[TECH & INSIDE] 몰드 가공용 공구 선정 최신 밀링기법 및 공구기술 통해 생산성 향상 몰드 가공을 위한 절삭공구 선정과정에서는 공작기계 성능, 필요한 밀링기법, 프로그래밍, 피삭재 공정 및 툴 홀딩 등을 모두 고려해야 하며, 최신 밀링기법과 공구기술, 다양한 파손 유형 및 파손 분석 방법을 보다 잘 이해함으로써 생산성 향상 및 공구 수명 개선의 결과를 얻을 수 있다. 밀링기법과 툴링기술이 발전함에 따라 보다 많은 몰드 가공업체가 개발 기술을 활용해 가공공정의 최적화, 사이클 시간의 단축 및 훨씬 뛰어난 몰드 표면조도를 실현하고 있다. 하지만 공작기계 성능, 필요한 밀링기법, 프로그래밍, 피삭재 고정, 툴 홀딩과 같은 요소는 절삭공구 선정 과정에서 반드시 고려해야 할 부분이다. 또한 공구 수명을 극대화하고 몰드 가공작업 시 공구 사용량을 예측하기 위해 마모된 절삭 인서트를 분석하는 능력도 이에 못지않게 중요하다. 오늘날 최신 절삭공구의 이점을 최대한 활용하고 고효율 밀링기법을 통합하기 위해서는 프로그래밍 기능이 강화된 강력한 고속 절삭공구의 사용이 필수적이다. 고이송 밀링 및 고속 밀링은 대중적인 두 가지 밀링기법으로서 성공적인 공정을 위해 특정한 커터 타입을 요구한다. 밀링기법 고이송(또는 동적) 밀링기법은 날로 인기가 높아가고 있다. 이들 기법은 솔리드 초경 절삭공구를 사용할 때 특히 효과적이다. 이 밀링기법은 강 절삭 시 큰 절삭깊이와 비교적 작은 원주 방향 절입을 결합한 최적의 황삭 작업으로 접근한다. 이는 경도가 HRc 60 이상인 재질을 가공할 때에도 효과적이다. 고이송 밀링의 경우 다량의 재질을 제거하기 위한 용도로 설계된 대형 교체형 인서트 커터를 권장한다. 기본적으로 공정은 비교적 대형의 황삭용 교체형 인서트 커터로 시작해 몰드가 최종 형상에 근접함에 따라 더 작은 직경의 교체형 볼 노즈 커터 및 솔리드 초경 커터를 사용한다. 적절한 커터 직경은 코너 R 같은 몰드 형태에 따라 결정된다. 고이송 교체형 인서트 커터 직경은 일반적으로 15mm(0.62″) 이상이다. 더 작은 직경이 필요할 경우 솔리드 초경 엔드밀을 사용해야 한다. 고이송 교체형 커터용 인서트는 피삭재 재질에 따라 달라질 수 있지만, 대부분의 작업에서 PVD 코팅 또는 CBN 코팅 인서트가 필요하다. 인서트 형상의 경우 삼각 인서트가 라운드 또는 사각 인서트에서 가장 작은 리드각을 제공한다. 리드각이 작으면 칩이 매우 얇아지므로 인서트 형상에 대해 적절한 칩 두께를 유지하기 위해 보다 높은 이송속도가 필요하다. 또한 리드각이 작으면 절삭력이 축 방향으로 작용돼 스핀들을 위로 밀어 올린다. 이는 기계를 보다 안정적이게 한다. 리드각이 크면 칩이 두꺼워져 이송속도를 조정할 필요가 줄어들며 원주 방향 힘이 증가해 스핀들 베어링에서 진동 및 응력이 발생한다. 고속 밀링에 사용되는 솔리드 초경 커터는 일반적으로 절삭인선이 길고 칩 스플리터가 내장된 4-플루트 직각 엔드밀이다. 칩 스플리터는 칩을 관리 가능한 작은 크기로 분절하므로 절삭지점과 기계로부터의 칩 배출이 향상된다. 또한 긴 절삭인선 및 칩 스플리터는 고속 밀링과 결합될 경우 부하가 일정해 생산성이 향상되고 공구 수명이 현저히 늘어난다. 고이송 작업 시에는 커터의 전체 직경이 절입돼야 하며 인서트 폭의 절반을 넘어야 한다. 전체 직경 절입은 고이송 커터가 기계 스핀들에서의 절삭력을 효과적으로 축 방향으로 유도해 균형을 형성하기 때문에 가능하다. 커터가 인서트 폭의 절반 미만으로 절입될 경우 절삭이 균형을 이루지 않아 푸시가 발생하고 진동이 증가한다. 고속 밀링의 경우 고이송 밀링에 사용되는 것과 동일한 유형의 공구(교체형 인서트 커터 및 솔리드 초경 엔드밀)가 적용된다. 하지만 이 공구 선정에서는 고속 rpm 및 이송에 유리하지만 칩 부하가 무겁지 않고 적절한 형상을 선택해야 한다. 긴 오버행의 고이송 밀은 고속 작업에 효과적으로 사용되지만, 스페셜 댐핑 툴 홀더를 사용하거나 절삭속도를 현저히 낮추지 않는 한 오버행이 더 짧은 공구만큼 고속으로 작동할 수는 없다. 오버행이 긴 공구가 권장 속도보다 고속으로 작동할 경우 진동이 증가해 인서트 치핑 및 인서트 조기 파손의 원인이 된다. 인서트 마모 분석부품 정확성을 유지하고 절삭공구 성능 저하를 줄이기 위한 공구 수명 극대화와 예측 가능한 공구 사용량은 몰드 가공공정에서 매우 중요하다. 몰드 가공업체는 다양한 인서트 파손 유형을 이해하고 사용한 인서트를 검사해 파손의 근본 원인을 파악해야 한다. 인서트 검사 과정을 지원하기 위해 우수한 광학장치, 적절한 조명 및 20X 이상의 배율을 갖춘 입체경이 인서트 조기 마모에 일조하는 파손 유형을 식별하는 데 매우 유용할 수 있다. 일반적인 인서트 파손 유형은 8가지다. 이 가운데 측면 마모, 열 크랙 및 치핑은 고이송 밀링 시 주의해야 할 유형이다. 하지만 공정 도중 적합하지 않은 인서트를 사용하면 다른 5개 유형의 마모가 발생할 수 있다. ① 측면 마모는 균일하게 발생하며 피삭재 재질로 인해 인서트의 절삭인선이 마모되거나 무뎌짐에 따라 진행된다. 측면 마모가 정상적일 경우 비교적 균일한 마모 흔적이 인서트의 절삭 인선을 따라 형성될 것이다. 때로는 피삭재의 금속이 절삭인선 위에 들러붙어 인서트의 마모 흔적이 커진다. 정상적인 측면 마모를 늦추려면 치핑이 발생하지 않는 가장 고경도의 인서트 재종을 사용하는 한편, 쾌삭성능이 가장 우수한 절삭 인선을 사용해 절삭력과 마찰을 줄이는 것이 중요하다. 반면, 덕타일 주철, 실리콘 알루미늄 합금, 고온 합금, 열처리 PH 스테인리스강, 베릴륨 구리 합금, 텅스텐 카바이드 합금과 같은 연마성 재질을 절삭할 때 종종 급속한 측면 마모가 발생한다. 급속한 측면 마모의 징후는 정상적인 마모와 똑같이 보이며 급속한 측면 마모를 바로 잡기 위해서는 내마모성과 경도가 더 높거나 코팅된 초경 인서트 재종을 사용해야 한다. ② 경사면 마모는 인서트에 크레이터를 야기하는 연마성 마모와 열 확산 마모과 결합돼 발생한다. 피삭재 칩에서 발생하는 열로 인해 초경합금의 구성요소가 분해되고 칩으로 확산돼 인서트의 상단에 크레이터가 생성된다. 크레이터는 궁극적으로 인서트 측면이 치핑, 변형 또는 급속한 측면 마모를 일으킬 정도로 커지게 된다. 모든 일반적인 코팅이 크레이터를 방지하지만 특히 산화알루미늄 코팅이 추천된다. ③ 피삭재 파편이 절삭지점에서의 화학적 친화력, 고압, 고온으로 인해 인서트 절삭인선에 압력 용접될 경우 구성인선이 발생한다. 결과적으로 구성인선이 파괴되고 때로는 인서트 일부와 함께 떨어져나가 치핑 및 급속한 측면 마모로 이어진다. 구성인선은 부품 사이즈 또는 조도의 불규칙한 변화를 통해 확인할 수 있으며, 인서트 인선의 상단 또는 측면에 발생하는 반짝이는 재질을 통해서도 알 수 있다. 구성인선은 절삭 및 이송 속도를 높이거나 TiN 코팅 인서트를 사용하거나 표면이 더 매끄럽거나 절삭력을 줄이는 인서트 형상을 선택해 제어할 수 있다. ④ 인서트 절삭인선의 치핑은 종종 견고하지 않은 셋업, 불량한 베어링이나 마모된 스핀들, 피삭재의 단단한 부분 또는 단속 절삭에서 비롯되는 기계의 불안정성으로 인해 발생한다. 올바른 절삭공구 셋업을 위해 휨을 최소화하고 호닝된 인서트를 사용하고, 보다 경도가 높은 인서트 재종 및/또는 보다 강한 절삭인선 형상을 사용할 경우 치핑이 방지된다. ⑤ 열 기계적 인서트 파손은 급속한 온도 변화와 기계적 충격이 결합돼 발생한다. 인서트 인선을 따라 응력 크랙이 발생하고, 궁극적으로 인서트 초경의 일부가 빠져나와 치핑이 발생한다. 열 기계적 파손의 징후는 절삭인선으로 수직 방향의 여러 크랙이 발생하는 것이다. 열 기계적 파손을 방지하려면 절삭유를 올바로 공급해야 하며 더 좋은 방법은 공정에서 보다 내충격성이 우수한 재종과 발열을 감소시키는 형상을 채택해 공정에서 이러한 위험을 완전히 제거하는 것이다. ⑥ 인선 변형은 몰드 가공에서 흔히 발생하는 과도한 열을 수반한 기계적 부하에서 비롯된다. 고열은 고속, 고이송에서, 또는 단단한 강, 경화표면, 고온 합금을 가공할 때 발생한다. 이로 인해 인서트의 초경 결합제 또는 코발트가 연화된다. 인선 변형은 내마모성이 더 우수하고 결합제 함량이 더 낮은 인서트 재종 사용과 절삭속도 및 이송 줄임, 절삭력을 줄이는 인서트 형상을 채택해 제어할 수 있다. ⑦노치 발생은 인서트의 절삭깊이 부위에서 노치와 칩이 발생할 때 눈에 보인다. 노치 발생을 방지하려면 여러 번의 패스를 사용할 때 절삭깊이를 변화시키고, 리드각이 더 큰 공구를 사용하고, 고온 합금을 가공할 때 절삭속도를 높이고, 이송속도를 낮추고, 절삭깊이 부위에서 조심스럽게 호닝을 증가시키며, 특히 스테인리스강 및 고온 합금에서 구성인선을 방지해야 한다. ⑧ 인서트의 기계적 균열은 부과되는 힘이 절삭인선의 내재 강도를 초과할 때 발생한다. 다른 7가지 파손 유형이 균열에 일조할 수 있으므로 정상적인 측면 마모를 제외한 다른 모든 파손 유형을 막을 수 있도록 점검해 기계적 파손을 방지해야 한다. 내충격성이 더 우수한 인서트 재종을 사용하고, 보다 강한 인서트 형상을 선택하고, 더 두꺼운 인서트를 사용하고, 이송 및/또는 절삭 깊이를 줄이고, 셋업 강성을 확인하고, 피삭재의 진입에 문제가 있는지 단단한 부위가 있는지 점검하는 것은 모두 효과적인 조치다. 커터 재종, 형상, 재질 및 사이즈대부분의 절삭공구 제조업체는 특정 재질에 적합한 절삭공구 재종 및 형상을 개발한다. 몰드 가공에서 사용되는 일반적인 피삭 재질은 P20 강, CPMV 10 및 분말 금속이다. 공구가 빨리 파손되는 것을 방지하려면 가공대상 재질에 따라 올바른 재종 및 형상을 선택하는 것이 매우 중요하다. 또한 절삭공구와 재질을 맞춰보면 성능 및 예측 가능성이 향상돼 공구 교체 횟수가 줄어들고 리젝션 및 재작업이 감소한다. 재질의 경도가 HRc 52 이하일 경우 범용 솔리드 초경공구가 적합하다. 이보다 경도가 높은 재질은 초고경도 재질용으로 디자인된 다른 형상 및 코팅(예 : 알루미늄 티타늄 질산염)의 솔리드 초경 엔드밀을 사용해야 한다. 또한 솔리드 초경공구의 경우 공구 제조업체마다 고유의 특수 코팅기법을 갖추고 있다. 교체형 인서트 커터의 경우 하드 밀링용 인서트 형상과 코팅이 대부분의 초고경도 분말 금속에 효과적이다. 그리고 오늘날의 교체형 인서트 커터는 다양한 인서트 재종 및 칩 홈으로 제공돼 고경도 몰드 재질의 가공을 최적화할 수 있다. 커터 타입을 결정했으면 적절한 커터 반경을 선택해야 한다. 커터 반경은 몰드 코너 내부 반경보다 작아야 한다. 공구의 반경이 몰드의 코너 반경과 일치할 경우 커터가 반경을 따라 부드럽게 흐르지 않고 하드 스톱이라고 알려진 현상이 발생한다. 정삭의 경우 직경이 더 작은 솔리드 초경 커터를 권장한다. 요즘은 솔리드 초경 고이송 커터도 사용할 수 있다. 이 반경 원칙은 황삭 작업에도 적용된다. 즉, 피삭재의 반경보다 작은 커터 반경을 사용한다. 그러면 코너에 더 많은 재질이 남게 되지만 이후의 모든 중정삭 및 정삭 작업에서 커터 부하를 일관적이고 고르게 유지하는 데 도움이 된다. 커터 반경은 커터 강성만큼 중요하며, 여기서 커터 드래프트 각도/테이퍼가 핵심적인 역할을 한다. 대부분의 커터는 릴리프 넥 또는 테이퍼 넥 유형이다. 릴리프 넥 공구는 플루트 위와 커터의 샹크 직경 아래로 플루트 사이즈보다 작은 직경이 제공된다. 테이퍼 넥 유형 공구의 경우 절삭 직경 위로 더 작은 릴리프 영역이 이어지고 그 다음에는 생크 직경까지 테이퍼 형태를 보인다. 대부분의 롱 리치 커터는 테이퍼 넥 디자인이다. 드래프트 각도의 감소는 공구 강성의 증가를 의미한다. 하지만 드래프트는 몰드 캐비티 측면 벽과의 마찰을 방지하기 위해 필요하다. 가장 강성이 높은 커터를 선택하려면 몰드 캐비티 드래프트를 감안해야 한다. 절삭공구 드래프트가 절대 몰드 드래프트와 같거나 커서는 안 된다. 예를 들어 몰드 캐비티가 모든 측면 벽에서 3도의 드래프트를 가질 경우 릴리프에서 드래프트가 최대 2.5도인 공구를 사용할 수 있다. 절삭유 몰드 가공 시 절삭유의 사용과 관련해 설명하자면 오늘날 첨단 커터 디자인 및 형상은 대부분 건식으로 적용할 때 최적의 성능을 발휘한다. 오일 미스트를 사용할 때는 예외이지만 이는 오일 미스트를 항상 사용할 경우에 해당한다. 하드 밀링의 경우 오일 미스트를 사용하지 않는 한 절대로 절삭유를 사용하지 않는 것이 원칙이다. 홀더 툴 홀딩의 경우 대부분의 절삭공구 회사는 몰드 가공 시 댐핑 홀더를 최신 커터와 함께 사용할 것을 권장한다. 보통 수준 이하의 홀더에 최고의 공구를 사용할 경우 최적의 성능과 공구 수명을 얻을 수 없지만 첨단 고성능 홀더를 사용하면 공구 수명을 두 배까지 늘릴 수 있다. 진동 제어는 매우 중요하다. 공구 게이지 길이가 긴 경우와 고이송 밀링, 황삭 가공 작업 시에는 특히 그렇다. 이러한 댐핑 홀더는 절삭 공정에서 발생하는 고조파와 진동을 줄이도록 설계됐다는 점이 가장 중요하다. 커터 패스 및 프로그래밍 몰드 가공 커터 패스는 적절한 프로그래밍을 통해 최적화돼 비현실적인 절삭공구 수요를 방지해야 한다. 예를 들어 몰드 가공 시 툴패스가 코너에서 시작될 때 방향 변경을 위해 부드러운 전환을 프로그래밍해 절삭공구를 과부하시킬 수 있는 큰 절입각이 생기는 것을 방지해야 한다. 경험적으로 절삭공구의 반경보다 큰 호를 프로그래밍하는 것이 훌륭한 방법 중 하나다. 따라서 50mm(2″) 직경 커터를 사용할 경우 25mm(1″) 직경을 프로그래밍하면 안 되며, 더 큰 부드러운 반경을 사용해야 한다. 적절한 호 프로그래밍은 어려운 작업일 수 있으며 프로그래밍이 올바르지 않을 경우 공구 패스가 잘못될 수 있다. 이 기법에서 커터 패스를 정확하게 프로그래밍하기 위해 몇 가지 최신 소프트웨어 패키지를 활용할 수 있다. 또한 호 접촉 원칙을 이해하고 있는 지식이 풍부한 프로그래머가 도움이 될 수 있다. 공구 패스에서 기계가 정지했다가 가동되는 상황을 방지하는 것이 관건이다. 방향 변경 시 기계가 약간이라도 멈칫하면 열이 발생해 공구로 전달된다. 열은 공구의 절삭인선과 코팅을 파괴할 수 있으므로 칩 내에서 절삭지점으로부터 방출해야 한다. 요약 최신 밀링기법 및 공구기술, 그리고 다양한 파손 유형 및 파손 분석방법을 보다 잘 이해함으로써 몰드 제조업체는 생산성과 공구 수명 및 공구 수명 일관성을 개선할 수 있을 뿐 아니라 부품 공차 및 외관을 향상시키고 뛰어난 몰드 표면조도를 실현하며 사이클 타임 및 장비의 마모를 줄일 수 있다. ■글_ Gary Meyers(카피 밀링 및 솔리드 초경 제품 매니저) & Don Graham(교육 및 기술 서비스 담당 매니저), 세코툴스

[TECH & INSIDE] 몰드 가공용 공구 선정

최신 밀링기법 및 공구기술 통해 생산성 향상

기사입력 2013-03-28 00:04:00

고이송 밀링에서 방향 변경 시 기계가 약간이라도 멈칫할 경우 절삭공구로 전달되는 열이 발생하기 때문에 공구 패스에서 기계가 정지했다가 가동되는 상황이 일어나서는 안된다.

[산업일보]

몰드 가공을 위한 절삭공구 선정과정에서는 공작기계 성능, 필요한 밀링기법, 프로그래밍, 피삭재 공정 및 툴 홀딩 등을 모두 고려해야 하며, 최신 밀링기법과 공구기술, 다양한 파손 유형 및 파손 분석 방법을 보다 잘 이해함으로써 생산성 향상 및 공구 수명 개선의 결과를 얻을 수 있다.

밀링기법과 툴링기술이 발전함에 따라 보다 많은 몰드 가공업체가 개발 기술을 활용해 가공공정의 최적화, 사이클 시간의 단축 및 훨씬 뛰어난 몰드 표면조도를 실현하고 있다. 하지만 공작기계 성능, 필요한 밀링기법, 프로그래밍, 피삭재 고정, 툴 홀딩과 같은 요소는 절삭공구 선정 과정에서 반드시 고려해야 할 부분이다. 또한 공구 수명을 극대화하고 몰드 가공작업 시 공구 사용량을 예측하기 위해 마모된 절삭 인서트를 분석하는 능력도 이에 못지않게 중요하다.

오늘날 최신 절삭공구의 이점을 최대한 활용하고 고효율 밀링기법을 통합하기 위해서는 프로그래밍 기능이 강화된 강력한 고속 절삭공구의 사용이 필수적이다. 고이송 밀링 및 고속 밀링은 대중적인 두 가지 밀링기법으로서 성공적인 공정을 위해 특정한 커터 타입을 요구한다.

밀링기법

고이송(또는 동적) 밀링기법은 날로 인기가 높아가고 있다. 이들 기법은 솔리드 초경 절삭공구를 사용할 때 특히 효과적이다. 이 밀링기법은 강 절삭 시 큰 절삭깊이와 비교적 작은 원주 방향 절입을 결합한 최적의 황삭 작업으로 접근한다. 이는 경도가 HRc 60 이상인 재질을 가공할 때에도 효과적이다.

고이송 밀링의 경우 다량의 재질을 제거하기 위한 용도로 설계된 대형 교체형 인서트 커터를 권장한다.

기본적으로 공정은 비교적 대형의 황삭용 교체형 인서트 커터로 시작해 몰드가 최종 형상에 근접함에 따라 더 작은 직경의 교체형 볼 노즈 커터 및 솔리드 초경 커터를 사용한다.

적절한 커터 직경은 코너 R 같은 몰드 형태에 따라 결정된다. 고이송 교체형 인서트 커터 직경은 일반적으로 15mm(0.62″) 이상이다. 더 작은 직경이 필요할 경우 솔리드 초경 엔드밀을 사용해야 한다.

고이송 교체형 커터용 인서트는 피삭재 재질에 따라 달라질 수 있지만, 대부분의 작업에서 PVD 코팅 또는 CBN 코팅 인서트가 필요하다. 인서트 형상의 경우 삼각 인서트가 라운드 또는 사각 인서트에서 가장 작은 리드각을 제공한다. 리드각이 작으면 칩이 매우 얇아지므로 인서트 형상에 대해 적절한 칩 두께를 유지하기 위해 보다 높은 이송속도가 필요하다. 또한 리드각이 작으면 절삭력이 축 방향으로 작용돼 스핀들을 위로 밀어 올린다. 이는 기계를 보다 안정적이게 한다. 리드각이 크면 칩이 두꺼워져 이송속도를 조정할 필요가 줄어들며 원주 방향 힘이 증가해 스핀들 베어링에서 진동 및 응력이 발생한다.

고속 밀링에 사용되는 솔리드 초경 커터는 일반적으로 절삭인선이 길고 칩 스플리터가 내장된 4-플루트 직각 엔드밀이다. 칩 스플리터는 칩을 관리 가능한 작은 크기로 분절하므로 절삭지점과 기계로부터의 칩 배출이 향상된다. 또한 긴 절삭인선 및 칩 스플리터는 고속 밀링과 결합될 경우 부하가 일정해 생산성이 향상되고 공구 수명이 현저히 늘어난다.

고이송 작업 시에는 커터의 전체 직경이 절입돼야 하며 인서트 폭의 절반을 넘어야 한다. 전체 직경 절입은 고이송 커터가 기계 스핀들에서의 절삭력을 효과적으로 축 방향으로 유도해 균형을 형성하기 때문에 가능하다. 커터가 인서트 폭의 절반 미만으로 절입될 경우 절삭이 균형을 이루지 않아 푸시가 발생하고 진동이 증가한다.

고속 밀링의 경우 고이송 밀링에 사용되는 것과 동일한 유형의 공구(교체형 인서트 커터 및 솔리드 초경 엔드밀)가 적용된다. 하지만 이 공구 선정에서는 고속 rpm 및 이송에 유리하지만 칩 부하가 무겁지 않고 적절한 형상을 선택해야 한다.

긴 오버행의 고이송 밀은 고속 작업에 효과적으로 사용되지만, 스페셜 댐핑 툴 홀더를 사용하거나 절삭속도를 현저히 낮추지 않는 한 오버행이 더 짧은 공구만큼 고속으로 작동할 수는 없다. 오버행이 긴 공구가 권장 속도보다 고속으로 작동할 경우 진동이 증가해 인서트 치핑 및 인서트 조기 파손의 원인이 된다.

고이송 작업 시에는 커터의 전체 직경이 절입돼야 하며 인서트 폭의 절반을 넘어야 한다. 전체 직경 절입은 고이송 커터가 기계 스핀들에서의 절삭력을 효과적으로 축 방향으로 유도해 균형을 형성하기 때문에 가능하다. 커터가 인서트 폭의 절반 미만으로 절입될 경우 절삭이 균형을 이루지 않아 푸시가 발생하고 진동이 증가한다.

인서트 마모 분석

부품 정확성을 유지하고 절삭공구 성능 저하를 줄이기 위한 공구 수명 극대화와 예측 가능한 공구 사용량은 몰드 가공공정에서 매우 중요하다. 몰드 가공업체는 다양한 인서트 파손 유형을 이해하고 사용한 인서트를 검사해 파손의 근본 원인을 파악해야 한다.

인서트 검사 과정을 지원하기 위해 우수한 광학장치, 적절한 조명 및 20X 이상의 배율을 갖춘 입체경이 인서트 조기 마모에 일조하는 파손 유형을 식별하는 데 매우 유용할 수 있다.

일반적인 인서트 파손 유형은 8가지다. 이 가운데 측면 마모, 열 크랙 및 치핑은 고이송 밀링 시 주의해야 할 유형이다. 하지만 공정 도중 적합하지 않은 인서트를 사용하면 다른 5개 유형의 마모가 발생할 수 있다.

① 측면 마모는 균일하게 발생하며 피삭재 재질로 인해 인서트의 절삭인선이 마모되거나 무뎌짐에 따라 진행된다. 측면 마모가 정상적일 경우 비교적 균일한 마모 흔적이 인서트의 절삭 인선을 따라 형성될 것이다. 때로는 피삭재의 금속이 절삭인선 위에 들러붙어 인서트의 마모 흔적이 커진다.

정상적인 측면 마모를 늦추려면 치핑이 발생하지 않는 가장 고경도의 인서트 재종을 사용하는 한편, 쾌삭성능이 가장 우수한 절삭 인선을 사용해 절삭력과 마찰을 줄이는 것이 중요하다. 반면, 덕타일 주철, 실리콘 알루미늄 합금, 고온 합금, 열처리 PH 스테인리스강, 베릴륨 구리 합금, 텅스텐 카바이드 합금과 같은 연마성 재질을 절삭할 때 종종 급속한 측면 마모가 발생한다. 급속한 측면 마모의 징후는 정상적인 마모와 똑같이 보이며 급속한 측면 마모를 바로 잡기 위해서는 내마모성과 경도가 더 높거나 코팅된 초경 인서트 재종을 사용해야 한다.

② 경사면 마모는 인서트에 크레이터를 야기하는 연마성 마모와 열 확산 마모과 결합돼 발생한다. 피삭재 칩에서 발생하는 열로 인해 초경합금의 구성요소가 분해되고 칩으로 확산돼 인서트의 상단에 크레이터가 생성된다. 크레이터는 궁극적으로 인서트 측면이 치핑, 변형 또는 급속한 측면 마모를 일으킬 정도로 커지게 된다. 모든 일반적인 코팅이 크레이터를 방지하지만 특히 산화알루미늄 코팅이 추천된다.

③ 피삭재 파편이 절삭지점에서의 화학적 친화력, 고압, 고온으로 인해 인서트 절삭인선에 압력 용접될 경우 구성인선이 발생한다. 결과적으로 구성인선이 파괴되고 때로는 인서트 일부와 함께 떨어져나가 치핑 및 급속한 측면 마모로 이어진다. 구성인선은 부품 사이즈 또는 조도의 불규칙한 변화를 통해 확인할 수 있으며, 인서트 인선의 상단 또는 측면에 발생하는 반짝이는 재질을 통해서도 알 수 있다. 구성인선은 절삭 및 이송 속도를 높이거나 TiN 코팅 인서트를 사용하거나 표면이 더 매끄럽거나 절삭력을 줄이는 인서트 형상을 선택해 제어할 수 있다.

④ 인서트 절삭인선의 치핑은 종종 견고하지 않은 셋업, 불량한 베어링이나 마모된 스핀들, 피삭재의 단단한 부분 또는 단속 절삭에서 비롯되는 기계의 불안정성으로 인해 발생한다. 올바른 절삭공구 셋업을 위해 휨을 최소화하고 호닝된 인서트를 사용하고, 보다 경도가 높은 인서트 재종 및/또는 보다 강한 절삭인선 형상을 사용할 경우 치핑이 방지된다.

⑤ 열 기계적 인서트 파손은 급속한 온도 변화와 기계적 충격이 결합돼 발생한다. 인서트 인선을 따라 응력 크랙이 발생하고, 궁극적으로 인서트 초경의 일부가 빠져나와 치핑이 발생한다. 열 기계적 파손의 징후는 절삭인선으로 수직 방향의 여러 크랙이 발생하는 것이다. 열 기계적 파손을 방지하려면 절삭유를 올바로 공급해야 하며 더 좋은 방법은 공정에서 보다 내충격성이 우수한 재종과 발열을 감소시키는 형상을 채택해 공정에서 이러한 위험을 완전히 제거하는 것이다.

⑥ 인선 변형은 몰드 가공에서 흔히 발생하는 과도한 열을 수반한 기계적 부하에서 비롯된다. 고열은 고속, 고이송에서, 또는 단단한 강, 경화표면, 고온 합금을 가공할 때 발생한다. 이로 인해 인서트의 초경 결합제 또는 코발트가 연화된다. 인선 변형은 내마모성이 더 우수하고 결합제 함량이 더 낮은 인서트 재종 사용과 절삭속도 및 이송 줄임, 절삭력을 줄이는 인서트 형상을 채택해 제어할 수 있다.

⑦노치 발생은 인서트의 절삭깊이 부위에서 노치와 칩이 발생할 때 눈에 보인다. 노치 발생을 방지하려면 여러 번의 패스를 사용할 때 절삭깊이를 변화시키고, 리드각이 더 큰 공구를 사용하고, 고온 합금을 가공할 때 절삭속도를 높이고, 이송속도를 낮추고, 절삭깊이 부위에서 조심스럽게 호닝을 증가시키며, 특히 스테인리스강 및 고온 합금에서 구성인선을 방지해야 한다.

⑧ 인서트의 기계적 균열은 부과되는 힘이 절삭인선의 내재 강도를 초과할 때 발생한다. 다른 7가지 파손 유형이 균열에 일조할 수 있으므로 정상적인 측면 마모를 제외한 다른 모든 파손 유형을 막을 수 있도록 점검해 기계적 파손을 방지해야 한다. 내충격성이 더 우수한 인서트 재종을 사용하고, 보다 강한 인서트 형상을 선택하고, 더 두꺼운 인서트를 사용하고, 이송 및/또는 절삭 깊이를 줄이고, 셋업 강성을 확인하고, 피삭재의 진입에 문제가 있는지 단단한 부위가 있는지 점검하는 것은 모두 효과적인 조치다.

고이송 밀링에서 가장 흔한 인서트 파손 유형 세가지는 측면 마모, 열 크랙 및 치핑이다.

커터 재종, 형상, 재질 및 사이즈

대부분의 절삭공구 제조업체는 특정 재질에 적합한 절삭공구 재종 및 형상을 개발한다. 몰드 가공에서 사용되는 일반적인 피삭 재질은 P20 강, CPMV 10 및 분말 금속이다. 공구가 빨리 파손되는 것을 방지하려면 가공대상 재질에 따라 올바른 재종 및 형상을 선택하는 것이 매우 중요하다. 또한 절삭공구와 재질을 맞춰보면 성능 및 예측 가능성이 향상돼 공구 교체 횟수가 줄어들고 리젝션 및 재작업이 감소한다.

재질의 경도가 HRc 52 이하일 경우 범용 솔리드 초경공구가 적합하다. 이보다 경도가 높은 재질은 초고경도 재질용으로 디자인된 다른 형상 및 코팅(예 : 알루미늄 티타늄 질산염)의 솔리드 초경 엔드밀을 사용해야 한다. 또한 솔리드 초경공구의 경우 공구 제조업체마다 고유의 특수 코팅기법을 갖추고 있다. 교체형 인서트 커터의 경우 하드 밀링용 인서트 형상과 코팅이 대부분의 초고경도 분말 금속에 효과적이다. 그리고 오늘날의 교체형 인서트 커터는 다양한 인서트 재종 및 칩 홈으로 제공돼 고경도 몰드 재질의 가공을 최적화할 수 있다.

커터 타입을 결정했으면 적절한 커터 반경을 선택해야 한다. 커터 반경은 몰드 코너 내부 반경보다 작아야 한다. 공구의 반경이 몰드의 코너 반경과 일치할 경우 커터가 반경을 따라 부드럽게 흐르지 않고 하드 스톱이라고 알려진 현상이 발생한다. 정삭의 경우 직경이 더 작은 솔리드 초경 커터를 권장한다. 요즘은 솔리드 초경 고이송 커터도 사용할 수 있다.

이 반경 원칙은 황삭 작업에도 적용된다. 즉, 피삭재의 반경보다 작은 커터 반경을 사용한다. 그러면 코너에 더 많은 재질이 남게 되지만 이후의 모든 중정삭 및 정삭 작업에서 커터 부하를 일관적이고 고르게 유지하는 데 도움이 된다.

커터 반경은 커터 강성만큼 중요하며, 여기서 커터 드래프트 각도/테이퍼가 핵심적인 역할을 한다. 대부분의 커터는 릴리프 넥 또는 테이퍼 넥 유형이다. 릴리프 넥 공구는 플루트 위와 커터의 샹크 직경 아래로 플루트 사이즈보다 작은 직경이 제공된다. 테이퍼 넥 유형 공구의 경우 절삭 직경 위로 더 작은 릴리프 영역이 이어지고 그 다음에는 생크 직경까지 테이퍼 형태를 보인다. 대부분의 롱 리치 커터는 테이퍼 넥 디자인이다.

드래프트 각도의 감소는 공구 강성의 증가를 의미한다. 하지만 드래프트는 몰드 캐비티 측면 벽과의 마찰을 방지하기 위해 필요하다. 가장 강성이 높은 커터를 선택하려면 몰드 캐비티 드래프트를 감안해야 한다.

절삭공구 드래프트가 절대 몰드 드래프트와 같거나 커서는 안 된다. 예를 들어 몰드 캐비티가 모든 측면 벽에서 3도의 드래프트를 가질 경우 릴리프에서 드래프트가 최대 2.5도인 공구를 사용할 수 있다.

절삭유

몰드 가공 시 절삭유의 사용과 관련해 설명하자면 오늘날 첨단 커터 디자인 및 형상은 대부분 건식으로 적용할 때 최적의 성능을 발휘한다. 오일 미스트를 사용할 때는 예외이지만 이는 오일 미스트를 항상 사용할 경우에 해당한다. 하드 밀링의 경우 오일 미스트를 사용하지 않는 한 절대로 절삭유를 사용하지 않는 것이 원칙이다.

홀더

툴 홀딩의 경우 대부분의 절삭공구 회사는 몰드 가공 시 댐핑 홀더를 최신 커터와 함께 사용할 것을 권장한다. 보통 수준 이하의 홀더에 최고의 공구를 사용할 경우 최적의 성능과 공구 수명을 얻을 수 없지만 첨단 고성능 홀더를 사용하면 공구 수명을 두 배까지 늘릴 수 있다.

진동 제어는 매우 중요하다. 공구 게이지 길이가 긴 경우와 고이송 밀링, 황삭 가공 작업 시에는 특히 그렇다. 이러한 댐핑 홀더는 절삭 공정에서 발생하는 고조파와 진동을 줄이도록 설계됐다는 점이 가장 중요하다.

커터 패스 및 프로그래밍

몰드 가공 커터 패스는 적절한 프로그래밍을 통해 최적화돼 비현실적인 절삭공구 수요를 방지해야 한다. 예를 들어 몰드 가공 시 툴패스가 코너에서 시작될 때 방향 변경을 위해 부드러운 전환을 프로그래밍해 절삭공구를 과부하시킬 수 있는 큰 절입각이 생기는 것을 방지해야 한다. 경험적으로 절삭공구의 반경보다 큰 호를 프로그래밍하는 것이 훌륭한 방법 중 하나다. 따라서 50mm(2″) 직경 커터를 사용할 경우 25mm(1″) 직경을 프로그래밍하면 안 되며, 더 큰 부드러운 반경을 사용해야 한다.

적절한 호 프로그래밍은 어려운 작업일 수 있으며 프로그래밍이 올바르지 않을 경우 공구 패스가 잘못될 수 있다. 이 기법에서 커터 패스를 정확하게 프로그래밍하기 위해 몇 가지 최신 소프트웨어 패키지를 활용할 수 있다. 또한 호 접촉 원칙을 이해하고 있는 지식이 풍부한 프로그래머가 도움이 될 수 있다. 공구 패스에서 기계가 정지했다가 가동되는 상황을 방지하는 것이 관건이다. 방향 변경 시 기계가 약간이라도 멈칫하면 열이 발생해 공구로 전달된다. 열은 공구의 절삭인선과 코팅을 파괴할 수 있으므로 칩 내에서 절삭지점으로부터 방출해야 한다.

요약

최신 밀링기법 및 공구기술, 그리고 다양한 파손 유형 및 파손 분석방법을 보다 잘 이해함으로써 몰드 제조업체는 생산성과 공구 수명 및 공구 수명 일관성을 개선할 수 있을 뿐 아니라 부품 공차 및 외관을 향상시키고 뛰어난 몰드 표면조도를 실현하며 사이클 타임 및 장비의 마모를 줄일 수 있다.

■글_ Gary Meyers(카피 밀링 및 솔리드 초경 제품 매니저) & Don Graham(교육 및 기술 서비스 담당 매니저), 세코툴스

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온라인 뉴스팀 kidd@kidd.co.kr

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