[Technical News] 산업별 공구 및 가공 방법 혁신적인 엔지니어링과 기술은 의료, 파워 제너레이션 및 우주항공의 주요 부품 제조 산업에서 지속적인 발전의 원동력이 된다. 이러한 산업에서 정밀 부품을 제조하려면 고도의 내열성 및 내마모성, 최고의 인성, 최상의 품질과 안정성을 갖춘 피삭재 재질이 필요하다. 이러한 재질의 기본적인 예로 ISO-S 합금, 즉 니켈계, 코발트계, 철계 초내열 합금(HRSA) 및 티타늄을 들 수 있다. 이러한 재질은 고온 경도, 강성과 크리프 및 내부식성을 갖춰 다양한 주요 영역에서 즉시 사용할 수 있다.그러나 이 합금의 유용한 속성은 기존의 주철 및 강과 다른 기계적 가공 특성으로 나타나기도 한다. ISO-S 재질은 합금의 열 전도율이 낮아 가공이 어렵다. 가공으로 생성된 열(섭씨 1,100도 ~ 1,300도)이 절삭 칩으로 방출되지 않고 공구와 피삭재에 흡수된다. 이로 인해 공구 수명이 단축되고 부품이 변형된다. 합금은 또한 가공 시 변형 및 석출 경화되는 경향이 있어 절삭력이 커지고 공구 수명이 저하된다. 마지막으로 이러한 재질은 점성이 높아 구성 인선(BUE)과 노치 마모를 피할 수 없다. 이와 같은 점성은 재질의 연성이라고도 하며, 알루미늄과 같은 무른 재질에 공통적으로 나타나는 특성이다. 제조업체는 ISO-S 재질의 가공 난이도와 관련 부품의 비용을 고려해, 기본적으로 부품의 신뢰성과 품질에 중점을 두고 2차적으로 사이클 타임 단축을 중시해 가공 작업을 개선한다. 이러한 고성능 합금의 장점을 최대한 활용하려면 고급 공구와 적용 방법을 활용해야 한다. 공구업체는 관련 산업 분야에 생산적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공하기 위해 공구와 기술을 미세 조정한다.의료 분야의료 임플란트가 적절한 기능을 발휘하고 신체 거부 반응을 줄이려면 화학적으로 활성화되거나 체액으로 인해 부식돼서는 안 된다. 이에 따라 ISO-S의 생체 적합성과 내부식성은 정형외과, 치과 및 기타 의료 부품의 광범위한 분야에서 뛰어난 기반이 될 수 있다. 의료 임플란트 제조업은 빠르게 성장하고 있다. 산업화된 지역의 인구는 평균 연령과 평균 체중이 모두 높아지고 있다. 이 두 가지 요인은 무릎 및 엉덩이 관절의 마모에 직접적인 영향을 미치며 관절 교체 수요를 증가시킨다. 치과용 임플란트의 인기 또한 미용 및 치아 건강 문제에 대한 관심과 함께 증가하고 있다. 무릎 교체 부품무릎 교체 부품은 두 가지 기본 부품으로 구성된다. 대퇴부 부품은 허벅지뼈 끝의 둥근 관절부를 본뜬 모양으로 위쪽 다리뼈 또는 대퇴골에 부착된다. 그리고 경골 또는 아래쪽 다리뼈 위쪽에 부착되는 두 번째 기본 부품인 티타늄 트레이 안의 폴리머 컵과 연결된다. ISO-S 재질은 열전도율이 낮아 대부분의 가공 작업 시 절삭유를 사용해야 한다. 그러나 의료 규정에서는 절삭유 잔여물에 의한 오염에 대해 엄격한 규칙을 적용하고 있기 때문에 오랜 시간이 걸리는 깐깐한 정화 처리가 요구된다. 이에 따라 공구업체들은 절삭유 또는 유성 절삭유 없이 의료 부품을 건식 가공하는 방법을 개발하고 있다. Seco의 경우 Ti6Al4V 티타늄 경골 트레이 가공 시 특수 T-슬롯과 폼 엔드밀로 절삭유를 쓰지 않는 공정을 개발했다. 작업은 10분 안에 완료되며 공구 수명과 제품 품질을 높이고 오염 유발 없이 부품을 만들어낸다.Jabro 공구 제품군에는 4가지 맞춤형 및 2가지 표준 솔루션이 있으며, 경골 트레이 부품을 가공하는 의료 부품 제조업체에 유용하다.ISO-S 합금의 낮은 열전도율로 인한 단점을 완화하기 위해 그라인딩 작업을 가공으로 대체하기도 한다. 오랜 시간의 그라인딩 작업으로 생성되는 열은 부품에 응력을 발생시켜 변형을 초래할 수 있다. 대퇴부 무릎 부품이 연마 후 치수 사양을 벗어나 폐기율이 20-30%에 이른 제조업체도 있었다. Seco의 애플리케이션 엔지니어들은 이 문제를 해결하기 위해 대퇴부 부품을 머시닝 센터에서 가공하는 5단계 기법을 개발했다. 이 공정은 볼 엔드밀, 부품 고정 장치와 함께 센터록 시스템을 사용해 가공 중 부품이 회전할 수 있게 한다. 이러한 카피 밀링 접근 방식은 복잡한 3D 부품 제조에 주로 사용되는 덜 단단한 부품 클램핑 셋업 환경에 매우 적합하다. 전체 공정의 절삭 시간은 약 7분 정도이며 가공 후에는 폴리싱만 마치면 된다. 해당 폴리싱 공정에 필요한 시간은 그라인딩 후 진행한 이전 폴리싱 공정보다 짧다. 소형 치과용 부품특수 가공 방법은 ISO-S 재질의 가공 문제를 극복할 수 있게 도와준다. 고이송 밀링 방법(사이드바 참조)은 긴 공구 수명과 함께 생산성을 높인다. CoCr 강으로 만들어진 치과용 부품의 황삭 작업에는 Seco의 Jabro 엔드밀 제품군 중 하나인 3mm 직경의 JHF 180 커터를 테이블 이송 4,000mm/min, 축 방향 절삭 깊이 2mm, 원주 방향 절삭 깊이 0.2mm, 절삭 속도 66m/min로 적용했다. 코발트 크롬강에서 공구 수명은 175분이었다. 연구실과 치과 사무실에 있는 소형 고속 머시닝 센터에서는 여러 가지 소형 의료 및 치과용 부품이 가공된다. 이러한 기계에 장착된 소형 커터는 특히 소형 임플란트와 기타 부품의 윤곽 가공 작업 시 급격히 변화하는 칩 부하를 견디도록 제작돼야 한다. Seco는 이러한 요구에 부응하기 위해 Jabro Mini JM905 및 JM920 커터를 개발했다. 4 플루트 버전으로 제공되는 이 공구는 0.1mm ~ 2.0mm의 직경 및 긴 오버행 길이(최대 16 x D)로 사용 가능하다. 작은 크기에도 불구하고 일반적인 피삭재 요구 사항을 충족하는 치수로 특수 소형 부품을 생산하는 데 필요한 강도와 안정성을 제공한다.파워 제너레이션 ISO-S 재질은 세계적으로 파워 제너레이션 산업에 더욱 활발하게 응용되고 있다. 풍력, 수력, 태양광 등 친환경 에너지원을 강조하는 추세에도 불구하고 아직까지 세계 전력량의 60% 이상이 가연성 연료를 통해 생산되는 실정이다. 이러한 전력 생산 방식은 대부분 가스와 증기 터빈을 사용하며, 터빈의 효율을 높이려는 노력이 이어지고 있다. 튼튼하고 가벼운 티타늄 부품의 경우 터빈 하부의 압축 구간에서 높은 분당 회전 수의 구심력을 줄여 회전 속도를 높이는 효과가 있다. 티타늄 부품과 함께 연소 구간에 HRSA 부품을 사용하면 온도를 상승시켜 엔진 효율을 높일 수 있다.새로운 합금, 더 큰 도전ISO-S 합금은 효율 및 성능 증대를 위한 진화를 거듭해왔다. 금속 제조업체는 점점 더 어려워지는 애플리케이션 분야의 수요를 충족하기 위해 향상된 성능의 합금을 개발했다. 예를 들어 니켈계 Inconel 738과 코발트계 SFX414 등의 검증된 HRSA는 섭씨 850도 ~ 1,200도 범위에서 작동하도록 제작됐다. GTD 262 및 Rene 108과 같은 최신 HRSA 성분은 섭씨 1,200도 ~ 1,600도 범위에서 사용할 수도 있다. 새로운 합금은 비교적 더 큰 가공 문제를 야기한다.Seco는 최근 파워 제너레이션 터빈의 고정 부품에 사용할 수 있는 새로운 고성능 합금 가공을 지원했다. 이 재질은 내열성이 높아 가공 난이도 역시 높았으며, 절삭 속도는 Inconel 718 참조 재질의 일반적인 속도 25~35m/min보다 느린 18m/min에 불과했다. 기존의 툴링은 하나의 터빈 구간(절삭 길이 320mm)이 끝난 후 마모됐으며 터빈 제조업체는 공구 수명을 늘리고자 했다. Seco는 Jabro 780 공구 형상을 기반으로, 열악한 절삭 환경에서도 안정성을 높여주는 듀얼 코어 설계의 특수 커터를 개발했다. 원래 사용하던 변수인 절삭 속도 18m/min, 날당 이송 0.015mm, 테이블 이송 43mm/min을 적용하자 새 공구는 두 개의 터빈 구간(640mm)을 가공해 공구 수명이 100% 증가했다. 애플리케이션 엔지니어들은 절삭 속도를 16m/min로 줄이고 날당 이송을 0.017mm로 높여 공구 수명을 800mm까지 늘릴 수 있었다(공구 수명 150% 증가).우주항공 부품 HRSA는 고온에서 높은 강도를 유지하며 크리프 및 부식 내성이 우수하기 때문에, 현대 우주항공 엔진에서 50%의 중량을 차지하고 있다. 우주항공 터빈에 ISO-S 재질을 활용하는 방식은 에너지 생산에 사용되는 터빈과 유사하나, 대부분의 경우 우주항공 분야의 공차 범위가 더욱 좁다. 예를 들어 Seco는 터빈 블레이드의 톱니형 루트 프로파일을 가공하는 특수 공구를 제작한다. 에너지 분야에서는 루트 프로파일의 공차가 10미크론 범위인 경우도 있으나, 우주항공 분야에서는 프로파일 공차가 0~5미크론(0.~0.005)으로 좁아지기도 한다. 구조적 티타늄가볍고 튼튼한 티타늄은 터빈의 저온 구간에 활용될 뿐만 아니라 랜딩 기어와 같은 우주항공 구조 부품에도 이용된다. 랜딩 기어 부품은 기본적으로 크고 강하지만, 일반 재질로 제조할 경우 너무 무거워진다. 가벼운 랜딩 기어를 만드는 데 사용된 더 가볍고 튼튼한 신제품 티타늄 합금은 이전에 사용된 티타늄 합금보다 가공이 더 어렵다. 최근 개발된 합금은 티타늄 5553이라 하는데, 그 이유는 5%의 알루미늄과 5%의 몰리브덴, 5%의 바나듐, 3%의 크롬이 포함돼 있기 때문이다. 티타늄 5553의 장점은 인장 강도가 1,160MPa로 Ti6Al4V 참조 재질의 910MPa보다 비교적 높다는 것이다. 인장 강도가 높은만큼 Ti6Al4V보다 절삭 속도를 50% 낮춰야 한다.겹판형 합금단일 ISO-S 재질의 가공이 어렵다면, 두 가지 재질을 함께 가공하는 것은 더욱 어렵다. 일부 우주항공 분야의 경우 서로 다른 재질로 구성된 겹판을 가공해야 한다. 이와 같은 샌드위치 또는 하이브리드의 칩을 적절히 제어하며 진동이나 버 없이 가공하는 일은 쉽지 않다. 전형적인 예로 티타늄과 스테인리스강의 조합을 들 수 있다. 스테인리스강과 티타늄은 비교적 강도가 높으며, 점성이 있어 절삭 재질이 엔드밀에 들러붙는다는 공통된 특징이 있다.티타늄 6Al4V/오스테나이트 스테인리스강 겹판을 사용한 엔진 마운트 가공을 위해 Seco는 티타늄 가공을 위해 특별 설계된 초경 Jabro JHP 770 공구를 적용했다. 이 공구는 부등분할 플루트 공간과 원주방향 여유각, 특수 형상 칩 공간이 있으며 내부 절삭유 공급 채널이 피삭재의 융착을 최소화하고 칩을 제거한다. 겹판형 재질을 가공할 때 이 공구는 먼저 스테인리스강을 통과시킨 후 티타늄을 통과시킨다. 전체적으로는 가공이 더 어려운 재질(티타늄)의 변수를 적용한다. 합금의 낮은 열전도율을 감안해 절삭 속도는 중간 수준인 50m/min, 이송은 0.036mm/rev 이송, 절삭 깊이는 3mm, 원호 보간 하강을 적용했다. HSS 대안초경 공구는 여러 상황에서 성능상 이점이 있지만, ISO-S 재질의 효과적인 가공을 위한 유일한 방법은 아니다. 때로는 고속도강 커터가 생산성 및 비용 효과적 측면에서 더 뛰어나다. 랜딩 기어 부품과 같은 여러 대형 우주항공 부품은 티타늄 또는 스테인리스강으로 된 솔리드 강편으로 가공된다. 이러한 부품의 경우 최대 직경이 50mm인 고성능 HSS 공구를 이용하면 재질을 대량으로 제거할 수 있다. HSS 공구는 Rpm이 낮고 토오크가 높은 기계로 티타늄과 스테인리스 강을 황삭 및 정삭하는 데 매우 효과적이다. 절삭 직경과 폭을 크게 설정할 수 있으므로, 저속 가동 시에도 초경 공구보다 금속 제거 속도가 빠르다. 고급 HSS 공구의 예로 코발트 함량이 8%이고 경도가 67 HRC인 Jabro JCO710 HSS-Co 커터가 있다. 플루트가 폴리싱 처리돼 마찰 및 구성 인선이 감소하며 가변 페이스 프로파일 형상으로 가벼운 절삭이 가능하고, 표면조도 값을 허용 불가능한 수준으로 만드는 떨림의 위험이 적다. 이러한 커터는 대형 티타늄 부품을 생산하는 제조업체에서 사용 시 공구 수명을 800분 이상으로 유지해준다. 중요한 애플리케이션 분야에 사용될 ISO-S 재질 가공을 위한 제조업체의 목표는 최고 수준의 품질, 신뢰할 수 있는 일관성, 그리고 생산성이다. 금속 제조업체는 고성능 응용 분야의 까다로운 수요를 충족할 새로운 합금을 개발하고 있으며, 절삭 공구 제조사는 이에 대응해 ISO-S 재질의 가공상 어려움을 극복하고 제조업체에서 가공 목표를 달성하도록 하기 위한 새로운 절삭 공구 재질과 가공 방법을 마련하고 있다. Sidebar ISO-S 밀링 방법ISO-S 재질은 공구와 절삭 방법을 신중하게 조합함으로써 생산적이고 비용 효과적인 방법으로 가공할 수 있다. 그러한 접근 방식 중 하나로 절삭력을 원주 방향에서 축 방향으로 전환하고 높은 테이블 이송과 낮은 축 방향 절삭 깊이를 조합한 고이송 밀링이 있다. 이렇게 하면 생성되는 칩이 얇아져 절삭 인선의 열이 방출되고, 절삭력이 절감되고, 진동이 최소화되고, 가공 작업의 안정성이 향상된다. 발열 감소 및 공구 수명의 연장 효과가 있는 고이송 밀링은 금속 제거율도 뛰어나, 기존 밀링 방식보다 최대 200~300% 더 빠르다. 고이송 밀링에는 다양한 공구를 활용할 수 있다. Seco는 글로벌 Jabro 엔드밀 제품군부터 48 ~ 62 HRc 범위의 더 단단한 강 및 코발트 크롬 합금 가공을 위해 설계된 JHF180 공구를 제공한다. 이 공구는 견고한 0.9도 테이퍼 넥 설계로 공구 휨을 줄이고 깊은 캐비티 밀링을 가능케 하며 표면조도의 품질을 높여준다. 공구 형상은 절삭 인선에서 칩을 제거할 수 있도록 설계됐다. 이러한 제품은 페이스 밀링, 슬로팅, 램핑, 헬리컬 보간, Z 레벨 가공을 포함한 고이송 밀링 분야에 적합하다. ISO-S 재질의 기타 밀링 방법은 구체적인 작업과 피삭재 재질, 보유 중인 기계에 따라 달라진다. 기존의 접근 방식은 원주 방향 및 축 방향 절삭 깊이의 비율을 1-1로 맞춘 평균 이송으로 가공하는 것이었다. Seco의 HPM 제품군과 같은 특수 커터로 고성능 가공을 수행하면 축 방향 절삭 깊이를 늘리고 전체 폭 원주 방향 절삭 깊이를 적용해 많은 양의 금속을 제거할 수 있다. 또 하나의 대안인 고속 가공 방식은 원주 방향 절삭 깊이를 상당히 낮게 설정하고 축 방향 절삭 깊이를 크게 설정해 커터를 구동하는데 이러한 방법에는 절삭 속도와 생산성을 높이는 효과가 있다. 다양한 가공 전략을 효과적으로 구현하려면 사용 중인 공작기계 공구, 가공 공정을 수행하는 데 필요한 대형 프로그램과 파일을 처리할 CNC 시스템의 성능과 같은 요인을 조합해야 한다.티타늄을 가공하려면 전문화된 공정 및 툴링 요구 사항의 고유한 세팅이 필요하다. 절삭 속도를 중간으로 설정하면 공구와 피삭재 간의 화학 반응을 유발할 수 있는 과다 발열이 방지된다. 가능하다면 항상 절삭유를 사용해야 한다. 절삭 인선이 날카로우면 피삭재의 칩이 더욱 수월하게 깎여 절삭력이 절감된다. 고속 가공 방법도 이와 마찬가지다.

[Technical News] 산업별 공구 및 가공 방법

기사입력 2015-04-01 04:37:46

[산업일보]
혁신적인 엔지니어링과 기술은 의료, 파워 제너레이션 및 우주항공의 주요 부품 제조 산업에서 지속적인 발전의 원동력이 된다. 이러한 산업에서 정밀 부품을 제조하려면 고도의 내열성 및 내마모성, 최고의 인성, 최상의 품질과 안정성을 갖춘 피삭재 재질이 필요하다. 이러한 재질의 기본적인 예로 ISO-S 합금, 즉 니켈계, 코발트계, 철계 초내열 합금(HRSA) 및 티타늄을 들 수 있다. 이러한 재질은 고온 경도, 강성과 크리프 및 내부식성을 갖춰 다양한 주요 영역에서 즉시 사용할 수 있다.그러나 이 합금의 유용한 속성은 기존의 주철 및 강과 다른 기계적 가공 특성으로 나타나기도 한다. ISO-S 재질은 합금의 열 전도율이 낮아 가공이 어렵다. 가공으로 생성된 열(섭씨 1,100도 ~ 1,300도)이 절삭 칩으로 방출되지 않고 공구와 피삭재에 흡수된다. 이로 인해 공구 수명이 단축되고 부품이 변형된다. 합금은 또한 가공 시 변형 및 석출 경화되는 경향이 있어 절삭력이 커지고 공구 수명이 저하된다. 마지막으로 이러한 재질은 점성이 높아 구성 인선(BUE)과 노치 마모를 피할 수 없다. 이와 같은 점성은 재질의 연성이라고도 하며, 알루미늄과 같은 무른 재질에 공통적으로 나타나는 특성이다.

제조업체는 ISO-S 재질의 가공 난이도와 관련 부품의 비용을 고려해, 기본적으로 부품의 신뢰성과 품질에 중점을 두고 2차적으로 사이클 타임 단축을 중시해 가공 작업을 개선한다. 이러한 고성능 합금의 장점을 최대한 활용하려면 고급 공구와 적용 방법을 활용해야 한다. 공구업체는 관련 산업 분야에 생산적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공하기 위해 공구와 기술을 미세 조정한다.

의료 분야
의료 임플란트가 적절한 기능을 발휘하고 신체 거부 반응을 줄이려면 화학적으로 활성화되거나 체액으로 인해 부식돼서는 안 된다. 이에 따라 ISO-S의 생체 적합성과 내부식성은 정형외과, 치과 및 기타 의료 부품의 광범위한 분야에서 뛰어난 기반이 될 수 있다.

의료 임플란트 제조업은 빠르게 성장하고 있다. 산업화된 지역의 인구는 평균 연령과 평균 체중이 모두 높아지고 있다. 이 두 가지 요인은 무릎 및 엉덩이 관절의 마모에 직접적인 영향을 미치며 관절 교체 수요를 증가시킨다. 치과용 임플란트의 인기 또한 미용 및 치아 건강 문제에 대한 관심과 함께 증가하고 있다.

무릎 교체 부품
무릎 교체 부품은 두 가지 기본 부품으로 구성된다. 대퇴부 부품은 허벅지뼈 끝의 둥근 관절부를 본뜬 모양으로 위쪽 다리뼈 또는 대퇴골에 부착된다. 그리고 경골 또는 아래쪽 다리뼈 위쪽에 부착되는 두 번째 기본 부품인 티타늄 트레이 안의 폴리머 컵과 연결된다.

ISO-S 재질은 열전도율이 낮아 대부분의 가공 작업 시 절삭유를 사용해야 한다. 그러나 의료 규정에서는 절삭유 잔여물에 의한 오염에 대해 엄격한 규칙을 적용하고 있기 때문에 오랜 시간이 걸리는 깐깐한 정화 처리가 요구된다. 이에 따라 공구업체들은 절삭유 또는 유성 절삭유 없이 의료 부품을 "건식" 가공하는 방법을 개발하고 있다. Seco의 경우 Ti6Al4V 티타늄 경골 트레이 가공 시 특수 T-슬롯과 폼 엔드밀로 절삭유를 쓰지 않는 공정을 개발했다. 작업은 10분 안에 완료되며 공구 수명과 제품 품질을 높이고 오염 유발 없이 부품을 만들어낸다.

Jabro 공구 제품군에는 4가지 맞춤형 및 2가지 표준 솔루션이 있으며, 경골 트레이 부품을 가공하는 의료 부품 제조업체에 유용하다.

ISO-S 합금의 낮은 열전도율로 인한 단점을 완화하기 위해 그라인딩 작업을 가공으로 대체하기도 한다. 오랜 시간의 그라인딩 작업으로 생성되는 열은 부품에 응력을 발생시켜 변형을 초래할 수 있다. 대퇴부 무릎 부품이 연마 후 치수 사양을 벗어나 폐기율이 20-30%에 이른 제조업체도 있었다.

Seco의 애플리케이션 엔지니어들은 이 문제를 해결하기 위해 대퇴부 부품을 머시닝 센터에서 가공하는 5단계 기법을 개발했다. 이 공정은 볼 엔드밀, 부품 고정 장치와 함께 센터록 시스템을 사용해 가공 중 부품이 회전할 수 있게 한다. 이러한 카피 밀링 접근 방식은 복잡한 3D 부품 제조에 주로 사용되는 덜 단단한 부품 클램핑 셋업 환경에 매우 적합하다. 전체 공정의 절삭 시간은 약 7분 정도이며 가공 후에는 폴리싱만 마치면 된다. 해당 폴리싱 공정에 필요한 시간은 그라인딩 후 진행한 이전 폴리싱 공정보다 짧다.

소형 치과용 부품
특수 가공 방법은 ISO-S 재질의 가공 문제를 극복할 수 있게 도와준다. 고이송 밀링 방법(사이드바 참조)은 긴 공구 수명과 함께 생산성을 높인다. CoCr 강으로 만들어진 치과용 부품의 황삭 작업에는 Seco의 Jabro 엔드밀 제품군 중 하나인 3mm 직경의 JHF 180 커터를 테이블 이송 4,000mm/min, 축 방향 절삭 깊이 2mm, 원주 방향 절삭 깊이 0.2mm, 절삭 속도 66m/min로 적용했다. 코발트 크롬강에서 공구 수명은 175분이었다.

연구실과 치과 사무실에 있는 소형 고속 머시닝 센터에서는 여러 가지 소형 의료 및 치과용 부품이 가공된다. 이러한 기계에 장착된 소형 커터는 특히 소형 임플란트와 기타 부품의 윤곽 가공 작업 시 급격히 변화하는 칩 부하를 견디도록 제작돼야 한다. Seco는 이러한 요구에 부응하기 위해 Jabro Mini JM905 및 JM920 커터를 개발했다. 4 플루트 버전으로 제공되는 이 공구는 0.1mm ~ 2.0mm의 직경 및 긴 오버행 길이(최대 16 x D)로 사용 가능하다. 작은 크기에도 불구하고 일반적인 피삭재 요구 사항을 충족하는 치수로 특수 소형 부품을 생산하는 데 필요한 강도와 안정성을 제공한다.

파워 제너레이션
ISO-S 재질은 세계적으로 파워 제너레이션 산업에 더욱 활발하게 응용되고 있다. 풍력, 수력, 태양광 등 "친환경" 에너지원을 강조하는 추세에도 불구하고 아직까지 세계 전력량의 60% 이상이 가연성 연료를 통해 생산되는 실정이다. 이러한 전력 생산 방식은 대부분 가스와 증기 터빈을 사용하며, 터빈의 효율을 높이려는 노력이 이어지고 있다. 튼튼하고 가벼운 티타늄 부품의 경우 터빈 하부의 압축 구간에서 높은 분당 회전 수의 구심력을 줄여 회전 속도를 높이는 효과가 있다. 티타늄 부품과 함께 연소 구간에 HRSA 부품을 사용하면 온도를 상승시켜 엔진 효율을 높일 수 있다.

새로운 합금, 더 큰 도전
ISO-S 합금은 효율 및 성능 증대를 위한 진화를 거듭해왔다. 금속 제조업체는 점점 더 어려워지는 애플리케이션 분야의 수요를 충족하기 위해 향상된 성능의 합금을 개발했다. 예를 들어 니켈계 Inconel 738과 코발트계 SFX414 등의 검증된 HRSA는 섭씨 850도 ~ 1,200도 범위에서 작동하도록 제작됐다. GTD 262 및 Rene 108과 같은 최신 HRSA 성분은 섭씨 1,200도 ~ 1,600도 범위에서 사용할 수도 있다. 새로운 합금은 비교적 더 큰 가공 문제를 야기한다.

Seco는 최근 파워 제너레이션 터빈의 고정 부품에 사용할 수 있는 새로운 고성능 합금 가공을 지원했다. 이 재질은 내열성이 높아 가공 난이도 역시 높았으며, 절삭 속도는 Inconel 718 참조 재질의 일반적인 속도 25~35m/min보다 느린 18m/min에 불과했다.

기존의 툴링은 하나의 터빈 구간(절삭 길이 320mm)이 끝난 후 마모됐으며 터빈 제조업체는 공구 수명을 늘리고자 했다. Seco는 Jabro 780 공구 형상을 기반으로, 열악한 절삭 환경에서도 안정성을 높여주는 듀얼 코어 설계의 특수 커터를 개발했다. 원래 사용하던 변수인 절삭 속도 18m/min, 날당 이송 0.015mm, 테이블 이송 43mm/min을 적용하자 새 공구는 두 개의 터빈 구간(640mm)을 가공해 공구 수명이 100% 증가했다. 애플리케이션 엔지니어들은 절삭 속도를 16m/min로 줄이고 날당 이송을 0.017mm로 높여 공구 수명을 800mm까지 늘릴 수 있었다(공구 수명 150% 증가).

우주항공 부품
HRSA는 고온에서 높은 강도를 유지하며 크리프 및 부식 내성이 우수하기 때문에, 현대 우주항공 엔진에서 50%의 중량을 차지하고 있다.

우주항공 터빈에 ISO-S 재질을 활용하는 방식은 에너지 생산에 사용되는 터빈과 유사하나, 대부분의 경우 우주항공 분야의 공차 범위가 더욱 좁다. 예를 들어 Seco는 터빈 블레이드의 톱니형 루트 프로파일을 가공하는 특수 공구를 제작한다. 에너지 분야에서는 루트 프로파일의 공차가 10미크론 범위인 경우도 있으나, 우주항공 분야에서는 프로파일 공차가 0~5미크론(0.~0.005)으로 좁아지기도 한다.

구조적 티타늄
가볍고 튼튼한 티타늄은 터빈의 저온 구간에 활용될 뿐만 아니라 랜딩 기어와 같은 우주항공 구조 부품에도 이용된다. 랜딩 기어 부품은 기본적으로 크고 강하지만, 일반 재질로 제조할 경우 너무 무거워진다.

가벼운 랜딩 기어를 만드는 데 사용된 더 가볍고 튼튼한 신제품 티타늄 합금은 이전에 사용된 티타늄 합금보다 가공이 더 어렵다. 최근 개발된 합금은 티타늄 5553이라 하는데, 그 이유는 5%의 알루미늄과 5%의 몰리브덴, 5%의 바나듐, 3%의 크롬이 포함돼 있기 때문이다. 티타늄 5553의 장점은 인장 강도가 1,160MPa로 Ti6Al4V 참조 재질의 910MPa보다 비교적 높다는 것이다. 인장 강도가 높은만큼 Ti6Al4V보다 절삭 속도를 50% 낮춰야 한다.

겹판형 합금
단일 ISO-S 재질의 가공이 어렵다면, 두 가지 재질을 함께 가공하는 것은 더욱 어렵다. 일부 우주항공 분야의 경우 서로 다른 재질로 구성된 겹판을 가공해야 한다. 이와 같은 "샌드위치" 또는 "하이브리드"의 칩을 적절히 제어하며 진동이나 버 없이 가공하는 일은 쉽지 않다.

전형적인 예로 티타늄과 스테인리스강의 조합을 들 수 있다. 스테인리스강과 티타늄은 비교적 강도가 높으며, 점성이 있어 절삭 재질이 엔드밀에 들러붙는다는 공통된 특징이 있다.

티타늄 6Al4V/오스테나이트 스테인리스강 겹판을 사용한 엔진 마운트 가공을 위해 Seco는 티타늄 가공을 위해 특별 설계된 초경 Jabro JHP 770 공구를 적용했다. 이 공구는 부등분할 플루트 공간과 원주방향 여유각, 특수 형상 칩 공간이 있으며 내부 절삭유 공급 채널이 피삭재의 융착을 최소화하고 칩을 제거한다. 겹판형 재질을 가공할 때 이 공구는 먼저 스테인리스강을 통과시킨 후 티타늄을 통과시킨다. 전체적으로는 가공이 더 어려운 재질(티타늄)의 변수를 적용한다. 합금의 낮은 열전도율을 감안해 절삭 속도는 중간 수준인 50m/min, 이송은 0.036mm/rev 이송, 절삭 깊이는 3mm, 원호 보간 하강을 적용했다.

HSS 대안
초경 공구는 여러 상황에서 성능상 이점이 있지만, ISO-S 재질의 효과적인 가공을 위한 유일한 방법은 아니다. 때로는 고속도강 커터가 생산성 및 비용 효과적 측면에서 더 뛰어나다.

랜딩 기어 부품과 같은 여러 대형 우주항공 부품은 티타늄 또는 스테인리스강으로 된 솔리드 강편으로 가공된다. 이러한 부품의 경우 최대 직경이 50mm인 고성능 HSS 공구를 이용하면 재질을 대량으로 제거할 수 있다. HSS 공구는 Rpm이 낮고 토오크가 높은 기계로 티타늄과 스테인리스 강을 황삭 및 정삭하는 데 매우 효과적이다. 절삭 직경과 폭을 크게 설정할 수 있으므로, 저속 가동 시에도 초경 공구보다 금속 제거 속도가 빠르다.

고급 HSS 공구의 예로 코발트 함량이 8%이고 경도가 67 HRC인 Jabro JCO710 HSS-Co 커터가 있다. 플루트가 폴리싱 처리돼 마찰 및 구성 인선이 감소하며 가변 페이스 프로파일 형상으로 가벼운 절삭이 가능하고, 표면조도 값을 허용 불가능한 수준으로 만드는 떨림의 위험이 적다. 이러한 커터는 대형 티타늄 부품을 생산하는 제조업체에서 사용 시 공구 수명을 800분 이상으로 유지해준다.

중요한 애플리케이션 분야에 사용될 ISO-S 재질 가공을 위한 제조업체의 목표는 최고 수준의 품질, 신뢰할 수 있는 일관성, 그리고 생산성이다. 금속 제조업체는 고성능 응용 분야의 까다로운 수요를 충족할 새로운 합금을 개발하고 있으며, 절삭 공구 제조사는 이에 대응해 ISO-S 재질의 가공상 어려움을 극복하고 제조업체에서 가공 목표를 달성하도록 하기 위한 새로운 절삭 공구 재질과 가공 방법을 마련하고 있다.

Sidebar ISO-S 밀링 방법
ISO-S 재질은 공구와 절삭 방법을 신중하게 조합함으로써 생산적이고 비용 효과적인 방법으로 가공할 수 있다.

그러한 접근 방식 중 하나로 절삭력을 원주 방향에서 축 방향으로 전환하고 높은 테이블 이송과 낮은 축 방향 절삭 깊이를 조합한 고이송 밀링이 있다. 이렇게 하면 생성되는 칩이 얇아져 절삭 인선의 열이 방출되고, 절삭력이 절감되고, 진동이 최소화되고, 가공 작업의 안정성이 향상된다. 발열 감소 및 공구 수명의 연장 효과가 있는 고이송 밀링은 금속 제거율도 뛰어나, 기존 밀링 방식보다 최대 200~300% 더 빠르다.

고이송 밀링에는 다양한 공구를 활용할 수 있다. Seco는 글로벌 Jabro 엔드밀 제품군부터 48 ~ 62 HRc 범위의 더 단단한 강 및 코발트 크롬 합금 가공을 위해 설계된 JHF180 공구를 제공한다. 이 공구는 견고한 0.9도 테이퍼 넥 설계로 공구 휨을 줄이고 깊은 캐비티 밀링을 가능케 하며 표면조도의 품질을 높여준다. 공구 형상은 절삭 인선에서 칩을 제거할 수 있도록 설계됐다. 이러한 제품은 페이스 밀링, 슬로팅, 램핑, 헬리컬 보간, Z 레벨 가공을 포함한 고이송 밀링 분야에 적합하다.

ISO-S 재질의 기타 밀링 방법은 구체적인 작업과 피삭재 재질, 보유 중인 기계에 따라 달라진다. 기존의 접근 방식은 원주 방향 및 축 방향 절삭 깊이의 비율을 1-1로 맞춘 평균 이송으로 가공하는 것이었다. Seco의 HPM 제품군과 같은 특수 커터로 고성능 가공을 수행하면 축 방향 절삭 깊이를 늘리고 전체 폭 원주 방향 절삭 깊이를 적용해 많은 양의 금속을 제거할 수 있다. 또 하나의 대안인 고속 가공 방식은 원주 방향 절삭 깊이를 상당히 낮게 설정하고 축 방향 절삭 깊이를 크게 설정해 커터를 구동하는데 이러한 방법에는 절삭 속도와 생산성을 높이는 효과가 있다. 다양한 가공 전략을 효과적으로 구현하려면 사용 중인 공작기계 공구, 가공 공정을 수행하는 데 필요한 대형 프로그램과 파일을 처리할 CNC 시스템의 성능과 같은 요인을 조합해야 한다.

티타늄을 가공하려면 전문화된 공정 및 툴링 요구 사항의 고유한 세팅이 필요하다. 절삭 속도를 중간으로 설정하면 공구와 피삭재 간의 화학 반응을 유발할 수 있는 과다 발열이 방지된다. 가능하다면 항상 절삭유를 사용해야 한다. 절삭 인선이 날카로우면 피삭재의 칩이 더욱 수월하게 깎여 절삭력이 절감된다. 고속 가공 방법도 이와 마찬가지다.