[첨단 헬로티]

최근에는 해외와의 경쟁에 노출되어 있으며, 생산 현장에서는 저코스트·단납기·고품질이 요구되고 있다. 또한, 워크 가공 형상의 복잡화, 가공 정도의 요구 등 생산 현장에서는 가공 기술의 향상이 날마다 요구되고 있다.

티탄합금이나 스테인리스스틸, 초경합금 등 기존에는 절삭이 어려웠던 재료의 수요가 높아지고 있는 추세다. 특히 항공산업, 발전 등의 에너지 분야, 의료 관계에서 수요가 높고, 워크 형상은 복잡하고 고정도의 가공 요구가 많다. 이러한 요구를 해결하기 위해 절삭공구 메이커에서는 제품의 연구·개발이 이루어지고, 다양한 절삭 조건, 용도에 적합한 제품을 전개하고 있으며 유저의 관심도 높다.

그러나 툴홀더는 그 역할의 중요성을 아직 충분히 인정받고 있지 않다. 툴홀더는 공작기계와 절삭공구를 연결하는 어댑터로서 고속·고정도 가공을 실현하는 데 중요한 역할을 하고 있으며, 툴링 메이커에서는 절삭공구의 성능을 충분히 발휘할 수 있게 많은 제안을 하고 있다.

난삭재 가공에 대응하는 툴홀더의 과제로서 엔드밀 가공에서 ‘채터’라고 불리는 가공 이상의 억제를 들 수 있다. ‘채터’는 저강성의 절삭공구나 툴홀더의 사용 시, 스테인리스강 등의 난삭재 가공에서 빈번하게 발생한다. 이 ‘채터’를 해결하기 위해서는 툴홀더의 고강성, 방진 기능 추가, 고진동 정도, 고파악력이 요구된다.

이 글에서는 유키와정공의 주력 제품인 콜릿척의 특징과 많은 유저에게 호평을 받고 있는 슈퍼 G1 척 시리즈를 소개한다.

콜릿척의 특징

현재 다양한 툴홀더가 존재하고 있는 가운데, 콜릿척이 다른 툴홀더보다 우수한 점은 이하와 같다.

•‌ 콜릿을 교환함으로써 동일한 홀더로 복수의 공구 섕크 지름에 대응할 수 있다.

•‌ 파악력이 필요한 거친가공에서 정도가 필요한 다듬질가공까지 동일한 홀더로 대응할 수 있다.

•‌ 전용 스패너로 척, 언척이 가능하고, 특별한 장치를 필요로 하지 않는다.

이상과 같이 콜릿척은 범용성이 높고, 사용성이 좋아 취급이 쉬운 툴홀더이다.

G1 척 시리즈

‘G1 척 시리즈’는 ‘슈퍼 G1 척’, ‘하이브리드 G1 척’, ‘그린 G1 척’, ‘슈퍼 G1 척 어드밴스’의 4종류로 시리즈화한 고속·고정도 가공용 콜릿척이다.

사용하는 콜릿은 ‘SG 콜릿’, ‘SG 쿨런트 콜릿 센터 스루’, ‘SG 쿨런트 콜릿 사이드 스루’의 3종류로, 어떤 척에도 사용 가능하다. 보통은 SG 콜릿(그림 1)을 사용하지만, 센터 스루에 대응하는 경우에는 SG 쿨런트 콜릿(그림 2)을 사용하는 것이 좋다. SG 쿨런트 콜릿을 사용하면, 지금까지 센터 스루에 대응하기 위해 옵션으로 사용하고 있던 제품이 불필요해진다.

▲ 그림 1 SG 콜릿

▲ 그림 2 SG 쿨런트 콜릿

슈퍼 G1 척의 특징

‘슈퍼 G1 척’은 작업성과 유지 정도가 좋고 범용성이 높으며, 툴홀더의 기본 성능인 3요소(진동 정도, 파악력, 강성)의 밸런스가 잡혀 있는 콜릿척이다.

1. 고진동 정도

진동 정도는 유키와정공 독자의 정도 규격인 ‘종합 심 진동 정도 5μm 보증’(그림 3)을 채용하고 있다. 이것은 홀더에 절삭공구를 조립한 상태의 진동 정도가 파악 지름의 4d 끝단에서 5μm 이내가 되는 것을 보증하는 것으로, 실제 사용 상황에 가까운 정도로 되어 있다. 유키와정공에서는 이 정도를 보증하기 위해 진동 정도의 전수 검사를 하고 있다.

▲ 그림 3 종합 심 진동 정도

공구의 진동 정도는 많은 문헌에서 소개되고 있듯이 공구 수명에 큰 영향을 미친다. 실제로 어느 정도 공구 수명에 영향을 주는지, 엔드밀 가공으로 실험한 결과를 소개한다.

진동 정도가 3μm와 16μm의 툴홀더에서, 피삭재 NAK80을 초경 엔드밀을 사용해 측면가공을 하고 공구 수명 비교 테스트를 했다(표 1). 진동 정도 16μm의 툴홀더에서는 절삭 거리 약 30m에서 치핑이 발생했다. 그러나 진동 정도 3μm의 툴홀더에서는 절삭 거리가 290m로 약 10배임에도 불구하고, 릴리프면 마모 폭은 0.05mm로 아직 가공 가능하다(그림 4, 5). 이 결과로부터도 진동 정도가 공구 수명에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있다.

▲ 표 1 공구 수명 비교

▲ 그림 4 릴리프면 마모의 추이

▲ 그림 5 엔드밀 날끝 상태

또한, 고정밀 가공이 요구되는 다듬질가공에서는 공구의 진동 정도가 좋은 툴홀더의 선정이 중요하다.

2. 고파악력

‘슈퍼 G1 척’은 1/10테이퍼(5 ° 43′ 29〃)라는 매우 완만한 테이퍼 각도를 갖는 SG 콜릿에 의해 높은 파악력을 발휘한다. 콜릿은 테이퍼 각도가 완만할수록 쐐기의 원리에 의해 파악력이 높아지기 때문에 SG 콜릿은 세계적으로 보급되고 있는 16° 테이퍼 콜릿보다 파악력이 높아진다(그림 6).

▲ 그림 6 콜릿의 테이퍼 각

실제로 테이퍼 각도의 차이에 따라 파악력이 어느 정도 다른지 확인하기 위해 동사 제품군 중에서 16° 테이퍼 콜릿에 해당하는 EY 콜릿과 SG 콜릿에서 비교했다. 실험은 동일한 체결 토크로 검사기를 파악, 그 힘을 측정한다.

그림 7의 결과를 보면, SG 콜릿 쪽이 EY 콜릿의 약 1.8배나 파악력이 높은 것을 확인할 수 있다. 파악력이 낮은 툴홀더에서는 가공 중에 엔드밀이 빠지거나, 드릴이 가라앉기 쉽다. 절삭부하가 큰 가공을 하기 위해서는 파악력이 높은 슈퍼 G1 척 쪽이 적합하다. 

▲ 그림 7 파악력 비교

3. 고강성

툴홀더의 강성은 절삭 시의 채터, 절삭 조건 대응력 등에 관련되는 중요한 요소이다. 슈퍼 G1 척은 홀더 본체에서 콜릿의 돌출량을 적게 하고, 홀더 입구 살두께를 두껍게 한 설계에 의해 높은 강성을 가지고 있다. 그렇기 때문에 엔드밀 가공에서 절삭저항에 의한 전도에 강한 구조로 되어 있다.

실제로 슈퍼 G1 척의 강성을 확인하기 위해 엔드밀 가공에서 자주 사용되는 일반적인 밀링척과 비교했다. 실험은 파악된 테스트 바 끝단에 하중을 더해 변위를 측정, 정강성을 비교했다. 그 결과, 슈퍼 G1 척은 밀링척보다 홀더 끝단, 테스트 바 끝단에서 변위가 적고 강성이 높은 것을 확인할 수 있다(그림 8).

▲ 그림 8 정강성 비교

슈퍼 G1 척은 고진동 정도·고파악력·고강성의 3요소를 밸런스 좋게 겸비한 툴홀더이다. 고진동 정도로 공구 수명이 연장되고 고파악력으로 공구가 빠지는 것을 방지하며, 고강성으로 가공면의 전도를 억제해 고능률 가공을 실현하는 것을 기대할 수 있다.

하이브리드 G1 척의 특징

‘슈퍼 G1 척’(그림 9)의 사용 가능 회전수로는 40,000min-1 등의 고속 회전 주축 머시닝센터에 대응할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 고속 회전용으로서 개발한 것이 ‘하이브리드 G1 척’(그림 10)이다. 특징은 이하에 나타냈다.

▲ 그림 9 슈퍼 G1 척

▲ 그림 10 하이브리드 G1 척

1. 고진동 정도

그림 11과 같이 ‘인사이드 로크 너트 방식’을 채용함으로써 홀더 입구의 살두께를 두껍게 해서 체결 시의 변형을 억제, 심의 오차를 최소로 했다. 이 구조에 의해 ‘슈퍼 G1 척’을 넘는 ‘종합 심 진동 정도 3μm 보장’이라는 정도를 가능하게 했다.

▲ 그림 11 인사이드 로크 너트 방식

2. 고속 회전 대응

고속 회전이 되면, 툴홀더의 약간의 불균형이 큰 문제가 된다. ‘수퍼 G1 척’의 로크 너트는 너트 외륜, 테이퍼링, 외륜 커버, 강구 등 여러 부품으로 구성되어 있기 때문에 로크 너트가 무거워져 불균형의 요인이 되고 있었다.

‘인사이드 로크 너트’는 원피스 구조이므로 기존형보다 너트 질량을 대폭으로 경량화할 수 있었다. 또한, 홀더 외경 부분을 총연삭으로 하고, 밸런스에 영향을 주는 부동 요인을 최소한으로 억제하고 있다. 이러한 개량에 의해 고속 회전에 대응할 수 있는 홀더가 됐다.

다음에 실제로 수지재에 소경가공을 한 사례를 소개한다.

3. 가공 예

고정도 고속 소경 미세 가공기에서 ø0.03mm 드릴을 이용해 폴리에스테르계 수지에 대한 고정도·고능률 구멍가공을 했다(표 2). 이 가공에서는 ø0.03mm의 구멍 위치 오차가 ±0.0013mm로 고정도, 고능률 가공을 실현하고 있다(그림 12).

▲ 표 2 수지재의 가공 결과

▲ 그림 12 가공의 모습

이와 같이 하이브리드 G1 척은 취급하기 쉬운 콜릿척이면서 소경 날붙이의 고정도 가공이 가능한 툴홀더로 되어 있다.

그린 G1 척의 특징

고능률화를 실현하기 위해 한 번에 다듬질하는 것을 목적으로 한 콜릿척이 ‘빨리 깨끗하게 절삭할 수 있다’를 콘셉트로 한 ‘그린 G1 척’(그림 13)이다. 특징을 이하에 나타냈다.

▲ 그림 13 그린 G1 척

1. 진동 감쇠

엔드밀 가공에서 가공 시의 진동 때문에 가공면 조도가 크게 저하하는 경우가 있다. 그린 G1 척은 툴홀더 내부에 진동 감쇠 구조를 설정하고 있기 때문에 진동이 잘 발생하지 않는다(그림 14).

▲ 그림 14 감쇠 파형

2. 고강성

‘슈퍼 G1 척’에 비해 척의 살두께를 더 두껍게 설계함으로써 강력한 강성을 확보하고 있다. 강성을 향상시킴으로써 기존의 툴홀더에 대해 가로하중에서 약 1.5배의 고강성을 실현할 수 있었다. 고강성은 엔드밀 가공의 절삭저항에 의한 전도를 최소한으로 억제할 수 있다.

3. 가공 예

그린 G1 척과 타사 콜릿척으로, 표 3에 나타낸 가공 조건으로 고속 측면가공을 한 사례를 소개한다.

▲ 표 3 가공 조건

결과는 타사 콜릿척에서는 절삭면에 진동 마크가 있고, 표면 조도는 Ra2.0μm였다. 그린 G1 척에서는 절삭면은 양호하고 표면 조도는 Ra0.6μm이었다(그림 15). 고속 중절삭에서도 거친가공과 다듬질가공을 한 번에 가공할 수 있게 되어 공정집약화, 고능률화를 도모할 수 있다.

▲ 그림 15 절삭 가공면 비교

슈퍼 G1 척 어드밴스의 특징

BT40, BT50용 콜릿척에는 ‘수퍼 G1 척’을 ‘보다 고강성’으로 진화시킨 툴홀더가 필요하다고 생각, ‘슈퍼 G1 척 어드밴스’(그림 16)을 개발했다. 특징은 이하에 나타냈다.

▲ 그림 16 슈퍼 G1 척 어드밴스

1. 고강성을 추구

홀더 본체의 목 부분을 테이퍼 형상으로 하고, 머리부의 살두께를 두껍게 함으로써 더욱 고강성을 추구했다. 엔드밀 가공 시의 가공면 전도를 절감, 채터에 강한 툴홀더를 실현했다.

2. 고밸런스

툴홀더는 모두 밸런스 잡기를 해서 고속 절삭에 필수적인 밸런스를 향상시켰다. 고균형화에 의해 더욱 고속·고정도 가공을 가능하게 한다.

3. 가공 예

슈퍼 G1 척 어드밴스와 타사 밀링척으로, 표 4의 가공 조건으로 측면가공을 하고 가공면의 표면 조도를 비교한 사례를 소개한다.

결과는 타사 밀링척의 표면 조도는 Ra2.57μm, 슈퍼 G1 척 어드밴스는 Ra0.54μm가 됐다. 슈퍼 G1 척 어드밴스는 강성을 높임으로써 채터에 강해지고 절삭면 조도가 향상됐다(그림 17).

▲ 그림 17 절삭 가공면 비교

맺음말

이상 ‘G1 척 시리즈’에 대해 간단히 소개했다. 해외와의 경쟁이 격화되고 있는 가운데, 가공 기술의 향상은 필수이다. 기술 향상을 위해 공작기계나 절삭공구의 선정, 가공 조건의 최적화 등이 중요시되고 있으며, 툴홀더의 선정이 소홀해지기 쉽다. 이 글에서 소개했듯이 툴홀더의 차이로 가공 정도, 공구 수명에 큰 영향을 미치는 것은 아직 충분히 인정되고 있지 않다.

마지막으로, 고속·고정도 가공용 콜릿척 ‘G1 척 시리즈’가 생산 현장이 목표로 하는 고능률화·고정도화에 기여할 것으로 확신하고 있다. 

히라사와 유키, 유키와정공 설계개발부 설계2그룹

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