생산성 향상을 위한 항공우주 산업용 CFRP 가공 툴
항공기에는 경량이면서 강도가 높은 CFRP나 티탄합금 등 내열합금이 많이 사용된다. 또한 그 적용비율도 신형 항공기가 개발될 때마다 증가하고 있다. 그러나 이러한 소재들을 활용하기 위해서는 생산성 높은 고정도의 가공법 개발이 필요하다. 항공우주산업용으로 개발된 케나메탈의 CFRP 가공 툴의 기능과 특징에 대해 소개한다.
한국케나메탈 조아란 마케팅 팀장
CFRP/티타늄 겹판 가공용 솔리드 초경 드릴
CFRP-금속 겹판에 홀 직경 범위 3/16~5/8"(4.763~15.875mm)를 드릴링하기 위한 새로운 B55_DAL 드릴을 소개한다. 이 드릴 제품은 CFRP-Ti-Al, CFRP-Ti, CFRP-Al은 물론이고, 순수 Ti 또는 Al과 같은 모든 겹판의 조합에 적용할 수 있다. 
새로운 소재에는 새로운 솔루션이 필요하다. 항공우주 업계에서는 강도를 극대화하고 중량을 최소화하기 위해 티타늄 또는 다른 소재와 함께 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 샌드위치 구조 겹판을 사용하는 연구를 계속하고 있다. 이러한 소재를 사용하면 날개, 기체, 조종석 및 다른 여러 부품에서 무게를 줄이면서 필수적인 성능을 제공할 수 있다. 탄소 섬유와 금속은 기계적 특성이 크게 다르기 때문에 패스너 홀을 효과적으로 드릴링하기 위해서는 높은 내마모성과 최적의 공구 형상을 구현해야 한다. 이러한 작업에는 버 없는 고품질 홀을 가공하는 것이 매우 중요하다.
새로운 B55_DAL 드릴의 더블 앵글 포인트 디자인은 탁월한 센터링 성능과 날카로운 인선으로 겹판 상층의 CFRP를 깔끔하게 절삭하고 티타늄 또는 알루미늄 사이드를 버 없이 깔끔하게 관통한다. 미립자 솔리드 초경 Beyond™ KN15™ 재종은 고품질 폴리싱 처리가 되어 있어 MQL 또는 건식가공에서도 탁월한 칩 배출을 제공한다.
로봇 또는 자동화 드릴링 유닛을 사용하는 작업을 포함하여 모든 홀메이킹 작업을 위한 광범위한 직경과 길이를 사용할 수 있다. 또한 새로운 스택 드릴은 원래 공정 사양에 맞게 재연마할 수 있으므로 경제성이 더욱 개선되었다.
CFRP 가공용 라우터 시리즈
CFRP 부품은 무게 대비 강도가 매우 우수하기 때문에 항공우주 애플리케이션 분야에서 널리 사용되고 있으며, 자동차 경주, 스포츠 용품(스케이트보드 및 조정 보트)을 비롯한 다양한 분야에서 부각되고 있다.
그러나 이러한 소재의 특성은 유용한 제품을 만들 수 있지만 가공을 어렵게 만드는 원인이 된다. 플라스틱 수지는 가볍지만, 금속이나 합금처럼 칩이 깎여 나가는 것이 아니라 부서지고 부러진다. 탄소섬유 보강재는 강도가 극히 높기 때문에 절삭공구를 빨리 무디게 만든다. 또한 소재가 여러 방향으로 적층되어 있기 때문에 홀을 드릴링할 때 층의 분리가 발생할 수 있다.
케나메탈은 수년간 항공우주 및 기타 복합소재 제조업체에 맞춤형 절삭공구 솔루션을 제공해 왔으며, 이번에 CFRP의 성공적인 가공을 위해 특별히 개발된 BeyondTM 솔리드 초경 KCN05TM 라우터 라인을 선보였다.
각 라우터는 CFRP 작업을 위해 특별히 제조된 고유의 형상을 하고 있으며, 모두 솔리드 초경 서브스트레이트와 HP 다이아몬드 코팅으로 구성되어 고속 가공이 가능하고 긴 공구 수명을 제공한다.
티타늄 가공용 Beyond Blast
케나메탈의 고성능 툴링 제품의 혁신 기술인 BeyondTM 플랫폼은 높은 소재 제거율과 연장된 공구 수명을 통해 광범위한 금속가공 작업 분야에서 30% 이상 향상된 생산성을 제공한다. 케나메탈의 선임 제품 매니저인 Osny Fabricio는 “애플리케이션에 따라 현장 테스트에서 최대 300%까지 공구 수명이 길어지는 효과를 확인했다”고 말했다.
인서트를 통해 밀링커터와 인서트의 접촉면에 정확하게 쿨런트를 공급하는 Beyond Blast는 소재의 절삭면에 직접 쿨런트를 공급하여 더욱 효율적인 쿨런트 공급과 열 전달 및 윤활성을 통해 향상된 절삭 성능을 보장한다.
Beyond Blast는 최대의 소재 제거율(MMR)을 얻을 수 있도록 가공 속도와 이송을 높이면 밀링 생산성을 극대화하고 제조 비용을 낮출 수 있다. 여기서 핵심은 바로 가장 효과적인 쿨런트 공급이다. 절삭가공을 수행하면 마찰열이 발생한다. 절삭 속도를 높이면 공구가 열을 흡수하는 비율이 속도와 함께 증가한다. 최적의 성능을 얻으려면 공구를 적절하게 냉각시켜야 한다.
쿨런트를 적절하게 공급하면 여러 가지 효과를 통해 공구 수명을 향상시키고 최대 유효 절삭 속도를 높일 수 있다. 반대로, 적절한 냉각이 이루어지지 않으면 인서트가 빠르게 가열되고 공구 수명이 단축된다. 많은 경우에 피삭재 또한 과도하게 가열될 수 있다. 이렇게 되면 표면 조도와 치수 제어에 부정적인 영향을 미치고 일반적으로 소성 변형이라고 하는 파괴 모드가 이어진다.
기존의 외부 쿨런트 제트는 절삭 부위를 조준해도 종종 절삭 영역의 뒷부분에 쿨런트 제트가 분사되어 제어가 어렵고 낭비가 심하다. 이렇게 되면 효율적인 절삭이 이루어지지 않고, 칩을 절삭날 쪽으로 되밀어 다시 절삭하게 되면서 마찰이 증가하고 공구 손상을 가속화하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지할 수 있도록 설계된 맞춤형 고압 시스템(1,000psi 이상)은 설치하고 유지하는데 수만 달러의 비용이 든다.
특수가공 분야에서는 4,000psi 이상으로 쿨런트를 공급하는 초고압 시스템도 도입되고 있다. Beyond Beyond BlastTM는 밀링커터와 인서트의 접촉면에 인서트를 통해 최적으로 쿨런트를 공급한다.
그림 1의 테스트 절삭은 일반적인 냉각 애플리케이션은 공구가 피삭재를 절삭할 때 가장 높은 열이 발생하는 지점을 종종 놓치는 경우가 있음을 보여준다. 일반적인 냉각 애플리케이션의 경우 칩 생성 후 쿨런트가 칩을 다시 치면 소기의 의도와는 반대로 칩을 다시 절삭 부위로 밀어넣어 공구 마모를 가속하는 결과를 낳는다. 이 문제의 원인 중 하나는 쿨런트 공급 노즐이 피삭재에서 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문이다.
Beyond Blast의 인서트 내부를 통한 냉각 방식은 쿨런트를 공구와 칩 사이에 훨씬 더 가깝게 공급한다. 쿨런트의 압력도 조절할 수 있다. 그러나 인서트를 통해 쿨런트가 공급되기 때문에 더욱 안정적인 제어가 가능하고 절삭날 부분의 온도를 획기적으로 낮출 수 있다.
Beyond Blast는 선삭 및 밀링 애플리케에션에 적용되며, 두 분야 모두에서 상당한 생산성 향상을 기대할 수 있다. Fabricio는 “티타늄의 선삭 테스트에서 Beyond Blast 인서트는 쿨런트 압력 100psi에서 같은 압력의 외부 쿨런트를 사용한 동일한 인서트보다 공구 수명이 75% 향상된 결과를 나타냈다. 쿨런트 압력의 영향을 측정하기 위해 실시한 또 다른 테스트에서는 100psi의 쿨런트 압력을 적용한 Beyond Blast 공구의 수명이 1.000psi의 압력을 적용한 동일 형상의 인서트와 거의 같게 나타났다”고 말했다.
그림 3은 Beyond Blast 인덱서블 밀링 인서트와 밀링커터 및 인서트를 통한 쿨런트 공급 경로를 나타낸다. 티타늄(TiAl6V4) 소재의 밀링 테스트에서는 더욱 탁월한 결과가 확인됐다. 인서트 형상과 절삭 조건에 따라 Beyond Blast 공구는 스핀들을 통한 쿨런트 공급 시스템 대비 공구 수명이 최대 300%까지 연장됐다.
Fabricio는 “Beyond Blast를 통해 케나메탈은 새롭게 향상된 선삭 및 밀링 제품 포트폴리오를 보유하게 되었고 금속가공업체들은 제조 공정을 쉽게 업그레이드할 수 있다. 이 시스템은 플러그 앤 플레이 솔루션이다”라고 말했다.
