미세 결함 문제를 해결하는 확실한 방법
디자인을 개선한 초경 드릴 테스트에서 찾은 홀 품질 향상의 가능성
'두 번의 측정, 한 번의 절삭'은 제조업계에서 흔히 사용하는 표현이지만, 까다로운 소재를 가공할 때는 말처럼 쉽지 않습니다.드릴링 공정의 2차 단계 전체를 제거하면서 우주 항공 부품의 품질을 개선하고자 했던 우주 항공 산업의 한 글로벌 제조업체가 금속 절삭 분야의 글로벌 리더 샌드빅 코로만트와 협력한 이유가 여기에 있습니다. 샌드빅 코로만트의 James Thorpe 글로벌 제품 관리자가 홀 품질 향상을 위해 필요한 드릴 디자인에 대해 설명합니다.
홀 가공은 모든 가공 공정 중에서 가장 일반적인 공정이지만, 가장 당연하게 여겨지는 공정이기도 합니다. 대부분의 가공 현장에서는 수년간 동일한 공구와 절삭 매개 변수를 사용해 왔으며, 기존의 홀 가공 셋업을 변경하거나 업그레이드할 이유가 거의 없었습니다. 하지만 예상하지 못한 코로나19 사태로 인해 상황이 크게 달라졌습니다. 시장에서 예측 불가능한 상황이 계속 이어짐에 따라 제조업계에서도 생산 방식을 바꿔야 한다는 인식이 커지고 있습니다.
예를 들어 대부분의 제조업체들은 새로운 협력업체와 제품을 모색하고 있습니다.따라서 특정 분야만 전문적으로 취급했던 생산 현장에서도 더욱 다양한 난삭재를 가공하는 데 CNC 선반과 밀링 장비를 사용하고 있습니다. 동시에 제조업체들은 제품 품질을 희생하지 않으면서 수익을 높이고 사이클 시간을 단축하는 새로운 방법을 모색해야 합니다.
다시 말해, 제조업체들이 홀 가공 방법을 재고해야 할 때인 것입니다.
화이트 레이어
홀 표면의 무결성은 우주 항공 제조업체들이나 우주 항공 산업으로 다각화하고자 하는 일반 엔지니어링 업체들의 주요 관심사입니다. 홀 품질의 향상은 부품 불량을 방지하기 위해 매우 중요하고 홀의 가공 또는 정삭에 사용되는 제조 공정에 의해 대부분 결정됩니다.
툴링 솔루션과 드릴의 절삭날 형상은 제조와 부품 품질에 관한 가장 높은 기준을 충족하기 위해 지속적으로 발전하고 있습니다. 또한 공구의 열 축적을 줄이기 위해 절삭유의 사용도 개선되고 있습니다. 그리고 테스트에 따르면 이러한 각각의 요소를 통해 가공물 소재에 대한 이른바 '화이트 레이어' 현상을 제어할 수 있습니다.
화이트 레이어는 샌드빅 코로만트의 고객이기도 한 우주 항공 산업의 한 글로벌 제조업체가 만든 용어입니다. 이 용어는 가공물의 드릴링 후에 관찰되고 드릴의 열에 의해 발생하는 얇은 초미립자 구조를 일컫습니다. 화이트 레이어는 재료의 표면 특성을 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 이 고객의 품질 관리 프로세스에서 허용할 수 없는 것으로 간주되었습니다.
이 제조업체는 터빈 디스크, 컴프레서, 드럼, 샤프트를 포함한 우주 항공 부품의 홀 드릴링에 엄격한 홀 정삭 공정을 적용합니다. 이 업체가 화이트 레이어가 생기는 이유를 조사하고 화이트 레이어의 제어 방법을 모색하기 위해 샌드빅 코로만트와 협력하기로 결정한 이유가 여기에 있습니다.
품질 관리 부서에서만 테스트가 필요하다고 생각한 것이 아닙니다. 고위 관리 수준에서 고객은 전체 2차 가공 프로세스를 제거하여 전체 작업 시간을 줄이고 이익을 늘리기를 원했습니다.
홀 표면의 무결성은 우주 항공 제조업체들이나 우주 항공 산업으로 다각화하는 일반 엔지니어링 업체들의 주요 관심사입니다. 여기에서는 -SM 형상의 CoroDrill 860을 사용한 HRSA 케이싱의 보스 드릴링에 대해 알아보겠습니다
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2차 공정
2차 공정은 초경 드릴로 홀을 만든 후에 리머 가공, 플런지 밀링 또는 엔드 밀링으로 가공물을 정삭하는 단계입니다. 이 2차 단계는 정밀 공차 홀의 가공을 제외하고 치수 정확도 보다는 화이트 레이어 같은 문제를 최소화해 표면 무결성 요구사항을 충족하기 위해 주로 수행됩니다.
전반적인 비용 관점에서 2차 공정은 표면 무결성을 유지하는 또 다른 방법인 낮은 절삭 조건을 유지하는 것보다 비용이 더 많이 듭니다. 이러한 이유로 이 샌드빅 코로만트 고객은 이 공정을 모두 제거하는 방법을 조사하고자 했습니다. 2차 공정 없이 크기에 맞는 홀을 가공할 수 있는 제품을 보유한 공급업체는 부품당 비용을 크게 낮춰 확고한 비즈니스 토대를 마련할 수 있습니다.
화이트 레이어의 원인과 가능한 예방 조치를 조사하는 과정에는 우주 항공 소재로 인기가 있는 고강성 니켈 크롬 소재 인코넬 718을 드릴링하는 테스트가 4회에 걸쳐 수반되었습니다. 고객이 이러한 조사를 수행한 것은 이번이 처음이었는데,
이 테스트는 샌드빅 코로만트의 2가지 솔리드 초경 드릴인 CoroDrill® R840과 CoroDrill® R846을 사용한 드릴링을 평가했습니다.각각 2가지의 다른 가공 조건으로 58 mm/min 및 98 mm/min, 회전 속도 829 rev/min 및 757 rev/min이사용되었습니다. 또한 화이트 레이어 두께와 함께 절삭 부하와 토크 데이터에 대한 측정 테스트도 진행되었습니다.
테스트 후 CoroDrill R840과 CoroDrill R846은 각각 홀 품질을 저해하지 않으면서 공구 수명을 향상시키는 차세대 공구인 -GM 형상의 CoroDrill® 860과 -SM 형상의 CoroDrill® 860으로 대체되었습니다.
또한 테스트 결과에서 화이트 레이어의 원인과 관련하여 중요한 사실을 알게 되었는데, CoroDrill R846의 경우 곡선형 및 반경 방향 절삭날 덕분에화이트 레이어가 덜 생긴다는 점이 주목을 받았습니다.한편, 직선 절삭날과 CoroDrill R840의 절삭날에 가해지는 챔퍼로 인해 절삭 부하, 토크 및 화이트 레이어 두께가 증가하는 것으로 보입니다. 따라서 드릴의 설계에 따라 절삭 조건을 희생하지 않으면서 화이트 레이어가 감소한 우수한 홀 품질을 달성할 수 있을지 여부가 결정됩니다.
샌드빅 코로만트와 함께 진행한 글로벌 우주 항공 제조업체의 테스트를 통해 화이트 레이어에 대해 중요한 사실을 알게되었을 뿐 아니라 리머 가공이나 플런지 밀링 가공과 같은 일부 2차 공정을 없애서 시간과 비용을 절약할 수 있게 되었습니다. 또한 테스트 결과를 통해 샌드빅 코로만트 CoroDrill 860 초경 드릴 제품군의 우수성도 다시금 확인할 수 있었습니다.
설계를 통한 성능 향상
앞서 언급한 -GM 형상의 CoroDrill 860은 모든 산업 분야에서 까다로운 ISO P, M, K 및 H 소재 드릴링에 적합하도록 설계된 다용도 공구입니다.-SM 형상의 CoroDrill 860은 내열합금, 티타늄, 인코넬과 같은 ISO S 재종 가공에 최적화되어 있습니다. -SM 형상은 특히 우주 항공 분야에서 인기가 있습니다.
샌드빅 코로만트의 엔지니어 팀은 공구 수명 연장과 홀 품질 향상의 핵심은 드릴 설계라는 철학에 따라 -GM 형상의 CoroDrill 860과 -SM 형상의 CoroDrill 860을 개발했습니다. -GM 형상의 CoroDrill 860은 칩 배출을 개선하고, 드릴링 시 코어 강도를 높이며, 절삭 부하를 줄이는 혁신적인 광택형 플루트 디자인으로 제작되었습니다.
한편 -SM 형상의 CoroDrill 860에는 새 재종과 최적화되고 정교한 포인트 형상이 적용되어 가공이 어려운 내열합금 소재를 가공할 때 공구 수명이 늘어나며, 그 결과 홀 품질이 향상됩니다.
-SM 형상이 적용된 CoroDrill 860의 드릴 디자인이 공구 수명을 늘리고 홀 품질을 향상시킵니다.
CoroDrill 860의 우수성은 다양한 분야에서 출시 전 테스트를 통해 이미 입증되었습니다. AISI 4140 구조 강 가공에서 -GM 형상의 CoroDrill 860을 이용한 프랑스의 기계 엔지니어링 업체는 드릴 진입부가 볼록하거나 오목한 홀 가공에서 우수한 진직도 및 공차 결과를 얻었습니다. 그 후 이 업체는 샌드빅 코로만트와 지금까지 비즈니스 관계를 이어오고 있습니다.
샌드빅 코로만트의 고객사인 이탈리아의 일반 엔지니어링 제조업체는 -GM 형상의 CoroDrill 860을 사용하여 강 합금 34CrNiMo6을 가공하였더니 경쟁업체의 드릴을 사용할 때보다 생산성이 45% 이상 향상되었고 공구 수명도 100% 증가했습니다. -SM 형상의 CoroDrill 860을 이용하여 Inconel 718 가공에서 큰 성공을 거둔 사례도 있습니다. 폴란드 카토비체에서 실시한 테스트에서는 -SM 형상의 CoroDrill 860을 사용한 후 CoroDrill R840을 사용할 때보다 공구 수명이 180% 늘었습니다.
우주 항공 산업이든 일반 엔지니어링이든 분야에 상관없이 드릴을 목적에 따라 올바르게 설계하면 공구 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한 샌드빅 코로만트의 CoroPlus® Tool Guide와 같은 온라인 리소스도 도움이 됩니다. 웹 브라우저를 통해 이 사이트에 접속하여 가공물 소재, 홀 직경 및 깊이를 입력하면 요구사항에 가장 적합한 솔리드 공구와 절삭 조건을 확인할 수 있습니다.
'두 번의 측정, 한 번의 절삭'이라는 드릴링 목표는 아직 실현되지 않았지만, -GM 형상의 CoroDrill 860과 -SM 형상의 CoroDrill 860을 이용하면 기존과 다른 방식으로 홀 가공에서 탁월한 결과를 얻을 수 있습니다.
