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주철은 가공이 쉽고 복잡한 형상의 제조에 적합할 뿐 아니라 높은 경제성과 생산성을 이유로 강철 대신 사용되기도 한다. 하지만 주철은 종류별로 강성 및 가공성 등이 상이한 까닭에 절삭공구 회사들은 가공공정에서 발생할 수 있는 변수와 문제점을 극복하기 위해 새로운 선삭 및 밀링 제품과 솔루션 개발을 위해 노력하고 있다.
대다수의 제조업체들은 주철 가공작업의 경쟁력 유지를 위한 올바른 공구 선택과 관련해 여러 가지 변수와 문제점에 직면해 있다. 주철은 그 종류가 다양할 뿐 아니라 주조작업 단계마다 재질 자체가 달라질 수 있다. 따라서 모든 관련 요소를 파악해 적절한 절삭공구 인서트 형상과 재종을 선택해야 하며 품질, 비용 및 생산성 간의 최적의 조합을 달성하기 위해서는 전체 생산망에 대한 검토를 실시하는 것이 반드시 필요하다.
주철은 다양한 산업분야에서 사용되며 가장 중요한 최종 사용자로는 브레이크 디스크와 같은 대량 생산품과 단기 공정으로 생산되는 대형 펌프를 제조하는 자동차 및 중장비 부문을 꼽을 수 있다. 이 두가지 부품으로 인해 대규모 배치 사이즈가 사용되는 분야 또는 너무 복잡해 현실적으로 대체 가능한 제품 생산방법이 없는 부품 설계 분야에서 주철을 사용하는 제조업체가 점점 늘어나고 있다.
![[TECH & INSIDE] 주철 가공공정의 다양한 변수에 대처하라](http://pimg.daara.co.kr/kidd/photo/2013/05/29/thumbs/thumb_520390_1369788335_61.jpg)
MK2050 인서트 재종
진보하는 주철과 가공방법
오늘날 주철 소재는 20년 전에 비해 크게 진보했으며 이에 대한 보다 적절한 이해가 보편화됐다. 이러한 이유로 인해 주철은 비용 절감과 생산성 개선에 대한 압박이 지속되는 시기에 강철을 대신하는 훌륭한 대안이 될 수 있었다.
주철은 무게, 강성 및 경제성이 날로 개선되는 추세며, 현재는 내마모성도 이전에 비해 크게 향상됐다. 또한 가공이 쉽고 복잡한 형상의 제조에 적합하며 가공성 또한 뛰어나다. 단, 회주철, 버미큘라 흑연 주철, 실리콘합금 페라이트 덕타일 주철, 노듈러 덕타일 주철, 오스템퍼 처리 덕타일 주철 등 종류에 따라 강도 수준, 비용 및 가공성이 달라진다는 점을 유념해야 한다. 모든 주철은 기계적 특성이 크게 다른 몇 가지 재종으로 구분된다. 이러한 편차는 주로 그라파이트를 둘러싸고 있는 금속합성물의 미세구조가 다른 데서 기인한다.
또한 제조업체는 여러 종류의 주철 가운데 하나를 선택해야 할 뿐만 아니라 주철의 금속공학적 특성이 상당히 복잡하다는 점을 고려해야 한다. 주철 공정에서는 고유 특성에 따라 부품 표면과 내부 속성이 서로 다른 미세구조가 형성된다.
다시 말해 하나의 주철 안에 두가지의 다른 미세구조가 공존한다고 볼 수 있다. 또 주철의 품질은 주조 공장마다 달라지는데, 이는 주철의 종류가 ‘같다’고 하더라도 주철 공정의 편차로 인해 가공성 수준에 있어 피삭재에 상당한 차이가 발생할 수 있음을 의미한다.
일례로 회주철의 경우를 보면, 회주철의 가공성은 몰드 잔여물로 발생하는 표면 편차나 프리 페라이트 같은 표면 내부조건에 영향을 받으며 이들은 다양한 방식으로 가공공정을 방해한다. 즉, 전자는 피삭재에 무작위로 배치되는 단단한 영역을 생성하며 후자는 보다 연한 영역을 생성한다. 이러한 편차는 가공성에 영향을 주는 예측 가능 편차를 유발한다. 따라서 제조업체는 주조, 보관, 가공에 이르기까지 세심한 계획을 수립해야만 작업에 적합한 충분한 크기의 일관된 피삭재 배치를 얻을 수 있다.
무엇보다 언제든 편차를 최소화할 수 있는 최상의 제어로 그 피삭재의 특성을 얻는 것이 중요하다. 결국 모든 편차는 직간접적으로 전체 생산성에 악영향을 미치기 때문이다. 피삭재의 특성이 불명확할 경우 제조업체는 재질의 부족한 품질을 보완할 수 있도록 툴링 시스템과 절삭방법을 확인할 수 있다. 하지만 이 경우 특정작업에 어떠한 공구와 가공방법이 적합한지를 알고 있어야 한다.
주철의 선삭 작업
지금도 많은 절삭공구 회사들이 주철 재질을 다루는 제조업체에 발생한 변수와 문제점을 극복하기 위해 계속해서 새로운 선삭 및 밀링 제품을 개발하고 있다. 하지만 전 세계에 있는 모든 재질, 제조업체 및 적용사례가 각각 다르기 때문에 이같은 문제를 해결한다는 것이 쉬운 일은 아니다. 어느 절삭공구 회사가 주철에 대해 적용영역이 매우 광범위한 제품 솔루션을 갖고 있을 수 있지만, 대부분은 개별고객의 요구사항 및 지정된 가공방법 또는 방식에 의존할 수밖에 없다.
일부 제조업체는 모든 적용분야를 최적화해 생산성을 극대화하기 위해 다양한 인서트 유형 및 재종의 개발에 기꺼이 비용을 지출하는 반면, 낮은 생산성을 감수하더라도 공정 관리를 보다 손쉽게 하기 위해 ‘만능 특성’을 가진 한정된 인서트와 재종을 선택하는 업체도 있다.
일례로 이러한 종류의 가공공정에서 중요한 영역 중 하나인 선삭용 재종을 살펴보겠다. 과거에는 절삭공구 회사들이 선택 가능한 각각의 인서트 재종을 제공했다. 하지만 오늘날에는 최상의 성능을 발휘하면서도 광범위한 주철 재질과 규격을 처리할 수 있는 솔루션을 개발해 재종의 수를 줄이는 쪽으로 목표가 바뀌었으며, 결과적으로 선택 절차가 보다 간편해졌다.
일부 절삭공구 회사의 경우 고객이 고급 재종 전략을 실현할 수 있도록 고급 코팅 공정을 사용한다. 세코툴스(Seco Tools)를 예로 들면 알루미늄과 산소를 원자 수준에서 조절하는 독보적인 Duratomic® 코팅 기술 재종을 통해 주철에 대한 인성과 내마모성이 탁월한 인서트를 개발해 고급 선삭 전략을 지원하고 있다.
실제 상황에서는 제조업체의 특정작업에 따라 주철 선삭작업의 모든 것이 달라진다. 먼저 제조업체가 목표 달성을 위해 필요한 공정의 수를 정확하게 결정해야 한다. 피삭재의 특성을 알 수 없을 때에는 별도의 절삭을 추가할 수도 있으며 이러한 경우 제품의 리드타임에 변화가 발생한다. 그러나 제조업체는 부품의 조건과 요구사항에 적합한 공구를 사용을 통해 공정횟수를 줄일 수 있다.
보다 구체적인 선삭작업 시나리오로는 앞서 언급한 바와 같이 제조업체가 정시 공급망을 통해 부품을 가공하는 경우를 들 수 있다. 문제는 이러한 상황에서 주물의 피삭재 배치가 때로 표면 조건 측면에서 규격에 맞지 않을 수 있으나, 공구 수명 단축과 생산성 저하로 인해 부품당 비용이 증가함에도 불구하고 계속 가공을 해야 한다는 것이다. 이러한 경우 제조업체는 인서트의 종류와 재종을 신중하게 결정해야 하며, 선택 가능 범위에 초경합금 및 PCBN(다결정 입방정 질화붕소 화합물) 공구가 포함될 수 있다. 예를 들면 회주철을 공급하는 주조공장에서 일관된 품질 수준을 유지해 준다면 PCBN 공구를 이용해 탁월한 수준의 생산성을 달성할 수 있다.
![[TECH & INSIDE] 주철 가공공정의 다양한 변수에 대처하라](http://pimg.daara.co.kr/kidd/photo/2013/05/29/thumbs/thumb_520390_1369788341_28.jpg)
R220.48 커터
단순화가 요구되는 밀링
주철 밀링의 경우 주철 선삭에 비해 상황이 한층 복잡하다. 제조업체가 사용하는 인서트 재종도 중요하지만 전체 절삭 솔루션을 살펴보는 일이 훨씬 더 중요하다. 또한 제조업체는 가공부품에 관련이 있는 인서트 형상과 재종 이외에도 커터 바디 유형 및 절삭인선의 개수를 고려해야 한다. 이러한 부분이 부품당 원가를 낮추는 데 중요한 역할을 한다.
오늘날 절삭공구 회사들은 최대한 많은 종류의 재질 및 작업에 적용하기 쉽고 보다 뛰어난 성능을 발휘하는 솔루션을 제공함으로써 고객의 요구사항을 충족시키고 주철 가공을 단순화하기 위한 노력을 하고 있다. 예를 들어 열과 절삭유는 주철가공에 있어(특히 밀링 작업 시) 이상적인 요소가 아니다. 따라서 절삭공구 회사들은 건식 및 습식 조건에서 모두 최고의 성능을 발휘하는 밀링용 재종을 개발하기 위해 노력을 기울이고 있으며, 한 번에 효과적으로 황삭 및 정삭을 수행할 수 있는 절삭 솔루션을 통해 가공시간을 단축할 방법을 모색하고 있다.
주철 밀링을 위한 최적의 커터 선택에 있어 모든 경우에 적용되는 정답은 있을 수 없으나, 일반적으로 최근 우수한 결과물을 얻는 것으로 평가되는 밀링 커터로 포지티브 칩브레이커와 습식 및 건식 조건에서 모두 사용할 수 있는 재종으로 된 인서트를 사용하는 네거티브 커터를 들 수 있다.
제조업체에서 네거티브 커터에 포지티브 칩브레이커 인서트를 사용하면 보다 자유로운 절삭 작업, 동력 소비와 열 발생의 감소 등의 다양한 이점을 얻고 궁극적으로 공구 수명 연장과 사용 가능한 절삭 인선의 증가 효과를 얻을 수 있다. 가령 수많은 캐비티가 있는 엔진 블록을 페이스 밀링하는 경우 밀링 커터로 각 캐비티의 모서리를 가공할 때 캐비티 모서리의 치핑이 발생하지 않아야 한다. 마모된 커터를 사용하면서 강한 절삭력을 가한다면 피삭재 재질에 치핑이 발생할 위험이 증가한다. 포지티브한 칩브레이커 인서트를 장착한 네거티브 커터를 사용해 이러한 위험을 방지할 수 있다.
하지만 한 종류의 커터가 여러 종류의 주철을 성공적으로 절삭할 수 있다고 해서 모든 종류의 피삭재 형상을 효과적으로 가공할 수 있는 것은 아니다. 절삭공구 회사들이 직각 밀링에서 페이스 밀에 이르기까지 여러 가지 모양의 커터를 공급하는 것도 바로 이같은 이유에서다. 즉, 제조업체 측에서 절삭할 표면의 상태를 보고 사각 형상인지 긴 모양인지, 벽면이 얇은지 두꺼운지, 약한지 안정적인지, 그리고 피삭재 클램핑이 얼마나 안전한지를 판단해야 한다.
한편, 이 외에도 작업에 사용할 공작기계 타입을 고려해야 한다. 주철 재질을 가공할 때에는 동적 부하가 상당히 높아지기 때문에 공작기계가 매우 견고해야 함과 동시에 높은 동력과 안정성을 제공해야 한다. 단, 이러한 경우에도 포지티브 인서트를 장착한 네거티브 커터를 이용하면 공작기계의 동력 요구사항을 낮추고 기계 스핀들에 가해지는 힘을 줄일 수 있다.
제조 및 절삭공구 업체 간 협력 중요
결론적으로 수많은 변수를 고려해야 하는 상황에서 제조업체가 주철가공 작업의 생산성과 예측 가능성을 높이기 위한 최선의 방책은 절삭공구 회사와 긴밀한 협력관계를 유지하는 것이다.
오늘날의 제조업체들은 제조기술에 대한 그들의 폭넓은 지식을 공구 공급업체의 심도 있는 가공지식과 통합함으로써 유용한 자원으로 활용해야 한다. 이러한 공동작업을 통해 제조업체는 제조 분야의 최신기술 추세에 보조를 맞추고 가공 분야의 혁신이 제조공정 최적화에 어떠한 역할을 하는지 이해할 수 있다.
결과적으로 이러한 조치는 날로 까다로워지는 글로벌 시장 환경에서 기술 리더로서 경쟁 우위를 계속적으로 확보하고 자사를 차별화할 수 있는 기반이 될 것이다.
주철 가공의 이해
불과 얼마 전까지만 해도 주철은 제조업체의 관점에서 값싸고 잘 부서지기 쉬운 가치 없는 금속이었다. 하지만 오늘날 주철은 생산공정의 발전으로 인해 그 어느 때보다 강하고 뛰어난 가공성을 제공하는 다양한 종류의 금속으로 다시 태어나고 있다. 단, 주철은 각 종류별로 강성 수준과 가공성이 서로 다르다는 점을 유념해야 한다.
▶모든 종류의 주철 중 가장 보편적이고 값이 저렴한 회주철(GJL)은 탁월한 진동 댐핑 특성을 부여하는 층상 그라파이트 입자 형태의 탄화물이 함유돼 있어 엔진 부품용으로 이상적인 소재다. 또한 모든 종류의 주철 중에서 가공성이 가장 우수하다.
▶일명 ‘콤팩트 그라파이트 철’이라 불리는 버미큘라 주철(GJV)은 그라파이트 입자들이 벌레와 같은 모양을 하고 있어 이같은 이름을 얻게 됐다. 흑연 주철은 회주철에 비해 강성이 높고 무게가 가벼우며 기계 응력 및 열응력이 모두 작용하는 부품에 적합하므로 자동차 제조업체에서 디젤 엔진 부품과 같은 특정 부품의 생산을 위해 사용한다.
▶실리콘 합금 페라이트 덕타일 주철은 휠 허브 및 차축용으로 이상적이다. 가공성 수준이 높고 기계적 특성이 뛰어난 이 재질은 자동차 업계에서 날로 인기가 높아가고 있다.
▶페라이트 및/또는 펄라이트 매트릭스에 스피로이드 노듈러 그라파이트 입자로 구성된 노듈러 덕타일 주철(GJS)은 연성이 높고 피로 강도가 우수하며 탁월한 내마모성과 높은 탄성 계수를 갖춰 자동차와 중장비 업계에서 변속기 하우징과 휠 서스펜션 부품용으로 선호하는 재질이다. 그 외에도 덕타일 주철 특수 합금은 배기관이나 터보차저 하우징과 같은 고온 부품에 사용된다.
▶정교한 열전달 공정으로 처리된 오스템퍼 덕타일 주철은 강성, 피로 강도, 내마모성 및 파단 연신율이 높기 때문에 수많은 주조 및 단조 강철을 대체할 수 있는 매우 경쟁력 있는 재질이다. 강도와 탄성 특성이 뛰어나기 때문에 다른 종류의 주철에 비해 가공성 수준이 가장 낮다.
불과 얼마 전까지만 해도 주철은 제조업체의 관점에서 값싸고 잘 부서지기 쉬운 가치 없는 금속이었다. 하지만 오늘날 주철은 생산공정의 발전으로 인해 그 어느 때보다 강하고 뛰어난 가공성을 제공하는 다양한 종류의 금속으로 다시 태어나고 있다. 단, 주철은 각 종류별로 강성 수준과 가공성이 서로 다르다는 점을 유념해야 한다.
▶모든 종류의 주철 중 가장 보편적이고 값이 저렴한 회주철(GJL)은 탁월한 진동 댐핑 특성을 부여하는 층상 그라파이트 입자 형태의 탄화물이 함유돼 있어 엔진 부품용으로 이상적인 소재다. 또한 모든 종류의 주철 중에서 가공성이 가장 우수하다.
▶일명 ‘콤팩트 그라파이트 철’이라 불리는 버미큘라 주철(GJV)은 그라파이트 입자들이 벌레와 같은 모양을 하고 있어 이같은 이름을 얻게 됐다. 흑연 주철은 회주철에 비해 강성이 높고 무게가 가벼우며 기계 응력 및 열응력이 모두 작용하는 부품에 적합하므로 자동차 제조업체에서 디젤 엔진 부품과 같은 특정 부품의 생산을 위해 사용한다.
▶실리콘 합금 페라이트 덕타일 주철은 휠 허브 및 차축용으로 이상적이다. 가공성 수준이 높고 기계적 특성이 뛰어난 이 재질은 자동차 업계에서 날로 인기가 높아가고 있다.
▶페라이트 및/또는 펄라이트 매트릭스에 스피로이드 노듈러 그라파이트 입자로 구성된 노듈러 덕타일 주철(GJS)은 연성이 높고 피로 강도가 우수하며 탁월한 내마모성과 높은 탄성 계수를 갖춰 자동차와 중장비 업계에서 변속기 하우징과 휠 서스펜션 부품용으로 선호하는 재질이다. 그 외에도 덕타일 주철 특수 합금은 배기관이나 터보차저 하우징과 같은 고온 부품에 사용된다.
▶정교한 열전달 공정으로 처리된 오스템퍼 덕타일 주철은 강성, 피로 강도, 내마모성 및 파단 연신율이 높기 때문에 수많은 주조 및 단조 강철을 대체할 수 있는 매우 경쟁력 있는 재질이다. 강도와 탄성 특성이 뛰어나기 때문에 다른 종류의 주철에 비해 가공성 수준이 가장 낮다.
■ 글_ Mikael Lindholm, 세코툴스 ISO 선삭 제품 매니저/ Michael Karlkvist, 세코툴스 페이스 밀링 및 대량 작업 담당 제품 매니저
![[SDV 리포트] “비전만으로는 부족하다”… 테슬라 ‘HW3’의 한계와 현대차의 ‘센서 퓨전’ 승부수 썸네일 이미지](http://pimg3.daara.co.kr/kidd/photo/2026/02/19/thumbs/thumb_168126_1771492662_58.jpg)
