[TECH & INSIDE] 최적화된 툴 패스로 황삭하는 방법 고성능 가공 커터 적용으로 칩 제어 개선 및 가공시간 단축 최근 황삭작업을 최적화하기 위해 이전의 CAM 시스템을 사용한 툴 패스 최적화와 함께 새로운 가공방법과 특수 설계된 솔리드 회전식 절삭공구를 사용하는 예가 늘고 있다. 특히 세코툴스는 이러한 추세에 맞춰 커터 전체가 절입되는 황삭 가공과 함께 다량의 금속 제거 작업을 위해 디자인을 개선한 Jabo®-HPM 커터를 개발, 적용하고 있다. CAM 시스템을 사용한 툴 패스 최적화는 특히 금형 산업 부문에서 한동안 매우 일반적으로 수행된 방식이었다. 그러나 최근에 들어 업체에서는 황삭 가공작업을 최적화하기 위해 이러한 기존 방식과 함께 비교적 새로운 가공방법 및 특수 설계된 솔리드 회전식 절삭공구를 사용하기 시작했다.이러한 CAM 기반의 황삭 가공 또는 동적 밀링방법의 중심 요소는 절삭공구의 접촉호와 평균 칩 부하다. CAM으로 생성되는 툴 패스를 통해 공구의 접촉호를 조절하면 황삭 속도를 높이고 공정 온도를 효과적으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 날당 이송을 높이고 절삭 깊이를 늘려, 공작기계 스핀들에 추가 부담을 주지 않고도 전체 부품 가공 사이클 타임을 대폭 단축할 수 있다.절삭속도와 접촉호 및 열 부하 간의 관계절삭공구의 접촉호는 공구에 발생하는 열 부하에 영향을 미치는 독립변수이자 황삭작업을 최적화하는 데 핵심적인 역할을 한다.공구의 최대 접촉호는 180도 또는 기본적으로 그 직경에 해당하므로 전체 접촉호에서 원주 방향 절삭 폭은 커터 직경과 같고, 이를 ae(원주 방향 절삭 폭) = Dc(커터 직경)로 나타낼 수 있다. 접촉호를 조절해 황삭작업 중 생성되는 열 발생을 줄일 수 있다. 원주 방향 절삭 폭이 감소하면 커터의 접촉호도 줄어든다. 접촉부가 작아지면 마찰이 줄어들어 공구의 절삭 인선과 피삭재 간의 열 발생이 감소한다. 따라서 공구 접촉이 야기되는 절삭을 마치고 회전해 피삭재와 다시 접촉하기까지 냉각되는 시간이 늘어난다. 이는 가공온도를 낮춤으로써 절삭 속도를 높이고 사이클 타임을 단축하는 효과가 있다.평균 칩 두께 및 물리 부하절삭공구의 평균 칩 두께(hm)는 물리 부하를 기준으로 하며 날당 이송과 접촉호 조정의 조합으로 유지된다. 칩 두께는 절삭 중 계속해서 달라지기 때문에 업계에서는 평균 칩 두께라는 용어를 사용한다. 접촉호가 180도인 경우에는 커터 폭 중심에서 칩 두께가 최대치가 될 것이다. 접촉호가 90도(je, 절입각) 미만이 되면 칩 두께가 줄어들고 이에 대한 보상으로 날당 이송(fz)이 증가하게 된다. 예를 들어 10mm ae(전체 접촉호)로 황삭하는 10mm 직경의 커터 사이드가 있다고 가정한다. 해당 ae에서 커터는 가장 큰 평균 두께의 가장 강한 물리 부하가 걸리는 칩을 생성할 것이다. 처음 90도 미만에서 커터는 최대 칩 두께(fz)에 도달할 때까지 상향 밀링한 다음 두번째 90도로 진입하게 되면 칩 두께가 다시 0으로 줄어들 때까지 하향 밀링한다. 그러나 ae(ae

[TECH & INSIDE] 최적화된 툴 패스로 황삭하는 방법

고성능 가공 커터 적용으로 칩 제어 개선 및 가공시간 단축

기사입력 2014-01-22 00:02:00

[산업일보]

최근 황삭작업을 최적화하기 위해 이전의 CAM 시스템을 사용한 툴 패스 최적화와 함께 새로운 가공방법과 특수 설계된 솔리드 회전식 절삭공구를 사용하는 예가 늘고 있다. 특히 세코툴스는 이러한 추세에 맞춰 커터 전체가 절입되는 황삭 가공과 함께 다량의 금속 제거 작업을 위해 디자인을 개선한 Jabo®-HPM 커터를 개발, 적용하고 있다.

CAM 시스템을 사용한 툴 패스 최적화는 특히 금형 산업 부문에서 한동안 매우 일반적으로 수행된 방식이었다. 그러나 최근에 들어 업체에서는 황삭 가공작업을 최적화하기 위해 이러한 기존 방식과 함께 비교적 새로운 가공방법 및 특수 설계된 솔리드 회전식 절삭공구를 사용하기 시작했다.

이러한 CAM 기반의 황삭 가공 또는 동적 밀링방법의 중심 요소는 절삭공구의 접촉호와 평균 칩 부하다. CAM으로 생성되는 툴 패스를 통해 공구의 접촉호를 조절하면 황삭 속도를 높이고 공정 온도를 효과적으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 날당 이송을 높이고 절삭 깊이를 늘려, 공작기계 스핀들에 추가 부담을 주지 않고도 전체 부품 가공 사이클 타임을 대폭 단축할 수 있다.

절삭속도와 접촉호 및 열 부하 간의 관계

절삭공구의 접촉호는 공구에 발생하는 열 부하에 영향을 미치는 독립변수이자 황삭작업을 최적화하는 데 핵심적인 역할을 한다.

공구의 최대 접촉호는 180도 또는 기본적으로 그 직경에 해당하므로 전체 접촉호에서 원주 방향 절삭 폭은 커터 직경과 같고, 이를 ae(원주 방향 절삭 폭) = Dc(커터 직경)로 나타낼 수 있다.

접촉호를 조절해 황삭작업 중 생성되는 열 발생을 줄일 수 있다. 원주 방향 절삭 폭이 감소하면 커터의 접촉호도 줄어든다. 접촉부가 작아지면 마찰이 줄어들어 공구의 절삭 인선과 피삭재 간의 열 발생이 감소한다. 따라서 공구 접촉이 야기되는 절삭을 마치고 회전해 피삭재와 다시 접촉하기까지 냉각되는 시간이 늘어난다. 이는 가공온도를 낮춤으로써 절삭 속도를 높이고 사이클 타임을 단축하는 효과가 있다.

평균 칩 두께 및 물리 부하

절삭공구의 평균 칩 두께(hm)는 물리 부하를 기준으로 하며 날당 이송과 접촉호 조정의 조합으로 유지된다. 칩 두께는 절삭 중 계속해서 달라지기 때문에 업계에서는 평균 칩 두께라는 용어를 사용한다.

접촉호가 180도인 경우에는 커터 폭 중심에서 칩 두께가 최대치가 될 것이다. 접촉호가 90도(je, 절입각) 미만이 되면 칩 두께가 줄어들고 이에 대한 보상으로 날당 이송(fz)이 증가하게 된다.

예를 들어 10mm ae(전체 접촉호)로 황삭하는 10mm 직경의 커터 사이드가 있다고 가정한다. 해당 ae에서 커터는 가장 큰 평균 두께의 가장 강한 물리 부하가 걸리는 칩을 생성할 것이다. 처음 90도 미만에서 커터는 최대 칩 두께(fz)에 도달할 때까지 상향 밀링한 다음 두번째 90도로 진입하게 되면 칩 두께가 다시 0으로 줄어들 때까지 하향 밀링한다. 그러나 ae(ae

JS554

황삭 최적화를 위한 커터 디자인

대부분의 절삭공구 공급업체가 특정 재질을 위한 제품을 제공하는데 반해, 세코툴스(Seco Tools, 이하 세코)는 고급 가공 방법을 위한 공구 형상도 개발하고 있다. CAM 기반 황삭 가공방법의 경우 이러한 공구를 통해 칩 제어 문제를 해결하고 플루트 및 길이 요구사항을 충족할 수 있다.

예를 들어 세코는 커터가 전체 절입되는 황삭 가공과 함께 다량의 금속 제거작업에서 절삭 깊이를 크게 증가시킬 수 있도록 Jabro®-HPM(고성능 가공) 커터를 특별히 개발했다. 이 커터는 몇몇 재질을 대상으로 아주 강력한 성능을 발휘하도록 특수 형상으로 제작된 것이 특징이다.

광범위한 재질의 피삭재를 가공할 수 있도록 세코는 최근 안정성을 증대하고 공구 휨을 줄여주는 더블 코어 설계 방식으로 Jabro®-Solid² 550 커터 제품군의 형상을 개선해 황삭 가공 방식을 최적화했다.

JS550 시리즈에는 깊은 포켓과 3D 형태의 황삭/동적 밀링에서 뛰어난 성능을 발휘하도록 설계된 보다 긴 길이의 공구가 포함돼 있다. 공구 길이는 보통 공구 직경의 세배 내지 네 배이다.

접촉호가 일정하게 유지되면 공구의 플루트를 따라 마모가 고르고 일정하게 진행돼 공구 수명의 예측 가능성이 크게 높아진다. 그러나 날장이 긴 커터는 그만큼 긴 칩을 만들어내고 이러한 칩은 절삭지점과 머신툴에서 배출되기가 어려울 수 있다.

더 작고 관리하기 쉬운 칩을 만들기 위해 세코는 칩 스플리터(공구의 절삭 인선에 있는 미세한 홈과 릴리프)를 추가하여 JS554 L(롱 버전)의 커터 디자인을 변경했습니다. 변경된 커터의 명칭은 JS554 3C(C=칩 스플리터)로, 1×D(커터 직경)의 간격으로 칩 스플리터가 배치돼 있다. 즉 길이 40mm, 직경 10mm인 커터의 경우 10mm 이하의 칩만 생성하므로 절삭 지점에서 칩이 빠르게 빠져나올 수 있으며 가공기계의 칩 컨베이어에 칩이 걸리는 것을 막아준다.

짧은 표준 길이의 커터도 최적화된 황삭방법에 매우 적합하다. 세코는 자사의 표준 JS554 커터(2×Dc+2mm 절삭길이) 중 하나를 사용해 일반 SMG-3 강에 포켓을 황삭 가공했으며, 긴 커터를 사용할 때와 같은 우수한 결과를 얻어냈다. 세코는 긴 커터에 일반적으로 적용되는 10% ae : Dc 비율로 보다 짧은 커터를 사용했으며 동일한 금속 제거율을 얻기 위해 날당 이송만 약간 수정했다.

작은 접촉호를 적용할 때는 커터에 플루트가 많을수록 이송과 생산성이 향상된다. 이송 = 커터 플루트 수×날당 이송×스핀들 속도의 공식이 성립한다. 황삭 커터에는 일반적으로 최대 4개의 플루트가 있으며, 세코는 현재 플루트가 5개인 커터에 대해 연구 중이다.

복합 부품 형태

직선 툴 패스(사이드 밀링)의 경우 접촉호를 한 번 설정하면 변경이 불가능하다. 그러나 복합 부품 형태(예 내부 및 외부 곡면 포함)를 사용할수록 설정된 접촉호의 면적이 일관되지 않는 문제가 발생한다.

커터가 직선 절삭을 마무리하고 내부 반경/코너로 들어가면 접촉호가 커져 이는 절삭변수가 현재 접촉호와 더이상 일치하지 않음을 의미한다. 툴 패스가 이러한 상황에 적응하지 못하면 떨림과 진동, 커터 파손까지 발생할 수 있다.

JS554 3C

오늘날 CAM 패키지는 특히 기존의 툴 패스를 따라 적용되는 접촉호 면적이 변하는 내부․외부 곡면에 대한 툴 패스 전략을 제공한다. 이러한 소프트웨어 패키지는 자동으로 상이한 이송을 적용해 접촉호를 제어하고 칩 부하를 일정하게 유지한다. 접촉호를 유지하기 위해 이러한 CAM 패키지는 반경 진입 시 트로코이달 가공 및 필 밀링 기법을 사용하며, 선택한 툴 패스 다음으로 L축 이동을 대폭 줄여 사이클 타임을 더 단축시킨다.

툴 패스를 최적화하고 일정한 접촉호를 유지하면 커터 과부하, 잡힘 또는 과절삭의 위험 없이 커터 반경을 피삭재의 내부 반경과 일치시킬 수 있다. 이러한 기능을 통해 업체에서는 황삭 패스의 재고를 더욱 줄이고 표면조도 패스가 절삭해야 하는 재고량을 줄임으로써 궁극적으로 가공 사이클 타임을 단축할 수 있다.

최적화된 황삭방법은 특수 피삭재 재질에도 적용된다. 세코는 강, 스테인리스강, 주철, 티타늄, 알루미늄, 최대 HRc 48의 경화강을 대상으로 광범위한 테스트를 수행했으며, ae 대 직경 비율을 10%로 티타늄 및 초내열 합금과 같이 가공하기 어려운 재질의 경우 5%를 적용할 것을 권장한다. 세코는 이러한 특정 접촉호와 기타 여러 요소에 대한 최적의 속도 및 이송 데이터를 확보했다. 작업장에서 ae값을 추천치 이상으로 적용할 수 있지만 이 경우 절삭 속도 및 날당 이송이 반드시 감소시켜야 한다.

ap와 관련해 세코는 강을 사용하는 전체 슬로팅 작업의 경우 최대 ap 2×D로 디자인한 Jabro®-HPM 커터(JHP951 & JHP993)를 공급하고 있다. 이들 제품은 매우 강력한 가공 성능을 제공하지만, 황삭 작업 최적화 적용 시 세코의 다목적 커터 JS554 3C 역시 4×D를 손쉽게 처리할 수 있다.

고부하 황삭 작업이 불가능한 기계의 경우 간단히 접촉호를 줄이고 트로코이달 가공 패스를 사용하는 방법으로 절삭력을 줄이고 높은 동력에 대한 필요성을 줄이는 동시에 큰 절삭 깊이를 적용해 생산성을 향상시킬 수 있다.

스테인리스강 및 티타늄과 같이 가공하기 어려운 재질에 황삭방법을 적용할 때는 커터의 맨 위부터 맨 아래까지 전체 길이에 절삭유를 적용해야 한다. 전체 절삭 인선을 냉각하는 일은 매우 중요하며, 업체에서는 강과 주철을 절삭할 때 최대 압력으로 압축된 공기를 사용해 칩을 날려보내야 한다.

프로그램은 특수 툴 패스 최적화 패키지를 통해 외부에 생성해야 하므로 기계에서 프로그래밍할 경우에는 CAM 기반 황삭방법을 적용할 수 없다는 점에 유의해야 한다. 하지만 기계에서 프로그래밍하는 업체는 세코가 정한 접촉호 데이터를 직접 입력할 수 있다(단순한 직선 황삭 작업 또는 고정식 트로코이달 사이클만 가능).

현장 테스트

최적화된 황삭방법은 보다 긴 커터에 이상적이지만 세코는 표준길이의 공구를 사용해 접촉호 테스트를 수행했다.

한 테스트에서는 표준 Jabro 554 커터를 절삭 속도 300m/min, 절삭 깊이 20mm, ae 1mm, 날당 이송 0.2mm 조건으로 사이클 타임 4분 26초 동안 가공했다. 그런 다음 기술자가 ae를 2mm로, 날당 이송을 0.1mm로 변경했다. 그 결과 금속 제거율에는 변함이 없었지만 가공 사이클 타임이 3분 11초로 줄어들었다. 사이클 타임이 짧아진 것은 늘어난 ae가 가공 속도를 증가시키지 않고 필요한 패스 수를 줄였기 때문이다. 결과적으로 부품의 황삭 가공에 보다 짧은 시간이 소요됐다.

항공 우주 분야의 고객을 위해 세코는 고객의 BT40 스핀들 기계와 실제 가공 부품을 사용해 황삭방법의 이점을 직접 시연했다. 고객은 보통 기존의 툴 패스와 표준 가공 변수를 사용해 부품의 황삭 가공에 소요되는 시간은 부품 하나 당 1시간이 걸렸다.

세코는 가장 큰 커터 직경을 적용하기 위해 칩 스플리터가 있는 25mm 직경의 긴 커터 JS554 3C를 사용했다. 최적화된 황삭방법과 툴 패스를 함께 적용한 결과, 이 커터는 기존의 황삭 사이클 타임을 8분대의 놀라운 수준으로 단축시켰고, 세코는 같은 조건에서 고동력 기계를 사용할 경우 추가적인 시간 절약 효과(황삭 시간 6분대)가 있을 것으로 예상하고 있다.

또 다른 세코 고객은 자동차 부품과 관련해 최적화된 황삭방법과 툴 패스의 이점을 경험한 고객이었다. 이 업체는 부품 사이클 타임을 8.5분에서 단 1.1분으로 대폭 줄였을 뿐 아니라 공구 수명도 커터당 80개 부품에서 250개 부품으로 늘렸다.

모터사이클 부품 몰드를 황삭 가공하는 세코 고객의 경우 최적화된 황삭 가공 및 툴 패스를 통해 가공 사이클 타임을 900분에서 400분으로 줄일 수 있었다. 이 고객은 1차 및 2차 황삭 작업에 모두 교체형 고이송 커터를 사용하고 있었으나, 1차 작업은 25mm 직경의 JS554 3C로 전환하고 2차 작업에만 고이송 커터를 사용했다.

결론

접촉호와 평균 칩 두께는 황삭 가공 작업 최적화의 핵심이다. 오늘날 제조업체는 툴 패스와 동적 밀링방법에 특화된 특수 CAM 소프트웨어 패키지를 통해 절삭공구의 접촉호를 조절․제어하고 부하를 일정하게 유지할 수 있다. 이렇게 함으로써 공정 온도를 효과적으로 제어하고 절삭 속도와 날당 이송을 높이며 절삭 깊이를 늘려 전체적인 부품 가공 사이클을 대폭 단축할 수 있다.

그러나 제조업체에서는 황삭 작업 최적화 시 외부 프로그래밍을 위해 적절한 CAM 패키지가 필요하다는 점을 염두에 둬야 한다. 대부분의 절삭공구 공급업체는 특정 재질을 위한 제품을 제공하는 데 반해, 특정 고급 가공 사이클 및 툴 패스에 필요한 공구 형상을 개발하는 업체는 소수에 불과하다. 올바른 커터와 동적 사이클을 적용함으로써 제조업체는 금속 제거율을 기존 가공방법과 비교했을 때 최대 500% 높일 수 있다.

■글_ Teun van Asten MSc., 세코툴스 솔리드 밀링 마케팅 서비스 엔지니어

뒤로 기사목록

산업일보 영상뉴스 모아보기

산업일보 페이스북 바로가기

산업일보 kidd@kidd.co.kr

이 기자의 다른기사 보기 >