에 해당하는 프로파일을 나타낸다.
서클 세그먼트에 해당하는 네 가지 타입의 공구가 각기 사용되기 적절한 가공 형태가 있어 최대의 효율을 낼 수 있는 공구 선택이 필요하다.
서클 세그먼트에 해당하는 네 가지 타입의 공구가 각기 사용되기 적절한 가공 형태가 있어 최대의 효율을 낼 수 있는 공구 선택이 필요하다.

CAM 소프트웨어와의 콜라보가 핵심
서클 세그먼트 공구를 효과적으로 사용하려면 공구의 절삭 프로파일이 해당 공구 설계에 적합한 정확한 각도로 부품 표면과 접할 수 있도록 툴패스(Tool path)틑 작성해야 한다. 따라서, 이러한 요구를 충족시키는 CAM 소프트웨어가 필수적이다. 현재 에무게프랑켄의 서클 세그먼트 형상 공구를 모두 지원하는 CAM 소프트웨어는 Open Mind의 HyperMill이다. 이 외에도 델캠의 PowerMill을 비롯해 ESPRIT, NX, TEBIS, Mastercam 등  많은 CAM 회사에서 서클 세그먼트를 지원하고 있거나 준비 중이다. 

서클 세그먼트의 주요 사용 분야
서클 세그먼트 공구는 다양한 부품과 산업군에서 적용이 가능한데, 주요 응용 분야는 자유 곡면의 중삭 및 정삭, 특히 비교적 크고 개방된 부분을 커버하는 윤곽이 있는 표면을 밀링하는 경우에는 최대 효과를 발휘할 수 있다. 예를 들어 렌즈 타입의 서클 세그먼트 공구로 금형 캐비티의 바닥을 가공하거나 테이퍼 또는 타원형 공구를 사용하여 금형 코어의 측면을 가공하는 경우를 들 수 있다. 두 경우 모두 볼 노즈 엔드밀로는 몇 시간이 걸릴 수 있는 마무리 작업인데, 서클 세그먼트 엔드밀을 적용할 경우 사이클타임을 최대 90%까지 단축할 수 있다. 또한, 동시 5축 가공으로 생산되고 있는 항공 우주 부품, 의료용 임플란트도 해당이 된다.

항공에 최적화된 서클 세그먼트
에무게프랑켄은 임펠러 및 터빈 블레이드 가공에 최적화된 서클 세그먼트 엔드밀도 보유하고 있다. 새로운 버전의 서클 세그먼트 엔드밀인 ‘ER’ 타입은 코너 반경 타입의 오벌 형 엔드밀로서 내부 절삭유 공급이 가능하며 황삭 및 정삭에 모두 적용할 수 있다. 

복잡한 형상의 가공물이라 할지라도 황삭 지오메트리(칩브레이커)를 통해 서클 세그먼트 엔드밀을 사용하는 후속 정삭 작업을 위한 균일한 가공 여유를 남길 수 있으며, 또한 중삭 공정 시간도 줄일 수 있다. 이러한 황삭 공구를 통한 중삭 공정 및 서클 세그먼트 엔드밀을 통한 정삭 공정이라는 새로운 조합은 밀링 공정 시간을 최대 50%까지 단축시킬 수 있다. 

동시에 가공 경계면에서의 복잡한 재가공을 피하고 치수 및 윤곽 정확도를 대폭 개선하는 등, 표면 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 모든 엔드밀의 원자재, 형상, 그리고 코팅 등의 모든 세부적인 것들이 티타늄 합금이나 인코넬과 같은 난삭재 가공에 적합하도록 최적화되어 있기 때문이다.

Bild1 Image1 FRANKEN 3552LZ

에무게프랑켄의 새로운 ER 타입의 오벌폼 서클 세그먼트 공구. 항공 부품 가공에 최적화되어 있다. 황삭용 3552LZ (위), 정삭용 3554LZ (아래)
에무게프랑켄의 새로운 ER 타입의 오벌폼 서클 세그먼트 공구. 항공 부품 가공에 최적화되어 있다. 황삭용 3552LZ (위), 정삭용 3554LZ (아래)

60 HRC 고경도 소재의 가공도 가능해
새로운 초경 모재와 최대 6날의 더 많은 절삭날을 갖춘 에무게프랑켄의 서클 세그먼트 공구는 60 HRC의 고경도 소재의 가공에 적합하도록 개발 되었다. 뿐만 아니라 연질 소재(HSC 밀링)의 정삭 가공에 사용 시에도 이송 속도를 크게 높일 수 있다. ± 0.01mm의 매우 정밀한 형상 공차는 정밀성과 표면 품질 측면에서 탁월한 성능을 보여준다. 6날의 플루트가 있는 테이퍼 형상의 폼 A 타입은 틸트 각 45° 이내를 요구하는 가파른 영역을 밀링하도록 설계되었고, 틸트 각 45° 이상을 요구하는 평평한 영역에서는 4날의 플루트가 있는 테이퍼 형상 폼 B 타입 엔드밀이 사용된다.

 6날의 플루트가 있는 폼 A 타입은 틸트 각 45° 이내를 요구하는 가파른 영역을 밀링하도록 설계되었다.
6날의 플루트가 있는 폼 A 타입은 틸트 각 45° 이내를 요구하는 가파른 영역을 밀링하도록 설계되었다.

틸트 각 45° 이상을 요구하는 평평한 영역에서는 4날의 플루트가 있는 폼 B타입 엔드밀이 사용된다.

틸트 각 45° 이상을 요구하는 평평한 영역에서는 4날의 플루트가 있는 폼 B타입 엔드밀이 사용된다.

 날수를 6날로 증가시키고 고경도 소재 가공에 적합하도록 설계한 오벌타입 공구 3539L.

날수를 6날로 증가시키고 고경도 소재 가공에 적합하도록 설계한 오벌타입 공구 3539L.

 

About 이상준 기자

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