스레드 휄링 혁신: 최첨단 툴링과 표면 코팅 기술

결함 없는 서브 마이크로 표면 품질을 갖춘 신규 인서트 코팅 기술은 스레드 휄링 중 인서트가 겪는 절삭 하중 특성에 매우 적합합니다. 사진 제공: 겐스위스(GenSwiss)

Production Machining 매거진 독자라면 CNC 스위스 선반 기술에 이미 투자했거나 향후 투자에 큰 관심을 갖고 있을 확률이 높습니다. 아마도 이 머신들의 정밀도 수준 때문이거나, 장기간 고량 생산 작업을 고려 중인데 이 장비의 역량이 필요해서일 수 있습니다.

확실한 건 스레딩 작업은 거의 모든 스위스 머신 숍이 마주치며, 모든 스위스 기계공은 이 분야의 최신 발전을 알아야 한다는 점입니다. CNC 스위스 선반의 또 다른 이름, 다소 '올드 스쿨'하지만 '스크류 머신(screw machine)'입니다. 이게 명칭 유래는 아니지만, 스레드 만들기는 이들이 정말 잘하는 일입니다.

특히 스레드 휄링(thread whirling)은 스위스형에서 흔히 수행되는 스레딩 공정으로 최근 발전이 있었습니다. 신규 인서트 기술과 툴링 설계가 이 기존 단일 포인트 스레딩 대안을 더욱 생산적으로 만들었습니다.

하지만 스레드 휄링 툴링 기술의 발전을 보기 전에, '가이드 부싱 초보자(guide bushing greenhorns)'를 위해 스위스 선반의 시그니처 설계 요소가 스레드 가공과 어떻게 관련되는지 한 단계 물러나 살펴보겠습니다. 스위스 머신(또는 선반)에서 전통적인 단일 포인트 방식으로 스레딩할 때 공구 여러 패스로 스레드 형상의 전체 깊이를 달성해야 합니다. 이는 금속 제거율이 낮고 공작물 변형이 적어 60도 포함각 스레드 형상을 쓰는 대구경 나사에서는 큰 문제가 아닙니다. 따라서 이런 류의 스레드를 절삭하는 데 필요한 공구 압력도 상대적으로 낮습니다.

스위스형 가이드 부싱이 제공하는 지지는 단일 포인트 스레딩 시 비효과적일 수 있습니다. 스레드 휄링에서는 해당되지 않습니다.

그러나 스위스형 선반의 슬라이딩 헤드스톡과 가이드 부싱 배치, 공작물 피처나 요구사항에 따라 공작물이 스레딩 공구를 오가며 '가이드 부싱에서 빠져나오는(fall out)' 현상이 발생할 수 있어 변형과 강성 손실을 초래합니다. 이 현상은 스레드 주경이 스톡 직경보다 작을 때 더욱 심해집니다. 가이드 부싱 지지가 무효해집니다. 그런 다음 정형외과 및 외상 수술용 임플란트에서 흔히 볼 수 있는 공격적인 '버트레스(buttress)' 스타일 스레드 같이 더 깊은 스레드 제작에 필요한 소재 제거를 고려해보세요. 단일 포인트 스레딩은 비용 효율적으로 작업을 완수하는 데 한계가 있습니다. 이런 깊은 스레드는 스레드 피처에 따라 40~50패스까지 필요할 수 있습니다.

여기서 스레드 휄링을 적용해 이런 류 스레드의 생산 능력을 높일 수 있습니다. 하지만 스레드 휄링은 어떻게 작동할까요? 4가지 구성 요소가 필요합니다: CNC 스위스/슬라이딩 헤드스톡 선반; 이 공정 전용으로 엔지니어링된 전용 라이브 툴 휄링 어태치먼트; 커터 링/바디; 필수 스레드 형상이 정밀 연삭된 다수의 카바이드 절삭 공구 인서트. 이 툴링 구성 요소들이 협력해 바스톡을 스톡 직경에서 표준 또는 맞춤 스레드 형상으로 단일 패스로 '휄링(whirl)'합니다.

어떻게 달성되나요? 절삭 작용은 내경 스레드 밀링과 유사한 밀링 공정이지만 공작물 외경에서 수행됩니다. 이는 칩 로드 퍼 티스(chip load per tooth)와 C축 회전 속도 조절로 소재가 가이드 부싱 내에서 강성을 유지하면서도 마감 품질과 속도를 엄밀히 제어할 수 있게 합니다. 단일 포인트 스레딩 대비 커터 바디에 가능한 많은 커터를 사용해 더 높은 금속 제거율과 더 나은 마감을 달성할 수 있습니다. 요즘 대부분의 머신에 흔한 고압 쿨런트 기능과 결합하면 절삭 존을 스와프(swarf) 없이 깨끗하게 유지할 수 있어 매우 높은 속도 달성이 가능하며, 단일 패스로 버 없는 완성 스레드를 얻습니다.

첨단 스레드 제조는 '플러스'다

이제 이 공정의 발전을 살펴봅시다. 진보하는 제조 기술 세계에서 카바이드 코팅은 더 높은 처리량 달성의 주요 플레이어입니다. 스위스의 유틸리스 AG(Utilis AG)가 최근 독자적인 UHM10 TX+ 툴링을 출시했습니다. 이는 티타늄 및 의료용 스테인리스뿐만 아니라 내열 합금용으로 설계된 카바이드 서브스트레이트와 코팅을 결합합니다. 이 신규 코팅 기술은 결함 없는 서브 마이크로 표면 품질을 특징으로 하며, 스레드 휄링 시 카바이드가 겪는 절삭 하중 유형에 매우 적합합니다. 절삭날 품질은 스레드 형상 정확도 유지에 중요한데, TX+ 제공물은 기하학적 형상 변형 없이 절삭날 상태를 강화합니다. 이는 리드 앵글 조정, 툴 센터 포지션, 인서트 정확도가 공작물에 완벽한 스레드를 생산하는 데 필수적인 경우, 특히 스레드 주경 3mm 미만에서 스레드 크레스트 날카로움이 주요 요구사항일 때 매우 중요합니다.

리치(Reach) 확장

소구경 특수 스레드 형상에서는 셋업 강성과 가이드 부싱으로부터의 거리가 문제가 될 수 있습니다. 이는 전통적으로 연장 노즈 가이드 부싱(extended nose guide bushing)을 사용해 스톡과 공작물을 카바이드 인서트 '플라이트 서클(flight circle)'에 더 가깝게 고정해 마감과 인서트를 망치는 하모닉스 발생을 방지했습니다. 연장 노즈 가이드 부싱을 써본 사람이라면 알겠지만, 이는 모든 기존 터닝 공구를 툴 플레이트에서 바깥쪽으로 이동시켜 가이드 부싱 이동을 보상해야 하므로 번거로울 수 있습니다. 따라서 휄링 작업을 이러한 소구경 공작물에서 작동시키기 위해 상당한 추가 셋업 작업이 필요합니다. 대안은 인서트 플라이트 서클을 공작물에 더 가깝게 가져오는 것입니다. 머신 툴 빌더 OEM이나 겐스위스(GenSwiss) 같은 애프터마켓 회사의 상용 휄링 어태치먼트 다수에는 이제 인서트 플라이트 서클 포지셔닝에 내장된 포지티브 시프트(positive shift)가 있는 커터 링이 있습니다.

라이브 툴링 드라이브가 5,000~10,000rpm을 제공할 수 있지만, 스레드 휄링은 대부분 2,000~3,000rpm만 필요합니다.

예를 들어 선반의 라이브 휄링 툴 포지셔닝이 표준 가이드 부싱에서 카바이드 인서트 중심선까지 15mm 거리라고 가정해봅시다. 작업은 6AL-4V 티타늄에서 2.5mm 주경 더블 리드 버트레스 스타일 스레드 형상을 휄링하는 것입니다. 숍에는 이 스레드 부품 생산용 소구경 바스톡이 이미 있습니다. 이 스레드는 휄링에 적합하지만 직경이 작아 스톡 직경에서 두 리드를 동시에 절삭할 때 발생할 수 있는 진동 제어에 특별히 주의해야 합니다. 여기서 표준 길이 가이드 부싱에 더 가깝게 인서트 플라이트 서클을 전진시키는 시프트 링(shifted ring)이 빛을 발합니다. 간단한 Y축 시프트 보정으로 인서트 형상을 바스톡 절삭 위치에 재중심화할 수 있습니다. 연장 노즈 가이드 부싱 없이 시프트 링만으로 성공하는 경우가 많습니다.

속도 높이고 온도 낮추기

많은 최신 스위스 선반은 스마트 모터 기술 발전과 마이크로 툴링용 더 높은 회전 속도 필요성으로 인해 기본 사양으로 훨씬 빠른 라이브 툴링 드라이브 속도를 제공합니다. 많은 모델이 라이브 툴링 드라이브에서 5,000~10,000rpm을 제공합니다. 휄링 작업 구현 시 고려해야 할 점은 스레드 휄링 외에 마이크로 엔드 밀링이나 드릴링 작업이 추가로 필요할 수 있다는 것입니다. 휄링 작업은 대부분 2,000~3,000rpm만 필요하지만, 추가 마이크로 가공은 모터를 최대 가용 속도로 구동해야 할 수 있어 휄링 스핀들이 불필요하게 높은 속도로 회전하게 됩니다.

이게 왜 중요한지 모르겠다면, 대부분 스위스 머신 모델이 툴 포지션의 모든 라이브 툴링을 단일 모터로 구동한다는 점을 인지하세요. 드릴이나 엔드밀 가동 시 휄링 스핀들도 절삭하지 않으면서 이 높은 속도로 회전해 오도미터 마일리지만 늘어나게 됩니다. 셋업을 최적화해 머신 최고 생산성뿐만 아니라 휄링 스핀들과 다른 라이브 툴 수명 연장에도 좋은 방법은 하이스피드 스핀들 유닛(high-speed spindle unit)과 페어링하는 것입니다. 이는 전체 라이브 툴링 구동 모터 속도를 낮추면서 마이크로 툴 작업에 최적 표면 속도를 유지하게 돕습니다. 기어 구동 스피드 멀티플라이어 스핀들은 많은 스위스 머신 제조사/모델용으로 쉽게 구할 수 있습니다.

쿨런트 스루 휄링 어태치먼트와 커터 링은 절삭 존에 신뢰성 있는 쿨런트 공급으로 칩 배출과 윤활성, 공구 수명 유지에 기여합니다. (인셋 이미지는 인서트 제거된 커팅 링 내경 포트를 보여줍니다.)

절삭 존에 적절한 냉각과 칩 배출을 보장하는 것은 결코 간과해선 안 될 셋업 고려사항입니다. 이전에는 고압 쿨런트 라인을 절삭 존까지 연결하고 벤더블 튜빙으로 제트 스트림을 신중히 조준해 달성했습니다. 이는 휄링 액션으로 생성된 입상 칩 제거에 효과적이지만, 완벽하게 조준하고 조정하기 번거로워 작업에 비용이 드는 셋업 시간이 추가됩니다. 스위스의 PCM 빌렌(PCM Willen SA)이 자사 휄링 어태치먼트 라인용으로 개발한 쿨런트 스루, 제트 장착 휄링 어태치먼트와 커터 링이 등장했습니다.

이 새롭고 간소화된 셋업은 신뢰성 있는 쿨런트 공급을 보장하고 절삭 유체를 절삭 존에 직접 향하게 해 칩 배출을 돕고 윤활성과 공구 수명을 유지합니다. 쿨런트/고압 오일은 커터 링 자체를 통해 내부 쿨런트 채널로 공급됩니다. 고압 오일 제트는 인서트 게이지 길이와 작동하도록 약간 기울어져 캘리브레이션되어 윤활성과 최적 냉각 달성 여부에 의문을 없앱니다. 새로운 쿨런트 링 디자인의 추가 이점은 휄링 어태치먼트 후면에서 소형 스프링 데트렌트 록킹 스크류로 고정할 수 있어 카바이드 인서트를 새 절삭날로 인덱싱해야 할 때 더 많은 시간을 아낄 수 있습니다. 고압 퀵 릴리즈 라인으로 인서트 교체나 인덱싱이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다.

최전선에 서라

착각하지 마세요. 공격적인 나사산 스레드는 의료 정형외과 산업에서 계속 필수 요소가 될 것이며, 속도, 마감 수준, 품질 관리 면에서 이를 신뢰성 있게 생산하는 가장 좋은 방법은 스레드 휄링입니다. UNC/UNF 같은 기본 스레드를 긴 부품에 휄링으로 업그레이드해도 비용 절감이 가능합니다. 특히 끈적한 연성 칩을 내는 소재나 가이드 부싱 탈락 방지를 위해 스레드 분할이 필요한 애플리케이션에서 그렇습니다. 귀사 공정이 첨단 툴링 기술을 활용하도록 함으로써 향후 수년간 경쟁력을 유지하고 곡선 앞에서 앞서 나갈 수 있습니다.