혼합 매트릭스 및 섬유 강화 복합재 절삭 과제 극복하기

항공우주 분야에서 혼합 매트릭스와 섬유 강화 소재가 처음이신가요? 복합재 작업 방법을 소개합니다.

항공우주를 포함한 많은 산업이 점점 더 가벼운 부품을 요구함에 따라, 어느 날 CNC 머시닝 센터 앞에서 "내가 지금 무슨 소재를 자르고 있는 거지?"라며 의아해할 수 있습니다. 공구는 빨리 마모되고, 먼지는 사방으로 날리며, 가공 표면은 거칠고, 치핑되고, 종종 균열이 생깁니다.

복합재료란 무엇인가?

"복합재료는 본질적으로 두 가지 이상의 이종 소재를 결합해 각 구성 소재가 단독으로 달성할 수 없는 최상의 특성을 결합하거나 새로운 특성을 부여하는 것"이라고 브리스톨 대학교 비선형 구조 연구원 라이너 그로(Dr. Rainer Groh) 박사가 자신의 항공우주 공학 블로그에 썼습니다.

먼저 복합재가 왜 사용되는지 이해하는 게 좋습니다. 동시에 가볍고 강하기 때문입니다. 이해하기 충분히 단순해 보입니다. 하지만 복합재 절삭에서 악마는 디테일에 있습니다.

"매트릭스는 과도한 열로 인한 산화와 열화에 취약하고, 탄소 섬유는 부드럽게 전단되지 않고 파쇄되기 때문에 잘 절삭되지 않는다"고 American Machinist가 탄소 섬유 강화 폴리머 기사에서 지적했습니다. "[복합재 가공은 열을 거의 가져가지 않는 먼지 같은 칩을 생성하는 일련의 취성 탄소 섬유 파쇄를 초래한다."

섬유 강화 복합재 vs. 매트릭스 복합재

플로어 빔, 안정판, 비행 조종면, 도어, 벌크헤드 등은 오늘날 항공기에서 발견되는 수많은 복합재 또는 라미네이트 부품의 일부일 뿐입니다. 대부분 다층 복합재-금속-복합재 샌드위치나 단단한 외피와 거의 종이 같은 내부 구조의 허니컴형 소재로 만들어집니다.

어떻게 구성되든, 항공우주에서 무엇으로 라미네이트되든, 세라믹, 금속, 케블라를 포함한 세 가지 섬유 강화 복합재 클래스가 존재합니다. 마찬가지로 페놀, 폴리에스터, 에폭시의 세 가지 매트릭스 복합재 클래스가 있습니다. 이 소재들은 가공하기 꽤 까다로울 수 있지만, 기본 지식과 장비·툴링에 약간의 투자로 모두 꽤 관리 가능합니다.

CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱), 금속 매트릭스 복합재(MMC), 아라미드(케블라), 또는 수십 개의 유사하게 과학적인 이름들로 복합재를 들어보셨을 겁니다. 핵심은 금속 가공과의 차이를 이해하는 데 있습니다.

"금속에서 복합재 구조로의 전환은 자연스럽게 항공기 부품 설계 방법론의 변화를 유도했다"고 그로 박사는 지적합니다. "복합재의 기계적 특성뿐만 아니라 물리적·화학적 특성의 전체 범위가 금속과 다르다는 점을 명심해야 한다."

복합재 절삭: 먼지, 탄소 먼지, 여과 시스템

머리 주변을 맴도는 지독한 먼지부터 시작하죠. 이걸 흡입하고 싶지 않습니다. 일부 애플리케이션에선 기계에 절삭유를 플러딩하면 비싼 CNC 기계를 손상시킬 수 있는 연마성 진흙이 생깁니다. 일부 복합재는 전형적인 스펀지처럼 물을 흡수하므로, 적절한 장비 없이 쿨런트를 바르면 실제로 공작물을 손상시킬 수 있습니다. 다른 복합재 애플리케이션에선 쿨런트가 먼지 제어, 공구 수명 향상, 부품 마감 개선에 매우 효과적일 수 있습니다.

알아야 할 또 다른 이슈: 탄소 섬유 먼지는 특정 조건에서 발화된 것으로 알려져 있습니다. 무서운 경고지만 해결책은 간단합니다. 복합재를 정기적으로 절삭하는 숍이라면 가공 소재 유형에 적합한 여과 시스템에 투자해야 합니다. 상당히 기밀한 인클로저도 좋은 생각이지만, 작업 영역에서 먼지를 빨아들이고 배출할 충분한 진공만 있으면 문제가 없습니다. 남은 먼지는 숍백(Shop-Vac)으로 청소할 수 있습니다(필터 상태가 양호한지 확인하세요). 복합재 먼지 여과 주요 모범 사례:

• 머신 딜러에 그래파이트 절삭기에 있는 양압 스핀들 필요 여부 문의
• 소재 공급업체에 필요한 여과 크기와 종류 문의(다양한 변형 존재)
• 고객에 부품 청결도 요건 문의—항공기 제조업체는 보통 가공 부품의 먼지와 이물질(FOD) 존재에 매우 엄격

복합재 절삭 공구: HSS는 치우세요

절삭 공구 측면에서 하이스(HSS)는 잊으세요. 복합재는 일반적으로 꽤 연마성이 강하고, HSS는 강하지만 샌드페이퍼 같은 소재를 자르는 학대를 견딜 수 없습니다. 몇 개 부품만 가공한다면 초경 솔리드가 작동하지만, 매우 날카로운 날(이건 코팅이 아마도 불가능함을 의미합니다. 모든 CVD와 대부분 PVD 코팅에 따르는 미세한 날 라운딩 때문)이 필요합니다.

형상도 중요합니다. 금속 절삭 엔드밀과 드릴의 비교적 가파른 헬릭스 각도는 대부분 복합재를 박리시켜 층을 분리하고 소재 무결성을 손상시킵니다. 유리섬유에 구멍을 뚫을 때 일어나는 일과 유사합니다(육안으론 안 보일 수 있어도). 최선은 중립 또는 역헬릭스 절삭 공구, 목재나 플라스틱 가공용 라우터 비트, 복합재 작업용으로 특별히 연마된 커터입니다.

드릴 비트엔 더블 앵글 포인트(드릴 팁 양쪽에 뾰족한 귀가 있는 배트맨 모양)를 사용해 돌파 시 힘을 줄이고 파편화를 방지해 출구면 박리를 예방하세요. 또 다른 옵션은 목공인들이 잘 아는 브래드 포인트 드릴입니다. 중립 레이크 엔드밀이나 라우터 비트로 구멍을 보간 가공해 크기를 맞출 수도 있습니다.

복합재 절삭: 다이아몬드는 기계공의 가장 좋은 친구

대량 생산이거나 에지 품질이 중요한 경우(보통 그렇습니다), 다결정 다이아몬드 팁 공구와 다이아몬드 코팅 공구가 최선입니다. 브레이즈드 또는 인덱서블 공구가 가장 널리 구할 수 있고 훌륭하게 작동하지만, 여기서도 일부 절삭 공구 제조사는 CFRP와 기타 복합재 전용으로 특별히 설계된 제품을 제공합니다. 최대 성능이 요구되는 곳에선 이런 특정 유형 절삭 공구를 평가하세요.

어떤 절삭 공구 접근법을 취하든 이송과 속도는 미지의 영역일 것입니다. 최상의 결과를 위해 툴링 공급업체와 소재 제조사에 조언을 구하고, 테스트 시간을 조금 확보하고, 하는 모든 것을 문서화하세요.

복합재 작업 및 절삭 추가 팁

힘없는 복합재 부품을 잡는 건 어려울 수 있으니 진공 고정이나 광경화 접착제를 살펴보세요. 열이 문제라면 콜드 에어 건을 작업 구역에 겨냥해 보세요.

올바른 방향으로 나아가기 위한 몇 가지 추가 복합재 포인터:

• 기저 복합재 결 방향과 구조를 인지하세요. 원하는 가공 결과를 얻기 위해 특정 방향으로 정향해야 할 수 있습니다
• 샌드위치 소재는 초경 대신 PCD를 배제할 수 있습니다
• 기체 구조에 인기 있는 허니컴 복합재도 다른 플레이북을 따릅니다. 여기선 등반 밀링(climb milling)이 선호되는 접근법입니다(복합재에선 종종 그렇지 않음)

보이스카우트 모토대로 대비하는 게 좋습니다: 복합재 가공이 여러분 쪽으로 오고 있습니다.

귀하의 숍에서 복합재를 어떻게 다루시나요? 절삭 악몽 스토리를 들려주세요.