Walter cBN으로 5배 빠르게 정삭하기

항공기 업계에서 사용하는 내열 슈퍼 합금은 가공 요건이 매우 까다롭다. 그럼에도 불구하고 황삭 속도를 어떻게 올릴 수 있는지 살펴보자

지그프리드 샬(Siegfried Schaal): Walter AG 기술 에디터 / 감수: 한국 발터㈜ 마케팅 강희성 부장

핵심 내용

  • Walter의 신형 cBN 인덱서블 인서트를 사용하면 정삭 가공에서 정삭 속도를 초경합금 인덱서블 인서트에 비해 5배 정도 높일 수 있다.
  • CBN 인덱서블 인서트는 공구 수명이 다할 때까지 탁월한 표면 품질을 일관되게 유지한다.

최근 글로벌 팬데믹으로 모든 상황이 불투명해졌지만, 불과 얼마 전까지만 해도, 관광이나 사업상 출장으로 전 세계 항공 업계는 큰 호황을 누렸다. 업계 전문가들은 2035년까지 항공업계 수익이 두 배에 이를 것이라 낙관했었다. 기후 온난화와 세계 경제 약화에도 불구하고, 현재 상황이 마무리되고 나면 항공기 제조사 주문이 다시 들어올 것이다. 생산 공정을 높은 공정 안전성으로 지금의 속도보다 훨씬 빠르게 처리할 수 있다면 경쟁 우위를 차지할 수 있을 것이다. 하지만 내열성 슈퍼 합금을 비롯하여 사용하는 재료의 절삭 가공 요건이 점점 까다로워지고 있다. 단순히 절삭 속도를 높이는 것은 큰 의미가 없다. 인덱서블 인서트가 빨리 마모되면, 그만큼 표면 품질도 떨어지게 된다. Walter의 신형 cBN 인덱서블 인서트는 정삭 가공에서 초경합금 인덱서블 인서트에 비해 5배 빠른 가공 속도를 보장하며, 수명이 다할 때까지 일관된 표면 품질을 유지한다.

WBS10은 내열 슈퍼 합금 절삭을 위해 세라믹 바인더를 적용한 cBN 절삭 재료이다.

마모에 따른 품질 저하

내열 슈퍼 합금은 항공기 제조 과정에서 주로 엔진 부문에 사용한다. 항공 분야는 표면 품질과 공정 안전에 대한 요건이 매우 까다롭고 복잡한 인증 절차를 거쳐야 한다. 내열 슈퍼 합금 정삭에서 세 가지 요소, 즉 표면 품질과 공구 수명, 가공 속도가 매우 중요하다. 그 가운데 공구 수명은 대형 부품에서 더욱 중요한 역할을 한다. 터닝 공구의 수명이 길어야 인덱서블 인서트를 교체하지 않고 일관된 정삭을 할 수 있다. 마모로 인해 정삭 가공 중 인덱서블 인서트를 교체해야 한다면 비연속성으로 인한 품질 저하를 초래할 수 있다.

내열 슈퍼 합금을 정삭 터닝을 하려면 절삭하는 재료의 까다로운 요건을 충족해야 한다. 이는 공구와 공작 재료에 가해지는 열 부하가 높기 때문이다. 인덱서블 인서트에 사용하는 절삭 매개변수와 절삭 재료는 부품에 가해지는 열적 부하와 기계적 부하를 얼마나 잘 제어하느냐에 따라 달라진다. 공구가 빠르게 마모되면 표면 품질에도 직접적으로 영향을 끼치고, 요구되는 표면 조도를 달성되지 못하며, 공작물에 백색층이 형성되며 번거로운 후 직업이 필요하다. 빠르게 상승하는 압력과 급속히 증가하는 열로 인해 물상 변화를 초래한다. 이때 백색층, 즉 깨지기 쉬운 갈라진 층이 발생하며, 부품의 피로 강도와 마모 강도 그리고 작동 안전성이 떨어진다. Walter는 복잡한 프로세스를 거쳐 새로운 cBN 인덱서블 인서트를 개발하였다. 개발된 절삭 재료 덕분에 가공 속도를 5배 정도 높이고, 절삭 형상과 사용하는 절삭 재료가 내열 슈퍼 합금의 표면에서 마모와 백색층 형성을 줄일 수 있다.

다결정 입방 질화붕소는 줄여서 PcBN이라 한다. PcBN이 기술적으로 정확한 표기이지만, 일반적으로 cBN이라고 잘 알려져 있다. 입방정 질화 붕소와 결합제 상으로 이루어진 합성 제조된 이 복합제는 주조 가공과 하드 머시닝을 위해 개발하였다. 세라믹 결합제를 적용하여 조정한 cBN 절삭 재료는 내열성 슈퍼 합금 정삭에도 사용할 수 있다. Walter는 새로운 절삭 재료 WBS10을 위해 내열 슈퍼 합금의 특수한 요건에 맞추어 cBN 복합 재료를 최적화하였다. 이러한 유형의 미세 입자는 절삭날을 매끄럽게 하여 첫 번째 커팅부터 표면 품질에 긍정적으로 작용한다. 입방정 질화붕소는 다이아몬드에 이어 가장 단단한 절삭 재료이다. 인덱서블 인서트는 연마성 마모에 대해 잘 대비되어 있고, 내화학성과 열에도 안정적이며 확산 마모와 산화 마모를 줄일 수 있다.

Inconel 718 DA 가공 시 공구 마모.

보호 챔퍼 없는 정삭

하지만 cBN 절삭 재료만으로 큰 차이를 만들 수 없다. 기계적 영향으로부터 절삭 에지를 보호하는 것도 중요한 요소이다. 보호되지 않는 날카로운 에지는 쉽게 부러진다. 따라서 인덱서블 인서트는 10 ~ 20˚의 보호 챔퍼를 적용한다. 하지만 그로 인해 내열 슈퍼 합금 가공 시 압력이 높아지고 열이 발생한다. 이 두 요소는 이미 언급한 재료의 미세조직 물상 변화를 초래하여 백색층 형성 위험이 급격히 증가한다. Walter는 신형 cBN 인덱서블 인서트의 에지 보호를 위해 보호 챔퍼 대신 커팅 에지 필렛을 사용하여, 이를 통해 에지가 날카로워지고 필요한 안정성을 확보하였다.

Walter는 첫 번째 고객에게서 신형 커팅 형상을 적용한 필드 테스트를 통해 좋은 결과를 얻었다. Walter cBN 인덱서블 인서트 수명은 절삭 속도(vc) 250m/min에서 13분이며, 약 3.2km의 칩을 절삭할 수 있다. 이때 인덱서블 인서트 마모가 균일하여, 전체 공구 수명 기간에서 표면 품질의 변화를 느낄 수 없으며, 평균 거칠기(Ra)는 0.2 ~ 0.4μm로 신형 cBN 인덱서블 인서트로 정삭한 부품은 연마한 것 같은 품질을 보였다.

Walter는 신형 cBN 인덱서블 인서트의 에지를 커팅 에지 필렛으로 보호한다. 이를 통해 에지가 더 날카롭고 동시에 필요한 안정성을 갖게 된다.

최대 150bar로 냉각

Walter 터닝 홀더의 정밀 냉각은 인덱서블 인서트 수명에 기여한다. 최대 150bar로 냉각할 수 있지만 20bar면 충분하다. 중요한 점은 절삭 온도가 적합해야 한다는 점이며, 이는 절삭 속도, 냉각 압력, 가공되는 재료에 좌우된다. Walter의 신형 cBN 인덱서블 인서트는 초경 합금 인덱서블 인서트를 사용한 가공과 직접 비교하였을 때 훨씬 경제적인 정삭 프로세스가 가능하다. 물론 프로세스 매개변수가 잘 맞아야 한다. 현대식 장비와 조합하여 안정적이고 정밀하며 연속적인 절삭의 효율을 활용할 수 있다.