기술 동향
다이아몬드 공구·cBN 공구의 성능과 활용

최근 가공 기술이 눈부시게 발전했으며, 가공 시장에서는 고정도, 단납기, 저코스트로 부가가치가 높은 제조가 요구되고 있다. 이와 같은 배경 속에서 첨단 제품에 들어가는 고급 부품의 절삭가공에 다이아몬드 공구가 활용되고 있다. 또한 다이아몬드에 버금가는 경도를 가지며 내마모성이 높은 cBN 공구가 주목받아 난삭재의 다듬질 절삭이나 주철의 고속 절삭 등에 폭넓게 사용되고 있다.

김정아 기자 (prmoed@hellot.net)


일렉트로닉스, 옵티컬, 메디컬 분야 등에서 제품의 콤팩트, 고기능, 고밀도화가 추진되어 부품의 정밀·미세 가공의 요구가 높아지고 있으며, 고효율을 기대할 수 있는 절삭 기술이 주목받고 있다. 현재 정밀·미세 절삭 기술은 머시닝센터, 공구, 절삭 기술 등의 개발이 추진되어 절삭의 미세화가 급속한 진전을 보이고 있다. 머시닝센터의 절삭 기술도 고정도화되어 초정밀 영역의 가공 정도를 실현하고 있다. 초정밀 절삭에서 중심적인 역할을 하는 다이아몬드, cBN 소결체 공구는 미소경화와 함께 공구 수명 특성, 절삭면 정도 등으로 요구가 높아지고 있으며, 새로운 개발이 진행되는 동시에 적용 확대가 기대되고 있다.
한편 공업제품의 생산이 세계 규모로 글로벌화되고 있는 상황 하에서 제조업은 가공 정도의 고도화, 피삭재의 다양화, 초정밀·초미세 등 새로운 생산 기술 구축으로 생존을 모색하고 있다. 이 글에서는 고경도강의 절삭 및 초정밀·미세 절삭에서 중심적인 역할을 하는 cBN 소결체 및 다이아몬드 소결체 엔드밀에 대해서 해설한다.

적용 확대가 기대되는 다이아몬드·cBN 공구

다이아몬드, cBN 공구가 등장한지 오래되었지만, 고코스트, 코티드 초경합금공구의 고성능화 등으로 적용 분야가 한정되어 있었다. 최근에는 이들 공구의 적용 분야가 확대되고, 또한 제조업의 변화와 함께 새로운 전개가 시작되고 있다.
제조업은 가공 정도의 고도화, 피삭재의 다양화, 초정밀·미세화, 초단납기화, 저코스트화 등의 대응에 직면하여 생산 기술이 변화하고 있다. 예를 들면 형부품의 단납기, 고정도화는 고속 밀링의 등장으로 고경도강의 고속 절삭이 가능해졌으며, 무엇보다 다듬질 절삭에서 공구 수명 특성이 높은 cBN 소결체 엔드밀이 적용되고 있다. 하드터닝이라고 불리는 cBN 소결체 바이트에 의한 고경도강의 선삭은 이전의 선삭, 연삭의 가공 프로세스를 절삭만으로 끝낼 수 있어 주목받고 있다.
메디컬, 일렉트로닉스 분야 등에서도 부품의 초정밀·미세화가 진행되어 절삭에 기대하는 가공 정도가 매우 높아지고 있다. 이러한 배경 하에 초정밀 절삭에서 중심적인 역할을 하는 다이아몬드, cBN 소결체 공구는 새로운 기술 개발과 함께 적용 확대가 기대되고 있다.

다이아몬드·cBN 소결체 엔드밀 재료의 개발

현재 초미세·정밀 절삭용 공구 재종은 코티드 초경합금이 많이 이용되고 있지만, 초정밀, 미세화 경향이 강해지고 있는 가운데 다이아몬드, cBN 소결체 공구의 적용이 증가하고 있다. 동시에 고성능을 지향한 개발도 이루어지고 있어 새로운 진전을 볼 수 있다. 즉 다이아몬드 소결체(PCD)는 예전부터 다이아몬드 입자의 특성과 입자 지름, 금속계 및 세라믹스계의 각종 결합재 등 특성이 다른 것이 제품화되어 적재적소의 선택이 요구되고 있다.
절삭의 고속·정밀화가 강해지고 있는 가운데 다듬질용 공구는 내마모 특성을 중시, 다이아몬드 입자의 함유량이 90%를 넘는 PCD를 이용하는 경우가 많아지고 공구 수명 특성이 중요시되는 경향이 강해지고 있다.
한편으로 단결정 다이아몬드는 절삭날의 에지부가 샤프하고 절삭저항이 낮은 절삭이 가능한 특징을 가지고 있는데, 절삭날 마모의 이방성이 있기 때문에 절삭공구의 적용 범위가 한정된다. 이방성이 없는 단결정 다이아몬드 연구 개발은 많이 이루어지고 있으며, 예를 들면 화학적 증착법으로 초경합금 합금기판에 이방성이 없는 바인더리스 다이아몬드층을 생성하고 레이저로 절단하여 공구를 제작하는 방식의 선삭용 인서트 및 엔드밀이 독일의 공구 메이커에서 시판되고 있다. 일본에서도 나노 다결정 다이아몬드를 개발 및 제품화하여 주목받고 있다.
한편 cBN 소결체는 고경도강, 주철 등의 고속 밀링, 정밀·미세 절삭용으로서 많이 이용되고 있는데, 고속 절삭 특성과 내마모 특성이 우수하기 때문에 고정도 절삭에 최적의 공구 재종으로서 인식되고 있다. 즉 cBN 소결체는 고온 경도 특성이 우수하며, 코티드 초경합금에 비교하면 발군의 공구 수명 특성을 가지고 있다는 것은 알고 있다.
cBN 소결체의 절삭 특성은 cBN 함유율, cBN 입자 지름, 바인더의 종류와 함유율 등으로 변화한다. 초정밀·미세 절삭용 공구는 내마모 특성을 추구하여 cBN 입자의 적용이 많아지고 바인더리스 cBN 소결체도 개발되어 제품화가 실현되고 있다.

다이아몬드·cBN 소결체 엔드밀의 조건

미세 형상 절삭은 절삭 후의 수정가공이 어렵고 날끝 마모 발생을 억제하는 공구가 추구되고 있다. 절삭날 형상의 추구, 진동 정도와 날 및 정도의 고도화 등은 절삭날의 마모를 최소한으로 억제하는 유효한 수단으로서 들 수 있다. 다이아몬드 소결체 엔드밀은 알루미늄합금이나 플라스틱 등 비철, 비금속 이외에 초경합금을 포함하는 세라믹스재의 피삭재를 절삭하는 경우에 이용한다. 예를 들면 CFRP재의 트리밍 절삭 사례의 경우, 다이아몬드 소결체의 절삭날을 가지고 있는 엔드밀과 수축끼워맞춤 홀더의 조합으로 고능률 절삭을 실현하고 있다.
즉 공구 연삭, 재연삭 시에 수축끼워맞춤 홀더를 채용하여 엔드밀의 날 및 정도, 진동 정도를 고정도화함으로써 절삭면의 고정도와 버 발생을 억제한 사례이다. 금형의 성형부는 연마리스를 지향한 초정밀 절삭이 기대되고 있는데, 절삭면의 정도가 초정밀 다듬질 영역을 지향하기 위해서는 다이아몬드 소결체 공구의 적용이 유효하다는 것이 절삭실험 등으로 확인되어 있다.
한편으로 cBN 소결체, 다이아몬드 소결체 엔드밀을 이용한 초정밀 절삭의 고도화와 안정화는 초기 마모의 억제가 포인트이다. 이를 위해서는 최적 절삭날 형상의 설계, 고정도 절삭날의 성형 기술, 절삭날 에지부의 처리 등이 요구되며, 더구나 신뢰성이 높은 고능률 계측 시스템의 개발 등을 들 수 있을 것이다.
초미세·정밀 가공은 대부분 신제품 개발에 직결되므로 외부에 공개된 사례는 적지만 많은 개발이 생산 현장에서 이루어지고 있다. 현재 다이아몬드 소결체 및 cBN 소결체 엔드밀은 높은 공구 수명 특성으로 초정밀 절삭면 및 형상 정도를 실현하는 것이 가능하다.

시장 경쟁을 하고 있는 아시아 공구 메이커들

항공기, 자동차 등 양산 부품의 절삭에도 다이아몬드, cBN 소결체 공구가 적용되어 성능과 함께 코스트 경쟁이 치열해지고 있다.
한국, 대만에서 생산되고 있는 다이아몬드, cBN 소결체 공구는 일본에 비해 코스트면에서 유리한 입장에 있다. 이들 공구는 선삭용 인서트, 밀링용 인서트, 자동차 부품의 구멍용 복합 공구 등 비교적 수량을 예상할 수 있으며, 코스트 경쟁이 치열한 분야를 목표로 하고 있다. 중국도 이 분야에 발빠르게 진출하여 이미 대규모 전문 공구 메이커가 등장, 대규모 생산 설비와 인력을 가지고 대량 생산과 공급이 이루어지고 있다.
고경도강의 고속 밀링, 초정밀·미세 절삭, 항공기 부품의 고능률화 등으로 다이아몬드, cBN 소결체 공구와 절삭 기술이 주목받고 있다.
cBN 소결체, 다이아몬드 소결체 공구를 초정밀·미세 절삭에 이용한지는 오래되었지만, 지금도 새로운 과제와 해결에 대한 요구가 끊이지 않고 있다. 예를 들면 미소경, 고정도 그리고 고성능 공구의 추구, 공구 제작 기술의 개발 및 다양화하는 피삭재에 대응한 절삭 기술의 확립 등을 들 수 있다. 또한 초정밀·미세 절삭에서 최적 공구와 공구궤적, 절삭 조건 등 소프트웨어의 개발과 동시에 초미세·정밀 절삭용 머시닝센터의 초고속 주축, 고가속도 특성의 추구와 자동화 대응 등도 요구되고 있다.