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발터, 인덱서블 밀링 기술 공유
김우겸 기자|kyeom@kidd.co.kr
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발터, 인덱서블 밀링 기술 공유

Xtra·tec® XT, BLAXX, M4000 인서트 밀링 커터

기사입력 2022-11-08 16:59:14
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발터, 인덱서블 밀링 기술 공유
[산업일보]
발터는 최근 인서트 밀링 커터를 집중 소개하는 ‘Mastering Indexable Milling’ 온라인 세미나를 전 세계 고객을 대상으로 진행했다. 이번 세미나에서는 발터 제품의 ‘신뢰성’, ‘유연성’, ‘강력한 파워’를 대표하는 최신 밀링 제품과 다양한 가공사례들을 소개했다.

‘신뢰성’을 대표하는 제품은 Xtra·tec® XT 밀링 커터다. 커터 바디의 설계 변경을 통해 성능 면에서 개선을 이뤘다. 여유각이 작은 인서트를 사용하고 줄어든 여유각은 커터 바디에서 보충해, 동일 커터 대비 더 많은 인서트를 장착할 수 있도록 했다. 인서트 시트 포지션을 조정, 강성을 보강했다.

이날 세미나를 진행한 발터 테크놀로지센터 존 얀센 매니저는 '작업 시간을 절감 할 수 있는 스마트한 밀링 전략을 사용하면, 절감된 작업 시간에 다음 공정을 준비 할 수 있다'면서 '이러한 전략을 지속 가능하게 하는 것이 바로 신뢰성'이라고 강조했다.

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‘유연성’을 대표하는 M4000은 시스템 인서트를 기반으로 한 인서트 밀링 커터다. 4각 기본 시스템 인서트는 진입각은 15°로 사용 시 축 방향에서 칩을 얇게 만드는 전략의 고이송 컷터로 활용되며, 동일한 인서트를 각각 직각 밀링 및 정면 밀링 커터는 물론, T-슬롯 밀이나 챔퍼 밀, 포큐파인 커터, 엔드밀 타입 커터 등 다양한 밀링 커터에 적용할 수 있다.

존 얀센 매니저는 'M4000 커터는 다양한 전체 밀링 작업 방식을 하나의 시스템 인서트로 구현했다고 보면 된다'면서 '따라서 인서트 재고 종류를 줄여 공간 절약은 물론 관리비용 절감에 도움을 준다'고 설명했다.

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탄젠트 체결 방식을 채택해 강력한 절삭과 이송하는 BLAXX 밀링 커터 라인의 경우, 인서트 체결 위치에 인서트를 삽입·체결하면, 강력한 인서트와 커터 바디의 결합이 이뤄져 속도와 이송이 빨라진다. 인서트의 강력한 배열로 강성이 확보되기 때문에, 다양한 가공환경에서 날당 이송을 최대 30%까지 높일 수 있다.

발터는 3가지 밀링 제품에 이어 Tiger·tec® Gold WSP45G 인서트를 소개했다. 이 제품은 세계 유일의 PVD Al2O3 코팅 재종으로 내마모성과 인성이 조화를 이뤘으며, 강재, 스테인리스강, 초내열합금과 같은 난삭 소재 등의 가공에 적용된다. 특히 발터가 새롭게 개발한 텅스텐 카바이드 인서트 제조방식을 적용해 인서트 코팅 시 발생하는 인장응력을 효과적으로 제거했다는 점이 주목할 만하다.

인장응력은 공구 수명에 영향을 미치는 중대한 요인 중 하나다. 밀링은 커터가 회전하며 소재를 가공하며, 공구는 이런 가공과정에서 고온과 저온에 반복적으로 노출된다. 코팅 시 발생한 인장응력은 인서트 크랙을 촉발하고 저온과 고온을 반복하며 생기는 온도 차로 인해 열 충격이 급격히 확산되면서 균열이 생기기 시작한다. 이에 따라 가공장비 부하가 증가하고 절삭압력도 커져, 결국 인서트 파손을 야기한다. 인서트 파손은 공구 본체에 영향을 미쳐 공구 수명을 단축하고 가공품질을 떨어뜨린다.

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Tiger·tec® Gold 인서트 재종은 새로운 코팅방식을 적용해 코팅 단계에서 인장응력을 감소시켰기 때문에, 이런 문제를 근본적으로 해결할 수 있다는 설명이다.

인서트 타입 밀링 커터은 초경 엔드밀과 비교시 큰 파이에서 경제성을 갖췄다. 작은 직경일 때 초경 엔드밀의 가격은 그리 비싸지 않지면 직경 1인치(25.4mm)부터는 공구 가격이 급격히 올라가 고객에게 큰 부담이 된다. 물론 공구비용을 절약하기 위해 작은 직경의 엔드밀을 사용할 수도 있지만, 가공물 크기가 큰 경우 시간당 가공량이 만족스럽지 못할 수도 있다. 이런 경우 인서트 타입 밀링 커터가 유용한 대안이 될 수 있다.

다양한 가공사례들
발터는 이번 세미나에서 밀링 제품의 특징인 신뢰성, 유연성, 강력한 파워를 직접 확인해볼 수 있는 다양한 가공사례와 함께 보다 높은 가공성능을 달성하기 위한 가공 팁들을 전했다.

8각 인서트를 장착한 Xtra·tec® XT M5004 커터로 오스테나이트계 스테인리스강(SUS304)을 Parallel 및 Spiral 툴패스 방식을 적용해 페이스 밀링을 진행한 결과를 비교했다. 이때 절삭조건은 vc=220m/min, fz=0.2mm, vf=1735mm/min, ap=2.5mm, ae=max.26mm였다.
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Parallel 방식은 가공 후 커터를 올려 다음 경로로 이동할 때 절삭유에 의해 날이 냉각되면서 인서트에 열 충격이 가해진다. 가공이 진행되면서 열 충격이 누적되며 이로 인해 인서트 파손이 발생한다.

반면, Spiral 방식은 커터 전면이 가공면과 계속 접촉하고, 공구 경로는 바깥쪽에서 안쪽으로 설정돼 나선형으로 이동하면서 계속 가공물과 접촉 상태를 유지한다. 따라서 가공 내내 동일한 수준의 온도가 유지되기 때문에 열 충격에 노출될 위험이 현저히 낮아진다. 존 얀센 매니저는 'Parallel 방식과 달리 초경 온도가 일정하게 유지되므로 인서트 파손 거의 없이 높은 가공성능을 특히 기존 방식은 거의 모든 장비에 사용되는 공구반복 캐네드(Canned) 사이클로 프로그래밍으로 인해 가공이 쉽고 간편해 시간이 거의 소요되지 않음에도 불구하고, 오히려 Spiral 방식보다 사이클타임이 더 길게 나타났다. 뿐만 아니라 Parallel 방식보다 Spiral 방식으로 가공했을 때 표면조도가 훨씬 좋았다.
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즉, 공구 진입 시 안쪽으로 원을 그리듯 이동하거나 포물선 경로를 사용하면 부드러운 가공을 할 수 있고 칩 두께도 얇아지며, 진동이 감소해 훨씬 더 안정적인 가공작업이 가능하다. 이는 공구 수명 연장과 사이클타임을 감소한다.

Xtra·tec® XT M5004 커터는 툴 홀더 자체 길이를 볼 때 최대한의 연장길이를 가지고 있어, 어떤 이송조건에 도달했을 때 진동 및 채터링이 발생하는지 테스트를 진행한 결과를 살펴봤다. 이때 가공조건은 오버행길이 5×d, vc=245mm/min, vf=850mm/min, ap=100mm, ae=35mm였다.

그 결과 날당 이송이 0.007인치(0.178mm)일 때까지는 양호했으나, 그 이상이 되면 진동이 심해지고 채터가 발생하기 시작했다. 여기에 Accure·tec이라는 진동 방지 시스템을 장착해보니 날당 이송을 0.018(0.46mm)까지 높여도 채터로 인한 소음이 거의 없고 공구를 미는 힘도 이전보다 훨씬 강력해진 것을 확인할 수 있었다.

추가로 고이송 커터 M5008를 예로 들면, 기존 NCT에서는 날당 이송이 0.024인치(0.61mm), Accure·tec 시스템에서는 날당 이송이 0.039인치(1mm)에 도달했을 때까지 채터 발생 없이 안정적인 가공이 가능했다.

결과적으로, Accure·tec를 사용하면 Xtra·tec® XT M5004 커터에서는 81%, 고이송 커터 M5008에서는 25%까지 금속 제거량이 증대되는 것으로 나타났다. 43도 접근법을 사용하든, 고이송 커터를 사용하든 더 우수한 결과를 보장한다는 것이 발터 측의 설명이다.

숄더 밀 M5130은 유효날이 7개로, 직경이 동일한 90° 밀 대비 날이 1개 더 많다. Xtra·tec® XT 설계로 날이 1개 더 추가됐으며 정확한 직각 가공을 구현해 가공면 품질을 향상의 이점을 제공한다.

실제 직각 가공으로 완성된 표면을 보면, μm 단위 기준 0.225(5.7mm)로, 이는 8RA인치에 해당한다. 굉장히 매끈하다는 의미다. 이런 결과가 나타난 것은 인서트에 2차 와이퍼 날을 사용했기 때문이다. 또한 0.9배로 사용하면 스캘럽(이송마크)이 전혀 생기지 않는다. 스캘럽이 많으면 굴절현상이 발생해 공구 수명에 나쁜 영향을 미치며, 최종 정삭을 하더라도 정삭을 한번 더 추가해야 하는 문제가 있다.
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M5130 커터로 오스트나이트계 스테인리스강을 램핑 가공한 결과 전체 커터 바디의 활용이 가능하고 가공물 통과속도가 훨씬 빨라지는 것으로 나타났다.

카피 밀링 또는 라운드 인서트 커터 M5468로 플런징 밀링을 할 경우 라운드 인서트 바닥면으로 플런징 작업이 이뤄지고 많은 소재를 한 번에 빠르고 효과적으로 제거할 수 있다. 모든 절삭력이 스핀들 방향으로 올라갔다가 가공물에 가해진다. 실제 M5468 커터로 구 형태의 윤곽 황삭 작업 시 공구가 바닥쪽 끝까지 계속 가공을 하는데, 이때 10.1°씩 각도를 조정하면 램핑 경로로 가공을 진행한다.

발터는 필드 세일즈 엔지니어 브라이언 슐츠의 고객인 미동부에 위치한 3B의 사례를 소개했다.

2016년 설립된 3B는 현재 CNC 장비 7대를 보유하고 프로토 타입 제작 및 생산을 전문으로 하고 있다. 주로 풍력발전용 부품과 가스라인 부품을 주로 가공하며 항공부품도 일부 생산 중에 있다. 저탄소강부터 알루미늄, 스테인리스강을 다루는데 이중 스테인리스강의 비중이 가장 높다.

3B는 발터의 Xtra·tec® XT M5008 커터를 사용하기 전 다른 회사의 고이송 커터를 사용했는데 가공성능은 크게 문제가 없었지만 인서트 소모량이 많았고, 또한 전체 반경을 최대 절입깊이로 사용하기 위해 여러 제품을 적용해 봤으나 만족할만한 가공성능을 얻지 못하는 상황이었다. 특히 채터가 생기거나 표면 품질이 낮거나 작업시간이 너무 길어 어려움을 겪고 있었다.

3B의 브래드는 '발터의 Xtra·tec® XT M5008 커터를 사용해 다양한 가공작업은 물론 정삭까지 깔끔하게 할 수 있게 됐다'고 전했다.

브래드의 설명에 따르면, 특히 작업시간 면에서 큰 개선을 이뤘다. 이전에는 약 1시간 45분 정도 소요되던 작업시간이 반제품의 경우 단 10분으로 단축됐다. 100개를 생산한다고 가정할 경우 작업시간은 약 150시간, 스핀들 여유시간은 3~4주 정도 절약하게 된다. 특히 보유한 기계가 많지 않은 소규모 공장에서 작업시간 절약은 수익 증대로 이어지는 만큼 만족도가 크다는 것이 브래드의 전언이다. 시간 및 비용을 절약할 수 있다면 발터 서비스를 계속 이용할 것이라고 덧붙였다.

브라이언 슐츠 엔지니어 역시 '리서치나 엔지니어링에 많은 시간을 할애하기 어려운 소규모 공장과 협업해 작업효율을 증대시키는 것이 바로 발터가 제공하고 싶은 서비스'라고 강조했다.

3B는 발터와 인연을 맺으면서 페이스밀, 엔드밀, 드릴을 점차 발터 제품으로 바꿨으며, 최근에는 Tiger·tec® 인서트를 알루미늄 및 스테인리스강의 가공에 두루 사용 중에 있다.

브래드는 '가장 좋았던 점은 웹사이트에서 속도와 피드를 검색하는 방법과 발터의 커터를 최대한 활용하는 방법을 알려준 점'이라며 '우리 공장이 위치한 지역엔 공구회사가 없어 비즈니스 운영이 쉽지 않았는데 발터와 협력을 지속해 나간다면 우리 회사 미래에 큰 도움이 될 것이라 생각한다'고 전했다.

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발터의 북미지역 제품 매니저 브라이언 베이커는 소규모 공장을 운영하는 고객사례를 예로 들며 M4000 커터 제품군에 대한 설명을 이어갔다.

브라이언 베이커 매니저는 공구에 지출할 예산이 많지 않고 많은 양을 공구를 설치할 장소도 부족하다는 점을 고려해 M4000 시리즈를 추천했다.

M4000 시리즈 커터는 고이송 밀링부터 직각 밀링, 페이스 밀링까지 다양한 커터 바디에 기본으로 사용할 수 있는 시스템 인서트가 두 가지가 포함되며, 1개 또는 2개의 기본 인서트로 챔퍼 밀링, T-슬롯 컷팅 플런지 밀링, 헬리컬 밀링도 가능하다. 즉, 인서트만 교체해 다양한 가공에 활용할 수 있다. 인서트는 기본 시스템 인서트 외에도 다양한 재종과 크기가 제공되므로 고객이 용도에 맞춰 얼마든지 선택, 적용이 가능하다.

존 얀센 매니저는 '인서트를 교체해 사용하면 기계 설정시간이 절약되고 보유할 기계가 줄어든다는 정점이 있다'고 설명했다.

브라이언 베이커 매너저는 3가지 크기 인서트 시스템(SD..06T2.., SD..09T3.. SD..1204..)을 사용해 다양한 가공을 진행한 결과를 소개했다. 인서트 시스템 크기는 6mm, 9mm, 12mm이며 모두 정사각형의 기본 형태로 돼 있다.

M4002 고이송 커터는 소재제거율이 매우 높고 빠르며 정면 밀링, 포켓 작업, 홀 램핌 작업 등 다용도로 활용이 가능하다. 긴 돌출부에 진동이 거의 없기 때문에 표면 마감이 매끈하며, 모든 힘이 공구 옆으로 분산됨 없이 스핀들로 즉시 이동한다.

6mm 인서트를 M4002 커터에 장착해 포켓작업을 진행한 결과, 소재에 따라 커터 바디를 교체하고 접근하는 각도만 변경해 사전 기초 홀 작업 없이 바로 풀 포켓을 만들 수 있었다.

빠른 소재 제거 속도를 실현했다. 9mm 인서트를 장착해 정면 밀링 대신 플런지 밀링을 해보면, 작업이 견고해 많은 소재를 빠르게 제거하며 빠르게 슬롯을 만들 수 있을 뿐 아니라 가공품질도 좋았다.

M4792 커터는 바닥 방향으로 직접 가공하거나 경사면 램핑에 사용할 수 있으며, 원호 보간 방식의 홀 가공은 물론 가공된 홀 안으로 들어가 측면으로의 슬롯 가공도 가능하다. 풀 포켓을 만드는 탄젠트 경사 작업 시에도 양쪽면 마감이 깨끗하고, 열이 공구나 가공물에 남아있지 않고 칩으로 전달돼 안정적인 가공을 실현한다. 풀 슬로팅에서도 전체 직경과 깊이를 한번에 작업하기 때문에 문제가 전혀 발생하지 않는다.

M4132 커터에 12mm 인서트를 장착한 풀 슬롯 작업 시 전체 깊이와 전체 플루트를 사용하며, 12mm 인서트에 8mm 깊이를 사용해 풀 슬롯을 만들었다. 빠른 속도와 부드러운 움직임이 유지됐다. 9mm 인서트를 장착해 기본적인 직각 밀링을 해보면, 역시 아주 많은 소재를 빠르게 제거하는 것으로 나타났다.

8mm 깊이에 커터가 1/3 정도 접촉하면서 가공이 진행되며, 가공표면도 월등하다. 특히 추가 작업 없이 단 한 번의 황삭만으로도 표면 마감이 매끈하게 마무리되는 것을 확인할 수 있었다.

6mm 인서트를 T-슬롯 커터에 장착한 후 T-슬롯 커팅을 진행했다. 바닥쪽을 쭉 내려가는 방식이 일반적이나, 엔드밀로 T-슬롯 커터를 사용할 수 있는 슬롯 상단만 작업을 해 바닥쪽을 가공해 나갈 때 지속적으로 연속 가공을 하는 상태가 된다. 절단면에 접촉한 상태를 유지함으로써 공구 수명은 연장되고 슬롯 품질은 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 일반적인 가공방식을 사용할 경우 컷을 통과할 때마다 인서트에 불필요한 충격과 영향을 가하게 된다.

존 얀센 매니저는 '다양한 가공사례에서 볼 수 있듯이 M4000 커터는 공구 하나로 다양한 작업을 할 수 있는 매우 유연한 공구라 할 수 있다'고 강조했다.

브라이언 베이커 매너저는 장시간 진행되는 작업이나 기계의 파워를 이용해야 하는 고객을 위해 티타늄 기계가공을 예를 들어 설명했다. 브라이언 베이커 매니저의 실제 고객으로, 대형 블록, 헤비 밀링, 자동화 작업을 필요로 했다. 고객에게 가장 중요한 것은 대형 작업물을 빠르게 가공하면서 동시에 밀링장비가 다음 날 아침 원래 상태로 대기하는 것이었다.

BLAXX M3255 커터는 여러 개의 인서트열이 본체를 따라 자리 잡고 있다. 플루트가 5개이기 때문에 5개 유효날을 사용할 수 있을 뿐 아니라, 강력한 제품을 만들기 위해 탄젠트 장착이 가능한 인서트를 포함하고 있다.

스크루가 인서트 상면을 정면으로 통과하고 인서트는 장비 안쪽에 장착되는 기존 방식은 모든 절삭력이 인서트로 향하게 돼, 절삭력이 인서트의 가장 약하고 얇은 부분을 관통하게 된다. 반면, 인서트를 탄젠트로 장착하면 인서트가 장비 측벽쪽으로 장착되고 스크루가 커터에 수직으로 체결되면서 인서트 단면이 더 넓어지고 인서트 모재가 큰 절삭력에도 잘 견딜 수 있게 된다. 장비의 마력을 최대한 활용할 수 있게 돼 더 안정적인 작업이 가능해지는 것이다.

다른 고객의 예를 보면, 장시간 많은 양의 작업을 해야 하는 경우다. 하루에 24시간, 일주일에 6일을 작업해야 했으며, 다른 고객들처럼 가끔 인서트가 부러지거나 모서리가 파손되는 현상이 발생했다. 그러나 제품을 생산하는 것만으로 충분히 힘든 상황이기 때문에 이런 상황이 용납될 수 없었다.

이에 대한 해법으로 발터는 Xtra·tec® XT 라인을 제공했다. Xtra·tec® XT에서 XT는 실제로 확장된 기술을 의미한다. 발터는 이 공구를 재검토하고 다시 엔지니어링해 최신 장비용으로 고객 요구에 적합하게 만들었다.

직각 밀인 M5130를 살펴보면, 대부분의 커터는 외측으로 15°의 여유각을 갖는다. 커터 측면의 여유각을 줄이고 인서트의 단면 넓이와 두께를 확장해 인서트 파손의 위험을 줄였다. 인서트 두께가 두꺼워지면 차지하는 면적도 넓어져 포켓에서의 인서트 안정성이 향상된다. 이런 이유로 인서트를 두껍게 더 많이 배치할 수 있게 됐다.

또한 인서트 체결을 위해 포켓을 틀었는데 포켓 방향으로 인서트가 회전되며 커터당 평균 1개의 날을 추가로 장착할 수 있는 여유공간을 확보하게 됐으며, 이에 따라 생산성도 크게 향상되는 결과를 얻었다.

국제산업부 김우겸 기자입니다. 산업인들을 위한 글로벌 산업 트렌드와 현안 이슈에 대해 정확하면서도 신속히 보도하겠습니다.


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