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[소재별 절삭 가공 팁①] 내열합금과 티타늄 가공이 어려운 이유는?

지난달 기본적인 가공 이론을 살펴본 기사에 이어, 이달에는 독자들이 실제 고민하고 있는 문제를 바탕으로 본격적인 가공 팁 전달에 나선다. 어려운 경기에 사업을 유지하려 이곳 저곳 수주를 받다보니 주로 다루던 소재 외에 낯선 소재를 가공해야 하는 일도 생기고, 제품 고성능화와 경량화로 난삭재 가공 요구도 늘어나고. 이에 따라 소재별 가공 노하우를 요구하는 독자들이 많았다. 질문을 4가지로 나뉘어 여러분들의 고민 해결에 실마리라도 제공해보고자 했다.

“티타늄, 내열합금 등 난삭재에 대한 가공 팁을 찾기 어렵습니다. 난삭재별 공구 선정 방법과 노하우 등 정보 공유가 필요합니다.” 

 

자동차, 항공 등 다양한 산업군에서 제품의 고기능화, 경량화가 요구되면서 난삭성 소재의 사용이 급격히 증가하고 있다. 이에 따라 새로운 소재에 대한 가공 노하우를 요구하는 독자들이 많았다. 그 중에서도 유독 많이 언급되었 소재는 내열합금(Superalloy)과 티타늄 (Titanium)으로, 최근 항공 산업을 본격 공략하며 다양한 난삭재 솔루션을 제공하고 있는 케나메탈과 함께 해당 소재의 가공 팁을 정리해보았다.

가공성 떨어지는 내열합금

내열합금의 가공성은 일반 소재 가공과 비교해 현저히 떨어진다. 특유의 내열성이 가공을 어렵게 만드는 주요인이다. 열 전도율이 낮기 때문에 가공 중 발생한 열이 칩이나 피삭재에 전달되지 않고 공구 절삭 인선 부위에만 집중된다. 이 때 발생하는 열은 1,000 ~ 1,300°C까지 올라가는데, 이것이 절삭 인선에 크레이터 마모나 소성변형을 일으키게 된다.

크레이터 마모는 절삭 인선을 약하게 만들어 치명적인 공구 파손으로 이어진다. 때문에 크레이터 마모 저항은 내열합금 가공 시 공구에 요구되는 중요한 특성이기도 하다. 소성변형은 날을 무디게 만들어 절삭 부하를 가중시킨다. 이에 대해서는 온도가 급격히 올라가는 구간에서도 인성 강도를 유지할 수 있는 공구 선택으로 대응해야 한다. 또 극심한 조건에서도 화학적 반응도가 낮고, 질기고 긴 칩을 잘 컨트롤할 수 있는 칩 브레이커 형상을 가지고 있는 공구로 가공하는 것이 좋다.

내열합금의 낮은 열 전도율은 가공 부위에 높은 열을 집중시켜 과도한 공구 변형과 이른 파손을 초래한다.
내열합금의 낮은 열 전도율은 가공 부위에 높은 열을 집중시켜 과도한 공구 변형과 이른 파손을 초래한다.

공구별 가공 가이드라인

케나메탈은 내열합금 가공에 초경, 세라믹, PcBN 재종의 공구 활용을 권장하는데, 공구별로 적합한 가공 가이드라인 역시 함께 제시하고 있다. 우선 초경 공구의 경우에는 정삭 및 중삭 시 포지티브 경사각을 가진 PVD 코팅 공구를 사용하는 것이 좋다. 이를 통해 절삭 부하 및 온도 감소, 부분 변형 최소화 효과를 얻을 수 있다. 또 경화 최소화를 위해 높은 이송과 상대적으로 깊은 절삭 깊이를 항상 유지하는 것이 좋다. 쿨런트를 충분히 사용하는 것 역시 중요한데, 쿨런트가 열의 축적을 감소시켜 급속한 툴 노화를 막아준다. 가능하다면 항상 고압 쿨런트 를 활용하는 것이 좋다. 공구를 절대 드웰(dwell) 상태로 두지 않는 것도 팁이다. 드웰이란 CNC에서 정지 시간을 정해두고 해당 명령이 나오면 미리 정해 놓은 시간만큼 이송 등을 정지하는 것을 말한다. 이를 통해 가공 경화나 그로 인해 후속 공정에서 일어날 수 있는 부차적 문제의 발생 가능성을 최소화할 수 있다.

세라믹 공구로 가공할 때는 쿨런트 없이 600 ~ 4,000SFM의 가공 속도로 가공이 가능하다. 노치 마모가 초경 공구에 비해 확연히 드러나는데, 노치 마모가 심각한 경우에는 더 높은 리드각을 사용하여 공구 압력 및 가공 경화 감소와 표면 조도 향상 효과를 볼 수 있다. PcBN 공구의 경우, 낮은 절삭 깊이에서 정삭 및 준정삭 가공을 할 때 낮은 함량의 PcBN을 활용하되 각 개별 부품 가공별로 가공 조건을 최적화하고 표면조도에 각별한 주의를 기울여야 한다. 표면조도를 향상시키고 공차를 줄이기 위해선 샤프한 인선을 가진 비코팅 재종을 사용하는 것이 좋으며, 공구 수명을 늘리고 생산성을 향상시키려면 코팅 재종을 사용하는 것이 좋다.

문제별 상황 정리법

내열합금은 크게 세 가지로 분류된다. 니켈계 내열합금, 코발트계 내열합금, 철계 내열합금이 그것이다. 그 중에서도 가장 널리 활용되고 있는 것은 니켈계 내열합금으로, 흔히 잘 알고 있는 인코넬이나 하스텔로이 등도 여기에 속한다. 니켈계 내열합금을 가공할 때는 공구 절삭 인선에 높은 부하가 발생되며 열 역시 집중된다. 높은 절삭 속도로 가공할 경우 공구 소성변형으로 인한 인서트 파손을 일으킬 수 있으며, 실제로 가공 시 공구 수명도 짧은 편이다. 절입 깊이를 작게 두기 어렵고, 연마성이 강한 것 역시 니켈계 내열합금 가공의 특성이다. 노치마모, 구성인선, 칩핑 등의 공구 마모와 피삭재 표면의 찢김 현상이나 글레이징 등은 니켈계 내열합금 가공 시 주로 발생하는 문제들이다. 각 문제별로 케나메탈이 제시하는 가공 팁과 솔루션은 무엇인지 아래에 표로 정리했다.

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내열합금 가공을 위한 케나메탈의 솔루션

케나메탈은 내열합금 가공을 위한 다양한 솔루션을 제공하고 있다. 니켈계 내열합금 황삭 가공 시 생산성 및 공구 수명 향상을 도와주는 솔리드 세라믹 엔드밀 EADE는 슬로팅을 위한 4 플루트넥 디자인과 페이스 및 사이드 밀링을 위한 6플루트 버전으로 제공된다. KCRA는 내열합금 가공의 생산성 극대화를 위해 특수 제작된 최신 인덱서블 밀링 세라믹 라운드 플랫폼이다. 니켈은 물론 코발트계 합금 가공에서도 생산성 개선 효과를 볼 수 있다. 이 외에도 고이송 커터인 Stellram 7792VX, 양방향 선삭 시스템 Beyond Evolution, 부등분할 플루트가 적용된 Y-tech 드릴 등 소재 및 공정에 따라 최적의 공구를 지원한다.

솔리드 세라믹 엔드밀 EADE
솔리드 세라믹 엔드밀 EADE
내열합금 가공의 생산성 극대화를 위해 특수 제작된 KCRA
내열합금 가공의 생산성 극대화를 위해 특수 제작된 KCRA

 

화학적 반응도 높은 티타늄

티타늄 합금의 가공은 내열합금 소재 가공만큼 어렵다. 소재 중량의 최대 90%까지 절삭량이 요구되는 경우가 빈번하지만 낮은 절삭 속도에서도 공구 수명이 빨리 다할 만큼 가공성이 떨어져 생산성이나 가공 비용 측면에서 문제가 많은 것이 사실이다.

티타늄 합금의 높은 화학적 반응도는 가공성을 떨어뜨리는 주요인이 다. 화학 반응때문에 칩이 툴에 용접되면서 크레이터 마모와 조기 공구 파손을 야기한다. 소재의 낮은 열전도율은 가공 중 발생한 열을 공구 인선에 잔류시켜 팁 부분에 높은 열을 생성하고 과도한 공구 변형과 마모를 일으키는 원인이 된다. 가공경화성이 높아 열은 물론 높은 가공 부하까지 발생하여 노치 마모를 일으키기도 한다. 또, 티타늄 가공 시 칩과 공구가 접촉되는 면적이 상대적으로 작기 때문에 높은 절삭 부하와 고온으로 큰 응력 집중이 발생할 수 있는데, 이 역시도 공구 조기 파손의 원인이 된다. 낮은 탄성계수는 더 큰 스프링백(탄성회복)과 얇은 벽 구조의 편향을 일으켜 공구의 진동, 채터링으로 인한 표면 품질 저하를 초래한다.

일반적으로 알파(α) 티타늄 합금(Ti5Al2.5Sn, Ti8Al1Mo1V 등)은 알파-베타(α-β) 합금(Ti6Al4V)과 비교해 인장 강도와 절삭 부하가 낮고, 베타(β)합금(Ti10V2Fe3Al)과 비교해서도 절삭 부하가 적게 걸린다. 티타늄 합금 가공 시에는 쿨런트 사용이 매우 중요한데, 적절한 농도를 지닌 쿨런트를 충분한 양으로 적용하는 것은 공구 팁 부분의 열 축적과 빠른 마모를 최소화하는 데 도움이 된다. 포지티브 여유각이 샤프한 공구는 절삭 부하와 열 발생을 줄여 부품 변형을 방지한다. 아래 표는 티타늄 합금 가공 시 발생할 수 있는 다양한 문제들과 문제 해결법이다.

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티타늄 가공을 위한 최적의 솔루션

앞서도 말했듯이 티타늄 합금 가공에서 절삭유 공급은 매우 중요한 문제다. 냉각제로서의 역할도 필수적이지만, 티타늄의 까다로운 칩 컨트롤 문제 역시 해결해 줄 수 있는 열쇠이기 때문이다. 그런 면에서 내부 쿨런트 채널을 적용한 케나메탈의 Beyond Blast는 최적의 솔루션이 될 수 있다. 내부 공급 방식을 이용해 절삭 지점에 직접 고압 쿨런트를 분사하여 칩 컨트롤 문제를 개선하고 열 발생 문제도 개선시킨다.

솔리드 엔드밀 HARVI III 역시 대표적인 티타늄 가공 솔루션이다. 미국의 한 메이저 항공기 제조 업체를 위한 2년간의 개발 협업으로 탄생한 공구로, 단조 Ti6Al4V 티타늄 밀링에 서 최고의 생산성을 입증한 솔루션이다.

내부 쿨런트 채널을 적용한 Beyond Blast
내부 쿨런트 채널을 적용한 Beyond Blast
단조 Ti6Al4V 티타늄 밀링에서 최고의 생산성을 입증한 HARVI III
단조 Ti6Al4V 티타늄 밀링에서 최고의 생산성을 입증한 HARVI III

 

About 김솔 기자

다양한 취재 경험을 살려 여러분께 읽고 싶은 기사, 재미있는 기사 보여 드리겠습니다:)