티타늄 합금을 가공하는 갠트리 밀링 머신 센터

우주 항공 산업에서 사용하는 티타늄 부품 제조용 턴키 기계 설계에 F. Zimmermann GmbH가 Mapal을 파트너로 지정하였다. 개별화된 갠트리 밀링 머신 센터에서 새로운 공구로 라인 보링 공구(Line Boring Tool)을 통해 1.5m 길이의 서스펜션에 고정밀 보어가 만들어진다. 이 과정에서 티타늄 합금 TA15m이 가공하기 매우 어려웠다.

 

토비아스 침머만(Tobias Zimmermann): Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG의 Mapal 공장 기업 커뮤니케이션 분과 매니저

 

핵심 내용

  • 갠트리 밀링 머신 센터에서 티타늄을 가공하기 위해 F. Zimmermann GmbH은 공구 전문가 Mapal과 협력했다.
  • 티타늄 합금 TA15m으로부터 단조 블랭크를 가공할 수 있는 턴키 솔루션이 나왔다.
  • 공구가 부품 앞에 정위치할 수 있는 밀링 헤드 VH60이 있는 6축 FZ42은 특수한 회전 조작이 가능하다.

 

독일 남부 노이하우젠에 위치한 F. Zimmermann GmbH는 대형 갠트리 밀링 머신 센터로 유명한 업체이다. 이 회사는 첫 번째 디자인에서 여러 단계의 디스플레이 모델에 이르기까지 전체 제품 개발 과정에서 대기업의 R&D 부서와 협력한다. “한때는 우리 기계가 형태를 갖고 있는 모든 것의 마스터 폼 역할을 했습니다.”(슈테펀 뉘슬러, Zimmermann 수출 영업 매니저 및 응용 기술 매니저)

모델 제작에 사용되는 일반적인 재료는 목재와 스티로폼, 우레올(Ureol) 등이었다. 20여 년 전 알루미늄을 시작으로 금속 가공에 뛰어들었다. 이는 동시에 우주 항공 산업의 문을 여는 계기가 되었다. 이후 철강과 복합재 그리고 티타늄, Waspaloy, Incoel, Invar를 비롯한 초내열성 재료의 가공을 시도하였다. 이러한 재료는 모델 및 샘플 제작에 초점이 있는 것이 아니다. 이 갠트리 밀링 머신 센터는 우주 항공 산업이 부품 제조용 생산 기계로 사용한다.

“우리 회사의 특징은 기본적으로 기계 제작 공장이고 대량 생산제조 업체가 아닙니다.”라며 슈테펀 뉘슬러가 Zimmermann을 설명하였다. 이 업체의 모듈식 설계를 통해 고객의 요건에 맞게 기계를 조립하기가 비교적 쉬운 편이다. 아시아의 한 항공기 부품 제조 업체는 Zimmermann의 기계를 여러 대 사용하고 있으며, 기존에 납품받은 것보다 많은 수량을 이번에 발주하였다. 고객은 이번 주문에서 많은 기능과 부가적인 이점을 구비한 고도로 맞춤화된 갠트리 밀링 머신 센터를 주문하였다. 또한 특정 부품을 가공하기 위한 장치도 개별 요청하였다. 그 외에 해당 업체의 책임자는 특수 가공을 위한 공구 세트도 Zimmermann에서 특정하길 요청했다. 물론 부품 프로그래밍도 주문에 포함되었다. “요약하면, 고객이 버튼만 누르면 부품이 생산되는 턴키 기계를 만들어야 한다는 것입니다.”

가공해야 할 부품은 약 150mm 길이의 서스펜션이다. 이 부품의 가공상 문제는 러그 상의 990mm 길이에 차례대로 나란히 위치하는 12개 보어이다. 고객은 이 보어에 대해 고도의 정밀도를 요구하였으며 직경이 17mm인 보어에 공차 H7을 주문하였다. 부품 전체 길이에서 보어의 동심도는 0.05mm 미만이어야 하고, 이와 동일한 정확도가 부품 표면과 보어 러그가 이루는 직각도에도 요구하였다.

Zimmermann은 공구 파트너로 Mapal을 선택하였다. “우리는 이번 턴키 프로젝트 응용 기술을 위해 우수한 시스템 파트너만 고려하고 타협하지 않았습니다.”라고 슈테펀 뉘슬러는 Mapal과 함께 한 최고의 경험에 대해 언급하였다.

 

모든 분야의 지식이 요구되다

“이번 프로젝트는 우리 회사 전 분야의 기술 지식을 필요로 했습니다. 시작 초기에는 Zimmermann과 함께 동시 엔지니어링을 위한 기초로 사용했던 부품 도면 외에는 아무것도 없었습니다.”(스벤 프랑크, Mapal OEM 매니지먼트 글로벌 책임자) CAD/CAM 기반 NC 시뮬레이션이 핵심이었고, 밀링 전략과 개별 공정 시퀀스 그리고 장치 컨셉트 정의의 기초를 제공하였다. 양쪽 파트너가 모두 확신한 바와 같이, 매우 구체적인 시뮬레이션과 개별 단계의 미세 조정은 양사의 협력에 매우 큰 가치가 있었다. 시뮬레이션은 전체 사이클 시간도 계산했다.

Optimill-TroTitan은 포켓 벽부를 가공한다. 이때 전체 깊이를 한번에 가공한다.

분말 야금 티타늄을 위한 티타늄 공구

프로젝트 파트너는 고객이 가공할 부품, 즉 티타늄 합금 TA15m 소재의 단조 블랭크에 맞는 재료를 선택하는 데에 고심하였다. “우리 직원들은 항공기 티타늄을 이미 알고 있었고, 항공기 티타늄이 무엇과 관련이 있는지도 알고 있었지만, 우리 회사 항공기 전문가들조차 티타늄 합금 TA15m이라는 합금에 대해서는 전혀 알지 못했습니다.”(슈테펀 뉘슬레) “이 재료는 우리에게도 이색적인 것이었습니다.”(옌스 일크, Mapal 에어로스페이스 &복합재 세그먼트) TA15m은 분말 야금으로 제조된 재료였다. 소결된 이 물질은 특수 프로세스를 통해 재압축되어 단조 부품으로의 특성을 지녔다.

기계 설계를 위해 고객은 블랭크를 제공하지 않았다. 따라서 티타늄 잉곳에서 출발하여 전체적으로 가공 여유를 남긴 블랭크 형태를 밀링하는 것과 별반 다를 것이 없었다. 따라서 고객이 생산할 때에 출발점이 되는 미가공 부품을 모방했다. 예비 작업에만 30시간이 소요되었다. Zimmermann의 기계 셋업과 병행하여 Mapal은 이미 공구 테스트를 시작하였고, 이 테스트에서 Mapal은 완전히 새로운 세대의 티타늄 공구를 개발하였다. 높은 연삭률을 달성하기 위해 Neomill 티타늄 쉘 엔드 밀링 커터를 사용하였다. Mapal은 칩이 최적으로 형성되고 제거되는 방식으로 인덱서블 인서트의 새로운 디자인을 개발했으며, 또한 새로운 절삭 재료 개념은 마모와 구성인선 형성을 최소화하였다.

숙련된 엔지니어조차 공구가 부드럽고 거의 소리 없이 작동하는 것에 놀라움을 표시했다. 공구 수명도 인상적이었다. 베른트 쇼이렌브란트가 예상한 60분을 훨씬 넘어섰다. “일부 공구는 6시간 이상 사용했습니다. 이는 놀라운 공구 수명입니다.”(베른트 쇼이렌브란트). 이러한 결과는 무엇보다도 공구에 대한 절삭 영업에서 열을 감소시키는 뛰어난 표면처리와 우수한 접착력과 열 안정성을 지닌 최신 코팅 기술 덕분이다.

Mapal은 부품의 캐비티와 포켓을 제거하기 위해 특수 길이의 솔리드 초경 밀링 커터 Optimill-Titan-HPC를 선택했다. 러그 사이의 간격을 가공할 때 Optimill-Tro-Titan 트로코이드 밀링 커터는 짧은 접촉 시간과 최적의 방열로 장점을 입증할 수 있었다. 전체 깊이에 맞물려 표면이 반사되는 완벽한 직선 벽을 만들었다. “우리는 테스트에서 러그를 밀어내거나 진동을 일으키지 않고 3mm의 벽 두께로 밀링을 마쳤습니다.”(옌스 일크). 이러한 점은 슈테펀 뉘슬레를 안심시켰다. “엔드밀로 되지 않았다면, 힘이 서로 상쇄되도록 사이드 밀링 커터와 병행하여 양면의 웹을 가공하는 특수 장치가 필요했을 것입니다.”

티타늄을 가공할 때 발생하는 열을 발산하기 위해서는 우수한 냉각이 필수 사항이다. 밀링 커터에 전체 절삭유 압력이 가해지도록 하기 위해 내부 급유가 가능한 Mapal Mill Chuck을 사용하였다. Zimmermann은 절삭유를 위해 추가 프로젝트 파트너로 Blaser Swisslube를 선택했으며, 이 회사의 절삭유는 고압에 적합했다.

Mapal은 러그의 측면 드릴링을 위해 Mega SpeedDrill Titan을 기반으로 앵글 헤드가 있는 특수 도구를 개발했다. 이 드릴은 구멍을 뚫어 버를 제거하고 이어서 뒤쪽의 카운터 싱크 스텝이 이어지고 뒤쪽으로 챔퍼를 돌린다.

라인 보링은 서스펜션의 메인 보어를 가공하는데 이상적인 방법이다. 12개의 러그는 각각 3개의 웨브가 있는 4개 그룹으로 배치된다. 우선, 이 러그 패키지 가운데 첫 패키지가 안내된다. 이후 두 번째 러그 패키지를 가공하기 위한 드릴이 초기 가공된 구멍으로 안내된다. 공작물의 길이로 인해 러그 패키지 3과 4는 반대쪽에서 미러링 처리해야 한다. 직경 17mm, 길이 685mm의 라인 보링 바가 마무리가공을 담당하며, 두 개의 조정 가능한 절삭날이 장착되어 있고, 가이드 부시의 러그 사이로 안내된다. 첫 번째 절삭 날이 메인 보어를 뚫고 초기 가공 중에 발생할 수 있는 정렬 불량을 고른 다음 바로 절삭날 2는 H7 품질로 완성된 직경을 생성한다. 긴 보링 바를 보며 옌스 일크는 광선검을 연상했다. “공구를 공작물 앞에 배치하기 위해 이 회전 조작을 하면 영화 스타워즈 같은 느낌이 납니다.” VH60 밀링 헤드가 있는 6축 FZ42 갠트리 밀링 머신은 회전을 위한 충분한 공간 이상을 제공한다. 작업 공간 크기는 8.50m × 3.90m × 1.50m이며, 고정 기계 테이블이 있는 영역과 추가 처리를 위한 회전 테이블이 있는 영역으로 나뉜다.

슈테펀 뉘슬레가 설명하는 것처럼 Mapal 테스트 센터의 결과를 Zimmermann의 기계에 적용하는 것이 프로젝트의 중요한 단계였다. “당사 갠트리 밀링 센터는 Mapal의 테스트 센터에 있는 머시닝 센터보다 훨씬 크고 이동 질량 도크며 레버 길이가 더 깁니다. 그리고 그렇게 강직하지 않습니다.”

직경 17mm이며 전체 길이 685mm의 라인 보링 바가 메인 보어를 마무리 가공한다.

전환부 가공이 제대로 작동했다

걱정했던 것은 기우로 판명되었다. 이곳저곳에서 높은 수준의 공정 신뢰성으로 원하는 정확도를 달성했다. 구멍을 양쪽에서 뚫어 만나고 작은 오정렬이 가능한 공작물의 중심에서도 마찬가지였다. 측정 결과, 전환부 가공이 제대로 작동했음이 증명되었다. 이 지점에서 측정된 편차는 단 8μm에 불과했다. 라인 보링 공정은 기계는 이송과 속도만 제공하는 반면 실제 기하학적 안내는 장치에서 제공되기 때문에 일단 정밀도가 달성되면 몇 년이 지나더라도 여전히 재현될 수 있다.

Zimmermann은 장치를 설계할 때 진동 감쇠를 위해 많은 노력을 기울였다. 하지만 수많은 걸쇠와 브래킷으로 인해 여러 가지 파괴적인 윤곽도 발생했다. 이 부분에서 모형 제작의 노하우를 활용하여 플라스틱으로 만든 블랭크를 초기에 생산했다. “첫 번째 시도에서 뭔가 잘못된다면 값비싼 티타늄과 공구 그리고 기계까지도 손상되었을 것입니다.”(슈테펀 뉘 슬러) 하지만 처음부터 순조롭게 진행되었으며 첫 번째 티타늄 부품에 대해 절삭 매개 변수만 조정하였다.