[TECH] 밀링 공정 중 가장 기본적 요소 '기계 공구'

[산업일보]
제조업체들은 가공 작업의 속도, 품질 및 비용 효율을 높일 방법을 끊임없이 모색 중이다. 이러한 수요를 충족하기 위해 기계 공구, CAM 소프트웨어 및 공구 공급업체들은 새로운 제품 및 적용 방식을 지속적으로 개발하고 있다. 구체적인 가공 조건에 대응할 수 있도록 제품과 방식을 결합함으로써 생산성을 극대화하는 것이다. 현재 황삭 밀링 작업의 경우 첨단 금속 가공 기술을 통합 방식으로 적용함으로써 명확한 이점을 얻고 있다.

기계 공구는 밀링 공정에서 가장 기본적인 요소이다. 황삭 밀링을 효과적으로 수행하려면 기계의 강성이 절삭력을 견딜 수 있을 만큼 충분한 동시에, 금속 제거율을 극대화하고 절삭 패스 사이에 낭비되는 시간을 최소화할 만큼의 속도로 축을 가속 및 감속할 수 있어야 한다. 또한 강력한 스핀들은 절삭 속도를 높이고 변수를 공격적으로 적용할 수 있도록 지원한다. 마지막으로 기계의 CNC 시스템이 가공 성능과 선형 및 회전 축 이동에 대해 빠르게 변화하는 수요를 미리 내다보고 이를 충족할 수 있을 만한 연산 능력을 갖춰야 한다.

CAM 소프트웨어는 이러한 수요를 미리 판단한다. 밀링 공구 경로의 생성과 관련해 소프트웨어 개발자들은 단순한 공정과 복잡한 공정을 모두 고려해야 한다. 기본적인 밀링 작업인 사이드 밀링의 경우, 엔드밀은 특정 축(ap)과 원주 방향 (ae) 절삭 깊이에서 공구 사이드를 통해 피삭재를 절입한다. 단순 사이드 밀링 작업은 각 패스 도중 공구의 원주 절입, 접촉 호에 최소한의 변경만 가할 수 있다. 따라서 작업자는 접촉 호를 조절함으로써 멀티 플루트와 두껍게 강화된 코어 등으로 생산성을 높인 엔드밀 디자인의 장점을 온전히 활용할 수 있다. 플루트 수를 늘리면 이송이 높아지며 강력한 공구 코어는 높은 기계 부하를 견딜 수 있다.

그러나 슬롯 밀링의 경우 상황이 다르다. 슬롯 밀링에서는 엔드밀의 전체 직경이 절삭에 절입돼 180도의 접촉 호가 생성된다. 커터에 대한 부하가 사이드 밀링에서 생성되는 것보다 훨씬 더 크고 칩을 제거하기가 매우 어려워지기 때문에 재절삭이 발생하고 결과적으로 커터 걸림 및 파손이 발생할 수 있다.

스테인리스강, 티타늄, 니켈계 합금처럼 열전도율이 낮은 밀링 피삭재 재질은 이 문제를 더욱 악화시켜 절삭 공구의 열을 집중시키고 공구 파손의 속도를 한층 더 높인다. 결국 공구 절삭 성능을 전체 축 깊이로 활용하는 것은 불가능한 일일 수 있다. 부품 하나를 완성하려면 축 방향 깊이를 늘려 여러 단계를 수행해야 하며 이는 가공 시간을 늘리는 결과를 가져온다. 슬롯 밀링은 보통 절삭 속도와 이송을 줄이기 때문에 생산성이 더욱 악화된다.

첨단 CAM 소프트웨어는 트로코이달 절삭과 같은 복합 절삭 방식을 지원함으로써 생산 능력을 높여준다. 트로코이달 공구 경로에서 소프트웨어는 X 및 Y축 내 반복 원형 운동 시 원하는 슬롯보다 직경이 작은 공구를 유도한다. 공구의 원주 방향 절입은 직경의 절반 이하이며 원형 공구 경로는 슬롯 밀링을 사이드 밀링으로 효과적으로 변화시킨다. 공구의 접촉 호가 크게 줄어들면 멀티 플루트 엔드밀 사용이 가능해지고 축 방향 절삭 깊이가 늘어나 금속 제거율이 상승하고 사이클 타임이 단축된다.

단순 사이드 밀링과 최대 절입 슬로팅 사이의 밀링 작업으로 다양한 오목형 및 볼록형 윤곽 가공이 있다. 이 경우 최종 사용자측의 요구 사항이 더욱 복잡해지는 것이 보통이며 변화하는 윤곽을 효율적으로 처리해야 할 필요성이 매우 높아진다.

핵심 관건은 피삭재에 대한 공구의 접촉 호를 조절하는 것이다. 오목한 형태를 밀링할 때는 공구의 접촉 호가 커져 피삭재와 기계 공구에 대한 부하가 커진다. 반대로 볼록한 형태를 밀링할 때는 접촉 호가 작아져 절삭 효율이 낮아진다.

소프트웨어 공급업체들은 공구 절입을 실시간으로 조절해 생산성을 높이고 단순 및 복합 윤곽의 황삭 신뢰도를 높이는 공구 경로 알고리즘을 개발 및 발전시켜왔다. 이러한 공구 경로는 일반적으로 축 방향 절삭 깊이(ap)가 크고 원주 방향 절삭 깊이(ae)는 작으며, 날당 이송(fz) 및 절삭 속도(vc)가 높아 절삭 시간이 크게 줄어들고 금속 제거율이 높아진다. 이러한 첨단 황삭 방식은 생산성을 높여줄 뿐만 아니라 방향 또는 절삭 변수를 빠르게 변경하지 않아도 절삭 경로의 효율을 높임으로써 공구에 대한 부하를 줄이고 공구 수명을 대폭 개선해준다.

황삭 밀링 공구 경로를 위한 최신 소프트웨어 방식은 기본적으로 두 가지 접근 방식을 취한다. 하나는 오목하거나 볼록한 부분을 밀링할 때 공구를 일정한 이송 및 접촉 호로 적용하고 패스 간 스텝 오버를 다양화해 금속 제거율을 최대한 높이는 것이다. 두 번째는 스텝 오버를 일정하게 유지하는 대신 이송 및 공구의 접촉 호를 다양화해 칩 두께를 일정하게 유지하는 것이다. 두 번째 방식에서 공구의 접촉 호는 사용 중인 소프트웨어 브랜드에 따라 최대 80도에서 140도에 이를 수 있다.

첨단 황삭 작업을 위한 공구
두 가지 황삭 방식의 차이는 서로 다른 공구 디자인을 적용하는 데 있다. 첫 번째 방식은 대체로 원하는 곳에 절삭 공구와 멀티 플루트 및 더블/강화 코어를 사용할 수 있다. 또한 사용자는 원주 방향 절삭 깊이에 대한 축 방향의 비율을 높일 수 있다.

두 번째 방식은 금속을 더 빠른 속도로 제거할 수 있으나, 절삭 공구가 더 많은 양의 칩을 내보낼 수 있다. 두 번째 방식에 맞춰 제작된 공구는 보통 플루트 수가 적고 칩 흐름을 촉진하는 코어 디자인 또는 플루트 캐비티 형태가 적용돼 있다.

일반적으로 절삭 깊이와 너비, 부하가 크게 디자인된 공구는 어떤 접근 방식에도 효과가 좋다. 그러나 두 번째 방식에서 멀티 플루트 공구 및 코어 강화 디자인의 공구는 축 방향 깊이가 크기 때문에 접촉 호가 커질 경우 칩 제어 문제가 발생한다. 절삭에 유용한 축 방향 대 원주 방향의 비율이 더욱 제한된다.

일부 적용 사례에서는 특정 공구 형상을 추가할 경우 공구 성능이 향상된다. 예를 들어 Seco는 칩 스플리터를 JS554-3C 엔드밀의 절삭 인선에 추가했다. 이러한 칩 스플리터는 공구 직경의 간격으로 배치한 플루트 위에 있는 일련의 소형 노치 또는 홈 시리즈이다.

칩 스플리터는 축 방향 절삭 깊이와 관계없이 원활한 배출 흐름을 위해 칩이 길어지기 전에 분절한다. 따라서 엔드밀이 공구 직경의 최대 3.5~4배에 달하는 축 방향 깊이로 작동할 수 있다. 첨단 황삭 CAM 소프트웨어 프로그램을 적용하면 기존 방식과 비교할 때 사이클 타임을 60~70% 단축할 수 있다. 이러한 사이클 타임 단축 효과는 높은 금속 제거율 및 공구 경로 사이클의 높은 효율 덕분이다.

두 번째 첨단 황삭 방식에서 사용하도록 디자인된 공구는 다양한 접촉 호와 이송을 특징으로 하며, 상이한 형상 세부 정보를 활용해 최고의 성능을 제공한다. 공구는 칩이 형성 및 배출될 수 있는 충분한 공간을 지원해야 한다. 예를 들어 Seco의 Jabro JS554-2C 엔드밀은 전면에서 후면 쪽으로 좁아지는 코어가 특징으로, 칩 흐름을 위해 플루트 캐비티에 더 많은 공간을 제공하는 디자인이다. 테이퍼 코어는 툴 강도를 다소 약화해, 결과적으로 툴이 전체 직경 슬로팅에 적합하지 않다. 반면에 팁이 수정된 엔드밀은 헬리컬 보간 램핑을 적용해 성능을 높인다. 이 공구를 선택할 경우, 예를 들면, 공구 직경의 2.5배까지 황삭 밀링이 가능하다.

첨단 황삭 소프트웨어와 해당 소프트웨어의 장점을 극대화하도록 제작된 공구를 사용하면 밀링 패스당 실제 가공 깊이를 늘려 사이클 타임을 단축할 수 있다. 적절한 예로 알루미늄 모터사이클 엔진 덮개를 가공하는 금형 작업을 들 수 있다. 해당 제조업체는 고이송 황삭 방식만으로 15시간 사이클의 작업시간을 줄이고자 했다.

공정 개선을 위해 스텝 오버를 다양화해 접촉 호를 일정하게 유지하는 첨단 황삭 소프트웨어와 함께 Seco Jabro JS554-3C 절삭기를 적용했다. 이를 통해 대량의 황삭 작업을 약 2.5시간 만에 완료할 수 있었다. 재질이 충분히 제거됐기 때문에 이후 고이송 황삭 작업도 4시간 만에 완료됐다. 전체적으로 황삭 시간이 55% 감소한 것이다.

어떠한 가공 작업이든 제조 환경의 모든 측면을 고려해 구체적인 공구와 방식을 적용하는 것이 중요하다. 예를 들어 공구 절삭 길이가 공구 직경의 4배를 초과하거나 공구를 긴 오버행, 불안정한 기계 혹은 피삭재에 적용할 경우에는 본 자료에서 살펴본 첨단 황삭 방식보다 고이송 밀링이 더 나은 대안이 될 수 있다. 얕은 절삭 깊이에 높은 날당 이송을 결합한 고이송 밀링 방식은 절삭력을 기계 스핀들 내부의 축 방향으로 유도해 가공 공정을 안정화하는 데 도움을 준다.

기타 제조 환경에는 이와 다른 응용 방식이 적합할 수 있다. 경우에 따라 스핀들 속도와 이송을 높여 패스를 경량화한 고속 가공 또는 기존의 이송 및 속도에 축 방향 및 원주 방향 절삭 깊이를 크게 늘린 고성능 가공이 최상의 선택이 되기도 한다(다양한 공구 디자인에 대한 세부 정보는 사이드바 참조). 어떤 경우든 첨단 밀링 방식과 소프트웨어 및 해당 변수에서 최고의 성능을 발휘하도록 제작된 공구를 결합한다면 금속 제거율과 공구 수명, 비용 효율에 있어 최적의 결과가 산출될 것이다.

공구 디자인을 특정 가공 방식 및 생산 환경에 적절하게 맞추면 생산성을 최대한 높일 수 있다. Seco는 본문의 설명과 같이 다양한 첨단 황삭 CAM 방식에 적용 시 최고의 성능을 발휘하는 더블 코어 및 테이퍼 코어 버전의 첨단 황삭 공구를 개발해 왔다. Jabro 솔리드 초경 엔드밀과 함께 이 공구는 중-고이송 및 높은 절삭 속도에 맞춰 디자인됐다. 사용 중인 CAM 소프트웨어의 종류에 따라 원주 방향 절삭 깊이는 공구 직경의 0.15배 이하를 권장하며 축 방향 절삭 깉이는 공구 직경의 2~4배까지 가능하다. 절삭력과 소비 동력은 무난한 수준이다. 공구의 플루트는 진동을 최소화하기 위해 부등분할 피치 형태를 취하고 있으며 앞서 언급한 바와 같이 칩 스플리터가 원활한 칩 흐름을 돕는다. 엔드밀의 전면 날은 헬리컬 보간 램핑을 제어하도록 제작됐으며 웰던 혹은 고정밀 콜렛 척이 최상의 결과를 산출한다. 이 공구는 일반 피삭재 재질에 광범위하게 적용할 수 있다.

반면에 Jabro Diamond와 Tornado 엔드밀은 경화강과 그라파이트를 높은 절삭 속도 및 이송으로 작업할 수 있도록 설계됐다. 이러한 공구는 절삭력과 소비 동력이 비교적 낮은 편으로, 축 방향 절삭 깊이는 공구 직경과 동일하고 원주 방향 절삭 깊이는 이보다 얕다. 고속 공구는 빠른 속도에서 안정성을 유지하도록 헬릭스 각이 낮고 절삭 길이가 짧으며 코어 직경이 큰 것이 특징이다. 또한 PVD 코팅이 가능하며 그라파이트 가공 작업 시 다이아몬드 코팅도 가능하다. 빠른 속도에서 공구의 안전성 및 가공 정확도를 높이려면 열박음 또는 고정및 콜렛 척을 사용하는 것이 좋다.

Seco의 고성능 공구 제품군 사용 시 기존의 낮은 절삭 속도와 이송에 깊은 원주 방향 및 축 방향 절삭 깊이를 결합하면 금속 제거율을 더욱 높일 수 있다. 고성능 방식은 중간 이송에 절삭 속도를 채택해 생산성이 뛰어난 절삭력을 구현하고 기계 동력을 효과적으로 활용한다. 축 방향 절삭 깊이는 공구 직경의 최대 1.5배까지 가능하며 원주 방향 절삭 깊이는 공구 직경 이하이다. 이러한 공구는 날당 이송이 높은 작업을 처리할 수 있고 부등분할 피치가 마찰을 최소화한다. 절삭 인선 호닝과 폴리싱 PVD 코팅은 연강, 중간 경도 및 단단한 강, 스테인리스강, 초합금 및 티타늄 가공 성능을 높여준다. 웰던 또는 Safelock 홀더가 권장된다.

또한 Seco 고이송 공구는 재질 제거량이 평균 이상이나 중간 이송 및 고이송에서 작동 가능하다. 그리고 절삭 플루트 형상을 채택해 공구의 절삭력과 소비 동력은 낮은 것이 특징이다. 고이송 공구는 절삭력을 축 방향에서 기계 스핀들로 유도하며 공구 오버행이 긴 경우와 안정성이 낮은 피삭재 및 기계 공구를 사용한 밀링에 효과적이고, 칩을 얇게 만드는 형상으로 이송을 최적화한다. 원주 방향 절삭 깊이는 보통 공구 직경의 절반이며 축 방향은 공구 반경보다 작다. 공구 안전성을 최대한 높이려면 공구 홀더로 열박음 및 고정밀 콜렛 척을 선택하는 것이 좋다.

모든 시설 또는 작업에 CAM에 특화된 디자인의 공구를 사용해야 하는 것은 아니다. 소규모 작업장이나 대규모 생산 환경에서 진행되는 일회성 작업의 경우 일반 가공 작업용으로 제작된 엔드밀로도 충분히 만족스럽고 비용 효율적인 결과를 얻을 수 있다. 일반 작업용 Seco Jabro 솔리드 공구는 안정성을 높여주는 더블 코어 디자인, 가벼운 절삭 동작을 위한 높은 헬릭스 각, 진동을 최소화하는 부등분할 피치, 명확한 호닝으로 강화된 절삭 인선이 특징이다. 이 제품은 중간 절삭 속도 및 이송에서 작동하며 절삭력과 소비 동력은 평균 수준이다. 원주 방향 및 축 방향 절삭 깊이는 보통 공구 직경 이하이다.

Seco Tools 엔지니어링 마케팅 서비스 솔리드 밀링 Teun van Asten MSc.