[TECH&INSIDE] 고압 절삭유 직접 분사 시스템

[산업일보]
오늘날 절삭유 공급 툴링 시스템은 단순한 최신 금속 절삭 프로세스 그 이상의 기대를 받고 있다. 선택적으로든 의무적으로든 절삭유를 사용할 때는 시스템의 기능적 효율성이 가능한 높은 수준이어야 하며, 잠재적인 생산성을 현실화하기 위한 충분한 기회를 제시할 수 있어야 한다. 이와 마찬가지로 특히 선삭 작업 시에는 최신 절삭유 공급 툴링 시스템이 칩 제어 성능을 효과적으로 발휘하는 것 또한 매우 중요하다.

열을 제거하고 윤활 기능(마찰 감소)을 제공하는 장점으로 잘 알려진 절삭유는 가공영역에 흘려주는 방식으로 적용하는 것이 일반적이지만, 절삭유가 진정한 효과를 발휘하려면 절삭지점의 열을 빠르게 제거해야 한다. 필요한 곳에 절삭유를 정밀하게 공급하는 고압 절삭유 직접 분사 방식이 훨씬 더 효율적이다.



금속 절삭공정의 냉각 관련 문제

가공작업시 절삭유의 적용과 생산성 요구가 만나는 지점에서 몇 가지 어려운 문제점이 발생하며, 티타늄합금 Ti6Al-4V와 같은 우주항공 재질에서 그 문제점은 더욱 두드러진다. Ti6Al-4V 합금은 열전도율 및 탄성계수가 낮아 제트 엔진의 고강도 내열 경량 부품에 적합하다. 하지만 일반적으로 요구되는 절삭속도가 매우 낮고 칩 제어가 어려우며 절삭공구 수명이 짧기 때문에 비용이 많이 든다. 잘라지지 않은 긴 칩은 칩 걸림을 유발하고 결과적으로 공구 고장을 가져올 수 있으며, 최악의 경우 값비싼 부품을 손상시키까지 한다. 또한 표면조도에 스크래치를 내고 값비싼 부품을 폐기물로 만들 수도 있다.

금속 절삭작업 시 칩이 새집 모양으로 엉킬 경우 유인 생산환경에서 생산성이 심각하게 저하되고, 소등 환경에서 무인 생산으로 작업을 진행하는 것은 거의 불가능해진다. 이는 노즐이 절삭인선으로부터 떨어져 있는 기존 디자인의 툴 홀더나 툴 블록을 사용해 가공할 때 더욱 두드러진다.

고압 시스템은 그간 많은 부분이 개선됐지만 대부분의 제조업체는 여전히 절삭유를 절삭 공구에 다량으로 흘려주어 가공 부품에 발생하는 열을 줄이는 Flood 타입(범람식) 시스템에 의존하고 있다. 또한 절삭유 노즐이 보다 유연해 쉽게 움직이므로 절삭지점에 절삭유를 공급할 때 정확도가 떨어진다. 이러한 시스템은 충분한 압력에 대한 제어 성능도 부족한 편이다.

Flood 타입 절삭유는 절삭지점을 씻겨내는 방식이므로 스팀 수증기막이 형성되는 부분에 열이 축적될 수 있다. 수증기는 절삭지점을 단열시켜 열이 소멸되는 것을 막는다. 이같은 상황을 방지하기 위해 고압 냉각 시스템은 열을 빠르게 제거하고 충분한 압력으로 수증기막 형성을 방지한다.

제조업체는 고압 절삭유 공급 툴링 시스템 간에도 차이가 있음도 염두에 둬야 한다. 가장 일반적인 차이점은 절삭지점으로부터의 거리 또는 시스템의 절삭유 배출구로부터 피삭재/절삭공구 인터페이스까지의 거리에 있다. 일부 시스템의 경우 배출구까지의 거리가 충분히 가깝지 않아 절삭유가 최적의 지점에 정확하고 효율적으로 도달하지 못할 수도 있다. 절삭유 배출구가 절삭지점에서 멀리 떨어진 시스템은 높은 압력을 통해 늘어난 거리를 보완해야 한다.

시스템의 절삭유 배출구가 절삭지점에서 너무 먼 경우에는 추가 펌프가 필요할 수 있으며, 절삭지점과 배출구 간의 거리가 가까운 시스템과 비교해 같은 수준의 결과물을 얻는데 보다 많은 비용을 소모하게 된다. 세코툴스(Seco Tools)의 Jetstream Tooling® 시스템과 같이 절삭유가 홀더의 내부 채널을 따라 인듀서로 이동하는 경우 절삭유 배출구를 절삭지점과 매우 가까운 위치로 설정할 수 있다. 따라서 기계의 표준 절삭유 펌프가 생성하는 압력만으로도 충분히 좋은 결과를 얻을 수 있으므로 고압 펌프를 추가로 사용할 필요가 없다.

고압 절삭유 직접 분사의 장점

세코툴스와 같은 절삭유 공급 툴링 시스템 개발업체들은 기존 절삭유 공급 시스템의 단점을 극복하기 위해 절삭유 흐름을 절삭지점으로 유도해 압력과 정밀도를 향상시킴으로써 시스템 성능을 최적화하는 작업을 진행해왔다.

Seco Jetstream Tooling® 같은 시스템은 절삭유 출구 홀이 인서트 홀더 위의 회전형 상단 클램프(인듀서)에 전략적으로 위치하고 있다. 절삭유의 적절한 압력과 흐름, 소형 직경의 홀이 절삭유 줄기의 정확도와 속도를 높임으로써 절삭인선 바로 뒤쪽의 주요 열 발생 지점에 쉽게 도달해 윤활 효과를 제공한다.

세코툴스는 칩이 인선을 타고 올라갈 때 생성되는 쐐기 형상의 영역으로 절삭유 줄기가 분사되는 것이 가장 효율적이라는 것을 발견했다. 이는 이 시스템의 절삭유 배출구가 인서트의 절삭 경사면과 칩 사이에 위치하는 것이 칩이 들어 올려져 절단되는 데에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.

선삭, 홈 및 절단 가공용의 최신 Jetstream Tooling®은 경사면뿐 아니라 2차 열 발생 지점인 인서트 여유면으로 향하는 절삭유 배출구를 갖춘 홀더를 제공한다. 아래쪽의 절삭유 제트는 절삭인선 바로 아래에서 최적의 냉각 효과를 발휘하며 이 절삭유 제트는 인서트 여유면을 향하도록 유도돼 공구 수명을 10% 연장하고 표면조도를 개선시킨다.

절삭유 공급 툴링 시스템이 냉각 기능과 최적의 칩 제어 성능을 제공하면 제조업체의 작업 중단 시간이 줄어들고 소등 중 가공도 문제없이 진행할 수 있다. 이와 마찬가지로 개선된 칩 제어 성능 하나만으로 선삭 속도 및 이송의 증가, 절삭공구의 수명 연장, 부품의 표면조도 향상 효과를 볼 수 있다. 상황에 따라 선삭 속도와 이송은 2배 또는 3배까지 증가하고 공구 수명은 2배 정도 증가하는 것이 보통이다. 결국 더 많은 부품을 빠르게 가공할 수 있어 생산성과 수익성이 높아진다.

세코툴스 연구소에서는 속도 40m/min(130ft/min), 이송 0.25mm/rev(0.01ipr), 절삭깊이 2 mm(0.08 in)인 작업조건에서 티타늄 피삭재를 Flood 타입 절삭유로 테스트한 결과 사이클 타임이 5분으로 나타났다. 그리고 같은 작업에 고압 절삭유 공급 툴링 시스템을 적용한 결과 절삭속도를 80m/min(260ft/min)로 높일 수 있었으며 이로 인해 사이클 타임은 반으로 줄고 공구 수명은 100% 증가했다.

오늘날의 머신 툴의 절삭유 펌프는 일반적으로 20bar(290psi)에서 70bar(1,000psi)의 압력을 생성하므로 이는 Seco Jetstream Tooling®과 같은 고압 절삭유 공급 툴링 시스템에 충분한 수준이다. 일례로 세코툴스의 시스템은 동일한 시스템으로 생산성에 최소한의 영향만 주는 최저 5bar(70psi) 압력에서부터 70bar(1,000psi)에 이르는 고압과 350bar(5,000 psi)에 달하는 초고압 조건에서 작동할 수 있는 유연성을 갖추고 있다.

압력이 20bar(290psi)~40bar(580psi)인 경우 Seco Jetstream Tooling®을 사용하면 대부분의 적용 분야 및 다양한 피삭재 재질에서 상당한 생산성 향상 효과와 함께 칩 제어 성능이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 시스템 성능은 압력 및 유량(l/min)에 따라 더욱 증가되며 70bar(1,000psi) 정도면 잘 들러붙고 길이가 긴 칩이 발생하는 상용 자재 사용 시 형성되는 다루기 어려운 칩을 분쇄하는 데 충분하다.



적용 분야 및 산업

고압 절삭유의 효과가 가장 큰 분야는 선삭, 절단 및 홈 가공 작업이다. 이같은 작업은 절삭인선과 부품의 접촉시간이 짧게는 몇 초 또는 그 이상이며 ‘연속 절삭’으로 정의된다. 연속 절삭작업은 절삭지점에 높은 열을 발생시키므로 측면 마모 및 소성 변형의 가속화를 막기 위해 절삭변수를 조정해야 한다. 연속절삭으로 점착성 덕타일 재질을 가공할 경우 매우 길고 제어할 수 없는 칩이 발생하는 등 바람직하지 않은 상황이 발생할 수 있다.

고압 절삭유는 대부분의 산업에 이점을 제공하지만 전통적으로 여러 가지 신소재 가공으로 엄격한 칩 형성 관리가 요구되는 발전, 우주항공, 의료 산업분야가 이러한 트렌드에 가장 잘 부합해왔다.

예를 들어 우주항공 및 의료 분야에 자주 사용되는 티타늄은 열전도율이 매우 낮아 절삭지점이 고온 상태로 유지된다. 이러한 경우 용접, 박마, 스미어링 현상이 발생해 공구의 절삭 인선이 빨리 파괴될 수 있다. 더욱이 곤란한 점은 티타늄 가공 시 얇은 고속 칩이 생성돼 관리 가능한 길이로 절단하기가 힘들어진다는 것이다. 또한 이렇게 생성된 칩은 절삭 지점으로부터 절삭유를 뺏어가서 부품 표면에 열 손상을 일으킨다.

포지티브 경사각이 크고 인선이 날카로운 기존 공구는 티타늄 가공으로 인한 유해 효과를 최소화할 수 있지만, 칩을 제어하고 전체적인 가공작업을 최적화하려면 고압 절삭유 공급 툴링이 필요하다. 대학 실험 및 연구에 따르면 칩이 절삭인선 위를 통과할 때 열을 빠르게 감소시킬 경우 뜨거운 금속 조각을 매우 빠르게 담금질할 때와 같은 경화 효과가 나타나는 것으로 밝혀졌다. 티타늄 칩의 경도가 높아지는 것이다. 절삭유 흐름의 방향과 웻지의 영향, 칩에 대한 절삭유의 압력과 칩의 경도의 결합은 칩이 잘게, 관리하기 쉬운 조각으로 부서지도록 한다.

일반적으로 까다로운 유형의 피삭재 재질을 절삭할 때는 절삭유를 사용하는 것이 좋다. 고압 절삭유 공급 툴링 시스템을 통해 얻은 가공상의 최대 개선사항 중 일부는 니모닉 C263, 인코넬 718, 유디미트 720, 와스팔로이와 같은 티타늄 및 니켈계 합금과 코발트계 합금의 최신 신소재 분야와 관련돼 있음이 알려져 있다. 이러한 소재는 점착성과 연성이 매우 높기 때문에 고압 절삭유 공급 툴링 시스템을 통한 높은 수준의 칩 제어 성능이 요구된다.

하지만 고압 절삭유 공급 툴링 시스템을 사용할 때 신소재 합금에서만 개선 효과가 나타나는 것은 아니다. 자동차, 선박, 핵, 식․음료 산업에서도 기계 가공성이 낮은 편에 해당하는 연성의 긴 치핑 재질을 사용한다. 오스테나이트 및 듀플렉스 스테인리스강, 저탄소강, 알루미늄 합금 모두 금속 제거율과 절삭 데이터 개선, 칩 제어, 표면조도를 크게 개선할 뿐만 아니라 생산시간도 단축시킨다.

Seco Jetstream Tooling®은 칩 배출 문제를 해결하므로 작업자가 개입할 필요가 없으며 생산이 중단되지도 않는다. 또한 칩 제거시간을 작업시간의 일부로 계산하지 않아도 될 뿐 아니라 세코 절삭유 인듀서 중심축 시스템을 통해 기계 작업자가 새로운 절삭인선을 매우 빠르게 인덱싱할 수 있으면서도 절삭유를 원래 있던 위치, 즉 올바른 자리에 배치할 수 있다.

습식 또는 건식

선삭 작업 중 일부는 Flood 방식이나 고압 절삭유 방식의 절삭유 공급 없이 더욱 원활하게 진행할 수 있다. 예를 들어 단속 절삭조건이 적용되는 작업은 열 충격을 발생시키는 경우가 많고 절삭유가 이러한 열 충격의 부정적 효과를 추가로 확대할 수 있으므로 건조한 상태로 작업하는 것이 좋다. 이러한 경우 고압 절삭유 툴링 솔루션으로 절삭유 사용의 부정적 효과를 피할 수는 있을 것이다.

일반적으로 연속 절삭조건은 절삭유를 사용하는 것이 가장 적합하나 오픈형 구조의 선반 또는 특정한 강 타입과 같은 몇가지 환경적인 문제가 있는 경우에는 선삭 작업을 건식으로 진행하는 것이 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. 세코툴스의 Duratomic® CVD 코팅 인서트는 뛰어난 내열성으로 이러한 경우에 적합하다. 다만 홈 및 절단 가공과 같은 작업에는 칩이 쌓이게 되므로 건식으로 진행하기가 쉽지 않다. 이같은 작업은 절삭유, 구체적으로는 고압 절삭유 직접 분사를 통해 성능을 크게 개선할 수 있다.

정삭 작업 역시 절삭유를 사용해야 하며, 그렇지 않을 경우 부품 정확도와 표면조도 품질에 문제가 발생할 수 있다. 대부분의 업체는 가공작업 중 최대 80%까지 절삭유를 사용하지만, 일부업체는 환경적 문제 등으로 인해 모든 작업을 건식으로 진행한다. 이 때 머신 툴 내부의 열 발생에 대한 면밀한 감독과 조절 작업이 필요하며, 이를 지속적으로 확인해 크기 및 표면조도 측면에서 부품의 정확성을 유지해야 한다. 이는 의심의 여지가 없이 어려운 작업이며 툴링과 관련해 보다 심층적인 논의를 할 필요가 있지만 오늘날에는 이러한 작업의 수행이 완벽히 가능해졌다. 건식 가공을 절삭유 가공과 비교하면 생산성 및 공구 수명 단축 현상이 두드러진다.

이상적인 시스템

고압 절삭유 공급 툴링 시스템을 고려할 때 제조업체는 시스템의 성능 외에도 다용성 및 간편성, 기계에서 적용 가능한 절삭유 압력 수준을 모두 포함해 평가해야 한다. 시스템은 조립 방법 및 선삭 기계에 설치하는 방법이 간단해야 한다.

또한 이상적인 시스템은 선삭 또는 홈 가공 툴 홀더에서 내부 또는 외부 절삭유를 선택해 공급할 수 있다. 외부 공급의 경우 Seco 샹크 툴 홀더용과 같은 시스템은 홀더 옆면이나 아래쪽 부착된 호스를 사용한다. 이에 따라 제조업체는 다양한 호스 키트를 확보해 기계 터릿 또는 툴 블록 상의 거의 모든 위치에 절삭유 공급장치를 쉽게 연결할 수 있다. 시스템을 더 이상 작동하지 않을 때는 간단하게 호스를 제거해 기계의 본래 절삭유 공급 세팅 상태로 돌아갈 수 있다. 내부 공급의 경우 시스템 홀더 내부에 채널이 있으며 이는 Seco-Capto-스타일 홀더용의 테이퍼 인터페이스를 통해 절삭유를 공급하는 경우와 동일하다.

제조업체는 다양한 호스 키트를 확보해 기계 터릿 또는 툴 블록 상의 거의 모든 위치에 절삭유 서플라이를 쉽게 연결할 수 있다. 시스템을 더 이상 작동하지 않을 때는 간단하게 호스를 제거해 기계의 본래 절삭유 공급 세팅 상태로 돌아갈 수 있다.

결론

어떤 절삭유 시스템 타입을 선택하든, 효과적인 칩 제어와 공구 수명 최적화 및 생산 증대를 구현하는 핵심은 먼저 절삭유 줄기를 절삭지점과 최대한 가깝게 하고, 이를 절삭지점 내 올바른 위치로 유도하는 것이다. Jetstream Tooling® 툴 홀더는 이를 통한 부품당 비용 절감으로 제공되는 절약 효과에 비하면 기계 투자에 있어 매우 작은 부분에 불과하다. 가격이 약간 저렴한 저압 절삭유 시스템 및 툴링을 구매함으로써 절약되는 총 비용은 칩이 쌓이고 기계가 중지돼 발생되는 생산 손실과 공구의 수명 저하와 비교하면 그리 의미 있는 수준이 아니다.

글_ Tommy Pitkänen, Seco Tools 선삭 제품 관리자