공구의 경량구조를 통한 생산성 증대와 품질개선

경량구조가 다양한 산업분야에서 적용되고 있다. 공구 엔지니어링에서도 공구의 무게를 줄이고 에너지 효율을 개선하고자 한다면, 경량구조가 해법 중 하나가 될 수 있다.

Dr. 더크 셀머(Dirk Sellmer): 마팔 R&D 매니저

항공우주산업과 자동차산업에서 경량구조가 중요한 역할을 하고 있고 공구제조산업에서도 이슈가 되고 있다. 이동 질량을 줄이면 에너지 효율 측면에서 상당부분 개선될 수 있다. MAPAL은 고생산성의 효율적인 정밀공구 제조사로서 오래 전부터 합리적으로 정밀공구를 제작하기 위해 경량구조를 개발해왔다. 공구 경량화를 통해 에너지 효율 개선뿐 만 아니라 가공설비의 최대 중량 허용치를  개선할 수 있다.

제조 시 경량구조 공구의 장점

공구제조사에게 경량화를 요청하는 이유는 간단하다. 스핀들이나 공구 매거진 또는 그리퍼의 허용중량 때문이다. 머시닝센터에서 공구중량을 제한하는 오버터닝모멘트(overturning-moment)에서 유사한 사례를 확인할 수 있다. 공구의 질량이 크면 이송속도나 요청되는 정확도에 도달하기가 쉽지 않다. 무거울수록 스핀들이 받는 하중이 커지고 수명도 큰 영향을 받게 된다. 가벼운 공구는 공구교체 속도가 빨라 비생산시간을 줄일 수 있고, 작은 구동모멘트로 작동이 가능하며, 장비 스핀들의 가속이나 감속 시에도 에너지와 부하를 줄일 수 있다. 결과적으로 장비의 긴 수명이 보장된다. 공구는 무거울수록 교체작업이나 설정작업이 어려우며, 측정장비와 설정장비에도 공구의 무게는 큰 영향을 주는 요소이다. 경량구조의 공구 제조 자체가 기능성을 가지는 것이며 일반적으로 대경 리머는 가벼울수록 그 기능이 더욱 우수하다.

가벼운 공구를 위한 다양한 접근법

CFRP 브릿지 구조를 통해 500 ~ 3,500mm 큰 직경의 홀을 가공할 때 유리하다.

MAPAL은 공구의 질량을 줄이기 위해 다양한 접근을 시도하고 있다. 티타늄, CFRP(탄소섬유 강화 플라스틱) 또는 알루미늄과 같은 가벼운 소재에서, 경량구조를 위한 접합이나 적층가공까지 여러 가지 방법을 개발하였다. 보어홀이 크거나 돌출 부위가 긴 공구는 강 재질의 연장부를 CFRP 소재를 적용한 사례가 있다. 이런 경우 추가적인 가공 적용 범위를 더욱 넓힐 수 있다. CFRP를 적용한 공구는 강 또는 알루미늄 구조와 다른 브릿지 구조이며 열 팽창이 작아 온도변화에 따른 치수 안정성과 정확도를 유지할 수 있다. 따라서 보정이나 제어 컷이 필요 없으며, 공구의 교체도 용이하고, 굽힘 저항모멘트 또한 매우 높다.

높은 회전수를 위한 알루미늄 재질의 밀링헤드

FlyCutter는 가벼워진 무게에 강점이 있다

높은 회전수로 작업하는 공작기계에서 가벼운 공구는 활용도가 더욱 높다. 아시아권에는 소형 공작 기계들이 많이 분포되어 있다. 이 기계들은 보통 알루미늄 하우징을 가공하는 데에 사용하고 있으며, 일반적으로 회전속도가 최대 33,000 min-1인 정밀 스핀들이 장착되어 있다. 이들 공작기계의 공구 허용치는 대부분 3kg 정도이다. 공구의 질량은 원심력에도 큰 영향을 준다. 일반적으로 공구는 무겁고 회전 속도가 빠르면 원심력이 더욱 커지게 되고, 이는 스핀들이나 공구 자체에 손상을 유발하게 된다. MAPAL의 밀링헤드는 높은 회전속도에서 사용하기 위해 알루미늄으로 사용한다. MAPAL의  Fly Cutter는 높은 회전수에서 알루미늄 제품의 정삭 Milling 가공을 위한 제품으로 140mm 크기의 Fly Cutter Body와 BT30 Spindle에 적용하기 위한 부대 구성부품을 모두 합한 무게가 1.5kg에 불과하다. Fly Cutter Body는 80mm ~ 160mm까지 다양한 크기의 제품이 출시되어 있다. 공구 무게를 줄이기 위해 티타늄으로도 공구를 제작하는 경우도 있는데, 이는 특수한 사례에 해당한다.

큰 보어홀을 위한 용접 구조의 공구

대형 하우징, 예를 들어 변속기 케이스를 여러 단계로 가공하기 위해서는 대형 공구가 필요하다. 직경 300mm, 가공 깊이 600mm를 가공하기 위한 절삭공구의 최대무게와 오버터닝모멘트는 이미 장비에 의해 제한된다. 또한 가공부이는 다단홀로 복잡하게 구성되어 있고 각 홀의 동심도 규제가 까다롭고, 가공 경제성 확보를 위해 짧은 C/Time이 요구되어 개별적인 절삭공구로 가공할 수 없다. 이런 경우 해법은 용접 구조의 가이드 레일 공구이다. 이 공구는 벽부가 얇은 파이프 구조로 되어 있어 몸체 역할을 하고, 매우 안정적이며 가볍고 단단하다. 무게는 종래의 보링 바에 비해 절반에 불과하다. 절삭날과 가이드 레일의 캐리어는 용접으로 결합, 지지되어 채터링 위험이 최소화된다. 불리한 오버행에서도 공구는 정확하게 기능을 수행하는데 이는 굽힘 저항모멘트가 파이프 구조와 견고한 뼈대구조에 의해 매우 감소하기 때문이다.

MAPAL에서 이용하는 적층가공 시 용융된 면은 사각형 격자무늬를 이룬다.

3D 적층가공법은 공구를 경량화하기 위해 적용하는 최신기술이다. MAPAL은 분말형태를 기반으로 선택적 레이저 용융(溶融, melting)법을 이용한다. 금속 분말은 층층이 정위치에서 레이저 빔을 이용하여 용융된다. 아래쪽에서 위쪽으로 3D 적층되며 용융된 면은 사각형 격자무늬를 이룬다. 이 사각형들은 통계학적 구조로 설계되어 열 영향을 분산시킨다. 외부 윤곽과 면은 다양한 매개변수로 가공되는데 가공 매개변수가 재료특성에 영향을 미치기 때문이다. 선택적 레이저 용융은 제거할 부분이 거의 없어 폐기물이 생기지 않으며, 남은 분말은 다음 공정에서 재사용한다. MAPAL에서는 3D 적층가공에 10~ 45μm 크기의 분말형태인 특수 열간 가공강을 주로 사용한다. 이 재료는 많은 장점을 가지고 있어 용접이나 납땜이 가능하고, 상대적으로 뒤틀림이 없어 하이브리드 구조 제작에도 적합하다. 이 3D 적층가공으로 내부 임의의 공간적 형상이나 매우 복잡한 형상구현이 가능하고 장비 클램핑, 공구 또는 제조 과정에 의해 기능이 저하되지 않아, 많은 영역에서 새로운 가능성을 열어 주었다. MAPAL은 리머를 제작할 경우에도 내부 임의의 공간적 형상을 만들거나 경량화를 위해 3D 적층가공을 이용한다. 리머는 직경이 작은 샤프트 가공 시 가벼울수록 기능이 우수하다. 일반적으로 8.5mm 직경을 가공하기 위한 강 소재의 기존 공구는 무게가 390g정도 되지만, 경량구조의 리머는 견고한 뼈대구조로 제작되어 172g에 불과하고, 무게를 절반 이상 줄이는 데 성공하였다. 적층가공으로 제작된 리머를 사용하면 속도가 빠르고 높은 정확도로 가공할 수 있다.

생산성 증대와 가공품의 품질개선

경량구조 공구를 사용하는 이유는 회전 수, 무게, 스핀들 휨, 축과 스핀들의 역동성 등 장비요건을 개선하기 위함이다. MAPAL은 이를 위해 티타늄, 알루미늄, CFRP 등 경량재료로 이루어진 컴포넌트를 포함하여, 용접이나 적층가공 등 경량구조를 위한 여러 방법을 개발하고 있으며, 이러한 절삭공구는 현재 절삭공구의 과제인 생상성고 품질향상, 장비 안전성을 확보하는데, 최적의 Soluton이 될 수 있다.