드릴을 제외한 절삭공구 가운데 널리 사용되고 있는 것은 엔드밀과 탭이다. 엔드밀은 가공물의 측면과 윗면의 면가공 및 홈가공이 가능한 공구이고, 탭은 암나사를 가공하는 공구이다.
  이러한 절삭공구들 역시 사용 용도와 피삭재의 재질에 따라 최적의 형상과 재질로 디자인되어 왔으 며, 최근까지 가장 널리 사용되고 있는 재질로는 하이스(고속도강)와 초경이 있다. 일반적으로 하이스 공구는 가격이 저렴하고 인성이 크기 때문에 날파손의 우려가 없으므로 CNC 작업시 초경공구보다 선호되고 있다.
  우수한 인성을 가지는 하이스 공구는 고속가공시 feed rate를 증가시킬 수 있는 장점은 있지만, 경도가 낮기 때문에 cutting speed는 초경제 품보다 떨어지며, 고속가공 중에 공구가 받는 연속적인 열적 물리적 stress는 하이스 공구의 수명과 성능 저하를 야기시킨다.
  이와는 대조적으로 고경도의 초경 공구는 인성이 약하기 때문에 작업 중 파손과 같은 문제가 발생하 기도 한다. 이러한 각종 공구의 다양한 재질의 특성에 의한 단점들을 보완하기 위해서는 공구의 표면에 고경도 및 인성이 우수한 표면처리층을 형성하여야 하며, 이를 위해 최근에는 PVD 코팅과 같은 기능성 표면처리를 실시하고 있다.
 본 기술보고서에서는 현재 발저스한국코팅(유)에서 서비스하고 있는 각종 엔드밀과 탭에 적용되고 있는 PVD 코팅의 종류와 그 특성에 대하여 살펴보 기로 한다.

엔드밀은 외주면 및 끝면에 절삭날을 갖는 생크타입 밀링 커터라고 정의되는데, 다시 말하면 외주날로 가공물의 측면을 깎고, 바닥날로 가공물의 윗면을 깎을 수있는 공구로써 다양한 작업 영역에서 사용되어 진다. <그림 1>은 엔드밀을 사용한 다양한 밀링 작업의 예를 보여주고 있다. 현재 널리 사용되고 있는 엔드밀은 주로 용해 하이스(고속도강) 및 초경으로 제조되며, 바닥날부의 형태에 따라 평 엔드밀, 볼 엔드 밀, 레디어스 엔드밀 등으로 구분된다.
  최근 보다 가공신뢰성 및 정밀 가공에 대한 요구가 증가함에 따라 이러한 다양한 소재의 엔드밀 류에 PVD 코팅 적용 사례가 증가하고 있다.
  PVD 내마모 코팅은 경도가 높고 마찰계수가 낮으며 열적 화학적으로 안정하기 때문에 공구의 초기 마모를 지연시켜 공구의 수명이 향상시키고 가공시 피삭재와 공구간의 마찰을 감소시켜 피삭재가 공구의 표면에 소착되는 현상을 줄일 뿐만 아니라 가공시 발생하는 마찰열이 공구로 확산되어 공구가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한 PVD 코팅은수 m 단위로 코팅층이 증착되기 때문에 엔드밀의 예리한 날부가 그대로 유지되며 정밀성을 요구하는 기계 가공에 적합하다.
 
 2.1 하이스 엔드밀에의 PVD 코팅적용
 
  하이스 재질은 열처리에 의해 요구하는 경도를 얻을 수있다. 따라서 이러한 열처리 조건보다 높은 온도에서 코팅이 진행된다면 소재가 가지는 경도가 저하되는 경우가 발생한다. 따라서 하이스 소재의 코팅은 처리온도가 1000℃ 정도인 CVD로는 불가 능하므로 PVD 코팅법이 적용되어지고 있다.
  발저스에서 PVD 방식으로 현재 상용화하여 적용하고 있는 내마모 코팅으로는 Balinit(r) A (TiN),Balinit(r) B (TiCN), Balinit(r) FUTURA NANO (TiAlN) 코팅이 있다. 이러한 코팅은 피삭재의 재질과 작업의 조건에 따라 엔드밀 가공의 생산성 향상에 기여하고 있다.
  <그림 2>는 용해 하이스, 초경 및 TiN, TiCN, TiAlN의 경도를 비교한 자료이다. PVD 내마모 코팅은 초경소재보다 경도가 더 높으며, 경도는 기본 적인 TiN 코팅에서 탄소가 첨가되거나 알루미늄이 첨가될수록 더욱 증가함을 알 수있다. 이는 앞서 이야기한 코팅의 구조와 관련이 있다. 현재까지 가장 보편화된 PVD 내마모 코팅은 TiN 코팅이다. 황금색의 화려한 색상과 더불어 우수한 내마모성으로 하이스 소재의 엔드밀 수명 향상을 보장한다. 이와는 대조적으로 TiCN 코팅은 합금강이나 탄소강 등의 밀링 작업에 사용되는 하이스 엔드밀에 주로 적용되고 있으며, TiN 코팅보다 경도는 더 높지만 최대 적용가능 온도가 더 낮으므로 가공 중 마찰열이 많이 발생하는 고속의 건식 가공에는 적합하지 못하다. 최근 생산업계의 생산성 향상과 고속 가공에 대한 요구가 증가하면서, 고경도의 코팅 물성을 유지하면서 보다 고속의 작업조건에 적합하게 개발된 코팅이 BalinitⓇFUTURA NANO (TiAlN) 코팅이다. BalinitⓇFUTURA NANO는 기존의 Balinit(r) FUTURA (TiAlN-multi layer) 코팅의 장점을 그대로 유지하면서 알루미늄의 함량을 증가시켜 900℃ 까지 코팅층의 산화로 인한 성능저하 없이 작업이 가능하도록 개발된 코팅이다. 뿐만 아니라, 코팅입자를 보다 미세하게 성장시켜 기존의 공구의 예리한 형상을 그대로 유지하여 준다.
 
 2.2 초경 엔드밀에의 코팅 적용
 
  초경 엔드밀은 경도가 높아 내마모성이 우수하고 강성과 인성을 겸비하여 고경도 난삭재의 고속 밀링 작업에 적용되어지고 있다. 최근에는 보다 미세한 초경입자로 구성된 소재를 사용하여 초경 엔드 밀의 수명과 품질을 향상시키고 있다.
  이러한 초경 엔드밀에도 하이스 엔드밀과 동일하게 피삭재의 재질에 따라 BalinitⓇA (TiN),BalinitⓇB (TiCN), BalinitⓇFUTURA NANO (TiAlN) 코팅 등을 적용할 수 있다.
  <그림 3>은 자동차 산업에서 camshaft 가공시 사용되는 ϕ13mm 초경 엔드밀에 BalinitⓇFUTURA (TiAlN 다층)코팅과 BalinitⓇFUTURA NANO (TiAlN 단층)코팅을 적용하여 그 성능을 비교한 결과이다. BalinitⓇFUTURA 코팅의 장점을 그대로 유지하면서 코팅의 경도 및 고온 내산화성을 향상시킨 BalinitⓇFUTURA NANO 코팅을 적용한 경우가 공구의 수명이 3배 이상 향상됨을 알 수있다.
  대부분의 TiAlN 코팅은 알루미늄으로 인해 보다 우수한 경도와 고온 내산화성을 가진다. <그림 4>는 발저스에서 엔드밀에 적용 가능한 TiAlN 코팅을 종류와 그 특징을 보여주고 있다. BalinitⓇX.Treme 코팅은 BalinitⓇFUTURA NANO 코팅과 동일한 알루미늄의 함량을 가지지만 코팅층의 성장 방향을 다르게 조절하여 초경 엔드밀의 밀링 작업에 최적의 성능을 발휘하도록 개발되었다.
  하지만, 최근 보다 고속의 밀링작업에 대한 요구가 증가하면서 BalinitⓇX.Treme 코팅보다 성능이 더욱 진보된 BalinitⓇX.CEED 코팅이 개발되었고 이러한 코팅은 고속 밀링작업 뿐만 아니라 티타늄 합금 및 인코넬과 같은 난삭재 및 경도 52HRC 이상의 고경도 피삭재의 절삭작업에서도 우수한 성능을 나타낸다. <그림 5>는 BalinitⓇX.CEED 코팅의 단면을 보여주고 있다. 코팅입자를 보다 미세하게 증착시켜 코팅층이 조밀한 것을 알 수있다.
  이러한 BalinitⓇX.CEED 코팅은 경도가 높고 (HV0.05=3,300) 고속작업에서도 내마모성이 우수 하며, 고온 내산화성이 우수하여 열적 화학적으로 안정할 뿐 아니라 극한 절삭조건 하에서도 우수한 밀착력을 그대로 유지한다. 하지만 이러한 코팅은 초경 엔드밀에만 적용이 가능하다.
  <그림 6>은 경도 60HRC의 피삭재를 ϕ12mm 초경 엔드밀을 사용하여 contour milling 작업시 코팅의 종류에 따른 마모정도를 비교하여 코팅 성능의 차이를 보여주고 있다. 건식 절삭 조건하에서 BalinitⓇX.CEED 코팅을 적용한 엔드밀이 일반 TiAlN 코팅 보다 3배 이상의 성능이 향상된 것을 알 수있다.
  <그림 7>은 기존의 BalinitⓇX.Treme과 BalinitⓇX.CEED 코팅의 성능을 비교 분석한 데이터이다.
  6날 ϕ10mm 초경 엔드밀을 사용하여 58~60 HRC 정도의 피삭재를 건식으로 가공할때 공구에 적용되는 radial force에 따른 절삭가능 거리를 측정한 자료이다. 동일한 radial force에서 BalinitⓇX.CEED 코팅이 BalinitⓇX.Treme 보다 더욱 먼거리를 절삭할 수 있음을 보여주고 있으며 이러한 성능 차이의 경향은 radial force가 클수록 더욱 확연하게 알 수있다. 이처럼 동일한 TiAlN 코팅이라 할지라도 공구 재질(초경)의 특성을 고려하여 개발된 BalinitⓇX.CEED 코팅이 초경 엔드밀 상의 PVD 코팅적용에 있어 최상의 선택임을 알 수있다.

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일반적으로 피삭재에 암나사를 가공하는 수나사 모양의 공구를 일컬어 탭이라고 한다. 이러한 탭은 적용되는 피삭재의 재질에 따라 핸드탭, 포인트탭, 스파이럴탭 그리고 전조탭으로 나뉘어지며, 고속도 강으로 제작된 탭이 널리 사용되고 있다. 최근에는 이러한 고속도강에 코발트가 함유된 재질을 사용하여 고온경도의 향상을 도모하고 있다.
  최근까지 널리 적용되고 있는 탭의 표면처리 방법 으로는 질화처리, 호모처리, TiN, TiCN 코팅 등이 있으며, 대부분의 표면처리는 탭의 내마모성을 향상시키고 가공중 피삭재의 소착을 방지하여 공구의 수명 연장을 도모하고 있다.
  이러한 시점에서 고경도의 우수한 윤할성을 가진 코팅의 개발에 대한 요구가 증대되었고 이로 인해 개발된 코팅이 BalinitⓇHardlube 코팅이다.
  BalinitⓇHardlube 코팅은 기존의 TiAlN 코팅 위에 우수한 윤할성을 부여하기 위해 WC/C 코팅을 조합한 코팅이다. <그림 8>은 BalinitⓇHardlube 코팅의 단면 사진으로 코팅층의 구성을 보여주고 있다.
  TiAlN 코팅층은 고온 내산화성이 우수하고 열적 화학적 안정성이 우수하여 절삭 날부의 내마모성을 향상시켜주고, WC/C 코팅층은 층상구조로 형성되어 윤할성을 보장하여 건식가공에 우수할 뿐 아니라 플루트 부의 칩 배출을 용이하게 하여준다. <그림 9>는 BalinitⓇHardlube 코팅의 WC/C 코팅층에 의해 칩 배출시 TiAlN 코팅층과 접촉부가 작아 지고 이로 인해 마찰이 감소하여 칩 배출이 용이해 지는 것을 보여주고 있다.
  특히 BalinitⓇHardlube 코팅은 연성과 전성이 우수한 단련용 알루미늄 합금과 같은 피삭재의 태핑 작업에 적용시 피삭재의 소착을 방지하여 생산성을 월등히 향상시킬 수 있다. <그림 10>은 단련용 알루미늄 합금의 태핑 작업에 TiN, TiAlN 및 BalinitⓇHardlube 코팅을 적용하여 건식으로 작업한 경우의 공구의 수명을 비교한 자료이다. M10X1.5의 ϕ8mm 고속도강 탭에 기존의 TiN이나 TiAlN을 적용한 경우에는 건식 태핑작업이 거의 불가능하였으나, BalinitⓇHardlube 코팅을 적용함으로써 약 850개 홀을 윤할유 없이도 태핑작업이 가능함을 보여준다.
  이와 같이 동일한 조건에서도 냉각유의 소모없이 작업이 가능함으로써 생산현장의 비용절감 및 생산성 향상에 크게 이바지할 수 있다.
  뿐만 아니라 BalinitⓇHardlube와 같이 고경도 코팅과 윤할 코팅을 조합한 동일한 구조의 다른 코팅과 비교하여도 보다 우수한 성능을 보장한다. <그림 11>은 스테인레스 스틸 상의 태핑작업에서 공구의 윤할성을 부여하기 위해 TiAlN 코팅 위에 MoS2 코팅을 조합한 코팅과 BalinitⓇHardlube 코팅을 동일한 작업조건 하에서 그 성능을 비교한 데이터이다.
  그림에서 보는 바와 같이 동일한 구조의 코팅이라 할지라도 BalinitⓇHardlube 코팅이 공구의 수명을 더욱 향상시킴을 알 수있다. 따라서 피삭재가 연성과 전성이 우수하고 태핑작업시 소착에 의해 탭의 수명이 저하되는 경우에는 BalinitⓇHardlube 코팅을 적용하여 공구의 수명 향상을 도모할 수 있다.

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다양한 종류의 엔드밀과 탭에도 PVD 내마모 코팅을 적용함으로써 공구의 수명 향상을 도모할 수 있으 며, 피삭재의 재질과 작업조건에 얼마나 적합한 코팅이 적용되었는가에 따라 공구의 수명 향상 정도는 달라진다. 최근 새로운 소재의 개발과 합금강과 같은 고경도강의 절삭작업 및 보다 고속가공에 대한 요구가 증가하면서 이러한 PVD 코팅의 적용은 날로 증가하고 있다. 하지만, 이러한 PVD 코팅 적용에 있어 무엇보다 중요한 것은 정확한 코팅의 선정이다.
  <표 1>은 피삭재의 재질과 작업조건 ( 습식, 건식)및 공구의 재질에 따라 일반적인 최적의 PVD 코팅이 무엇인가를 보여주고 있다.
  결론적으로, 지금까지의 성공적인 코팅 적용사례를 바탕으로 여러분의 생산현장에서 가공중 발생하는 문제점과 피삭재의 재질과 공구의 작업조건을 고려하여 PVD 내마모 코팅을 적용한다면, 이는 생산성 향상과 원가절감과 같은 다양한 장점을 여러분에게 제시하여 줄 것이다.