비용 효율적 프로토타이핑을 위한 올바른 금속 가공 전략 선택법

금속 가공, 특히 밀링은 현대 프로토타이핑 기법에서 널리 사용됩니다. 프로토타입 제조업체들은 기술 측면에서 장비 역량을 극대화하려 합니다. 최근 몇 년간 인기를 얻은 방법 중 하나가 헬리컬 밀링입니다. 헬리컬 밀링이 무엇인지, 장단점은 무엇인지, 이 지식을 프로토타입 설계에 어떻게 활용해 제조 비용을 낮출 수 있는지 정리해 보겠습니다.

헬리컬 밀링이란?

헬리컬 밀링은 대체 홀 가공 공정입니다. 이 공정은 엔드밀이 나선형 궤적을 따라 고품질 보어를 달성하는 것을 포함합니다. 기존 드릴링에 비해 많은 이점을 제공하며 보링 머신을 완전히 대체할 수 있는데, 이는 프로토타이핑 숍에서 정말 많은 장비 구매를 피하고 싶어 하므로 항상 유리합니다. (하하, 그들이 지루하다고 하는 게 아니라, 실제로 보링(boring)이면서 동시에 날카롭기도 하다는 뜻입니다. 이 말장난이 절 죽이네요). 헬리컬 밀링은 사실상 어떤 형태의 보어든 만들 수 있고, 절삭 힘이 낮고, 공구 마모도 적으며, 달성 가능한 품질이 꽤 높습니다.

왜 드릴링이 아닌가?

헬리컬 밀링의 주된 대안은 재래식 드릴링입니다. 구멍을 만드는 매우 널리 쓰이는 방법입니다. 통계적으로 금속 부품 제조 시 드릴링이 사이클 타임의 최대 25%, 전체 가공 작업 수의 33%를 차지합니다. 하지만 왜 밀링을 고려해야 할까요? 분명히 운동학이 훨씬 단순하지만, 드릴링에는 더 복잡한 밀링 기법을 정당화하는 다양한 단점이 있습니다.

예를 들어, 드릴링 속도는 직경에 따라 다릅니다. 외부 지점에서 가장 높고 드릴 중심(축 위치)에서는 사실상 0입니다. 이는 혁명 축 근처의 가공 공정이 실제 절삭이 아니라 소성 변형임을 의미합니다. 이는 공구 추력을 증가시키고 공구를 급격히 마모시킵니다.

축 방향 추력 때문에 드릴, 특히 마모된 드릴은 소재를 빠져나가며 얇은 금속 층을 구부립니다. 그 결과 구멍 주변에 돌출된 잔여 소재가 생겨 수동으로 제거해야 합니다. 밀링 커터를 사용하면 잔여 소재를 크게 줄일 수 있습니다.

드릴링은 끔찍한 칩 제거 조건을 제공합니다. 가공 소재는 드릴 플루트(flute)를 통해서만 제거될 수 있습니다. 칩 제거는 구멍 표면 마무리와 절삭 온도에 영향을 줍니다. 금속 조각이 절삭 구역에서 플루트를 통해 표면으로 이동하며 구멍 측면을 긁어 표면 마무리를 낮춥니다. 칩이 절삭 열의 최대 80%를 운반한다는 게 입증되었으므로 제거 문제는 드릴 온도를 높입니다. 그 때문에 더 빨리 마모됩니다. 칩 제거율을 높이기 위해 작업자들은 단계 드릴링 방식을 사용합니다. 드릴이 전체 길이의 일부를 가공한 후 빼냅니다. 이는 좋은 전략이지만 드릴링 시간이 늘어납니다.

보시다시피 드릴링에는 상당한 단점들이 있어 가공 효율과 프로토타이핑 숍 효율을 높이려는 제조업체들은 헬리컬 밀링을 채택합니다.

헬리컬 밀링 세부 사항

헬리컬 밀링에서 일어나는 몇 가지 공정을 검토해 보겠습니다.

첫째, 엔드밀이 나선형 경로를 따라 움직입니다. 이는 가공 센터가 수직 Z축 이동과 수평 X-Y축을 결합해야 함을 의미합니다. 이는 NC 프로그램을 수동으로 작성하기 매우 복잡하게 만들지만, 많은 CAM 시스템이 헬리컬 밀링을 전략 중 하나로 채택했습니다.

칩 형상은 두 구역으로 구성됩니다: 엔드밀 측면에 의해 생성되는 파란 구역과 엔드밀 면에 의해 생성되는 빨간 구역. 이 두 구역 비율이 공구와 보어 직경만으로 결정된다는 게 입증되었습니다.

공구 직경이 커지면 파란 구역이 늘어납니다. 파란 칩은 불연속적이므로 빨간 칩에 비해 진동 측면에서 더 나쁜 밀링을 제공합니다. 따라서 표면 마무리가 나빠집니다. 또한 밀 측면에서 제거되는 부피가 증가함에 따라 반경 방향 절삭 힘(그림의 빨간 Fr)이 커지고 공구가 구멍 안쪽으로 휘게 되어 공차가 감소합니다. 부정적 효과는 더 큰 공구가 더 높은 강성을 가지므로 어느 정도 감소합니다.

공구가 작으면 빨간 구역이 우세해 반경 방향 힘과 진동이 작지만, 공구 직경 감소는 시스템 강성에 의해 제한됩니다.

제 생각엔 처음에 더 큰 공구를 쓰고 마지막에 작은 공구로 낮은 절삭 깊이와 이송으로 마무리 절삭하면 훌륭한 표면 마무리가 나옵니다.

헬리컬 밀링을 사용해야 하는 이유

보시다시피 헬리컬 밀링은 여러 이점을 제공하는 유망한 공정입니다.

공구 교체 없이 더 나은 정밀도와 표면 품질로 어떤 직경이든 달성할 수 있습니다. 35mm보다 큰 구멍을 드릴링해 보신 분이면 단일 드릴로만 하는 게 나쁜 결정임을 아실 겁니다. 보통 더 작은 드릴들로 범위를 나눠 합니다. 예를 들어 초기 구멍 10mm, 더 큰 드릴로 20mm, 그리고 35mm로. 그 후 더 높은 정밀도나 표면 마무리가 필요하면 리밍이나 카운터싱크를 합니다. 구멍 하나 뚫는 데 4~6번 공구 교체가 필요합니다. 헬리컬 밀링이면 하나의 엔드밀로 구멍을 뚫고 더 작은 이송으로 원하는 공차와 품질을 달성합니다. 공구 교체 없이 IT7에 Ra 1.25까지 달성 가능합니다.

절삭 온도가 낮고 칩 제거가 더 좋습니다. 엔드밀이 보어 전체 공간을 차지하지 않습니다. 이게 주된 장점입니다. 30mm마다 플런징 후 공구를 뺄 필요가 없습니다. 구멍에 냉각수를 뿌리면 칩을 제거하고 가공 온도를 낮춥니다.

공구 마모를 예측하고 궤적 수정이 가능합니다. 드릴링의 주요 문제 중 하나는 드릴이 마모되면 완전히 부러졌을 때나 알 수 있고, 단단한 소재 가공 시 보어에 걸릴 수도 있습니다. 헬리컬 밀링이면 기본적으로 밀링이므로 표준 계산법이나 제조사 지정 공구 수명으로 공구 마모를 예측할 수 있습니다. 공정 중 그런 변화를 고려할 수도 있습니다. 궤적을 약간 변경해 직경 치수를 보존할 수 있습니다. 드릴링으로는 그렇게 못 합니다. 아, 참고로 공구 수명은 공구 면 마모(빨간 구역 칩)로 결정됩니다.

결론

물론 헬리컬 밀링은 혁신적인 공정이고 단점도 있습니다. 예를 들어 칩 제거율이 그리 빠르지 않고 파라미터가 아직 충분히 연구되지 않았습니다. 하지만 이 기법은 세팅 수, 가공, 공구 수를 줄이면서 보어 품질을 유지합니다. 공구와 장비 수를 최소화하려는 프로토타이핑 제조업체에게 상당한 이점입니다.