저주파 진동으로 초합금 가공 생산성 혁신: 잡 숍 사례

이 영상은 저주파 진동을 간략히 설명합니다. 출처: 마루베니 시티즌-신콤(Marubeni Citizen-Cincom Inc.)

머신에서 초합금(superalloy) 터닝은 까다롭습니다. 이 고집스러운 소재는 카바이드 절삭 공구에 부담을 주고 길고 끈적한 칩을 만들어 부품에 감기며 불량 표면 조도를 남깁니다. 한 잡 숍(job shop)은 최근 구매한 스위스형 선반의 신기술 발견 전까지 이 소재로 짧은 칩 만들기에 애를 먹었습니다.

마루베니 시티즌-신콤 스위스형 선반에 탑재된 저주파 진동(LFV) 기술을 발견하기 전, 슬레이브 머신 프로덕츠(Slabe Machine Products, 오하이오 주 윌러비)는 고압 쿨런트에 의존해 칩을 분쇄하고 절삭 영역에서 제거했습니다. 하지만 이 공정만으로는 쿨런트 스트림을 완벽한 각도와 압력으로 위치시키기 어려웠습니다.

2018년 LFV 기술이 탑재된 첫 마루베니 시티즌-신콤 스위스형 선반을 구매한 슬레이브 머신은 즉각적인 이점을 경험했습니다: 짧은 칩, 공구 수명 및 부품 표면 조도 개선, 시간 절약, 전반적 생산성 향상. 사실 회사는 이 머신에 깊은 인상을 받아 1년 만에 LFV 탑재 스위스형을 10대 더 구매했습니다.

하지만 LFV란 무엇이며 슬레이브 머신은 어떻게 적용할까요?

혁신 선도

LFV 같은 신기술을 전면 수용하는 건 슬레이브 머신의 특징입니다. 공동 소유자 브렌든 슬레이브(Brendan Slabe)에 따르면 회사는 혁신의 최전선에 있습니다. "우리는 보통 신기술 초기부터 뛰어듭니다." 그가 말합니다. "사람이 엔진을 돌리지만 기술이 그 바로 다음입니다. 기술과 사람이 잘 어우러지면 승리하는 레시피가 됩니다."

첫 마루베니 시티즌-신콤 LFV 탑재 스위스형 선반에서 '게임 체인저' 기술을 경험한 후 슬레이브 머신은 1년 만에 똑같은 머신 10대를 추가 구매했습니다. 사진 제공: Slabe Machine Products

항공우주, 총기, 의료, 발전, 밸브, 베어링 등 산업을 지원하며 다양한 가공 역량을 요구하는 작업을 수주합니다. 따라서 슬레이브 씨는 고객의 점점 더 까다로운 기대에 부응하기 위해 최신 혁신을 지속적으로 추적해야 한다고 믿습니다. 그는 자사가 멀티축 머신 초기 구매자 중 하나였다고 말하며, 터닝 머신, CNC 툴 앤 커터 그라인더, 스위스형 머신, 3D 프린터, 워터젯 머신 등 최신 기술을 갖추려 노력한다고 합니다.

마루베니 시티즌-신콤 머신 툴 디스트리뷰터인 컨센트릭 코퍼레이션(Concentric Corp., 오하이오 주 클리블랜드)이 LFV 기술 시도를 제안하자 슬레이브 씨는 망설이지 않았습니다. LFV로 터닝, 그루빙, 드릴링 작업을 완료한 시티즌 L20 스위스 터닝 센터를 구매했습니다.

슬레이브 씨는 이 기술이 얼마나 잘 작동하는지 알게 된 순간을 '유레카(eureka)' 모먼트라고 부릅니다. "우리 공구가 50개 가공하던 게 500개로 늘어나는 마법의 스윗 스팟(sweet spot)을 찾았습니다." 그가 설명합니다.

진동? 문제없다

진동은 일반적으로 가공 공정에서 반갑지 않지만, 시티즌이 스위스형 선반용으로 개발한 저주파 진동(LFV)은 슬레이브 머신에 여러 면에서 유익함이 입증되었습니다. 이 기술은 인코넬(Inconel), 하스텔로이(Hastelloy), 스테인리스강, 구리, 알루미늄 등 난삭재용으로 특별히 설계되어 슬레이브 머신의 11대 마루베니 시티즌-신콤 슬라이딩 헤드스톡 스위스형(L12, L20, L32 모델 포함)에 놀라운 효과를 냈습니다.

진동이 어떻게 절삭 공구에 유리하게 작용할까요? LFV 기술은 바스톡 회전에 맞춰 절삭 공구를 Z축으로 의도적으로 진동시킵니다. 때로는 공구를 절삭 영역에서 완전히 빼내기도 합니다.

마루베니 시티즌-신콤에 따르면 의도적인 에어 컷(air cut)이 칩을 일관되게 작은 조각으로 분쇄해 공작물이나 공구 주위에 나선형으로 엉키는 '버드 네스팅(bird nesting)' 문제를 최소화합니다.

"LFV 사용 시 소리가 문제가 있는 진동처럼 들립니다." 슬레이브 씨가 설명합니다. "하지만 공구가 나노초 동안만 공작물에서 떨어졌다가 다시 물려 밀링 같은 (작은) 칩을 만듭니다. 공구 수명이 현저히 늘어납니다."

칩 크기 제어

LFV 탑재 스위스형 선반은 칩 크기를 완벽하게 제어할 수 있게 합니다. "LFV는 머신 드라이브를 통한 고도로 엔지니어링된 진동 동기화입니다." 컨센트릭 코퍼레이션 영업 부사장 맷 클레카(Matt Klecka)가 설명합니다. "제어는 프로그램 코드 한 줄의 변수 변경으로 칩 형상을 바꾸는 것만큼 단순합니다."

슬레이브 머신은 이 애플리케이션에서 약 5인치 깊이로 관통하는 3/8인치 드릴 여러 개를 사용했는데, 이전에는 긴 끈적한 칩이 공구 수명과 표면 조도에 악영향을 주었습니다. 하지만 이제 머신 컨트롤 내 LFV 프로그래밍으로 짧은 칩이 생성됩니다.

최적의 처리량을 위한 완벽한 칩, 즉 슬레이브 씨 표현의 '스윗 스팟'을 찾기 위해 기계공이 시행착오를 거쳐야 할 수 있습니다. 그는 공구가 완벽하게 작동하고 칩이 딱 적절한 타이밍에 끊어지는 올바른 파라미터를 찾는 핸드북은 없다고 설명합니다. 그는 부족 지식(tribal knowledge)이 개입된다고 믿습니다.

슬레이브 씨는 LFV가 하스텔로이 애플리케이션에서 '더 이상 끈적한 칩 없음'으로 짧은 칩을 만든 구체적 사례를 듭니다. 여기선 여러 3/8인치 드릴이 약 5인치 깊이로 관통했습니다. "예전엔 길고 끈적하고 열을 머금은 카바이드 공구 킬러 칩이 무작위로 드릴에 감겨 공정 중간에 멈추고 칩을 뽑아내야 했습니다." 그가 말합니다. "이제 제가 좋아하는 딱 그 크기의 작은 칩이 나옵니다."

마루베니 시티즌-신콤에 따르면 절삭날 빌드업 최소화, 발열 및 전력 소비 감소도 LFV 기술의 추가 이점입니다. 또한 기존 터닝에 쓰는 동일 절삭 공구를 LFV 터닝에도 사용할 수 있습니다. 드릴링, 그루빙, 스레딩 작업에도 적용합니다. 그루빙의 경우 그루빙 공구가 바스톡 원주에 수직인 X축으로 진동/플런지 인-아웃합니다.

생산성 증가

LFV 탑재 스위스형 머신 한 대 도입 후 슬레이브 머신은 공구 수명 연장, 공작물 표면 조도 개선,

슬레이브 씨는 LFV로 이전엔 다른 머신에서 하던 새로운 유형 부품 가공 기회가 생겼다고 말합니다. 예: 항공우주 팁 셸(tip shells)을 이제 스위스 선반에서 가공합니다.

기계공과 비즈니스 전반의 시간 절약을 경험했습니다. 이 모든 이점이 회사의 생산성 증가로 이어집니다. 이러한 결과로 슬레이브 씨는 LFV 탑재 머신을 더 구매하기로 결정했습니다. 시기가 적절했던 게 회사 모든 스위스 머신이 노후화로 교체 필요했기에 그렇습니다.

"원래 한 대씩 교체하려 했는데 효율 이점이 너무 커서 1년 만에 다 교체했습니다." 슬레이브 씨가 말합니다. "LFV 없는 스위스형은 다시 안 살 것 같습니다."

슬레이브 씨는 LFV로 이전엔 다른 머신에서 하던 새로운 유형 부품 가공 기회가 스위스형에서 생겼다고 말합니다. 예: 항공우주 팁 셸을 이제 스위스 선반에서 가공합니다. 그는 과거 이 부품들의 홀을 별도 머신에서 건드릴링(gun-drilling)했지만 이제 스위스에서 드릴링 가능하다고 설명합니다. "일반적으로 스위스 머신엔 반인치 홀을 4~5인치 깊이로 드릴링할 힘이나 마력이 없었습니다." 그가 말합니다. "하지만 LFV 기술로 조금씩만 깎아내니 더 자유롭게 절삭됩니다." 그는 이런 '고속 가공' 유형이 컨벤셔널 공정(더 높은 마력과 무거운 절삭 필요) 대비 가벼운 절삭으로 더 적은 마력을 사용하게 한다고 덧붙입니다.

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