티타늄 및 HRSA 금속 고급 가공: 가공성, 냉각수, 툴링 최적화

내열 슈퍼 합금과 티타늄 같은 금속은 정말 가공하기 어려울 수 있지만, 가공, 공구 홀딩, 인서트 선택에 대한 올바른 접근과 지침이 있다면 기계 작업자는 문제 영역을 극복할 수 있습니다.

인체 내 이식용 관절부터 석유 산업 해양 시설의 대형 부품, 항공우주 엔진 터빈까지, 내열 슈퍼 합금과 기타 합금이 주요 제조 부문 전반에서 정기적으로 사용되고 있습니다. 하지만 이들은 가공하기가 까다로울 수 있습니다.

목표가 최단 시간에 최고 품질의 부품을 만드는 것이라면, 어떤 툴링을 사용해야 할지 이해하는 것이 필수적입니다. 아무도 초밀도, 초경도 금속 때문에 공구를 태우거나 생산 지연을 겪고 싶어 하지 않습니다. 기계의 능력을 이해하는 것도 필수적이며, 어려운 소재에 가장 잘 맞는 공구가 무엇인지 아는 것도 마찬가지입니다.

"HRSAs의 주요 용도는 항공기와 발전용 핫존 터빈 부품(블레이드, 블리스크, 브라켓, 밸브, 매니폴드 등)으로, 대부분 복잡하고 윤곽이 있습니다."라고 Ed Sinkora가 Advanced Manufacturing의 "고온 합금 절단을 위한 핫 테크닉" 기사에서 썼습니다.

"이는 필요한 형상과 공차를 한 번의 클램핑으로 달성하기 위해 5축 밀링을 사용한다는 것을 의미합니다. 그리고 더 작은 부품의 경우 솔리드 카바이드 라운드 공구가 필요하며, 특히 강성 있는 툴 홀더가 요구됩니다."라고 Sinkora는 설명합니다.

많은 산업이 제조 압박을 받고 있습니다. 품질 부품을 달성하는 데 걸리는 시간은 특히 경쟁이 치열한 시장에서 정말 중요합니다.

"주요 초점은 공정 신뢰성에 있습니다. 이 구조 부품들은 극도로 비싸기 때문입니다."라고 Walter Tools는 항공우주 분야 티타늄 포켓 밀링 기사에서 언급합니다. "동시에 시장의 비용 압박은 높은 가공 및 생산성 성과를 요구합니다."

적절한 기계, 워크홀딩, 툴링, 공구 경로, 냉각수 등 모든 것을 함께 사용하여 "공정 신뢰성"의 편안한 수준에 도달하려면 많은 노하우가 필요하다고 가공 및 툴링 전문가들은 말합니다. 우리는 티타늄, HRSAs, 합금에 대한 최고의 툴링 및 가공 가이드를 탐구합니다.

금속의 가공성 등급 알기

티타늄, 스테인리스강, HRSAs를 절삭하는 경우, 제작되는 많은 부품에 니켈이나 크롬, 때로는 코발트가 포함되어 있을 가능성이 높습니다. 일반적인 니켈 합금에는 Inconel, Waspaloy, Hastelloy, 304, 316, 17-4 등을 포함한 스테인리스강 등이 있습니다.

"[니켈은] 강하고, 내식성이 뛰어나며, 우수한 강도와 충격 특성을 나타냅니다."라고 제조 컨설턴트 Kip Hanson은 "니켈 기반 고온 합금 가공을 위한 5가지 팁" 기사에서 언급합니다.

"날카로운 공구와 올바른 절삭 매개변수가 주어진다면, 순수 니켈은 그다지 어렵지 않게 선삭이나 밀링이 가능합니다. 하지만 Ni-Span-C 902와 Monel K-500 같은 니켈 합금은 가공성 등급이 15% 이하입니다."라고 Hanson은 설명합니다.

그리고 가공성이 핵심입니다. 다행히 오늘날의 많은 기계와 절삭 공구는 대부분의 소재를 처리할 수 있지만, 과제는 반복 가능하고 적시에 가공 공정을 만들기 위한 올바른 공구와 기술을 아는 것입니다. 이를 위해 소재가 어떻게 등급이 매겨지는지 이해하는 것이 도움이 되며, 가공성 등급 차트를 사용하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

하지만 실제 경험과 지식을 대체할 수 있는 것은 없습니다: 오늘 가공을 수행하는 사람들과 가공성 문제에 대해 이야기해 보세요. 금속 가공 포럼에 참여하세요 [등록 필요].

많은 경우 툴링 공급업체가 제공하는 기술 가이드를 사용하는 것도 도움이 됩니다. 예를 들어 Sandvik Coromant의 이 가이드:

"어플리케이션 가이드: 내열 슈퍼 합금"

이 가이드에서 Sandvik Coromant는 HRSAs에 대해 다음과 같이 말합니다: "각 [합금 그룹]의 물리적 특성과 가공 거동은 합금의 화학적 성격과 제조 과정에서 겪는 정확한 야금적 처리로 인해 상당히 다릅니다. 금속이 어닐링되었는지 에이징되었는지는 후속 가공 특성에 특히 영향을 미칩니다."

업그레이드된 공구로 어려운 Monel K-500을 절삭하는 비디오 예시입니다.

Inconel 718 절삭의 또 다른 예시입니다.

사용하는 소재의 구성에 대해 더 알고 싶으신가요? "절삭 공구 선택 가이드: 철금속 vs 비철금속"을 읽어보세요.

열 관리, 금속 가공 냉각수 사용

적절한 칩으로 정확하고 신뢰할 수 있는 절단을 위해 필요한 속도와 이송에서 CNC 기계가 소재 표면에 생성하는 열은 과소평가하기 어렵습니다. 이는 인서트와 공구에 실질적인 도전이 될 수 있습니다.

"열전도율이 낮고 경도가 높아 가공 중 고온이 발생합니다."라고 Sandvik Coromant는 "HRSA 소재용 적절한 선삭 인서트 선택" 기사에서 언급합니다. "높은 강도, 가공 경화, 부착 경화 특성은 최대 절삭 깊이에서 노치 마모와 절삭 날에 극도로 마모적인 환경을 만듭니다."

기계공은 이에 어떻게 대비해야 할까요? 많은 용도에서 초경 기반 절삭 인서트를 사용하여 날을 강하게 유지하고 기판에 부착되게 하며 변형을 방지합니다.

"일반적으로 큰 진입 각도(라운드 인서트)를 가진 인서트를 사용하고 양의 인서트 형상을 선택하세요. 선삭과 밀링에서 세라믹 재종을 사용할 수 있으며, 용도에 따라 다릅니다."라고 Sandvik Coromant는 설명합니다.

코팅과 냉각수의 역할도 잊지 마세요. Kennametal의 제품 관리 이사 Scott Etling은 "어려운 가공 금속, 열이 문제다" 기사에서 조언합니다.

"올바른 PVD 코팅, 강한 기판, 올바른 형상, 올바른 날 준비, 높은 전단 형상이 필요합니다."라고 Etling은 말합니다. "열은 강철처럼 칩으로 들어가지 않습니다. 열은 어딘가로 가야 하므로, 대부분의 티타늄 응용 분야에서는 엄청난 양의 냉각수를 사용해야 합니다."

냉각수와 HRSAs에 대한 더 많은 내용은 Sandvik Coromant의 어플리케이션 가이드를 읽어보세요. 툴링 제조업체는 다음을 제안합니다:

"세라믹을 사용한 밀링을 제외한 모든 작업에 냉각수를 적용해야 합니다. 유량은 높고 잘 방향이 잡혀야 합니다. 고압 냉각수 HPC(최대 1160 psi)는 공구 수명과 일관성 측면에서 긍정적인 결과를 보여줍니다."

공작물 강성 유지

"HRSA 가공에는 매우 안정적인 기계, 강성 있는 워크홀딩, 스핀들과 툴홀더 사이의 매우 강성 있는 인터페이스가 필요합니다."라고 Sinkora는 언급합니다.

단순히 소재와 절삭 공구 이상의 지식이 필요합니다. 오늘날의 기계와 혁신적인 절삭 공구가 처리할 수 있는 매우 높은 RPM과 처리량을 견딜 수 있는 균형 잡힌 강도로 공작물을 제자리에 유지하는 데 도움이 되는 필수 요소들도 있습니다.

"티타늄 및 기타 내열 슈퍼 합금 가공은 반경 방향뿐만 아니라 축 방향에서도 높은 절삭력을 생성하여 공구 빠짐을 초래할 수 있습니다."라고 Hanson은 "고성능 가공의 교훈: 툴 홀더를 잊지 마세요" 기사에서 말합니다. "공구 고장과 부품 스크랩을 방지하기 위해 올바른 유형의 툴 홀더를 사용하는 것이 훨씬 더 중요합니다. 얼마 안 될 수 있습니다. 아마도 한 번에 몇 천 분의 1인치 정도일 수 있지만, 매우 비싼 부품들을 스크랩 내기에 충분할 가능성이 높습니다."

사이드락 홀더를 사용 중이라면 새롭고 개선된 것을 도입할 때일 수 있습니다. 많은 공급업체가 Haimer의 특허받은 Safe-Lock 기술을 라이선스받아 사용합니다. 하지만 이것은 공구 빠짐 감소로 공구 수명을 늘리는 것만이 아닙니다. 채터와 하모닉을 줄이고 기계 스핀들 손상을 방지하는 것도 중요하므로, HRSA 부품 제작 시 유압 척도 평가할 가치가 있으며, CNC에 HSK, Capto, KM4X 또는 기타 기술이 있는지 확인하는 것도 중요합니다.

"그렇게 빠른 기계 공구를 돌릴 때, 보통 12,000 RPM 이상이면 전체 시스템(즉, 절삭 공구가 장착된 툴홀더)을 항상 밸런싱하는 것이 좋습니다."라고 Kennametal의 수석 글로벌 제품 관리자 Ronald West는 툴 홀더 기사에서 말합니다. "그것은 공구 수명을 늘리고 스핀들 마모를 줄입니다... 콜렛 척이나 엔드밀 어댑터는 설계와 필수 하드웨어 때문에 밸런스 유지가 조금 더 어렵지만, 일반적으로 유압 척과 슈링크 핏 어댑터는 고속 응용 분야에서 미세 밸런싱이 훨씬 쉽습니다."

HRSA 황삭에는 세라믹 공구 시도; 공구 경로를 길게 유지

"세라믹 절삭 소재는 FSM과 ISM에서 황삭 작업에 탁월한 생산성을 제공합니다. 그 적용은 초경과 크게 다릅니다..."라고 Sandvik Coromant는 HRSA 작업용 어플리케이션 가이드에서 언급합니다. 그 이유는 세라믹이 높은 절삭 속도를 허용하여 "고도로 가소화되고 전단된 칩"을 생성하는 데 도움이 되기 때문입니다.

HRSA 황삭의 핵심은 적절한 온도에 도달하기 위한 속도와 이송에 있다고 전문가들은 말합니다. 분당 3,000 표면 피트 이상의 속도를 권장합니다.

"[T] 첫 단계는 절삭 구역의 온도를 높여 소재의 일정 정도의 가소화를 생성하여 가공을 더 쉽게 만드는 올바른 속도를 설정하는 것입니다."라고 Greenleaf Corp.의 글로벌 매니저 Jan Andersson은 말합니다. "그렇지 않으면 예측 불가능한 공구 수명과 씨름하게 됩니다. 적절한 속도를 결정한 후에는 이송 속도를 사용하여 열 배출을 관리합니다. 이송 속도가 높을수록 칩의 질량이 커집니다. 칩의 질량이 클수록 절삭 구역에서 더 많은 열을 운반해 냅니다. 이것이 화학적 마모 요소를 제어합니다."

또 다른 핵심 포인트: 공구 경로는 가능한 한 길게 절삭 상태를 유지하여 공구를 최대한 오래 살려두고 유용하게 써야 합니다. 이는 CAM에서 적절한 프로그래밍을 사용하여 모든 공구 경로에 강제 반경을 적용하는 것을 의미합니다.

"Inconel 및 기타 슈퍼 합금에서 우리가 찾는 핵심 프로그래밍 기술은 공구를 가능한 한 오랫동안 절삭 상태에 유지하는 것입니다."라고 Methods Machine Tools의 제품 매니저 Dale Mickelson은 Advanced Manufacturing 기사에서 말합니다. "절삭에 진입하고 빠져나갈 때마다 공구 수명을 잃기 때문입니다. 그래서 우리는 헬리컬로 부품 안쪽으로 내려가는 포켓팅 루틴을 만듭니다. 평평한 바닥이 있다면 헬리컬로 그 평평한 바닥까지 절삭한 다음 평평한 표면을 마무리합니다."

세라믹 밀링으로 터빈 블레이드를 절삭하는 비디오 예시입니다.

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