장비와공구, 스핀들 커넥션 일치로 고생산성 실현 - 산업일보

[TECH & INSIDE] 최고의 튜닝 시스템

장비와 공구, 스핀들 커넥션 일치로 고생산성 실현

난가공에 해당하는 티타늄을 비롯한 내열합금의 가공을 위해서는 동력을 제공하는 장비, 피삭재에 적합한 절삭공구, 그리고 장비와 공구가 만나는 스핀들 커넥션이 삼박자를 이뤄야 한다. 미쓰이세이키와 케나메탈은 KM4X 100 스핀들 커넥션을 사용하는 4개의 공구가 장착된 HPX63 CNC 수평 머시닝 센터를 적용해 티타늄 절삭실험을 진행한 결과 소재 제거율이 1.5배에서 2배에 달하는 것으로 나타났다.

티타늄 절삭 실험에 적용된 미쯔이세이키의 HPX63 CNC 수평 머시닝센터

티타늄과 같은 고강도 내열합금 가공은 많은 업체들이 넘어야 할 커다란 산이다. 장비 제조업체들은 필요한 상당한 절삭력을 제공하면서도 부품 품질과 공구 수명을 저하시키는 진동 발생을 최소화하기 위해 스핀들의 향상된 강성 및 댐핑과 크기 조정이 가능한 장비 구조 및 모터를 제공하는 밀링/선삭 센터로 대처해 왔다. 

절삭량을 최대화하는 최고의 티타늄 가공 시스템을 구축하려면 동력을 제공하는 장비, 피삭재에 적합한 절삭날을 지닌 절삭공구 특성, 장비와 공구가 만나는 스핀들 커넥션(즉, ´핸드쉐이크´)에 세심한 주의를 기울여야 한다. 

지난해 4월 장비 제조업체인 미쯔이 세이키(Mitsui Seiki, 미 뉴저지 프랭클린레이크스 소재, 이하 미쯔이)는 툴링 및 툴링 시스템 공급업체 케나메탈(Kennametal, 미 펜실베니아 러트로브 소재)과 연계해 각각 케나메탈의 KM4X 100 스핀들 커넥션을 사용하는 4개의 공구가 장착된 Mitsui-Seiki HPX63 CNC 수평 머시닝센터에서 티타늄(Ti-6Al-4V) 피삭재에 대한 시험 절삭을 실시했다. 

장비

스윙 직경이 최대 1,050mm이고 작업 가능 높이(Y축)가 최대 1,050mm인 큰 작업용량이 HPX63의 핵심 설계기준에 포함돼 있다. 축 스트로크는 X축 방향으로 1,000mm, Z축 방향으로 900mm이고, 팔레트 사이즈는 630mm이다. B축 회전 테이블은 12rpm, 높은 토크, 높은 가속 기능을 제공한다. 가속/감속이 0.5G에서 급속 이동속도는 32m/min이며, 절삭이송은 12m/min이다. 

고정밀 작업에 맞게 제작된 주물은 금속 공학적으로 최고의 강성을 제공하도록 구성돼 있고, 박스웨이 축 슬라이드는 경화 처리 및 연마와 함께 핸드 스크레이프(Hand-scraped)를 거쳤다. 포지셔닝 정밀도 및 반복정밀도는 0.001mm이다. 스핀들은 열 변화를 자동으로 보상하고 예열시간을 필요로 하지 않는다. 미쯔이는 직접 또는 기어 드라이브에 대한 사용자 요구사항은 물론 필요한 토크 양과 rpm을 충족하는 몇가지 스핀들 옵션을 제공한다. 

HPX-63의 전반적인 견고함과 강성, 정밀도는 항공, 에너지, 컴프레서, 금형, 픽스쳐 및 툴링, 자동차 원형 제작, 일반 정밀가공산업의 티타늄, 인코넬, 공구강, 스테인리스강, 알루미늄에 적합하다. 

이용 가능한 동력을 최대한 활용할 수 있는 스핀들 커넥션은 최고의 시스템을 구축할 때 고려해야 할 중요사항이다. 시중의 대부분의 공구는 솔리드이며, 스핀들은 상대적으로 체결력이 낮다. 반경 방향 간섭을 최소한으로 유지해야 하므로 커넥션 강성이 제한적이기 때문이다. 따라서 일관된 페이스 구속효과를 얻기 위해 요구되는 공차가 매우 정밀하고, 이는 곧 높은 제조비용으로 이어진다. 

KM4X 스핀들 커넥션

스핀들 커넥션

케나메탈의 KM4X™은 차세대 KM을 나타낸다. 일부 시스템은 상당한 양의 토크를 전달할 수는 있지만, 절삭부하가 휨 모멘트도 발생시켜 토크 한계에 도달하기 전에 인터페이스 한계를 초과하게 된다. 

KM4X™ 시스템은 향상된 안정성 및 최적화된 체결력 배분과 끼워 맞춤을 제공하는 3면 구속 방식을 사용해 다른 공구 시스템에 비해 3배 큰 휨 모멘트 저항 강도를 갖고 있다.

시험 절삭에서 HPX63 장비에는 최대 26/22kW의 동력과 1,081Nm의 높은 토크를 제공하는 고동력 스핀들이 장착됐다. KM4X100 스핀들 커넥션은 85kNm의 체결력을 보였으며, 이 수치는 HSK100의 2배, BT50의 3배에 달한다(각각 40kNm, 25kNm). 

티타늄 절삭을 위해 사용된 케나메탈의 4가지 절삭공구

절삭공구 

시험 절삭에서 사용된 4가지 절삭공구는 ▲7개의 스퀘어 인덱서블 인서트가 장착된 203.2mm 직경의 페이스 밀, ▲7개의 라운드 인서트가 장착된 동일 직경 페이스 밀, ▲11개의 인서트에 각각 5개의 헬리컬 열이 있는 직경 76.21mm, 길이 228.6mm의 헬리컬(HARVI Ultra ™) 커터 및 ▲6개의 인덱서블 인서트가 장착된 직경 125mm의 플랫바텀 인덱서블(FBI) 드릴 유닛이다. 

장비의 동력, 스핀들, 스핀들 커넥션의 뛰어난 체결력으로 인해 전반적으로 굉장히 놀라운 시험 절삭결과가 나왔다. 스퀘어 인서트 페이스 밀의 경우 164.3mm/min의 이송에서 스핀들 속도 64min-1, 절삭깊이 12mm, 절삭 폭 45mm에서 소재 제거율이 88.74cc/min에 달했다. 스핀들 속도 73min-1, 절삭 폭 177.8mm, 절삭깊이 3mm, 88.9mm/min 이송에서 라운드 인서트 페이스 밀의 소재 제거율은 47.42cc/min에 달했다. 

HARVI UltraT™ 헬리컬 커터는 스핀들 속도 171min-1, 이송 101.6mm/min, 절삭깊이 40mm, 절삭 폭 76.21mm로 X방향과 Y방향에서 동시에 절삭할 경우 소재 제거율이 309cc/min을 상회했다. 

FBI 드릴은 스핀들 속도 102min-1, 이송 10.2mm/min에서 티타늄 피삭재에 플랫바텀 홀을 만들었으며 홀 직경은 125mm, 소재 제거율은 125.2cc/min이었다. 첫번째 홀 가공 후 피삭재가 스핀들로부터 45도 위치로 회전된 다음 이전 홀의 가장자리를 통과하는 경사 홀이 뚫렸다. 심한 단속 가공에도 장비와 드릴이 모두 훌륭한 성능을 보여줬다. 

최적의 성능 

HPX63은 범용 장비에 비해 티타늄합금 가공의 소재 제거율이 1.5배에서 2배에 달한다. 

KM4X 스핀들 커넥션은 충분한 체결력과 끼워 맞춤이 조합돼 고객은 장비 및 스핀들이 제공할 수 있는 것보다 더 높은 rpm과 토크 수준을 사용할 수 있으며, 장비를 통해 생산성을 높이고 공구를 통해 절삭성능을 높일 수 있다. 또한 KM4X100 스핀들 커넥션은 HSK125와 성능 수준은 같지만 긴 스핀들, 큰 공구 변환기 암, 큰 공구 매거진 및 그외 공간을 많이 차지하는 장비에 필요한 모든 확장이 필요하지 않다. 

적합한 장비를 적합한 공구와 커넥션을 통해 확장하므로 티타늄을 비롯해 기타 난가공 합금에 최적의 생산성을 제공하는 시스템을 구축할 수 있다. 커넥션을 사용하면 장비의 잠재 성능을 최대한 끌어내어 절삭날을 최대한 활용할 수 있으므로 밀링, 드릴링, 선삭에서도 생산성이 더욱 높아진다.

산업일보 kidd@kidd.co.kr