【기술 동향】
 고속 밀링의 문제점과 앞으로의 동향

최근 고정도 부품가공이나 미세 소형 금형의 수요가 많아지고 있는데, 이들 요구 중에서 기술적인 면에서
특히 중요시해야 하는 것은 제품 출시까지의 시간을 어떻게 단축하는지이다. 그렇기 때문에 금형 기술에
무엇보다 우선으로 요구되는 것은 금형 제조의 쾌속화이다. 이 글에서는 고속 밀링의 문제점과 앞으로의 동향에 대해서 살펴본다.

김정아 기자 (prmoed@hellot.net)

제조에는 시간 단축, 품질 향상, 코스트 절감이 항상 요구되고 있다. 현재 제품 코스트 절감을 위해 복잡한 형상이나 박육의 성형, 환경 대책을 위한 경량재, 고강도재 성형 등 요구되는 가공 기술은 어려운 방향을 향하고 있으며, 이 방향이 변할 일은 없을 것이다. 더구나 고정도 부품가공이나 미세 소형 금형의 수요가 많아지고 있으며, 이들 요구 중에서 기술적인 면에서 중요시해야 하는 것은 제품 출시까지의 시간을 어떻게 단축하는지이다. 그렇기 때문에 금형 기술에 요구되고 있는 것은 우선 금형 제조의 쾌속화이다.
고속·고정도로 금형의 형상가공을 하기 위해서는 많은 요소 기술을 유기적을 결합하여, 각각의 잠재 능력을 충분히 활용할 필요가 있다. 여기에서는 소경 볼 엔드밀 공구를 이용하는 형상가공으로 한정하여 고속 밀링의 요소 기술, 특히 공작기계와 공구를 중심으로 그 문제점과 앞으로의 동향에 대해서 살펴본다.
밀링으로 고속·고정도 가공을 실현하기 위한 요소 기술에서는 공작기계의 운동 정도 향상, 공구 정도 향상, CAD/CAM 데이터의 정도 향상 등이 중요하다.
고정도화를 방해하는 요인으로서는 공작기계에서는 운동 정도, 주축의 진동, 열변위, 위치결정 정도이다. CAD/CAM에서는 모델링 정도, CAM 정도, 공구에서는 마모, 릴리프면 조도, 다이내믹 밸런스 등의 요인에 의해 면정도가 크게 좌우된다. 어떠한 피삭재, 툴링, 가공 조건을 선택하는지에 따라서도 정도는 크게 좌우된다. 그 중에서도 공구 마모는 다른 파라미터에 비해 크게 작용하므로 이것을 어떻게 억제하는지가 밀링의 고정도화에서는 중요하다.
아래에 각 요소 기술에 대해서 다룬다.

공작기계

최근의 머시닝센터는 대부분이 고속 지향으로, 그 고속화는 고강성, 고마력으로 저속에서 고속까지 고정도로 공구를 회전할 수 있는 주축, 고속도, 고가속도, 그리고 고속 위치결정 정도가 높은 이송 구동계와 높은 강성의 기계 구조, 이들을 적절하게 제어할 수 있는 고속 제어장치 등에 의해 실현된다. 보다 빠르게 움직이게 하려면 보다 고출력의 모터가 필요해지고, 고정도화를 지향하면 보다 대형이며 고강성인 구조가 되어 냉각 등도 필요해진다. 빠르게 움직이게 하기 위해서는 경량화가 중요하지만, 최근의 공작기계는 반드시 그렇게 되어 있지는 않다. 아무리 지령 이송 속도를 빠르게 해도 구동계는 그대로 움직이지 않는 것이 당연하다. 회전수를 줄이지 않고 이송만 늦추면 절삭칩을 내보내지 않고 비비기만 하고 있어 공구 마모는 촉진된다.
소형 금형을 가공대상으로 한정한 고속기에서는 구동계의 스트로크가 작아도 되므로 기계 사이즈도 소형으로 충분하다. 작고 복잡한 형상을 가공할 때의 이송 구동계에는 빈번한 이송 방향의 변화나 가속도가 필요하며, 고속의 이송 동작을 실현하기 위해서는 동작의 가동이나 감속을 신속하게 할 수 있어야 한다. 소형기에서는 워크 중량과 절삭저항이 모두 적고 그 변화도 작기 때문에 주축이나 구동계의 출력이 작아도 되며, 소형이고 경량인 것은 가감속 성능의 향상에 매우 효과적이다. 가공대상이 소형으로 한정되면, 가감속도의 응답성, 정도 등을 고려하여 리니어모터 탑재의 공작기계가 효과적이다.

공구

앞에서 말했듯이 공구 마모의 오더는 다른 요소 기술에 비해 크다. 이것이 가공 정도나 면성상에 미치는 영향은 크며, 가장 개선해야 할 여지가 있는 요소 기술이다. 고속 밀링에 최적인 공구 재종, 기하학적인 형상, 코팅에서는 편차를 어떻게 억제하는지 등 문제는 많다. 그러나 초미립자의 초경합금, 멀티 코팅 기술, 극소경의 볼 엔드밀 제작 기술 등 많은 새로운 공구 기술이 개발되고 있어 기대는 할 수 있다. 초경합금제 극소경 공구는 미크론미터 오더의 형상가공에 유용할 것이다. 또한 고경도강재의 가공에서는 cBN이 유용할 것이다.
다듬질 강재의 직조에 의한 형상가공은 앞으로도 수요가 증가할 것으로 생각된다. 고정도이고 고회전 주축을 가지는 머시닝센터의 직조가공에서는 앞으로 cBN 공구가 위력을 발휘할 것으로 생각한다. 더구나 소경의 금형가공이 요구되는 경우에는 고회전 스핀들과 고정도 위치결정 정도가 더욱 필요해진다.
또한 샤프한 날끝 능선이 필요한 경우에는 어쩔 수 없이 다이아몬드 공구에 의존해야 하지만, 강재의 가공에 적용하는 것은 어렵다. 기존 cBN 공구는 사용이 어려운 공구로 여겨져 왔다. 이것은 사용 범위가 좁고 잘 다룰 수 없었기 때문이었다. 밀링에서 cBN 공구의 보다 좋은 사용 조건은 얕은 절입으로 고회전, 고이송이라고 한다. 이것을 실현할 수 있는 공작기계가 최근 많아졌다고 할 수 있다.
아래에 극소경 공구에 의한 고속 밀링의 문제점을 정리했다.

(1) 공구와 스핀들의 접속 문제

스핀들 지름이 작기 때문에 나사의 접속은 어려워지므로 수축끼워맞춤으로 할 수밖에 없다. 더구나 기상에서 직접 스핀들에 공구를 수축끼워맞춤할 필요가 있다. 고속으로 회전하는 데는 다이내믹 밸런스가 중요하며, 고정도 가공을 실현하기 위해서는 서브미크론 오더의 회전 정도를 반복 실현할 수 있는 시스템이 필수이다. 자동 수축끼워맞춤 시스템은 이것을 실현하고 있다.

(2) 공구의 계측

극소경의 공구는 조금이라도 절입 깊이를 틀리면 절손될 위험이 있다. 당연히 좋은 정도로 가공하기 위해서는 계측이 필요한데, 공구와 피삭재 간의 거리를 간이 측정하는 데는 접촉식 터치센서가 사용되는 경우가 많다. 그러나 극소경에서는 비접촉식이고 공구와 피삭재 간의 거리를 미크론 오더로 측정하는 시스템이 필요하다. 광계측이 적합하지만 매우 고가이므로 문제가 있다.

(3) 공구의 기상 다이내믹 밸런스

앞에서 말했듯이 공구의 밸런스가 나쁘면 고회전에서 공구 절손이나 정도의 악화가 염려된다. 따라서 기상에서 공구와 접촉하여 회전하는 트루잉이 필요할 것이다. 애써 소형의 기계로 하여도 이러한 주변기기가 커져서는 문제이다.
툴링 시스템, 계측 시스템, 트루잉 시스템의 3가지가 최저한 필요하며, 이들이 준비되면 지금까지 불가능했던 극미세 밀링이 보통의 공장 환경 수준으로 가능해진다.

스핀들과 홀더

소경 볼 엔드밀을 이용한 금형가공에서는 스핀들의 고회전화는 필수이다. 볼 엔드밀의 마모 형태에는 특징이 있으며, 저속이라도 고속이라도 공구 마모는 촉진된다. 저속측의 주 요인은 압력 응착에 의한 것이고, 고속측은 열에 기인하는 마모이다. 주속에 관해서는 어느 정도의 고속측에 공구 마모를 최소로 하는 값이 존재한다. 따라서 사용하는 공구를 보다 소경화하면 동일한 회전수에서는 주속이 저하하여 마모되기 쉬워지고 면성상도 악화된다. 이것을 방지하기 위해서는 고회전화밖에 없는 것이다. 즉, 소경 공구에서는 매분 10만 회전 이상의 스핀들이 필요하게 된다.
홀더도 스핀들과 함께 중요한 요소이다. 고정도, 장수명의 가공을 실현시키기 위해서는 수축끼워맞춤 홀더의 사용은 매우 당연한 것이 되어 있다. 특히 5축 대응의 홀더가 주목받고 있다. 최근에 5축 머시닝센터가 증가하고 있으므로 이에 동반하여 금형 형상가공 등에서 유용해질 것으로 생각된다.

가공 조건

미세한 고정도 금형은 앞으로도 중요한 기술이다. 당연히 고정도 가공 기술을 가지고 있지 않으면 높은 수준을 계속 유지하는 것은 어려우며, 반드시 독자적인 최적 가공 조건을 가지고 있어야 한다. 간단히 따라 할 수 있는 기술은 살아남지 못할 것이며, 다른 곳에서는 할 수 없는 가공 기술을 가지고 있는지가 앞으로의 승부일 것이다.
예를 들면 볼 엔드밀을 이용하여 1날 이송을 가로축으로 했을 때의 공구 마모, 가공 정도, 표면조도의 관계를 보면, 1날 이송을 증대시키면 실제 절삭 거리가 짧아지기 때문에 공구 마모가 감소하고, 이것에 동반하여 형상 정도는 좋아진다. 그러나 표면조도는 나빠지므로 이들의 균형으로 설계값을 만족시키는 최적 조건이 존재한다.
저속측과 고속측의 마모 형태는 다르며, 비교적 고속측에 공구 마모를 적게 하는 가공 조건이 존재한다. 그러나 앞에서 말했듯이 절삭 속도 이외에도 가공 파라미터는 많으므로 형상 정도, 면성상, 절입, 이송 등 검토해야 할 항목이 많이 존재한다. 어쨌든 자사에 최적인 가공 조건 데이터베이스를 구축하여 다른 곳에서는 흉내낼 수 없는 독자적인 가공 기술을 만들 필요가 있다.

커터패스

시중에 많은 CAM 시스템이 판매되고 있으며, 어느 것이 가장 좋은 커터패스를 생성하는지 판단하는 것은 어렵다. 패스를 내는 방법에 따라 가공 시간이 크게 변한다. 3차원 CAD로 설계되는 것이 당연해진 오늘날에는 이 CAD 데이터로부터 자동으로 최적의 패스가 생성되는 것이 바람직하다. 물론 최적의 가공 조건은 노하우로서 가지고 있어야 한다.

피삭재

금형용 강에 대한 요구는 품질, 가격, 납기가 기본이다. 품질을 향상시키기는 것은 물론이고, 가공비의 절감과 가격을 연동할 수 있다면 더욱 효과가 크다. 품질이 좋고 가공하기 쉬운 강재가 이상적이지만, 현실적으로는 오래 가는 형재의 대부분은 난삭화의 경향이 있어 가공하기 어렵고 날 수명도 길지 않다. 강재의 가격만을 생각하지 말고 공구가 잘 마모되지 않는 강재를 선택하는 것도 한 가지 방법이다. 고속 밀링 조건 하에서 공구가 수명이 길고 피삭재면의 품질이 좋으며, 적당한 가격 설정의 금형용 강재가 바람직하다.

소경 볼 엔드밀 공구를 이용하는 형상가공으로 한정하여 고속 밀링의 요소 기술, 특히 공작기계와 공구를 중심으로 그 문제점과 앞으로의 동향에 대해서 서술했다.
이전에는 생각할 수 없었던 고정도 고효율의 밀링 가공이 실현되게 되었다. 앞으로도 점점 더 미세·고정도 가공에 대한 지향은 강해질 것이다. 따라서 이를 위한 엔드 유저의 최적 가공 조건 구축이 더욱 중요해진다.