[첨단 헬로티]

열역학의 제1법칙 △U(에너지 증가분)=Q(열량)+W(일)에 따르면, 높은 온도, 높은 압력으로 할수록 에너지가 증가하게 된다. 연료를 고온·고압으로 연소시키는 편이 가스는 크게 팽창하고 힘도 커진다. 화력발전 터빈의 내열 온도를 높임으로써 이산화탄소의 발생을 억제하고, 발전 효율을 높여 자동차에서는 엔진 내가 고온·고압화될수록 연비가 향상된다. 그렇기 때문에 자동차 엔진 부품의 일부는 스테인리스 소재에서, 내열성이 우수한 니켈기 합금, 티탄합금 등의 재료로 대체되고 있다. 이산화탄소의 배출량을 억제해 지구온난화, 대기오염을 방지하는 세계적인 흐름은 가솔린, 디젤 자동차의 전기자동차화를 추진하고 있다.

전기자동차는 에너지의 급속 보충, 장거리 이동에서는 과제도 있어, 항공기에서 검증된 가볍고 강도도 있는 유리섬유 함유 수지 CFRP의 차체 시험 이용이 확대되고 있다. CFRP, 알루미늄합금, 니켈기 초합금의 인코넬, 티탄합금 등 에너지의 효율 소비를 추구해 가면, 경량, 강도, 내열이 우수한 난삭재의 이용이 늘어난다. 

또한, 소비 구조의 변화는 주변에 있는 상품의 라이프 사이클 단기화를 초래하고, 제조에서는 단납기가 영원한 테마가 됐다. 대표적인 가공 시간의 단축 사례로서 고경도 금형재의 직조를 들 수 있다. 기존에는 거친가공 후에 담금질 처리하고, 방전이나 연마로 다듬질가공을 하고 있었다. 가공 시간을 필요로 하는 방전가공은 공구가 되는 전극의 제작도 필요하고, 전극용 CAD/CAM 제작, 거친가공·다듬질가공의 전극 제작이 필요하다. 담금질재를 거친가공에서 다듬질가공까지 직접 절삭함으로써 1/5 이상의 납기 단축도 가능하다.

난삭재가 증가하고 피삭재가 고경도화되는 가운데, 절삭공구는 하이스, 초경, 서멧, 세라믹, CBN, 그리고 다이아몬드 재질에 대응해 왔다. 공구 소재의 가격이 오름에 따라 저렴한 하이스에서 초경공구로 가속도적으로 전환이 추진되고 있으며, 하이스 공구의 생산을 중지하는 흐름이 있다. 그러나 하이스 공구는 인성이 우수해 가공 중의 공구 결손을 피하고, 가공기가 발생하는 진동을 허용하면서 가공이 가능하기 때문에 하이스 공구의 수요는 없어지지는 않을 것이다.

오늘날 절삭공구의 가장 대표적인 재료인 초경은 하이스와 비교해, 고속·고정도화의 수요에 대응해 가공 시간을 단축하고 가공 코스트 절감에 공헌하고 있다. 일반적으로 공구 블랭크의 경도는 피삭재의 3~4배 이상이 필요하다.

담금질강의 절삭은 초경공구보다 CBN이 적당하다. 금형용 담금질강은 비커스 경도 600HV 전후로, 일반적인 초경의 경도 1,500HV 전후로는 불충분하고, CBN의 4,000HV 전후의 경도가 필요하다. 다이아몬드에 버금가는 경도를 갖는 CBN은 철계 금속, 니켈기 초합금에 대해 화학적으로도 안정되고, 애플리케이션을 확장하고 있다.

한편 다이아몬드는 철계 금속에 반응해 가공 열에 의해 흑연으로 변이하기 때문에 피삭재는 한정되지만, 최고의 경도를 자랑하는 다이아몬드 공구는 자동차에서 채용되는 실리콘을 함유하는 알루미늄합금, 특히 주조 실린더 헤드의 가공에서 활약하고 있다. 제조는 용도에 따라 범용적인 상품에서부터 성능이 발휘되는 전문적인 것까지 확대되고 있다. 공구를 제조하는 기계에는 하이스, 초경은 물론이고, CBN, 다이아몬드 공구에도 대응하는 것이 요구되고 있다.

롤로매틱사제 공구 가공기  

시계 산업이 번성한 스위스 북서부에 롤로매틱사가 본사를 두고 있는 도시 르랑드롱이 있다. 주변에는 시계 산업의 도시로 알려진 라쇼드퐁, 뇌샤텔, 빌 등이 붙어 있다.

롤로매틱사의 뿌리는 시계 부품의 위탁가공이다. 당시 시계 부품가공을 위한 시판 공구에는 양질의 것이 없어 자사에서 소경 특수공구를 제작했는데, 동업자로부터 평판이 좋았다. 그 후 공구연삭반에 주력하면서 현재의 롤로매틱사에 이르게 됐다. 시계에 이용되는 공구는 소경이며, 범용 공구보다 요구 정도가 엄격하다. 소경 공구의 수요에 대응해 온 롤로매틱기는 필연적으로 정도에 대한 의식이 높다. 

롤로매틱사는 제품군에 공구연삭반과 레이저 가공기를 갖추고 있다. 숫돌로 공구를 연삭하는 공구연삭반은 상대재에 맞춰 숫돌의 종류를 변경한다. 일반적으로 하이스 공구는 CBN 숫돌, 초경 공구에 다이아몬드 숫돌이 선택된다. CBN·다이아몬드 공구가 되면, 숫돌과 동등 이상의 경도가 될 수도 있기 때문에 연삭이 훨씬 힘들어진다. 이글에서는 CBN(그림 1), 다이아몬드(그림 2)인 초고압 소결공구의 연삭과 레이저 가공을 소개한다.

▲ 그림 1 롤로매틱기 CBN 공구 연삭가공 예 ø2.5±0.006mm

▲ 그림 2 롤로매틱기 다이아몬드 공구 레이저 가공 예

초고압 소결공구의 연삭

CBN, 다이아몬드의 초고압 소결공구는 금형가공에도 이용되고, 오목한 형상에 대응하기 때문에 ø3mm 이하의 소경 공구가 선택되는 경우도 많다. 절삭공구는 공구 지름이 작을수록 허용되는 오차는 엄격해진다. 일반적으로 초고압 소결공구의 연삭에는 다이아몬드 숫돌이 선택된다. 초고압 소결공구 연삭에 있어 롤로매틱 공구연삭반(그림 3)의 주요 기능에 대해 이하에 설명한다.

▲ 그림 3 CNC 6축 공구연삭반 GrindSmart

1. 연속가공의 안정성

5축 제어의 공구연삭반이 많은 가운데, 롤로매틱기는 6축 제어(그림 4)의 기계 구조이다. 5축 제어의 공구연삭반은 일반 숫돌 각도로는 대응할 수 없는 형상이 있기 때문에 숫돌을 성형해 각도를 관리하는 수고가 든다. 초고압 소결공구의 경우, 숫돌 마모가 큰 만큼 공구에 맞게 숫돌 각도를 계속 유지·관리하는 것은 쉽지 않다. 6축 제어이면 익센트릭 릴리프나 볼 엔드밀, 코너 R, 복합 R을 일반적인 숫돌 형상으로 대응할 수 있다.

▲ 그림 4 GrindSmart 6축의 기계 구조

절삭공구는 동시 5축 제어로 제조가 가능하지만, 5축 밖에 없는 공구연삭반의 가공에서는 동시 5축 제어의 기계 작동을 필요로 한다. 롤로매틱기는 6축으로 함으로써 볼 엔드밀 가공에서 동시 제어축 수를 4축으로 줄일 수 있다. 1축의 기계 작동에는 6자유도의 오차(그림 5)가 있기 때문에 동시 가동축 수가 적다는 것은 오차 요인이 줄어든다.

▲ 그림 5 X축인 경우의 6자유도(위치/Y·Z방향 진직도/Y·Z방향 회전오차, 롤링)

또한, 동시 5축 제어의 경우와 비교해 6축 제어는 보다 작은 기계 동작으로 R 형상을 가공한다. 스틸의 스케일 선팽창계수는 약 11.8×10-6/K로, 1m 길이의 철이 1℃의 온도 상승으로 11.8μm 팽창하는 것을 의미한다. 즉 변위는 온도와 거리에 비례해 커지고, 축 이동 거리가 클수록 기계 오차는 확대되기 때문에 보다 작은 기계 동작일수록 오차는 억제된다. 적은 동시 제어축 수로, 또한 작은 기계 동작으로 복잡한 형상의 공구를 가공할 수 있는 점이 롤로매틱기의 연속가공 안정성을 낳고 있다.

2. 숫돌 마모의 자동 보정

초경의 경우, 수백 개의 연속가공에서도 다이아몬드 숫돌의 마모를 허용할 수 있는 것이 있다. 그러나 경도가 높은 초고압 소결공구에서는 공구를 연삭하는 다이아몬드 숫돌의 마모가 크기 때문에 겨우 몇 개라도 숫돌 보정 없이 연속가공을 하는 것은 어렵다.

기계 외부 세팅의 경우, 작업자가 공구를 몇 개 가공할 때마다 기계 외부의 프리세터로 숫돌의 마모를 계측해 보정함으로써 대응한다. 이것은 제조의 자동화에 역행한다. 더구나 숫돌 플랜지를 착탈해, 기계 외부에서 숫돌 프리세트한 데이터에는 반드시 오차가 생긴다. 보정가공 시의 숫돌 마모에 의한 오차도 고려하면, 오차 요인은 최대한 억제하고 싶다. 초고압 소결공구의 연삭에서 숫돌의 마모와 형상을 관리하는 것은 더 중요한 요소의 하나이다.

롤로매틱기는 가공되는 공구 블랭크와 연삭에 이용하는 숫돌끼리를 접촉시킴으로써 숫돌의 마모를 검출, 숫돌 마모분을 보정한다. 접촉 시에서 생기는 공구의 연삭 흔적은 연삭의 절삭여유로서 소실되므로 최종적인 공구에 상처는 남지 않는다. 숫돌 플랜지 착탈 오차도 없어 계측 접촉 프로브도 불필요하다. 간접적인 계측 프로브에 의한 숫돌 계측이 아니라, 직접적인 공구 블랭크와 숫돌의 계측이기 때문에 오차가 잘 발생하지 않는다. 모든 공구의 가공 전에 연삭점을 리플레시하는 것이 가능하며, 공구마다의 숫돌 마모를 원인으로 하는 오차를 억제할 수 있다.

3. 정확성이 높고 효율적인 기계 내 숫돌 드레스 처리

초고압 소결공구의 경우, 숫돌 마모가 큰 만큼 숫돌의 연삭 포인트가 집중적으로 마모될 우려가 있다. 계속 마모되는 숫돌을 계속 사용함으로써 마모가 누적돼 숫돌에는 의도하지 않은 프로파일이 생기거나, 숫돌 형상이 무너져 버린다. 숫돌 마모가 큰 초고압 소결공구의 경우, 기계 외부의 숫돌 성형은 그 빈도가 증가해 작업자의 부담이 된다. 롤로매틱기는 기계 내에 숫돌 드레스 장치(그림 6)를 탑재, 다이아몬드 숫돌을 처리한다.

▲ 그림 6 기계 내 숫돌 드레스 장치

그러나 초고압 소결공구에서는 숫돌의 막힘이나 형상 무너짐이 일어나기 쉽기 때문에 드레스의 빈도가 높아지고, 생산성의 저하를 초래한다. 또한, 숫돌 성형은 다이아몬드 숫돌뿐만 아니라 성형용 숫돌도 마모되기 때문에 숫돌의 자동 성형은 쉽지 않다. 품질을 유지하면서 생산성을 높이기 위해서는 정확성을 겸비한 효율적인 기계 내 숫돌 드레스가 요구된다. 롤로매틱기는 드레스 전에 다이아몬드 숫돌과 성형용 숫돌을 접촉시켜, 양쪽의 숫돌 마모를 인식한 후 확실하게 드레스를 개시한다. 드레스 전의 다이아몬드 숫돌 성형용 숫돌의 마모 계측은 정확성이 높은 숫돌 드레스를 실현한다. 드레스 공정의 오실레이션 절삭여유가 수십 미크론 전후로 적기 때문에 성형 전에 숫돌 형상을 측정함으로써 쓸데없는 에어컷을 억제해 성형 시간을 단축시킨다. 드레스 후에는 숫돌이 공구 블랭크에 접촉, 숫돌 마모를 보정해 연삭 사이클에 들어간다.

초고압 소결공구의 레이저 가공

독일에서는 2003년경부터 단결정, CVD 다이아몬드를 중심으로 레이저 가공기가 이미 사용되기 시작했고, 그 이후 유럽의 공작기계 메이커가 다이아몬드 공구용의 레이저 가공기를 출시해 왔다. 일반적인 다이아몬드 공구의 가공으로서 이용되는 방전, 연삭은 다이아몬드 입자를 유지하는 코발트를 탈락시킴으로써 PCD가 가공된다. 유럽 ??시장에서는 레이저로 치핑 없이 직접 다이아몬드를 절단할 수 있는 레이저 가공의 유효성이 일찍부터 인지되어 레이저 가공은 다이아몬드 공구 업계에 보급됐다.

롤로매틱사 레이저 가공기 LaserSmart 501(그림 7)은 가공 시간을 좌우하는 가동축의 가속도를 고려해, 리니어 모터 및 토크 모터의 다이내믹한 동작을 지지하는 진동 감쇠성과 열 안정성이 우수한 화강암을 기체의 일부에 채용하고 있다. 이 기계라면 정도 가공을 위해 전날 밤부터 하는 난기 운전은 불필요하며, 정도의 안정성도 우수하다는 평가를 받고 있다.

▲ 그림 7 LaserSmart501

레이저 가공기에 있어 레이저는 중요하지만 공구에 불과하다. 레이저를 최대한으로 활용하는 것은 5축 구조의 기계로, 허용오차 미크론 오더의 엄격한 소경 공구용 연삭반을 제조해 온 롤로매틱의 실적이 활용되고 있다. 또한, 이 기계는 롤로매틱의 기계 메이커로서의 제조 실적과 다이아몬드 가공에 적합한 파라미터를 내장한 레이저 기술의 융합이다. 초고압 소결공구의 롤로매틱사 레이저 가공의 2가지 특징에 대해 설명한다.

1. 최적화된 레이저 파라미터의 내장

레이저는 연삭과 비교하면 숫돌의 마모 관리의 번거로움이 없지만, 레이저 가공의 어려움은 레이저의 파라미터 최적화에 있다. 연삭의 경우 숫돌을 정확하게 선택하기 위해 노하우를 이미 가지고 있는 숫돌 메이커의 협력을 얻으면서 애플리케이션에 의해 적합한 숫돌을 선택하는 것이 비교적 쉽다. 그러나 레이저의 경우는 사정이 다르다. 일반적인 레이저 가공기 메이커는 용도에 따른 레이저의 상세한 파라미터 설정을 유저의 책임으로 넘겨 왔다. 유저의 한정된 지식과 경험으로 다이아몬드 공구에 적합한 레이저의 파라미터를 찾는 것은 쉽지 않다.

여기에 롤로매틱기 LaserSmart 501의 특징 중 하나가 있다. 롤로매틱은 기계 판매뿐만 아니라 유저를 위한 애플리케이션을 기계와 함께 제공하고 있다. 날끝 R을 미크론 오더로 샤프하게 하기 위한 파라미터가 내장되어, 날끝 R을 3, 6, 9μm 중에서 선택할 수 있다(그림 8). 날끝 부위에 따라 둔각, 서서히 예각으로 하는 등의 조정도 가능하다.

▲ 그림 8 PCD 샤프 에지(왼쪽), 임의의 날끝 R 가공(오른쪽)

대표적인 다이아몬드 공구인 PCD는 초경 기판 상에 있으며, PCD와 함께 초경을 레이저로 가공하는 것도 반드시 필요하다. 내장되어 있는 롤로매틱의 파라미터를 이용함으로써 동일한 레이저 파라미터로 초경이 있는 PCD도 정밀하고 효율적으로 가공할 수 있다. 또한, 절삭날 및 릴리프면의 샤프 에지 가공뿐만 아니라, 3D 형상의 칩 브레이커 가공에서는 형상 정도에 더해 면조도도 중요하며, 전용의 레이저 파라미터도 이 기계에 내장되어 있다.

2. 효율적인 레이저 패스로 정밀하게 원척 전가공

레이저의 특징 중 하나로서 가공 스폿이 미크론 레벨로 작은 것을 들 수 있다. 방전이나 연삭은 선과 면의 가공인 반면, 점 가공인 레이저는 가공 시간이 상대적으로 길어지기 쉬운 경향이 있다. 일반적인 레이저 가공기는 팁의 끝에서 거친가공을 하는 전제로, 가공 시간을 단축시키기 위해 납땜된 다이아몬드 팁의 절삭여유를 적게 하는 전처리가 요구된다. 그런데 이 기계에서는 와이어 방전과 같이 임의의 위치에서 효율적인 오프셋 가공이 가능하며, 절삭여유가 큰 팁의 거친가공에는 유효한 기능이다(그림 9).

▲ 그림 9 임의의 위치에서 오프셋 가공

점 가공의 레이저이면서 단시간 가공을 실현, 엄밀한 블랭크의 절삭여유 관리는 불필요하다. 한편, 극소의 가공 스폿은 지금까지 불가능했던 패턴이나 미세 형상의 가공에 적합하다. 레이저의 부가가치를 한층 더 높이는 애플리케이션에는 MCD, CVD의 가공, 프로파일 형상의 샤프 에지 가공, 또한 칩 브레이커가 있다. 더구나 레이저에 의한 랜드 가공은 롤로매틱기만이 가능한 기능으로서 평가가 높다. 기존 다이아몬드 공구의 드릴이나 리머는 에지 가공을 방전, 연삭, 그리고 레이저 가공기 등으로 대응, 랜드부를 원통연삭반으로 연삭해 왔다. 이 기계는 절삭날을 샤프 에지뿐만 아니라 임의의 R을 붙여 가공하고, 필요에 따라 칩 브레이커(그림 10)과 랜드 가공(그림 11)까지 원척 전가공으로 안정된 정도로 생산에 기여한다. 

▲ 그림 10 칩 브레이커

▲ 그림 11 한쪽 날 PCD, 한쪽 날 CVD, 랜드 폭 0.3mm

카이세 세이지로, YKT 영업기술서포트

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