절삭 공구 그리고 미래의 절삭 공구 제조법

절삭 공구 제조사들이 다양한 압박에 시달리고 있다. 이는 극동의 저가 공급업체들이 초래하였다. 미래의 생존을 위한 공정 최적화 대안으로 레이저와 최신 접합 기술이 있다.

토마스 괴츠(Thomas Götz) & 안드레아스 겝하르트(Andreas Gebhardt): 프라운호퍼 생산 기술 및 자동화 연구소 IPA 연구원

핵심 내용

  • MM은 앞서 절삭 공구 제조의 미래와 관련하여 일반적인 프로세스 체인과 이에 대해 적층 가공이 제공할 수 있는 것을 다루었으며, 계속해서 레이저 공구의 가능성을 처음 언급하였다.
  • 이번 기사는 레이저 주제에 대한 또 다른 인식과 헤드와 인덱서블 인서트의 납땜 연결을 대신할 우수한 대안을 다룬다.
  • 구조 접합 기술은 발열 작용이 적어 새로운 절삭 재료를 사용할 수 있으며, 훨씬 정밀하고 저렴하게 적용할 수 있다.

레이저 기술이 기존의 절삭 가공을 보완하여 절삭 공구 제조에 경제적인 대안을 제공한다. 레이저 기술을 이용하여 철을 베이스로 하는 공구뿐만 아니라 초경합금과 다이아몬드 베이스의 고강도 절삭 재료를 빠르고 부드럽게 고품질로 가공할 수 있다[LAS]. 레이저 빔은 재료를 용해시키는 방식으로 공구를 절단하고 공구의 형상을 만든다[EWA 2017]. 그로 인해 가공 영역의 발열 작용이 초경합금과 같이 열전도성이 우수한 재료에 근소하고 가장자리 구역 손상 위험을 최소화할 수 있다[DAN, KÖT 2006]. 레이저 기술은 취성(외부 힘에 의한 소성 변형 없음)이 있어 가공하기 어려운 경질 절삭 세라믹 가공에 적합하다. 따라서 경질 절삭 세라믹은 미세 균열이나 손상 없이 재료를 선택적으로 가공하는 단파 레이저 기술로 작업한다[PUL].

레이저 가공의 장점

레이저는 절삭날 가공에도 장점을 발휘한다. 절삭 가공에서 제품의 뛰어난 표면 품질을 달성하기 위해서는 예리한 절삭날이 필요하다[FRI 2002]. 절삭날을 레이저 가공할 경우, 절삭날이 안정화되어 가공뿐만 아니라 수명 극대화를 위해 최적화된다[KÖT 2006]. 레이저를 이용하여 절삭날을 가공하면 절삭 재료가 레이저 펄스에 의해 제거되어 절삭날의 라운딩이 최소화되고 파손도 일어나지 않는다. 이런 효과는 일반적인 절삭법으로는 구현하기가 어렵고 불가능하다[KÖT 2006, LAS]. 레이저 가공은 공구의 마지막 제조 단계인 표면 처리에서 의도한 대로 기술적 특성을 바꾸는[TRU] 새로운 잠재력이 있다. 알루미늄 합금 등의 금속 재료 절삭 시에 가공 공정(표면 품질, 치수 정확도)과 공구 수명을 악화시키는 구성 인선(절삭 과정에서 칩 일부가 경화하여 공구 끝에 용착한 것)과 재료 점착의 위험이 있다. 이는 에지 표면에 마이크로 범위 및 나노 범위의 레이저 가공으로 대처할 수 있다[BON 2017]. 레이저 스트럭처링 되고 마찰 공학적으로 기능화된 공구 표면은 공구와 공작물 간 접촉면과 칩 표면에서 칩의 접촉면을 줄인다. 이는 마찰 부하를 극복하기 위한 힘 비율을 낮추고 구성 인선을 억제하여 전체적으로 마모가 줄고 수명이 길어진다[RAT 2016, ZHA 2015]. 또한 처음 연구에서 마이크로 구조는 모세관 현상에 의해 냉각제 흐름이 개선하고 전체 공구 절삭 부분 가운데 접근이 어려운 부분에도 냉각제가 잘 공급된다는 점이 밝혀졌다[CHA 2011, ZHA 2015].

절삭 공구 제조 공정에 사용하는 기법과 제조 단계는 공구 품질과 절삭 중 성능에 영향을 미친다. 공구 유형에 따라 공정 체인에 속한 일부 단계를 빼거나 순서를 바꿀 수 있다. [FRI 2002] 참조.

대안적 결합 방법인 접착

절삭 공구 제조에서 선호하는 유형은 두 가지다. 절삭부와 샤프트를 일체형 절삭 재료에서 만들어 내는 방식으로 매시브 공구로 성형하거나 공구가 여러 부분으로 이루어지도록 제작하는데, 이때 샤프트는 보다 견고하고 저렴한 기본 재료로 구성되고, 절삭날은 보다 경질의 내마모 재료(초경합금, CBN)로 구성되며, 후자의 경우 적합한 접합 기술이 필요하다. 공구를 구성하는 여러 부분들은 기계적으로(나사 또는 클램프) 연결하거나 납땜과 같은 결합 방식으로 연결할 수 있다[KLO 2007]. 절삭날을 기본 몸체에 결합하기 위해 흔히 사용하는 접합법은 현재 700° C 이상의 온도에서 이루어지는 경납땜이다. 하지만 이 기술을 적용할 수 있는 절삭 재료의 범위는 극히 제한적인데, 이는 절삭 재료가 경납땜에 적합하지 않거나 열적으로 손상을 입기 때문이다[STR 2018, TIG 2018]. 다이아몬드(PKD)의 경우, 온도가 730° C를 넘으면 흑연화[TIG 2018] 되며, 높은 온도는 절삭 공구를 뒤틀리게 할 수 있다[STR 2018].

공구 캐리어에 절삭 요소를 설치할 경우 납땜에 대한 대안으로 구조 접착제를 사용할 수 있다. 이 구조 접착 기술은 발열이 적고, 공정 비용을 절감하며, 보다 정밀하고 새로운 절삭 재료들을 조합할 수 있다.

절삭날을 공구에 고정할 수 있는 구조 접착제는 납땜에 대한 우수한 대안이 될 수 있다[BRA o.J., STR 2018]. 구조 접착제의 장점은 접착 재료 대상에 대한 유연함이다. 구조 접착제는 강과 초경합금, PKD/CBN, 절삭 세라믹 등[BRO 2008, HAA o.J., LUH 2012, MOS 2013] 다양한 재료들을 결합할 수 있다. 냉간 접착이므로 절삭 재료의 미세 균열과 조직 변화도 피할 수 있다[BRO 2008]. 또한 경납땜 시에는 변형 또는 번거로운 세척으로 인한 후 직업 비용이 전혀 들지 않는다[DOO 2011].

초기의 접착법을 적용한 사례는 알루미늄 절삭을 위해 세라믹 톱니를 접착한 원형 톱[MOS 2013, STR 2018] 등, 열 및 기계적 부하에 덜 노출되는 절삭 공구에 국한되었다. 리머의 경우에도 작은 초경 합금판을 구조 접착제로 접합할 수 있다[BRO 2008]. 앞으로 접착법을 통해 진동이 적고 부식에 강하며 무게를 줄여 질량 관성을 낮출 수 있다[DOO 2011, HAA].

절삭 공구 제조에서 접착법을 사용할 경우 아직까지는 많은 수작업이 필요하다. 또한 접착 연결부의 기계적 강도와 열적 강도와 관련하여 많은 개선이 필요하다[BRA o.J., BRO 2008, DOO 2011, STR 2018]. 무엇보다 자동화 옵션을 개발하는 것이 중요하며, 자동화는 표면 처리, 부품 고정, 접착제 도포에서 경화까지 전체 프로세스 체인을 대체하고, 더 빠르고 더 저렴하게 접착할 수 있어야 한다[BRA, BRO 2008, DOO 2011, STR 2018].

미래를 보장하려면 전문가 네트워크가 필요하다

이제 절삭 공구 제조사들은 새로운 도전에 직면하고 있다. 저임금 국가의 공구, 생산성 증대, 수명 증대, 새로운 재료, 새로운 제조(전기 이동성) 등으로 인한 절삭 과제에 대한 변화가 압박하고 있다. 하지만 전통적인 방법뿐만 아니라 업계에 알려지지 않은 새로운 방법들이 계속해서 발전하고 이러한 도전을 통해 극복할 수 있는 기회를 제공하고 있다. 적층 가공, 레이저 기술, 대안적인 접합 기술과 같은 새로운 기술이 있지만 아직 널리 보급되지 않고 있다. 절삭 공구 제조에서 새로운 접근법들이 신속하게 구현되기 위해서는 제조 공정에 관련된 모든 관계자(제조사 및 기술 공급자)들이 폭넓은 네트워크로 연결되어 저임금 경쟁 국가에 대응하고 독일의 기술 입지를 보장해야 한다. 프라운호퍼 IPA의 “절삭 공구 혁신 포럼 – 새로운 도전을 위한 새로운 기술”은 “중소기업 혁신 포럼”의 일환으로 BMBF(독일 연방 교육연구부)는 많은 자금을 후원하였다. BMBF의 후원과 관련 기업들에게 감사드린다.

참고 문헌

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