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티탄 합금의 최신 다듬질 가공
 
 
월간 기계기술기자 | 2007.10.01 | 2007년 10월호
 
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티탄 합금은 비교적 가볍고 내식성이 뛰어나다. 밀도는 강(鋼)의 2/3 정도이면서 많은 강재(鋼材)보다도 높은 강도를 지녔기 때문에 현재의 구조용 합금 중에서는 가장 높은 강도비를 갖고 있어 항공기 프레임에 많이 사용되어 왔다.
  우수한 강도비를 가진 뛰어난 기능성 재료인 한편, 난삭성이 높다. 다듬질 가공에서는 경량화가 요구되기 때문에 수직벽이나 코너 R등의 복잡한 가공 형상이 많은 점, 가공물에 악영향을 끼치지 않으려면 절삭속도나 이송에 대한 제한도 많아지기 때문에 더욱 어려워진다. 항공기 기체의 중요 부품과 부분에 있어서는 최종 생산자의 「승인」을 받아야 한다.
  본고에서는 이러한 점들을 고려하여 개발된 티탄 합금 다듬질 가공용 공구에 대해 소개한다.
1. 밀링
1.1 밀링 다듬질 가공의 조건선정 기준
  다듬질 가공에서 가장 중요한 평가기준은 다듬질 면의 품질이다. 다듬질 가공에서는 여러 가지의 제약이 있기 때문에 단순히 칩 배출률을 올리기보다는 단위시간당 가공할 다듬질 면적[㎠/min]이라는 사고방식으로 생산성을 도모하는 것이 중요하다.
  예를 들면 지름방향의 절입량 αe[㎜]가 커터 지름Dc[㎜]에 대해 작을 때 칩 두께는 매우 작아진다.
  ø12의 커터로 αe를 0.5㎜로 했을 때 실제의 칩 두께는 절삭날당 이송의 40%에 지나지 않는다. 황삭 가공이면 절삭날당 이송 fz[㎜/z]을 올리고 지름방 향의 절입량을 늘리는 등의 개선을 도모할 수 있지만 다듬질 가공이라면 다듬질 면조도의 요구를 충족시키기 위해 절삭날당 이송을 올리지 않는 경우, 다듬질 여유가 0.5~1㎜ 정도이기 때문에 지름방향의 절입량을 올리지 않는 경우를 생각할 수 있다.
  이와 같이 다듬질 가공에서 생산성을 올리는 즉단위시간당 가공 다듬질 면적을 올리려면 축방향의 절입량 αp[㎜], 절삭속도 Vc[m/min] 혹은 절삭날 수 Z[매] 중의 어느 것인가를 올릴 필요가 있다.
  축방향의 절입량 αp는 가능한 한 크게 잡고싶은 곳이지만 코너 R과 간섭을 고려해서 소경 공구를 사용하는 일이 많은 다듬질 가공에서는 사실 그 공구의 강성으로 인해 제한된다. 솔리드 엔드밀에서는 α=Dpc(커터 지름)가 일반적이지만 커터 지름의 2배까지는 올릴 수 있다.
  절삭속도가 빨라지면 날끝 온도도 오르지만 칩두께가 매우 얇아지기 때문에 다듬질 가공에서는 거친 가공에 비해 현저히 빠른 속도로 가공할 수있을 가능성이 있다.
  칩이 작기 때문에 칩 배출 트러블이 일어날 리스 크가 낮은 다듬질 가공에서는 다(多)날 타입의 공구를 선정할 수 있다. 날 수를 늘리면 공구수명에 부정적인 영향을 주지 않고 생산성을 향상시킬 수있다.
  <그림 1>에서는 가공시간과 αe, fz, Vc와의 관계를 나타낸다.
 
 1.2 다듬질 윤곽(Profile) 가공
  실제의 가공 형상물은 복잡하고 경량화로 인해 얇은 벽이 많기 때문에 공구경로와 공구선정 기준도 중요하다.
  얇은 벽을 가공하는 경로의 회수는 포켓의 깊이에 따라 결정된다. 공구와 공작물(얇은 벽) 양쪽의 강성을 고려할 필요가 있고 축방향의 절입량은 커터 지름의 0.5~2배로 설정하여 <그림 2>에 나타내는 바와 같은 효율적인 공구경로가 바람직하다.
  공구 지름은 코너부를 고려하여 <그림 3>과 같이 선정한다.
  얇은 벽으로 구성되는 베이스는 베이스 중심에 헬리컬 가공으로 필요한 깊이까지 절입하고 그 다음에는 외측을 향해 원호보간으로 넓혀 가는 공구 경로로 가공할 수 있다. 구멍이 있을 경우에는 지지가 되는 말뚝을 일시적으로 남기고 피어싱 가공을 한 후에 제거한다<그림 4>. 이와 같은 윤곽가공에는 아래에 소개하는 「코로 밀풀러」 솔리드 엔드밀이 가장 적당하다.
 
  초경 솔리드 엔드밀 코로밀풀러
  초경 솔리드 엔드밀을 사용하는 가공에서는 칩을 가늘게 하기 위해 커터 지름의 40% 이하인 지름방향의 절입량 α로 가공할 것을 권장한다. 칩이e작으면 홈이 비교적 작은 엔드밀을 사용하더라도칩 막힘 등의 트러블 발생 리스크가 낮기 때문에날 수가 많은 엔드밀을 사용할 수가 있어 생산성이 향상된다. 가공은 다음과 같은 2그룹으로 나뉘고 각각 그에 상응하는 공구가 필요하다.
 ① 2차원 프로필
  ·포켓의 내벽 등, 깊은 포켓에서 축방향으로 절입이 큰 가공 ·벽과 바닥을 잇는 R에 의해 엔드밀의 코너 R이 제한되는 경우 ·포켓의 코너 R에 의해 엔드밀 지름이 결정된다.
  이와 같은 경우에는 항공기용 솔리드 엔드밀로서 오버 사이즈 시리즈, High helical 타입의 다날 엔드밀이 효과적이다<그림 5>.
 ② 3차원 프로필
  곡면이나 비틀린 면을 가공할 때는 볼 노즈 엔드 밀이 사용된다. 길게 돌출할 필요가 없는 3축 가공 에서는 일반적인 볼 노즈 엔드밀을 사용해도 문제가 없지만 길게 돌출할 필요가 있는 5축 가공일 경우에는 공구 강성이 뛰어난 코니컬(Conical) 타입의 볼 노즈 엔드밀이 필요하다<그림 6>.
 1.3 외벽 다듬질 가공에는 커터 지름D50㎜ 이상
 다듬질용 롱 에지 커터 / 드림커터
  다음으로 소개할 제품은 종전에 납땜 초경 커터가 사용되었던 부품 구조의 다듬질 가공용으로 개발된 고능률·고정밀도 커터이다. 날의 형상을 보면 팁에 크게 둥글린 절삭날을 갖추었기 때문에 통상적인 헬리컬 형상의 다날 커터와는 달리 가공 단차를 남기지 않는 형상으로 되어 있다<그림 7>. 응력 집중현상을 억제할 수 있기 때문에 다듬질용 커터로서 항공기 기체가공의 규격을 해소한다. 특징은 다음과 같다.
  ·다듬질용 커터 <그림 8>
 ·가공면 거칠기 : 평균 R0.6~1.2a
 ·지름방향의 최대 절입량 : Max α=1.5~2.0㎜e·매우 뛰어난 가공면 : 단차가 없는 파상(波狀)면
 ·유효 절삭날 수 : 2·고정밀도로 연마된 전용 팁 사용
 ·절삭날당 이송 : fz=0.13~0.15㎜/z (최대 칩두께 hex =0.05㎜)
 ·절삭속도 : Vc=120~200m/min 티탄 합금 가공뿐만 아니라 다른 피삭재에도 사용할 수 있다.
 
 1.4 밀링 팁 재종
  티탄 합금은 공구에 대해 화학적 반응을 보이고그 비율은 가공 중인 날끝 온도와 직접적인 관계가 있다. 날끝 온도를 억제하려면 날끝 손상에 가장 영향을 끼치는 요소인 절삭온도를 고려한다. 밀링 공구 팁 재종의 특징은 다음과 같다.
  ·GC1030 초미립 초경 모재에 PVD 코팅을 함. 인성과 내마모성의 균형이 뛰어나다.
  ·GC2030 PVD코팅. GC1030에 비해 내결손성이 우수하다.
  ·GC2040 인성이 매우 높은 모재와 내박리성이 높은 CVD 코팅 재종이다.
  ·H13A 논코팅 초경 재종. 내마모성이 뛰어나다.
  코로밀풀러의 재종
 ·GC1620 다듬질 가공~중간 다듬질 가공용
 ·GC1630 다듬질 가공~거친 가공용
 ·GC1640 거친 가공용
2. 선삭가공
2.1 선삭 다듬질 가공의 조건
  선정기준 밀링가공과 마찬가지로 선삭가공에서도 최종 형상 직전의 1㎜~3㎜ 부분에서 표면 품질상의 제약을 받는다. 선삭가공에서는 연속성 가공이 많기 때문에 밀링가공에 비해 온도가 오르기 쉽다. 절삭속 도가 너무 빠르거나 혹은 날끝이 무딘 공구를 사용 하면 가공할 때 열이 지나치게 발생하여 경도가 다른 백탁(白濁)층이 표면에 생성된다. 따라서 표면 뿐만 아니라 가공물 내부에 미치는 영향까지도 고려하여 절삭조건과 팁 형상을 선정하는 것이 중요 하다.
  그리고 선삭가공일 경우에는 앞에서도 말한 바와 같이 밀링가공에 비해 날끝이 고온에 시달리기 때문에 티탄과 팁의 코팅막이 반응하여 마모가 촉진된다. 그러므로 논코트 초경 재종 H13A가 가장 적당하다.
 
 2.2 연마 팁과 다이렉트 프레스 팁의 차이
  거친 가공·중(中) 거친 가공에서는 팁 형상과 절입각이 공구 손상에 큰 영향을 끼치는데 반해, 다듬질 가공에서는 노즈 R을 초과하여 절입하지 않기 때문에 팁 형상은 문제가 되지 않는다. 열의 영향을 피하는 것이 중요하고 거기서 유효한 것이 연마 팁이다.
  다듬질 가공에서는 절입량이 적고 이송속도는 요구되는 다듬질 면조도를 얻기 위해 낮게 설정한다.
 그 결과 칩 두께가 얇아지고 더욱 예리한 날끝을 사용하면 절삭열이 감소되어 속도를 올릴 수 있다.
  실제로 가공한 연마 팁과 다이렉트 프레스 팁(연마하지 않음)의 차이를 <그림 9>에 나타낸다. 같은 조건으로 가공하는데 이와 같이 열의 영향으로 인한 손상의 차이를 확인할 수 있어 날끝 형상이 공구수명에 직접적인 영향을 끼침이 분명하다.
  일반적인 다듬질 가공에서 절입량은 최소 0.25 ㎜, 최대 0.5㎜ 정도이다. 절입량, 노즈 R, 그리고 이송과의 관계를 각각 <그림 10>, <그림 11>에 나타낸다. 이 그림들은 가공에 맞는 노즈 R, 이송속도를 선정하는 기준이 된다.
 
 2.3 홈가공
  선삭가공에서도 경량화라는 점에서 가공 형상이 복잡하기 때문에 간섭이 적은 홈가공용 공구를 사용하는 일이 많다.
  홈가공을 할 때 가장 중요한 요소의 하나를 들면 홈에서 칩을 효율적으로 배출하는 것이다. 칩은 전화 코드나 작은 시계에 사용되는 스프링처럼 하나로 길에 이어지는 칩이 된다. 여기서는 중요한 점은 칩의 폭이 팁의 폭보다도 좁아져야 한다. 그렇지 않으면 칩이 홈에서 배출되지 못하고 재절삭됨으로 인해 공구수명이 저하되기 때문이다. 칩의 폭이 어느 정도로 좁아질지는 피삭재와 이송속도에 따라 다르다. 티탄 합금은 전단된 팁이 생성되기 때문에 칩의 폭을 좁히는 것은 연성이 있는 통상적인 피삭재와 비교하더라도 어려워 브레이커에 의해 칩 처리가 크게 좌우된다. 티탄 합금용 브레이 커의 특징은 다음과 같다.
  ·TF 브레이커 거친 홈가공을 할 때 우선적으로 추천한다.
  ·GF 브레이커 연마 공차가 필요한 치수 다듬질 가공을 할 때우선적으로 추천한다.
  ·RO 브레이커 모방가공용이고 풀 R 팁이다.
  다듬질 가공에서는 칩을 조정하기가 쉽고 가공 품에 상처를 주지 않는 GF 브레이커를 추천한다. <그림 12>에서는 TF, GF 브레이커의 이송속도에 대한 칩 형상을 나타낸다.
  홈가공을 할 때 이송속도의 권장 범위는 0.1㎜ /r~0.2㎜/r이다. 초기 설정치로는 0.15㎜/r을 권장하는데 절삭길이를 염두에 둘 필요가 있다. 이송 속도를 빠르게 하면 생산성은 향상되지만 크레이터 마모를 진행시키기 때문에 이송속도를 낮추면긴 절삭 길이를 가공할 수 있다.
 
 홈가공용 특수 코로컷 팁 - 호케스틱
 항공기 부품의 얇은 벽이나 복잡한 형상을 가공 함에 있어서는 스페이스가 제한되므로 거기에 맞는 홈가공과 모방가공용 공구가 필요하다. 이럴 경우 표준 팁과 홀더로는 티탄 합금을 가공하기에 충분한 공구 강성과 접근성을 양립하기가 어렵다. 이문제를 해결하기 위해 샌드빅(주)에서는 특수 코로컷 팁인 호케스틱을 준비했다<그림 13>. 코로컷에 강성이 있는 팁 시트를 사용하고 디스크나 샤프트, 케이싱 등의 형상에 맞추어 연마하면 공구 형상이 최적화되어 안전하고 생산성 높은 가공을 할 수 있다<그림 14>.

 
TAG :  다듬질가공  티탄합금
 
 
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