[TECH TRENDS] ISO P 피삭재 재질 가공의 난점

[산업일보]
ISO P 등급으로 분류되는 피삭재 재질에는 통상 강이라고 칭하는 금속이 포함돼 있다. 강은 본래 항공우주 산업에서 사용되는 항공우주용 내열 합금처럼 쉽게 눈에 띄는 가공 상의 난점을 내재하고 있지는 않지만, 합금강과 철은 업계 전반에 걸쳐 가장 널리 보편적으로 사용되는 피삭재 재질이다.

광범위한 사용도만큼 제각기 다른 다양한 물리적 특성을 갖춘 다양한 합금강이 많이 개발됐고, 금속 절삭 성능 문제도 발생하게 됐다.

이런 문제들과 더불어 대량 생산 수요에서 비롯된 경제적 요인을 고려해야 한다는 점 때문에 ISO P 강을 가공하는 것은 부품 제조업체에도, 부품을 가공하는 데 사용되는 공구를 제작하는 업체에서도 난맥상을 토로하고 있다.
ISO 금속가공 피삭재 재질 분류 체계는 여섯 가지 범주로 나뉜다. K로 분류되는 그룹에는 주철이 포함되고, 니켈이나 티타늄 기반 합금과 같은 초내열 합금 종류는 S 그룹에 들어간다. H 그룹은 경도 특성에 따라 분류된 재질이며, 여기 속하는 것은 기본적인 경도가 45-65 HRc인 열처리강이다. 스테인리스강(크롬 함량이 12% 이상인 합금)이 M 그룹에 포함된다.

N 범주 아래에는 비철 금속 중에서도 주로 알루미늄과 구리, 황동이 포함돼 있다. 마지막으로, P로 분류되는 재질에는 비합금, 저합금 및 고합금 강이 있는데, 이 중에는 최대 400HB까지 경화된 합금과 크롬 함량이 12% 이하인 스테인리스강이 포함된다. 길게 나오는 칩을 가지는 가단주철 중에도 일부는 ISO P 그룹에 속한다.
이 분류는 전반적으로 각기 다른 재질의 주된 물리적 특성에 기반을 두어 이루어진 것이다. 특성이라는 것은 해당 금속이 가공 공정에 어떤 식으로 반응하는가를 결정짓는 요소이기도 하고, 나아가 가공이 절삭에 미치는 영향도 달라진다. K 그룹에 속하는 금속의 주요 특성은 내마모성이 높아 공구를 더욱 빠르게 마모시킨다는 것이다. S 그룹에 들어가는 초내열 합금은 전반적으로 열전도율이 높지 않아 절삭 지점의 온도가 높아지고, 따라서 절삭 공구의 변형을 초래하기 쉽다. M 그룹의 두드러지는 점은 변형 경화성이다. 이 경우 피삭재 재질이 절삭 공구 공정에서 변형되면서 점점 더 단단해진다. N 범주에 들어가는 금속은 절삭 공구에 달라붙는 경향이 있어 구성 인선을 초래하고 표면 조도가 불량해지며 절삭 공구에 균열을 일으킬 수 있다.

공구 개발 난관 봉착
이 같은 다섯 가지 ISO 그룹은 비교적 특징적인 물리적 특성을 갖추고 있기 때문에 절삭 공구를 어느 정도 맞춤 제작해 이러한 금속 재질이 절삭 공구에 미치는 부정적인 영향에 대응할 수 있다. 실례로 H 그룹에 속하는 재질에 쓰이는 절삭 공구는 강도를 높여 제작하고 N 범주의 금속을 절삭할 목적으로 제작한 공구는 날카롭게 만들고, 칩 배출을 원활하도록 설계해 융착을 최소화하게 만든다.

그러나 ISO P 그룹의 피삭재를 가공하는 경우는 문제가 다르다.
강이 전반적으로 다 그렇지만, 특성이 광범위하고 다양한 합금강은 특히 더 절삭 공구에 영향을 미치는 특성을 한 가지 이상(때로는 그런 특성을 전부다) 지니고 있기 때문이다. 다만 극단적으로 정도가 심하지는 않다. 이 때문에 공구 개발이 난관에 봉착한다. 예를 들어 저합금강의 높은 융착성에 맞추어 공구의 인선을 날카롭게 제작한다면 또 다른 강 성분의 높은 내마모성을 버텨내지 못하는 경우가 많다. 게다가, 제조업체 입장에서는 고객이 원하는 부품에 필요한 특정한 성능 수요에 딱 맞는 재질을 찾아야 하므로 특수 합금강의 개발도 누그러지지 않고 계속되는 추세다.



금속 절삭
합금강을 가공할 때 여러 가지 공구 성능 특성 사이에서 적합한 생산성 밸런스를 맞추는 것은 가느다란 외줄에서 춤을 추는 것만큼이나 어려운 일이다. 딱 맞는 밸런스를 찾으려면 금속 절삭의 본질적 특성과 함께 피삭재 재질과 절삭 공구 사이의 상호 작용을 숙지하고 있어야 한다.

금속 절삭은 칼로 물건을 자르듯이 금속을 잘라내는 분할 공정이 아니다. 금속 절삭 공정에서는 피삭재 재질에 압력을 가해 재질을 변형시킨 다음 칩 형태로 깎아낸다. 이렇게 깎아내는 동작에는 여러 가지 부차적인 효과가 수반된다. 재질을 변형시키는 데 필요한 기계적 힘은 엄청난 압력과 함께 약 800~900˚C에 이르는 열도 발생시킨다. 절삭이 중지되거나 강성 첨가물이 있는 부품을 가공하게 되면 절삭 공구가 충격을 받게 된다.

기계적인 측면 외에도 높은 열과 압력이 발생하기 때문에 절삭 재질과 피삭재 재질 사이에 화학 반응이 촉진돼서 열 변형이나 경사면 마모와 같은 화학적 마모를 일으키기도 한다. 마지막으로 한 가지 중요한 문제는, 금속 절삭 공정에는 강도 높은 마찰력도 관련된다는 점이다. 칩이 형성되면서 공구 위를 스치며 지나가게 되는데, 이때 마찰력이 발생하면서 이른바 마찰 효과라는 것이 생긴다. 마찰학이란 주어진 온도와 압력 조건에서 서로 맞닿은 표면을 연구해 표면이 서로 영향을 주고받으며 변형되는 정도를 판별하는 학문이다. 이와 같은 힘과 상호 작용 때문에 공정의 결과가 여러 가지로 다르게 나타난다. 이 중에서도 가장 중요한 것은 아마도 공구가 마모된다는 점일 것이다.

각기 다른 강, 다른 공구
가공 공정이 강 피삭재에 어떤 영향을 미치는지는 피삭재의 합금강 구성 성분과 어떤 공정을 거쳐 제조됐는지에 따라 달라진다.
예를 들어 탄소 함량이 0.25% 미만인 저합금강의 경우, 자동차의 차축 등에 사용될 용도로 만들어지며 충격과 파열에 버틸 수 있는 강도와 내충격성이 필요한 재질이다. 이렇게 압연 또는 단조 방식으로 제조된 합금을 가공하면 잘 부러지지 않는 칩이 생성되고, 절삭 공구의 표면을 긁어 경사면 마모를 유발할 뿐만 아니라 융착 문제까지 초래한다. 이러한 구성 성분을 절삭하기 위해 제작된 절삭 공구는 인선이 날카롭게 만들어져 피삭재 재질을 더욱 효율적으로 깎아내도록 설계돼 있으며, 표면을 코팅해 화학적 마모를 방지하는 동시에 절삭 표면을 윤활할 수 있다.

이와는 대조적으로 합금 함량이 5%가 넘는 고합금강(망간 등의 성분 함유)의 경우 예컨대 유압 부품이나 기계 공구 부품과 같이 내마모성과 강성이 필요한 부품을 제작하는 데 사용될 수 있다. 이때 생기는 칩은 대개 쉽게 깎여 나오고 잘 부러지지만, 이러한 합금을 가공하는 공구에는 높은 압력과 온도가 가해진다. 가공되지 않은 피삭재가 주물 또는 단조 제작방식으로 만들어진 경우, 표면이 거칠고 몰드에서 첨가물이 포함될 가능성이 있으므로 절삭 공구의 인성이 높고 내마모성이 높아야 한다.



경제적 고려 사항
가공 공정의 기존 목표는 더 많은 부품을 더 빨리 생산하는 것이었다. 따라서 가능한 한 가장 강력한 절삭 변수를 채택해야 했었다. 그러나 다른 문제들이 대두하면서 이 단순한 목표를 수정하게 됐다. 경제성의 고려가 절삭 변수를 선택할 때 중요한 역할을 하게 된 것이다. 특수 합금으로 제작한 항공우주 부품 같은 경우 대부분 비교적 소량만 생산된다. 부품을 가공하는 제조업체로서는 공정 신뢰도를 최대화하고, 이미 투자금을 쏟아 부은 고가의 피삭재 재질과 비싼 제조 시간을 보전하는 것을 목표로 삼게 된다. 결과적으로, 고급 피삭재 재질에 적용되는 가공속도와 이송률은 일반적으로 생산성이 좋고 잘 바뀌지 않는 편이다.



강 부품 가공에 대한 관점은 보통 위의 언급과는 다르다. 강 부품은 대량 제작되는 경우가 많고, 가능한 한 신속하게 제작해야 저가의 피삭재 재질을 사용해 비교적 단순한 부품을 가공해 얻는 경제적 이득을 최대화할 수 있기 때문이다. 전형적으로 생산성을 높이기 위해 절삭 속도를 높이게 되며, 따라서 높은 절삭 온도에서 강도를 유지할 수 있도록 절삭 공구 재질을 잘 선택해야 한다. 합금강의 종류가 점차 많아지고 있다는 측면을 고려하면 제조업체나 작업장에서 절삭 공구 제조업체와 상의해 특정 용도에 부합하는 공구 등급과 형상을 찾아내는 것이 필수 사항이 될 수도 있다. 오늘날 진행 중인 공구 개발의 목표는 합금강에 내재한 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 공구를 만들어 내는 데에 맞춰져 있다. 제조업체에서는 더 날카롭고 강한 코팅 공구와 열, 압력, 화학 성분과 융착에 의한 기계적 마모를 극복할 수 있도록 생산된 형상을 필요로 한다.

환경 친화 의식
강 재질 가공 변수를 채택하는 과정에 영향을 미치는 요소 중에는 비교적 새로운 고려 사항도 있다. 많은 제조업체에서 이제 환경친화적인, '그린(친환경)' 가공 계획을 모색하고 있다. 즉 에너지 소비를 낮추고 가공 공정에서 생기는 산업 폐기물 발생을 최소화하는 방안 등을 찾고 있는 것이다. 물론 특수 금속 가공 분야에서는 가공에 관련된 기술적인 어려움이 여전히 가장 주요한 걱정거리지만, 철강 가공 분야에서는 환경에 대한 고려가 점점 중요해지고 있다.

에너지 소비를 낮추는 한 가지 방안은 절삭 속도를 낮추는 것이다. 여러 경우에서 제조업체가 낮춘 속도에 맞추어 이송을높이고 절삭 깊이를 늘리면 생산성을 유지할 수 있다. 이러한 가공조건을 적용하면 에너지도 절감할 수 있지만, 공구 수명도 길어진다. 이렇게 되면 결과적으로 절삭 인선의 사용이 줄어들어 가공 공정에서 배출되는 폐수도 줄고, 같은 개수의 부품을 생산하는 데 소비되는 "그냥 쓰고 버리는" 인서트의 숫자도 줄어들게 된다. 절삭 속도를 낮춰서 사용하면 발열량도 감소하므로, 본래 금속 가공 공정에서 달갑지 않게 여겨지는 폐기물인 냉각수의 수요도 절감할 수 있다.



생산성 개선만으로 수익성 기여
ISO P 강은 너무 친숙한 재질이며 일상적인 부품에 널리 사용되는 재질로 여겨지고 있어 합금을 가공하는 가공 공정은 깊은 관심이나 분석의 대상이 되고 있지는 않다. 그러나 강을 가공하는 데서 나타나는 여러 가지 문제는 세심하게 공구를 선택해 극복할 수 있다. 이 점을 제조업체에서 이해하면 대량 부품 생산 시 가공 생산성을 조금만 개선해도 수익성에 커다란 기여를 할 수 있을 뿐만 아니라 환경도 보존할 수 있게 된다.

한편 스웨덴 파거스타에 본사를 두고 있는 Seco Tools는 혁신적인 금속 절삭 솔루션 개발 전문성을 갖추고 있으며, 고객과의 긴밀한 협업을 통해 고객의 니즈를 효과적으로 이해하고 솔루션에 반영하는 기업으로 세계적인 명성을 얻고 있다. Seco Tools는 50개국에 5,000여 명의 직원을 두고 있으며 직원들의 역량 개발과 발휘를 위한 교육, 개발 및 보상 프로그램 및 열린 커뮤니케이션 환경을 조성해 운영하고 있다. Seco Tools의 직원은 고객에 대한 열정, 가족 정신및 개인의 헌신 이라는 세 가지 주요 가치를 추구하고 실천하며 이는 Seco Tools의 비즈니스 운영 방식과 Seco Tools가 내부 직원, 고객, 공급업체 및 기타 파트너를 비롯한 모든 사람들과 상호작용하는 방식의 근간이 되고 있다.