최종 제품의 품질을 좌우하는 금형의 가공에는 지금까지 이상으로 고도의 요구를 받고 있다. 이와 같은 요망에 대해 가공기계, 공구, 소프트웨어, 주변 기술 등 각각에 높은 기술이 요구된다. 이 글에서는 최신 금형을 지원하는 가공 기술에 대해, 각각의 각도에서 해설한다.

금형 제조업에서는 오늘날까지 가공 시간 단축을 명제로 모든 공구와 가공 방법이 시도되고 공정 개선이 이루어져 왔다. 그러나 최근의 절삭가공에서는 공정 개선의 대응은 내용이 변하고 있다. 가공 완료 시에 고정도인 것은 당연하고, 검사 공정에서 다시 되돌아가는 것을 줄이거나 연마 공정의 연마 시간을 단축하는 등 절삭가공의 후공정 개선도 시야에 넣은 대응이 증가하고 있다.

동사는 재작년에 전혀 새로운 컨셉의 고능률 다듬질가공용 이형 공구 시리즈 GALLEA를 제품화했다. 이 제품은 절삭날 형상을 크게 수정한 이형 공구로, 기존 볼 엔드밀이나 코너 래이디어스 엔드밀에 비해 동 공구 지름에서도 픽피드를 크게 설정할 수 있다. 또한 작년에는 20m/min 이상의 테이블 이송 속도로 다듬질가공이 가능한 고능률 다듬질용 6날 볼 엔드밀도 판매를 개시했다.

이 글에서는 픽피드와 테이블 이송 속도를 수정함으로써 공정 개선을 기대할 수 있는 최신 절삭공구와 가공 사례 및 앞으로의 전망을 소개한다.

GALLEA 시리즈

1. 컨셉

우선 처음으로 GP1LB형을 소개한다. 그림 1에 공구의 외관을 나타냈다(바렐 형상＋렌즈 형상). 외주 바렐날에 더해 엔드 부분에도 큰 R 절삭날(렌즈날)을 가지고 있으며, 대형 사이즈의 프레스 금형이나 수지 금형의 중다듬질, 다듬질가공 시간을 단축시키는 것을 목표로 한 공구이다. 렌즈날은 완만한 곡면 부분을, 바렐날은 구배면을 각각 고능률, 고품위 가공을 가능하게 했다. 그림 2에 GP1LB형과 동 외경 사이즈의 기존 볼 엔드밀의 픽피드 차이를 나타냈다. 이론 커스프 하이트값을 동일하게 한 경우의 픽피드량을 비교하면, 볼 엔드밀비 약 1.4배의 능률로 가공할 수 있다. 또한 기존 공구의 픽피드와 동일 값으로 가공함으로써 가공 시간은 그대로 면품위를 향상시키는 것도 가능하다.

▲ 그림 1. GP1LB 공구 외관

▲ 그림 2. 픽피드의 비교

다음으로 GS4TN형인데, 현재 라인업하고 있는 GALLEA 시리즈 중에서 솔리드 엔드밀의 아이템이 된다. 그림 3에 공구 외관을 나타냈다. GS4TN형은 1개의 공구로 외주 R날을 이용한 고능률 다듬질가공과 끝단 R날을 이용한 구석부 및 필릿부의 가공을 동일한 강성감으로 가공할 수 있는 것에 있다. 공정집약의 메리트와 공구 교환에 의한 단차의 회피에 동반하는 연마 공정 시간의 단축을 목적으로 개발한 공구이다. 그림 4에 기존 볼 엔드밀에 의한 3축가공과 GS4TN형을 이용한 5축가공의 메리트를 나타냈다. 이와 같이 기존 공구에 의한 3축가공에서는 가공 형상의 최소 R 사이즈에 동반해 공구 교환이 필요해지고, 그림 4에서 나타낸 소경 공구를 사용하지 않을 수 없다. 손잡이 지름의 차이 때문에 연마하기 어려운 구석부에 단차를 발생시키기 쉽고, 또한 추입가공의 리스크도 높아진다. GALLEA 시리즈는 다른 R날 사이즈를 가지고 있기 때문에 지금까지 어렵다고 여겨졌던 다듬질가공 시간의 단축과 가공면 품질 개선 및 연마 공정 시간의 단축을 가능하게 한다. 그러나 복잡한 곡면 집합체의 가공이나 동시 5축가공에서는 이형 공구에 대응한 CAD/CAM 소프트웨어가 필수이다. 가공 대상의 외관이 단순한 곡면이면 고안에 따라 활용하는 것도 가능하다.

▲ 그림 3. 공구 외관

▲ 그림 4. 기존 볼 엔드밀과 GS4TN의 공구 비교와 가공 방법

2. 가공 사례 소개

자동차 필러의 일부를 발췌한 형상을 이용한 프레스 금형의 개선 사례를 소개한다. 사용한 공구는 GALLEA 시리즈 GP1LB형과 기존 볼 엔드밀을 이용했다. 그림 5에 가공 완료 시의 사진을 나타냈다. 형상부의 대부분을 점하는 바닥부 완곡면은 면품위 향상을 겨냥해 기존 동 외경 사이즈의 볼 엔드밀과 동일한 픽피드로 가공하고, 이론 커스프 하이트량을 약 40% 작게 함으로써 면조도 향상을 목표로 했다. 또한 상면 맞춤면의 완곡면부는 가공 시간 단축을 겨냥해 기존 동 외경 사이즈의 볼 엔드밀과 비교해 픽피드를 1.4배로 가공했다. 그렇게 함으로써 약 40%의 가공 시간 단축을 달성할 수 있었다. 또한 구배면과 필릿부에 대해서는 기존 볼 엔드밀을 이용해 GP1LB형으로 가공한 곡면부와 툴패스 상에서 임의 분만큼 오버랩하도록 가공했다.

▲ 그림 5. GP1LB형의 절삭 사례

앞에서 말했듯이 가공 개선에서 품질 향상과 가공 시간 단축의 양면을 한 공구로 달성할 수 있는 가능성이 있고, 공정 집약에도 크게 공헌할 수 있다. 또한 최근의 CAD/CAM 소프트웨어에 대해서도 2016년부터 이형 공구에 대응하는 툴패스의 실장 스피드가 촉진되어 기존 공구와의 병용에서 조작성이 크게 향상되고 있다. 이번에 소개한 가공 사례는 3축가공기에 의한 것인데, CAD/CAM 소프트웨어의 이형 공구 대응 상황에 따라서는 앞으로 5축가공기에서도 사용할 수 있는 범위가 증가할 것으로 생각한다.

3. GALLEA 시리즈의 효과

GALLEA 시리즈의 컨셉은 픽피드를 크게 설정함으로써 절삭 거리를 짧게 할 수 있으므로 가공 시간 단축에 대해서는 테이블 이송 속도로 좌우되기 어렵다고 할 수 있다. 오늘날에는 가공하는 금형 형상의 복잡화나 구석부 R의 축소가 요구되는 가운데 5축가공기를 활용하고 싶다는 문의도 많아지고 있으며, 이 컨셉은 가공 시간 단축과 품질 향상에서 효과를 낼 수 있는 공구이다.

6날 볼 엔드밀 EPHB형

1. 컨셉

다음으로 6날 볼 엔드밀 EPHB형을 소개한다. 픽피드를 크게 설정해 고능률 가공을 하는 것은 테이블 이송 속도에 좌우되지 않기 때문에 계산 상의 가공 시간과 실제 가공 시간의 오차가 작고 가공 시간의 시뮬레이션 정도가 높아진다. 그러나 최근 고속 머시닝센터도 크게 발전하고 있으며, 테이블 이송 속도를 높게 설정한 고이송 절삭을 해도 추종성이 양호하기 때문에 가공 시간의 시뮬레이션 정도도 향상되어 왔다. 그렇기 때문에 고이송 가공도 많은 금형가공 메이커에서 실시되고 있는데, 더 향상된 고이송 가공의 요망도 커지고 있다.

이에 동사는 이들 요망에 대응해 다날화에 의해 고이송 가공을 실현한 6날 볼 엔드밀 EPHB형을 제품화했다. 그림 6에 외관을 나타냈다. 날 수를 6개로 설정함으로써 저절입으로 테이블 이송 속도가 20m/min 이상인 고이송 가공이 가능하고, 특히 절입은 작게 설정하기 때문에 다듬질 공정에서 효과가 나는 공구이다.

▲ 그림 6. EPHB형 공구 외관

그림 7은 EPHB의 뾰족한 끝을 나타낸 그림이다. 앞에서 말했지만, EPHB는 다날화에 의해 20m/min 이상의 고이송을 실현한 공구이다. 그러나 볼부 중심까지 6날 설계로 하면, 중심부 부근에는 절삭칩을 배출하는 칩포켓을 확보할 수 없게 되어 절삭성이 크게 떨어진다. 그렇기 때문에 볼 중심부는 2날로 하고 칩포켓을 확보할 수 있는 형상으로 했다. 따라서 20m/min 이상의 고이송 절삭을 효율적으로 하기 위해서는 2날로 되어 있는 볼 중심 부근을 제외한 6날의 부위를 사용하는 것이 바람직하다. 최근 금형가공에서도 보급되고 있는 5축 머시닝센터 등을 유효하게 활용함으로써 금형 등의 가공 형상에 좌우되지 않고 초고능률 다듬질가공이 가능해진다.

▲ 그림 7. 공구의 뾰족한 끝을 나타낸 그림

다음으로 EPHB형에서 타깃으로 한 다듬질 가공에서 문제가 되는 과제로서는, 공구 마모에 의한 치수 오차 발생, 공구 수명에 의한 공구 교환 시에 발생하는 가공 단차를 생각할 수 있다. 이들 과제는 공구 마모를 억제, 장시간이라도 1개의 공구로 가공할 수 있으면 해결할 수 있다. 다날화에 의해 고이송 가공을 실현하는 것은 일반적으로 생각되고 있지만, 다날화에 의해 공구 마모를 억제하기 위해서는 절삭 중에 각 날에 걸리는 부하의 균일화가 중요해진다. EPHB에서는 고정도의 제조 방법에 의해 각 날의 편차를 최소한으로 하고 절삭 중에 걸리는 부하가 각 날에서 균일화될 수 있게 했다.

그림 8에 절삭 중의 각 날의 편차를 확인하기 위해 절삭저항을 측정한 데이터를 나타냈다. 절삭 중에 공구가 1회전하는 동안에 절삭저항이 걸리는 부분을, 날 수인 6군데 측정할 수 있다. EPHB에서는 이들 6군데의 절삭저항 편차가 매우 작은 결과가 됐다. 각 날에 걸리는 절삭 중의 부하가 균일하면, 각 날의 공구 마모 진행도 균일해지고 공구 수명도 길어진다. 한편 기존 제조 방법으로 제작한 6날 볼 엔드밀로 동일한 측정을 한 결과, 각 날의 부하 편차가 커지고 부하가 크게 걸린 절삭날에서는 손상(마모)가 빨라져 그 결과 공구 수명도 짧아진다.

▲ 그림 8. 절삭저항 파형의 비교

2. 가공 사례 소개

EPHB를 이용한 절삭 사례를 2가지 소개한다.

① 플라스틱 금형 재료인 HPM7을 피삭재로 하고 R4의 EPHB를 이용해 그림 9에 나타낸 절삭 조건으로 평가를 했다. 45°의 가공면을 1,400m 절삭했을 때의 공구 마모는 매우 작아 아직 절삭할 수 있는 상태였다. 이것은 각 날의 편차를 최소한으로 억제한 6날의 효과에 의해 절삭날이 균일하게 마모하고 있기 때문에 고이송·장수명이 실현됐다. 

▲ 그림 9. EPHB의 절삭 사례①

또한 이번의 절삭 사례에서는 45°의 경사면을 가공했기 때문에 공구의 마모는 한 군데에 집중된 형태가 됐지만, 실제 복잡한 형상의 금형이라면 볼 엔드밀의 R날 전체를 사용해 가공을 하게 되기 때문에 공구의 마모는 R날 전체로 분산되므로 더욱 작아질 것으로 생각된다. 공구 마모가 매우 작았기 때문에 가공면의 상태에서도 절삭 초기와 1,400m 절삭 후의 가공면 조도에 큰 차이는 볼 수 없었다. 이번에 절삭 길이로서 1,400m 절삭을 했는데, 가공 면적으로 환산하면 2.1m×2m 면적의 금형을 R4의 볼 엔드밀 1개로 다듬질한 것이 된다. 그 결과, 공구 마모에 의한 치수 오차의 발생을 억제할 수 있고, 공구 교환을 할 필요도 없어 고능률로 가공을 할 수 있었다.

② 다음으로 실제 프레스 금형을 가정한 가공 사례를 소개한다. 가공 형상은 그림 10에 나타낸 금형 형상의 1부분을 취출한 형상이다. 일반적으로 프레스 금형의 다듬질 공정에서 사용되는 공구는 R15 정도의 날끝 교환식 공구를 이용하는 것이 많다. 또한 볼 엔드밀의 중심부는 절삭 속도가 올라가지 않고 절삭성이 떨어지기 때문에 30도 정도 기울여서 절삭성이 좋은 부분을 이용하는 케이스가 있다. 이와 같은 가공에서 R4의 EPHB를 이용해 다듬질가공의 비교를 했다.

▲ 그림 10. EPHB의 절삭 사례②

우선 EPHB를 이용함으로써 테이블 이송 속도가 21m/min 이상이 되고, 가공 능률은 계산 상에서 2.5배 이상이 됐다. 실제 가공에서는 가공 형상에도 기인해 계산값 대로의 능률이 되지 않는 케이스도 생각할 수 있는데, 가공 시간의 단축 효과는 기대할 수 있다.

또한 R15 날끝 교환식 공구에서는 픽피드를 0.6mm로 설정하고 있기 때문에 이론 상의 커스프 하이트는 약 3.0μm가 된다. 

이번에 R4의 EPHB를 이용해 픽피드를 0.3mm로 설정함으로써 이론 상의 커스프 하이트는 약 2.8μm로, 능률이 향상되고 있음에도 상관없이 이론 상의 가공면 조도도 약간이지만 좋은 수치가 된다. 가공한 결과의 수치에서는 인서트 공구로 가공한 부위의 최대 산높이는 Rz10.4μm였던 것에 대해 EPHB로 가공한 부위는 Rz7.1μm 정도였다.

또한 이번의 가공 형상에서 구석부는 R10으로 설계되어 있으며, R15의 날끝 교환식 공구로 가공을 실시하면 구석부에 가공 잔삭이 발생하게 된다. 이 경우, 보통이라면 후공정에서 R10 이하의 공구를 이용해 구석부만을 가공하는 것이 일반적이다. 실제로 가공을 하면, 공구 교환을 하고 있기 때문에 약간이지만 가공 단차가 발생해 문제가 되는 케이스가 있다. 이번 R4의 EPHB를 이용해 가공을 했기 때문에 구석부까지 1개의 공구로 가공을 한 것이 되어, 후공정의 절감까지 실시할 수 있었다. 당연하지만 공구 교환 없이 구석부까지 가공을 하고 있기 때문에 가공 단차의 발생이라는 문제도 해결할 수 있었던 것이 된다.

3. EPHB의 효과

이번 사례에서는 R15의 날끝 교환식 공구에서 R4의 EPHB로 변경한 경우의 이점을 소개했다. 이와 같이 공구 사이즈를 작게 한 경우에서도 EPHB를 사용함으로써 가공 능률 향상·가공면 상태의 향상·가공 공정 절감의 효과를 기대할 수 있다. 또한 공구 수명이 매우 길기 때문에 유효하게 활용함으로써 여러 부위에서 이점이 나올 것으로 생각된다.

맺음말

이번에 다듬질가공에서 고능률 가공에 기여할 수 있는 공구를 소개했다. 일반적으로 엔드밀 등을 이용해 절삭가공으로 고능률의 금형가공을 하기 위해서는 절입을 향상시키던가, 이송 속도를 향상시키던가 2가지 방법밖에 생각할 수 없다. 이번에 절입을 향상시켜 고능률 가공을 하는 GALLEA 시리즈와 이송 속도를 향상시켜 고능률 가공을 하는 EPHB를 소개했다. 이들 공구가 여러 가지 금형가공의 고능률화를 검토하는 가운데 선택의 폭을 넓히는 툴이 된다면 좋겠다.

앞으로도 시장 요구를 빠르게 파악해 고객의 가공에 공헌할 수 있도록 노력해 갈 것이다.

마에다 카츠토시 (前田 勝俊)   三菱日立툴(주) 야스공장 개발기술부 주임기사

토쿠야먀 아키라 (德山 彰)   三菱日立툴(주) 영업본부 글로벌솔루션센터 주임기사

본 기사는 일본 일본공업출판이 발행하는 「기계와 공구」지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.