블레이드 가공 해법

블레이드 가공 해법

에너지 발전 효율성을 극대화하기 위하여 터빈에 주입되는 가스 혹은 증기의 온도가 높아지고 있는 가운데, 터빈의 소재 또한 높은 온도를 견딜 수 있는 내열합금의 사용이 증가하고 있다. 그러나 내열합금의 가공성은 좋지 않아 일반적인 초경 또는 하이스 공구로는 요구 생산성을 달성하기 어려웠다. 대신 내열성과 화학적 안정성, 내마모성을 갖춘 세라믹은 내열합금 가공에 가장 적합한 소재로 꼽혀왔다. 그러나, 세라믹의 뛰어난 장점에도 불구하고, 취성이라는 치명적인 단점으로 인해 절삭 가공에 적용이 어려웠다. 이러한 세라믹의 단점을 보완하기 위하여 소재, 공구 설계, 가공 방식 등 다양한 접근 방법이 모색되어 왔으며, 많은 공구 제조 메이커들을 의해 내열합금의 고속 가공이 가능한 세라믹 재종들이 개발되었다. <편집자주>

전 세계적으로 에너지 사용량이 폭발적으로 증가할 것이라는 의견이 지배적인 가운데, 자원고갈과 화석에너지 연소에 의한 환경오염 문제 등은 대체에너지, 특히 사실상 무한히 자원을 얻을 수 있는 재생에너지의 필요성을 부각시켜왔다. 그러나 재생에너지의 발전효율성 및 안정적 공급여부를 고려했을 때 획기적으로 에너지구조를 변화시킬 정도는 아니라는 게 중론이다. 즉, 향후에도 화석에너지 점유율이 절대적일 수밖에 없다는 얘기다.

[그림 1] 블레이드 소재 동향 추이

단, 화석에너지 사용에 따른 문제를 최소화하기 위하여 발전효율성을 극대화하는 것이 최선의 대안이 되고 있다. 예를 들어, 화석에너지에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 터빈 장치는 입구의 주입되는 가스 또는 증기의 온도가 높으면 높을수록, 반대로 출구에서의 온도 강하가 낮을수록 에너지 출력이 높아지게 된다. 이 때문에 높은 온도를 견딜 수 있고 경도 및 인성이 높은 소재 적용이 증가하고 있으며, 스테인리스강, 내열합금이 대표적이다.

이 중에서도 Ni-based 내열합금(ISO S)은 1000~1100℃에서도 고온경도를 유지할 수 있다는 점에서 향후 그 사용량이 빠르게 증가할 것으로 예상되고 있다. 그러나 내열합금은 높은 전단응력과 낮은 열전도성, 가공부하로 인해 발생하는 절삭열 중 10~20%만 칩에 의해 제거되고, 남은 열은 모두 공구에 흡수되어 낮은 절삭조건을 허용하는 등 공구에 극심한 부담이 되어 대표적인 난삭재로 분류되고 있다.

고내열성 세라믹이 내열합금의 유일한 대안, 그러나...

높은 열로 인해 가공부하가 심하게 일어나는 내열합금은 높은 온도에서도 안정성을 갖는 ‘세라믹’ 소재의 공구가 가장 적합한 것으로 여겨진다.

내열합금을 가공하는 경우 칩으로 열이 배출이 안 되고 그 외의 절삭날 쪽에 열이 남아있다. 이 때문에 기존 초경 또는 하이스 소재의 공구로 가공 시에는 날 끝에 열이 집중되어 절삭 속도를 올리지 못하였으며, 이로 인해 생산성에 굉장히 큰 저하를 가져 왔다. 그러나 내열성능과 화학적 안정성을 갖춘 세라믹은 열에 대한 저항성이 굉장히 우수하기 때문에 열에 의한 가공 속도 향상이 어려웠던 내열합금에서 가공 속도를 올릴 수 있는, 즉 생산성을 높일 수 있는 거의 유일한 대안으로 보고 있는 것이다.

이처럼 세라믹이 우수한 내열성과 내마모성으로 인해 높은 절삭 속도 실현이 가능한 반면에, 취성이 높아 충격에 굉장히 취약하다는 결정적인 단점을 가지고 있다. 이로 인해 가공 시 단속이 심한 구간이나, 롱칩이 나와 칩 배출의 문제가 있는 구간 등에서는 사용이 거의 불가능하다. 취성을 보완하기 위해 절삭날에 챔퍼 등을 추가한다 하더라도 절삭저항 자체가 증가하면서 진동이나 가공 부하가 많이 걸리는 문제가 발생하게 된다. 이러한 세라믹의 피할 수 없는 취약성은 특히 가공 자체가 단속가공인 밀링에서 매우 큰 약점으로 작용하고 있다.

이 때문에 많은 공구 제조 메이커들은 내열합금의 거의 유일한 대안인 세라믹의 취약성을 최대한 보완하기 위하여 세라믹 소재, 바디 디자인 및 특성 개선 등 다양한 시도를 하고 있다.
 

[그림 2] 휘스커강화세라믹 입자 모식도

취성 보완하는 세라믹 재종 개발

세라믹의 장점인 내열성, 화학안정성, 내마모성은 향상시키면서, 약점인 취성은 보완할 수 있는 다양한 방법이 있겠지만, 그 중에서도 사실상 소재 자체의 성능 개선, 즉 세라믹 재종 개발이 가장 기본적이면서도 핵심적인 단계일 것이다. 가장 대표적인 사례가 ‘휘스커강화세라믹’이다. Al₂O₃분자를 SiC 성분의 가는 막대 형태의 분자에 달라붙게 한 일종의 복합소재로서, 이러한 특수 구조를 통해 기존 Al₂O₃ 소재 세라믹의 깨지기 쉬운 단점을 상당히 상충시킬 수 있게 되었다.

기존에는 취성에 따른 돌발 파손이 일어나기 쉬워 단속 가공, 강 가공에는 추천이 되지 않았으며, 특히 밀링 인서트를 세라믹으로 사용하는 데에는 많은 제한 사항이 있었다. 결국 기존 세라믹 소재는 주철 가공이나 고경도 터닝 가공에만 제한적으로 사용되었을 뿐이었다. 그러나 세라믹의 최대 약점인 취성을 획기적으로 개선시킨 휘스커강화세라믹의 등장은 공구에 적극적으로 세라믹 소재가 도입되는 결정적인 계기가 되었다.

이처럼 공구 제조 메이커들은 세라믹의 소재 성능 자체를 개선하는 다양한 재종 개발을 적극적으로 시도하고 있으며, Walter 역시 다양한 세라믹 재종을 선보이고 있다. 특히 Walter의 신 재종 WIS10, WWS20은 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 재종으로 추천된다.

SiAlON 조성의 ‘WIS10’은 기존의 Si₃N₄ 세라믹과 Al₂O₃ 세라믹을 합성하여 제조된 세라믹으로서, Si₃N₄의 높은 기계적 특성에 더해 Al₂O₃의 고온경도, 내산화성, 화학 안정성을 겸비한 재종이다. 내열합금의 밀링 어플리케이션에 적합하며, 특히 높은 절삭속도가 가능하다는 점에서 매우 매력적인 재종이 되고 있다. 단, 여전히 높지 않은 인성은 개선되어야 할 부분이다.

‘WWS20’은 휘스커강화세라믹 재종으로서, 비원형 형상이나 울퉁불퉁한 표면을 가진 단조 가공재 머시닝 작업에 적합하다. 높은 인성과 높은 절삭속도 능력을 갖추게 되었지만, 낮은 내마모성, 주철에 대한 낮은 화학적 안정성은 단점이 되고 있다.

정리해보면, WIS10소재는 SiAlON 세라믹의 기본 특징인 내마모 성능과 내열 성능에 초점이 맞춰져서 개발된 세라믹 재종이라면, WWS20의 경우는 세라믹 소재 자체의 단점인 취성 보완에 중점을 둔 소재라 할 수 있다.

WSI10재종

WWS20 재종

 

과도한 충격을 방지하는 커터 디자인

 세라믹 인서트의 성능을 보완할 수 있는 최적의 커터 바디도 필수적이다. Walter사의 경우 최적의 바디 소재, Screwfit 시스템 등을 통해 세라믹 인서트의 취약점들을 보완하고 있다. 예를 들어 갑작스러운 세라믹 소재의 절삭날의 파손을 방지하기 위해 정확한 동심도를 유지함으로써 안정적인 가공을 지원하는 ScrewFit 어댑션, 고속절삭에서도 마이크로 수준의 제어가 가능한 웨지 클램핑 등이 이에 해당된다. 또, 라운드 형상의 인서트 또한 세라믹 소재 공구의 안정적인 가공을 한층 돕는다.
 

세라믹 커터

습식 대신 건식, 하향 대신 상향 절삭

세라믹 소재 개발, 인서트 및 바디 설계를 통해서 세라믹의 취약점을 보완하고 장점을 더욱 향상시킬 수 있지만, 내열합금에 대응한 세라믹 커터에 적합한 가공 방식을 취하는 것도 매우 중요하다.

세라믹 커터 사용 시 절삭유 사용은 신중하게 고려해야 한다. 세라믹 커터로 내열합금 가공 시에는 높은 온도의 열이 발생한다. 이 상태에서 냉각을 시키기 위해 절삭유를 분사하면 높은 온도의 열이 집중되어 있던 가공재와 세라믹 공구가 너무 빨리 냉각되면서 오히려 급격한 온도 차이에 의한 열충격을 받게 된다. 이는 결국 공구의 파손으로 이어지게 된다. 이 때문에 반드시 건식 가공을 해야 하며 제한적으로 MQL 적용이 가능한데, 이를 사용 할 때에는 열충격을 최소화하도록 MQL분사량이나 분사 방향에 유의해야 한다. 세라믹 소재 자체가 내열성이 높으므로 적당한 정도로만 온도 제어를 하면 된다.

절삭속도 또한 적합한 범위 내에서 설정해 주어야 한다. 너무 높은 절삭 속도는 회전 시 칩의 온도를 증가시켜 심한 플랭크 마모 또는 최악의 경우 절삭날의 파손을 야기한다. 반면 너무 낮은 절삭 속도는 가공 소재의 전단면 온도가 너무 낮거나 칩 처리가 불안정해져 절삭날의 칩핑의 원인이 된다. 세라믹의 경우 높은 내열성능을 가지고 있기 때문에 고속 가공 시 가공재가 세라믹보다 먼저 녹는점에 도달하면서 절삭 저항이 낮아지게 된다. 즉, 절삭에 따른 열로 인해 세라믹보다 먼저 가공재가 연성으로 변화되면서 저항이 낮아지게 되는 것이다. 때문에 일정 수준의 높은 절삭 속도를 유지할 필요가 있다.

절삭속도뿐만 아니라 이송 또한 문제가 된다. 취성을 갖는 세라믹 공구로 가공 시 이송을 너무 높이게 되면 두께가 두꺼워져 날 끝단에 칩이 닿는 구간이 많아지고,이로 인한 공구의 전단력이 증가하게 된다. 이 때문에 절삭날의 칩핑이나 플랭크 마모가 증가하게 되는 것이다. 그러므로 세라믹 소재 가공 시에는 적절한 이송량을 유지해야 한다. 

일반적으로 밀링 가공 시에는 가공성과 치수 안정성이 높은 하향절삭을 많이 사용하지만, 세라믹 공구를 사용하는 경우에는 전혀 다른 양상이 일어난다. 이는 하향절삭의 경우 초기 진입 시 상향절삭 대비 날 끝에 닿는 소재 양이 많아 충격량이 커지기 때문에 미세 칩핑이 일어나기 때문이다. 이처럼 세라믹이 파손되는 성향이 강한 만큼 절대적으로 과도한 충격을 주어서는 안 된다는 점에서 공구의 초기 진입 시 이송을 감소시키거나 Roll-in Cut 전략을 구사해야 한다는 점도 잊어서는 안 된다. 

[출처] 블레이드 가공 해법|작성자 한국발터