케나메탈, 업계 최초 초합금 가공용 솔리드 세라믹 엔드밀 선보여

[산업일보]
케나메탈이 업계 최초로 니켈-기반 내열합금 소재의 터빈 블레이드 및 에너지, 항공우부 분야의 부품 가공에 탁월한 성능을 보이는 솔리드 세라믹 엔드밀을 개발해 화제다.

가공할 때 드는 가장 기본적인 추측은 고강도 소재 절삭 시 소재보다 더 높은 강도의 공구를 이용하는 것이다. 예를 들어 가스나 스팀 터빈에 사용되는 고유의 니켈-기반 합금은 세계에서 가장 강도가 강한 소재 중 하나로, 더 높은 온도에서 발전설비가 운전될 수 있도록 지속적으로 개발되고 있다. 이는 이러한 설비에서 필요로 하는 더욱 강력한 강도를 제공함은 물론 설비효율을 향상시키고 유해한 배출물질을 저감시키거나 제거한다. Inconel®, Waspaloy®, Rene® 등과 같은 초합금은 터빈 블레이드를 비롯해 고강도 및 탁월한 고온 크리프성, 위상 안정도, 내부식성, 내산화성을 요구하는 다른 부품에도 적용되고 있다.

하지만 이같은 소재 가공은 속도가 느리고 작업이 까다로우며 비용도 많이 든다. 보통 솔리드 초경공구로 가공을 할 때 한정된 공구 수명 내에서 65~200SFM(20~60m/min)의 속도로 가공한다.

케나메탈의 새로운 Beyond KYS40™-재종의 솔리드 세라믹 엔드밀은 고강도 니켈-기반 합금 가공에 있어 이같은 수치를 향상시켰다. 공구 수명은 솔리드 초경 공구와 비교해 2~3배 더 길어졌고 절삭속도는 황삭의 경우 최고 3,300SFM(1,000m/min)까지 향상됐다.

니켈-기반 내열합금 황삭 시 탁월한 성능 발휘

세라믹 절삭공구는 주로 20세기 초부터 존재해 왔던 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 만들어졌다. 세라믹 절삭공구에 대한 특허는 지난 1913년 독일에서 출원됐으며 1950년대에 미국에서 상용화됐다. 오늘날 세라믹 인덱서블 인서트는 보다 빠른 속도로 동작할 수 있어 몇 몇 애플리케이션에 적용되고 있지만, 솔리드 세라믹 엔드밀은 카바이드 보다 잘 부러지고 성능이 좋지 않기 때문에 가공현장에서 찾아보기 힘들다. 실제로 대다수의 터빈 제조업체들은 툴의 높은 소모율로 인해 자체적으로 솔리드 카바이드 엔드밀을 내부적으로 생산하는 방식을 취하고 있다.

케나메탈의 새로운 SiAlON KYS40 세라믹 재종 및 전체적인 디자인은 솔리드 세라믹 엔드밀의 니켈-기반 내열합금의 가장 효과적인 황삭을 가능케 한다.

케나메탈의 글로벌 제품 매니저인 틸로 뮬러(Thilo Mueller)는 “니켈-기반 초합금의 절삭 속도는 솔리드 초경 엔드밀과 비교해 최고 20배까지 빨라질 수 있으며, 세라믹의 탁월한 내열성과 보다 강력한 절삭인선(네거티브 경사각)으로 인해 공구 수명은 5배 이상 길어진다”고 설명했다.

현재 2가지 종류의 KYS40 솔리드 세라믹 엔드밀이 공급되며, 하나는 페이스 밀링 및 프로파일링을 위한 6-플루트 버전이고, 또 다른 하나는 슬롯 밀링 및 포케팅을 위한 4-플루트의 넥이 있는 버전이다. 두 제품 모두 램핑, 헬리컬 보간은 물론 트로코이드 가공(Trochoidal Machining)도 가능하다.

솔리드 세라믹 엔드밀의 마모 메커니즘 및 마모 징후는 초경공구와는 완전히 다르며 카바이드 공구를 교체하는 시점을 훨씬 지나서까지 세라믹 엔드밀을 사용할 수 있다. 이는 KYS40 재종의 엔드밀이 보편적인 마모 시점보다 더 많이 사용하므로 1회용으로 쓰고 버리는 이유이기도 하다.



터빈 블레이드 가공에 최적

화석연료나 수력발전, 혹은 원자력이든 거의 모든 지구상의 전력은 일련의 터빈으로 생성된다. 이러한 중요한 컴포넌트의 제작 및 관리, 유지보수는 전력 흐름을 유지하는데 필수적이다.

이는 제조업체들에게 지속적으로 가공전략을 개선토록 하는 상당한 압박이 되고 있다. 많은 요인들이 영향을 미치는데, 대량의 유사한 블레이드가 요구되는지 혹은 소량의 서로 다른 블레이드 디자인이 요구되는지, 다중 셋업 및 머시닝 센터가 사용되는지 혹은 단일 멀티-축 멀티태스킹 장비가 사용되는지, 그리고 사용되고 있는 CAD/CAM 시스템은 무엇인지, 작업자의 전문성은 어떠한지 등이 이에 해당한다.

물론 가공작업에 적합한 최상의 공구 선택이 무엇인지도 중요하다. 새로운 KYS40 솔리드 세라믹 엔드밀과 관련된 최근의 테스트 결과는 상당히 의미가 있다.

무엇보다 KYS40 Beyond 재종의 세라믹은 4-플루트 및 6-플루트 버전 모두 빠른 절삭속도에서 공구의 강도를 향상시키고, 변형을 감소시키는 확장된 코어 디자인을 갖추고 있다. 최적화된 엔드 형상 및 40도의 헬릭스 각은 절삭 동작 및 칩 배출을 증대시킨다.



Inconel 718로 만들어진 소형 터빈 블레이드의 프로파일 황삭의 경우 건식 가공에서 EADE 4-플루트 엔드밀은 645m/min(2116SFM)로 가공했고, 이송은 0.03mm/z(0.0012 IPT)를 충족했다. 절삭깊이(ap)는 0.5mm(0.0197인치)였고 절삭 폭(ae)은 11.4mm(0.866인치)였다. 기존 솔루션과 비교해 EADE 4-플루트 밀은 빠른 시간에 황삭을 수행함으로써 3배 더 길게 수명을 유지했다. 결과적으로 하나의 엔드밀당 3배 더 많은 부품이 생산됐다.

6-플루트 EADE 솔리드 세라믹 엔드밀은 Inconel 718로 만들어진 블리스크(디스크를 통합한 블레이드)의 프로파일링을 테스트했으며 칩 배출을 위해 압축공기를 이용했다. 기존의 초경공구와는 달리 정형가공의 황삭에서 기존 말린 형태의 칩이 아닌 먼지에 가까운 칩이 발생함으로써 이를 불어서 제거하기 위한 압축공기만 필요했다. 테스트 조건은 절삭속도가 679m/min(2228SFM), 이송은 0.03mm/z(0.0012 IPT), 절삭깊이는 0.5mm(0.0197인치)까지 다양하다. 그 결과 세그먼트당 12분의 가공시간으로 하나의 공구로 2개의 블리스크 세그먼트를 가공했으며, 테스트 직원들은 ´전례 없는 사례´로 간주했다.

한편, 새로운 EADE 솔리드 세라믹 엔드밀은 아이튠즈(iTunes™) 앱 스토어에서 무료로 다운로드가 가능한 새롭고 사용이 간편한 ´케나메탈 이노베이션(Kennametal Innovations)´ 아이패드 앱에 포함돼 있다. 이 앱의 간단한 내비게이션을 통해 특정 공구 솔루션 및 제품 그룹을 찾기 위해 키워드로 간단하게 검색할 수 있다.