밀링 효율 극대화: 금속 제거율(MRR) 높이는 검증된 기술

전문가들이 새로운 공구와 기술로 머시니스트가 금속 제거율(MRR)을 높이는 전술을 공유합니다.

밀링 작업에서 금속 제거율(MRR)을 극대화하려는 숍들은 공구 수명이나 가공 품질을 과도하게 희생하지 않으면서도 비용 부담 없는 다양한 공구와 기술 중에서 선택할 수 있습니다.

최근 도입된 소재 혁신 중 하나는 고온 합금 밀링 시 절삭 속도와 피드율을 높이는 것입니다. 티타늄, 인코넬(Inconel), PH 스테인리스강 등 고강도 소재 그룹이 대상입니다. 이 새로운 밀링 그레이드 KCSM40은 고온 합금 가공용 초경 인서트의 내열성을 개선한다고 펜실베이니아 주 래트로브의 케나메탈(Kennametal)이 밝혔습니다.

Ti-6Al-4V 밀링 머신 도입

KCSM40 인서트 사용자들은 과거 140 SFM에 그쳤던 Ti-6Al-4V를 이제 160 SFM으로 가공하면서 공구 수명도 더 길어졌다고 케나메탈의 인덱서블 밀링 글로벌 제품 관리 디렉터 스콧 에틀링(Scott Etling)은 말합니다.

에틀링은 커터 바디가 인서트 수에 따라 다른 '밀도(density)'를 가진다고 지적합니다. 예를 들어 지름 4인치 커터는 8, 12, 15날을 가질 수 있는데, 15날이면 매우 고밀도로 간주됩니다.

"15날 커터를 돌릴 수 있다면 더 많은 날재가 절삭에 관여하므로 생산성이 향상됩니다."라고 그는 말합니다.

하지만 커터 날수가 많을수록 더 많은 스핀들 마력이 필요하므로, 일부 밀링 머신은 고밀도 커터에 필요한 힘이 부족할 수 있습니다. 설령 힘이 충분해도 밀링 픽스처가 이 커터들이 내는 증가된 힘을 견디기에 충분히 강하지 않을 수 있습니다.

"스핀들을 이해하고 절삭 힘 계산을 한 뒤, 가능한 최고 밀도 커터를 선택하라고 모두에게 말합니다."라고 에틀링은 말합니다.

저속 스핀들을 가진 강성 좋은 기계를 가진 오너라면 케나메탈의 새로운 하비 울트라 8X(Harvi Ultra 8X) 같은 '헬리컬(helical)' 커터를 쓸 수 있습니다. 이는 기존 커터보다 높은 MRR에서 더 긴 공구 수명을 제공하도록 설계되었습니다. 헬리컬 커터는 인서트 다열을 특징으로 합니다.

예를 들어 지름 3인치 헬리컬 커터는 5열에 각각 11개 인서트가 장착될 수 있습니다. "55개 인서트가 반경 방향으로 결합되어 기존 피드율로 가공하면서 훨씬 더 많은 소재를 제거합니다."라고 에틀링은 말합니다.

밀링 작업에서 MRR을 극대화하려면 올바른 쿨런트 유량, 압력, 점도를 사용하는 것도 중요합니다. "공작기계 제조사들이 훌륭한 기계를 만들었으니, 사용자는 자사 기계가 허용하는 최고 속도와 피드율로 절삭 공구를 돌려야 합니다."라고 에틀링은 말합니다.

쿨런트로 칩 형성 개선 및 MRR 향상

밀링 공정이 칩 배출에 어려움을 겪으면 생산 속도와 부품 품질 모두 저하될 수 있습니다. 최대 6mm 폭 홈 밀링용으로 설계된 샌드빅 코로만트(Sandvik Coromant)의 코로밀 QD(CoroMill QD) 커터는 형상과 혁신적인 쿨런트 공급 시스템으로 칩 관련 문제를 해결합니다.

QD의 인서트 형상은 가공 중인 홈보다 얇은 칩을 만듭니다. 이 칩들은 커터 바디를 통해 각 절삭날로 공급되는 쿨런트에 의해 배출됩니다. 이 시스템은 MRR을 높일 뿐 아니라 공구 수명과 밀링 부품의 표면 품질을 획기적으로 개선한다고 샌드빅 코로만트의 밀링 제품 스페셜리스트 조셉 데로스(Joseph DeRoss)는 말합니다.

샌드빅 코로만트는 QD가 경쟁 커터보다 약 20배 빠르게 금속을 제거한다는 사용자 데이터를 제시합니다. 또한 한 사례에서 QD는 인서트 마모 전까지 75개 부품을 가공한 반면, 경쟁사 공구는 겨우 10개였습니다.

이 경우 얇은 칩이 바람직하지만, 칩이 너무 얇으면 절삭 작용과 열이 인서트 날의 상대적으로 작은 부분에 국한되어 크레이터링(cratering), 플랭크 마모(flank wear), 열 균열을 유발할 수 있습니다. 사실 얇은 칩은 밀링 생산성 저하와 공구 수명 단축의 흔한 원인입니다.

반면 칩이 너무 두꺼우면 인서트 파손을 초래할 수 있는 매우 높은 절삭 힘을 나타냅니다. 핵심은 인서트에 과부하를 주지 않으면서 최대 칩 두께를 내는 피드율을 찾는 것입니다.

"칩을 두껍게 하면 더 빨리 배출되고 공구 수명도 길어집니다."라고 데로스는 말합니다. "적절한 칩 두께 달성은 밀링 생산성을 20% 이상 높일 수 있습니다."

밀링 커터가 공작물 소재에 진입할 때는 칩이 항상 두꺼워야 하고, 빠져나갈 때는 얇아야 합니다. 하지만 커터가 소재에 직진 진입하도록 프로그래밍하면 커터가 소재에 완전히 결합될 때까지 출구에서 두꺼운 칩이 생깁니다. 이로 인한 바람직하지 않은 결과로는 진입부 표면 조도 불량, 공구 수명 단축, 거친 소음과 과도한 진동이 있습니다.

데로스에 따르면 직진 진입의 결과를 피하는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 커터가 완전히 결합될 때까지 피드율을 50% 낮추는 것입니다. 다른 하나는 커터 모션에 '롤(roll)'을 프로그래밍하는 것입니다. 이 기술은 커터를 시계 방향으로 아크(arc)시켜 인서트가 부드럽게 절삭에 진입하게 합니다. 출구에서의 칩 두께는 항상 0이 되어 직진 진입 문제를 피드율을 낮추지 않고 해결합니다.

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고피드 기술로 전환

MRR을 높이는 가장 인기 있는 기술 중 하나는 고피드 밀링(high-feed milling)으로, 상대적으로 얕은 절삭 깊이로 빠른 피드율로 밀링하는 방식입니다. 고피드 밀링용 인서트 바닥의 작은 리드 앵글(lead angle)은 평균 칩 두께를 줄여 피드율을 높인다고 트로이 미시간의 세코 툴즈(Seco Tools) 인덱서블 밀링 제품 매니저 팀 에이드트(Tim Aydt)는 말합니다.

"이제 분당 30~60인치가 아닌 200~300인치로 피드할 수 있게 됩니다."라고 에이드트는 말합니다.

단점은 이 높은 피드율로 인해 고피드 밀링이 황삭(roughing) 기술이 되어, 요구되는 부품 마무리를 위해 2차 작업이 필요할 수 있다는 점입니다.

최적화 황삭(Optimized Roughing) 도입 고려

또 다른 인기 있는 황삭 작업으로 최적화 황삭(optimized roughing)이라 불리는 방식이 있습니다. 이는 고피드 밀링보다 더 빠르게 소재를 제거해 원하는 형상에 가까운 파트 형상을 만듭니다. 이후 후속 작업으로 최종 형상과 표면 마무리를 만듭니다.

최적화 황삭은 깊은 절삭 깊이와 가벼운 반경 방향 결합을 결합합니다. 낮은 반경 방향 절삭 힘은 기계 스핀들에 가해지는 응력과 마모를 줄입니다. 또한 절삭 중 열 발생이 적어 공구 수명이 늘어납니다. 적절한 조건에서 티타늄 가공 시 최적화 황삭용 절삭 공구는 기존 방식의 30분 대비 최대 8시간까지 지속될 수 있다고 에이드트는 말합니다.

열 감소와 얕은 반경 방향 절삭 깊이 덕분에 가공 속도도 극적으로 빨라집니다. 예를 들어 포켓 가공은 기존 방식보다 최대 4배 빠를 수 있습니다. 최적화 황삭은 긴 축 방향 절삭 깊이가 필요한 직벽 가공에도 적합합니다.

이 기술은 모든 소재에 적용 가능하다고 세코의 솔리드 밀링 제품 매니저 제이 볼(Jay Ball)은 말합니다. "고니켈 합금 최적화 황삭이 매우 유익하다는 걸 발견했습니다. 스테인리스강, 주철, 금형 공구강, 심지어 알루미늄에도 이 전략을 쓰는 고객들이 있습니다."

볼은 MRR을 높이려는 이들 사이에서 최적화 황삭으로의 이동이 아마도 주요 트렌드라고 봅니다. "지금 당장은 슬라이스 빵 이래 가장 큰 이슈입니다."

밀링에서 금속 제거율을 높이는 여러분의 최고 기술은 무엇인가요? 경험을 공유해 주세요.