[헬로티]

[Machine TOP (Tech of Product)] 샌드빅의 난삭재 홀 가공 테스트

‘두 번 측정하고 한 번에 홀 가공하기’ 가능할까?

‘두 번 측정하고 한 번에 절삭하는 것’은 제조 분야에서 흔히 사용되는 표현이지만, 난삭재를 가공하는 경우 말처럼 쉽지 않다. 드릴링 공정의 2차 단계 전체를 제거하면서 우주 항공 부품의 품질을 개선하고자 했던 우주항공 산업의 한 글로벌 제조업체가 샌드빅 코로만트(Sandvik Coromant, 이하 샌드빅)와 협력한 이유가 여기에 있다.

샌드빅의 글로벌 제품 매니저 제임스 소프(James Thorpe)가 드릴 설계가 홀 품질 향상에 얼마나 중요한지 살펴본다.

홀 가공은 가장 일반적인 공정이지만, 가장 당연하게 여겨지는 공정이기도 하다. 많은 생산 현장에서는 기존의 홀 가공 셋업을 변경하거나 업그레이드할 이유를 찾지 못해 수년간 동일한 공구와 가공 조건을 사용한다. 그러나 코로나19의 영향이 계속됨에 따라 이 모든 것이 바뀌고 있다.

맥킨지(McKinsey & Company)가 최근에 발표한 ‘COVID-19: Briefing note’에서는 현재의 산업계 상황을 ‘넥스트 노멀’이라고 부르는데, 이러한 상황에서는 제조업체들이 예측할 수 없는 고객 시장의 변화가 오래 지속될 것이라고 예상할 수 있다. 이 보고서에 따르면 제조업체들이 사회·경제적으로 생존하기 위한 경로를 찾으려면 회복력이 필요하다.

예를 들어, 대부분의 제조업체들은 새로운 업체 기반과 제품을 모색하고 있다. 따라서 한때 특정 생산 분야에 전문화했던 생산 현장에서는 더욱 다양한 난삭재에 CNC 선반과 밀링 장비를 투입하고 있다.

동시에 제조업체들은 제품 품질을 희생하지 않으면서 수익을 높이고 사이클 시간을 단축하는 새로운 방법을 모색해야 한다. 다시 말해, 제조업체들이 홀 가공 방법을 재고해야 할 때인 것이다.

화이트 레이어

홀 표면의 무결성은 우주항공 제조업체들이나 우주항공 산업으로 다각화하고자 하는 일반 엔지니어링 업체들의 주요 관심사다. 홀 품질의 향상은 부품 불량을 방지하기 위해 매우 중요하고 홀의 가공 또는 정삭에 사용되는 제조 공정에 의해 대부분 결정된다.

툴링 솔루션과 드릴의 절삭날 형상은 제조와 부품 품질에 관한 가장 높은 기준을 충족하기 위해 지속적으로 발전하고 있다. 또한 공구의 열 축적을 줄이기 위해 절삭유의 사용도 개선되고 있다. 그리고 테스트에 따르면 이러한 각각의 요소를 통해 가공물 소재에 대한 이른바 ‘화이트 레이어’ 효과를 제어할 수 있다.

▲홀 표면의 무결성은 우주항공 제조업체들이나 우주항공 산업으로 다각화하는 일반 엔지니어링 업체들의 주요 관심사다. <출처 : 샌드빅 코로만트>

화이트 레이어는 샌드빅의 고객이기도 한 우주항공 산업의 한 글로벌 제조업체가 만든 용어이다. 이 용어는 가공물을 드릴링 한 후 관찰되고, 드릴의 열에 의해 발생하는 얇은 초미립자 구조를 일컫는다. 화이트 레이어는 재료의 표면 특성을 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 이 고객의 품질 관리 프로세스에서 허용할 수 없는 것으로 간주되었다.

이 제조업체는 터빈 디스크, 컴프레서, 드럼, 샤프트를 포함한 우주항공 부품의 홀 드릴링에 엄격한 홀 정삭 공정을 적용한다. 이 업체가 화이트 레이어가 생기는 이유를 조사하고 화이트 레이어의 제어 방법을 모색하기 위해 샌드빅과 협력하기로 결정한 이유가 여기에 있다.

품질 관리 부서에서만 테스트가 필요하다고 생각한 것이 아니다. 고객사의 경영진도 2차 가공 공정 전체를 제거하여 전반적인 가공 시간을 줄이고 수익을 높이고자 했다. 

2차 공정

2차 공정은 초경 드릴로 홀을 만든 후에 수행되고 부품을 정삭하기 위한 리머 가공이나 플런지 밀링 가공이 수반될 수 있다. 이 2차 단계는 정밀 공차 홀의 가공을 제외하고 치수 정확도 보다는 화이트 레이어 같은 문제를 최소화해 표면 무결성 요구사항을 충족하기 위해 주로 수행된다.

전반적인 비용 관점에서 2차 공정은 표면 무결성을 유지하는 또 다른 방법인 낮은 절삭 조건을 유지하는 것보다 비용이 더 많이 든다. 이러한 이유로 이 우주항공 제조업체는 이 공정을 모두 제거하는 방법을 조사하고자 했다. 2차 공정 없이 크기에 맞는 홀을 가공할 수 있는 제품을 보유한 공급업체는 부품당 비용을 크게 낮춰 확고한 비즈니스 토대를 마련할 수 있다.

화이트 레이어의 원인과 가능한 예방 조치를 조사하는 과정에서는 ‘인코넬 718’을 드릴링하는 테스트가 4회에 걸쳐 수반되었다. 인코넬 718은 우주항공 소재로 인기가 있는 고강성 니켈 크롬 소재다.

테스트에서는 샌드빅의 솔리드 초경 드릴 ‘코로드릴(CoroDrill) R840’과 ‘코로드릴 R846’을 사용해 드릴링을 평가했다. 각 테스트는 두 세트의 가공 조건(각각 58mm/min 및 98mm/min, 회전 속도 각각 829rev/min 및 757rev/min)을 사용해 수행되었다. 화이트 레이어 두께와 마찬가지로 테스트에서 절삭 부하와 토크 데이터를 측정했다.

이 테스트 이후 R840은 -GM 형상이 적용된 ‘코로드릴 860’으로 대체되었고 R846은 -SM 형상이 적용된 ‘코로드릴 860’으로 대체되었다. 이 공구들은 홀 품질을 저해하지 않으면서 공구 수명을 더욱 향상시키도록 설계되었다.

테스트 결과는 화이트 레이어의 원인에 대한 중요한 정보를 제공해주었다. 특히 주목할 만한 점은 R846이 반경 방향 곡선 절삭날의 전처리 덕분에 화이트 레이어가 덜 발생했다는 사실이다.

반면에 R840의 직선 절삭날과 절삭날의 챔퍼는 절삭 부하, 토크 및 화이트 레이어 두께의 증가와 관련이 있는 것으로 여겨졌다. 따라서 드릴의 설계에 따라 절삭 조건을 희생하지 않으면서 화이트 레이어가 감소한 우수한 홀 품질을 달성할 수 있을지 여부가 결정된다.

이번 테스트는 화이트 레이어에 관한 몇 가지 사실을 밝혀주었을 뿐만 아니라 리머 가공이나 플런지 밀링 가공 같은 일부 2차 공정을 제거하여 시간 및 비용상의 이점을 가져다주었다.

▲코로드릴(CoroDrill) 860

설계를 통한 성능 향상

이 제품군에는 모든 산업 분야에서 ISO P, M, K, H 소재에 다방면에 걸쳐 사용되는 -GM 형상이 적용된 ‘코로드릴 860’(CD860-GM)이 포함된다. 또한 초합금(HRSA), 티타늄, 인코넬 같은 ISO-S 소재의 가공을 위한 -SM 형상이 적용된 ‘코로드릴 860’(CD860-SM)도 있다. 후자는 우주 항공 산업에서 특히 인기가 있다.

샌드빅 엔지니어들은 CD860-GM 및 CD860-SM을 통해 공구 수명이 길어지고 홀 품질이 개선되는 것은 드릴 설계의 결과라는 사실을 보여주었다. CD860-GM은 혁신적인 연마 플루트 설계로 칩 배출이 개선될 뿐만 아니라 코어 강성이 우수하고 드릴링 중에 절삭 부하가 감소한다.

반면에 CD860-SM은 새로운 재종과 최적화된 포인트 형상으로 HRSA 같은 난삭재를 가공할 때 공구 수명이 더욱 길어져 홀 품질이 향상된다.

‘코로드릴 860’은 다양한 분야의 사전 시장 테스트에서 이미 입증된 제품이다. 프랑스의 한 기계 엔지니어링 회사는 CD860-GM을 사용해 AISI 4140 구조용 강재를 가공했다. 드릴의 진입이 볼록한 경우와 오목한 경우 모두에서 우수한 홀 가공 결과를 보여주었고 진직도와 공차도 우수했다. 이후 이 회사는 샌드빅 코로만트와 새로운 비즈니스 관계를 맺었다.

또다른 샌드빅 고객인 이탈리아의 한 일반 엔지니어링 제조업체는 강 합금 34CrNiMo6을 가공할 때 CD860-GM을 사용해 경쟁업체의 드릴 대비 45% 이상의 생산성 향상을 달성했을 뿐만 아니라 공구 수명도 100% 증가했다. CD860-SM도 인코넬 718의 가공에서 인상적인 결과를 보였다. 특히 폴란드 카토비체에서 수행한 테스트에서는 CD860-SM을 사용한 결과 공구 수명이 코로드릴 R840 대비 180% 향상되었다.

우주항공 산업이든 일반 엔지니어링이든 분야에 상관없이 드릴을 목적에 따라 올바르게 설계하면 높은 공구 성능을 달성할 수 있다. 비록 ‘두 번 측정하고 한 번에 절삭하는’ 드릴링을 아직 달성하지 못했더라도 CD860-GM 및 CD860-SM의 성능은 제조업체들이 홀 가공 방법을 재고하도록 도와준다.