초합금(내열합금) 가공 산업에 특화된 해결책 및 가공 기법
혁신적인 엔지니어링 및 기술은 의료, 에너지 및 항공 우주 부품 산업에서 지속적인 발전을 이끌고 있습니다. 이러한 산업에서 정밀 부품을 제조하려면 열과 마모에 대한 높은 내성, 극도의 인성, 흔들림 없는 품질 및 신뢰성이 뛰어난 공작물 소재가 필요합니다. 이런 소재의 대표적인 예로는 ISO-S 합금, 즉 니켈, 코발트 및 철 기반 내열 초합금 (HRSA) 및 티타늄이 있습니다. 이 소재들의 고온 경도, 강도 및 응력 변형 저항성 및 내부식성으로 인해 폭넓은 주요 가공 분야에서 점점 사용이 많아지고 있습니다.혁신적인 엔지니어링 및 기술은 의료, 에너지 및 항공 우주 부품 산업에서 지속적인 발전을 이끌고 있습니다. 이러한 산업에서 정밀 부품을 제조하려면 열과 마모에 대한 높은 내성, 극도의 인성, 흔들림 없는 품질 및 신뢰성이 뛰어난 공작물 소재가 필요합니다. 이런 소재의 대표적인 예로는 ISO-S 합금, 즉 니켈, 코발트 및 철 기반 내열 초합금 (HRSA) 및 티타늄이 있습니다. 이 소재들의 고온 경도, 강도 및 응력 변형 저항성 및 내부식성으로 인해 폭넓은 주요 가공 분야에서 점점 사용이 많아지고 있습니다.
그러나 합금 소재들의 유익한 특성들로 인해 전통적인 철 및 강과는 가공성이 다릅니다. 초합금 (ISO-S) 소재들은 열전도율이 낮기 때문에 가공이 어렵습니다. 가공시 발생하는 열(1100℃ ~ 1300℃)은 절삭 된 칩을 통해 빠져나가지 않고 공구와 공작물에 흡수됩니다. 이로 인해 공구 수명이 단축되고, 부품에 왜곡이 발생할 수 있습니다. 그리고 합금은 가공시 변형 및 석출 경화되는 경향이 있어 절삭 부하가 증가하고 공구 수명을 더욱 저하시킵니다. 마지막으로, 소재의 점착성이 공구 인선에 제어되지 않은 구성 인선과 노치 마모를 생성합니다. 이러한 점착성은 알루미늄과 같은 부드러운 소재에서 흔히 볼 수 있는 특성인 소재의 연성이라고도 합니다.
내열합금 (ISO-S) 소재 가공이 어렵고 투입되는 비용을 감안하여, 제조업체는 부품의 신뢰성과 품질을 우선 순위로 한 가공 개선을 추구하며, 사이클 타임 단축이 두 번째 집중 목표가 됩니다. 고성능 합금의 이점을 극대화하려면 고급 공구들과 가공 전략을 사용해야합니다. 공구 제조사들은 공구와 기술을 미세 조정하여 특정 산업의 가공에 맞춘 생산적이고 안정적인 솔루션을 제공합니다.
의료용 임플란트가 제대로 기능하고 신체의 거부 반응을 방지하려면 화학적으로 불활성이어야하고 체액에 의한 부식에 완전한 내성이 있어야 합니다. 따라서 초합금 (ISO-S) 재료의 생체 적합성 및 내식성은 다양한 정형 외과, 치과 및 기타 의료 부품의 탁월한 기반이됩니다.
의료용 임플란트 산업이 빠르게 성장하고 있습니다. 산업화 지역 인구의 평균 연령이 높아지고 인구의 평균 체중도 증가하고 있습니다. 두 요인 모두 무릎과 고관절의 마모, 및 그에 따른 교체 수요에 직접적인 영향을 미칩니다. 미용 및 치아 건강에 대한 관심이 높아지면서 치과용 임플란트의 인기도 증가했습니다.
두 가지 기본 구성 요소가 교체용 무릎 슬관절(인공관절)을 구성합니다. 인공 대퇴골 구성 요소는 허벅지 뼈 끝의 둥근 과두 돌출부를 모방하고 상부 다리 뼈 또는 대퇴골에 연결됩니다. 차례로, 인공 대퇴골 부품은 두 번째 기본 부품에 놓이는 폴리머 컵, 즉 아래 다리 뼈 또는 경골 상단에 부착 된 티타늄 트레이를 지탱합니다.
초합금 (ISO-S) 소재의 열 전도 특성이 좋지 않아 대부분의 가공 작업에서 절삭유를 사용해야 합니다. 그러나 의료 규제 기관은 잔류 절삭유 오염에 대해 엄중한 규칙을 가지고 있으며 엄격하고 시간이 많이 걸리는 세척 프로세스를 요구합니다. 결과적으로 공구 제조사는 의료 부품을 절삭유 없이 ‘드라이’ 가공하는 방법을 개발하고 있습니다. 예를 들어, 세코는 Ti6Al4V 티타늄 티비얼 트레이를 가공하기 위해 절삭유가 필요없는 공정과 특수한 T 슬롯(T자 홈) 엔드밀을 개발했습니다. 가공은 우수한 공구 수명, 우수한 제품 품질 및 부품의 오염이 없이 10 분 이내에 작업이 완료됩니다.
내열합금 (ISO-S) 합금의 나쁜 열 전도 특성을 완화하기 위한 또 다른 노력은 연삭 작업을 절삭 가공으로 대체하는 것입니다. 긴 연삭 작업에서 발생하는 열은 부품에 응력을 유발하고 왜곡 시킬 수 있습니다. 한 제조업체는 연삭 후 인공 대퇴 무릎 부품이 종종 치수 사양을 벗어나 20-30%의 폐기율을 초래한다는 사실을 발견했습니다.
이 문제를 해결하기 위해 세코의 가공 엔지니어는 머시닝 센터에서 인공 대퇴부 부품을 가공하는 5 단계 방법을 개발했습니다. 이 프로세스는 가공 중에 부품을 회전 할 수 있게 하는 센터 록 시스템이있는 볼 엔드밀과 부품 고정 장치를 사용합니다. 이 카피 밀링 접근 방식은 이러한 복잡한 3D 부품을 생산할 때 흔히 발생하는 덜 단단한 부품 클램핑 셋업에 적합합니다. 전체 작업의 가공 시간은 약 7 분입니다. 가공 후 폴리싱 작업만 필요하며, 이 공정은 기존의 연삭 후 폴리싱보다 시간을 덜 소비합니다.
소형 치과 부품에 전문화된 가공 방법은 초합금 (ISO-S) 소재의 가공 문제를 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 고이송(하이피드) 밀링 전략(사이드 바 참조)은 공구 수명이 길고 생산성이 높습니다. CoCr 강(코발트 크롬 강)으로 만든 치과용 부품의 황삭 작업에서 세코의 3mm 직경 JHF 180 엔드밀을 4,000mm/min의 테이블 이송 속도(Vf)로 2mm 축 방향 절입 깊이(Ap), 0.2mm 반경 방향 절입 깊이(Ae)로, 절삭 속도(Vc)는 66m/min 으로 적용하였습니다. 코발트 크롬 강에서 공구 수명은 175 분이었습니다.
많은 소형 의료 및 치과 부품이 실험실 및 치과 기공소의 소형 고속 머시닝 센터에서 가공됩니다. 이런 장비들이 사용하는 소형 엔드밀들은 소형 임플란트 및 기타 부품에 대한 프로파일링 작업의 급격하게 변하는 칩 부하 특성을 견딜 수 있도록 설계 되어야 합니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 세코는 Mini JM905 및 JM920 엔드밀 시리즈를 개발했습니다. 이 엔드밀 시리즈는 직경이 0.1mm ~ 2.0mm 이고 오버행 길이가 최대 16xD 인 4 날 버전으로 제공되며, 작은 크기에도 불구하고 특수한 소형 부품 생산에 필요한 강도와 안정성을 제공하며 치수는 일반적인 공작물 요구 사항을 충족합니다.
초합금 (ISO-S) 소재는 또한 글로벌 에너지 산업에서 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 현재 풍력, 물, 태양열과 같은 ‘녹색’ 에너지원에 대한 강조에도 불구하고 전 세계 전력의 60% 이상이 가연성 연료를 통해 생산됩니다. 전력은 대부분 가스 및 증기 터빈을 통해 생산됩니다. 추가적으로, 터빈을 보다 효율적으로 만들기 위한 지속적인 노력이 있습니다. 예를 들어, 강력하면서도 가벼운 티타늄 부품은 터빈의 낮은 압축 부분에서 높은 RPM으로 구심력을 줄여 회전 속도를 더 빠르게 합니다. 티타늄 부품 외에도 HRSA(내열합금) 부품은 고온에서 견딜 수 있는 특성 때문에 엔진 효율을 높일 수 있도록 연소 섹션에 사용됩니다.
효율성과 성능 향상을 추구하기 위해 ISO-S 초합금은 지속적으로 발전합니다. 제철 업체는 점점 더 까다로워지는 제조업의 요구 사항을 충족하기 위해 더 많은 기능을 갖춘 합금을 개발합니다. 예를 들어 니켈 기반 인코넬 738 및 코발트 기반 SFX414 와 같은 기존 HRSA(내열합금)은 850~1200℃ 범위의 온도에서 기능하도록 설계되었습니다. GTD 262, Rene 108 과 같은 최신 HRSA(내열합금) 소재는 1200~1600℃ 의 온도에서도 작동하도록 설계되었습니다. 합금이 새로울수록 가공이 더욱 어렵습니다.
세코는 최근 발전기 터빈의 정적 부품에 사용되는 새로운 고성능 합금의 가공에 협력했습니다. 소재의 내열성이 높아 가공이 더욱 어려워졌습니다. Inconel 718 기준 재료의 일반적인 25-35m/min 절삭 속도에 비해 18m/min의 절삭 속도 까지만 달성 할 수 있었습니다.
기존 툴링은 단 하나의 터빈 세그먼트 (절단 길이 320mm) 가공 후 마모되었으며, 터빈 제조업체는 더 긴 공구 수명을 원했습니다. 세코는 거친 절삭 조건에서 향상된 안정성을 제공하는 듀얼 코어 설계를 특징으로하는 JH780 엔드밀 형상을 기반으로 하는 특수 엔드밀을 개발했습니다. 공구는 원래 사용 된 절삭 조건 그대로 적용하였습니다 : 절삭속도(Vc) 18m/min, 날 당 이송(Fz) 0.015mm 및 테이블 이송(Vf) 43mm/min. 새로운 공구는 2개의 터빈 세그먼트 (640mm)를 가공하여 공구 수명을 100% 더 개선했습니다. 그 후, 절삭 속도(Vc)를 16m/min으로 줄이고 날 당 이송(Fz)을 0.017mm 로 증가시켜 어플리케이션 엔지니어는 공구 수명을 800mm (+150% 공구 수명)로 더 연장 할 수 있었습니다.
HRSA(내열합금)은 고온에서 강도를 유지하고 우수한 응력 변형 저항성 및 부식 저항성을 제공하기 때문에 초합금 소재는 최신 항공 우주 엔진의 전체 중량에서 50% 까지 차지합니다.
항공 우주 터빈의 ISO-S 내열합금 소재 가공은 에너지 산업의 터빈과 유사합니다. 하지만 대부분의 경우 항공 우주 산업의 공차가 훨씬 엄격합니다. 예를 들어, 세코는 터빈 블레이드의 전나무 형상(Firtree, 퍼트리, 크리스마스 트리 등)의 루트 프로파일을 가공하기위한 특수 엔드밀을 개발합니다. 에너지 산업의 루트 프로파일 공차는 일반적으로 10 미크론 범위에 있으며 항공 우주 산업의 프로파일 공차는 0-5 미크론 입니다 (0. – 0.005).
티타늄의 경량 및 강도는 터빈의 저온 부분에 적용하는 것 외에 랜딩 기어와 같은 항공 우주 산업의 구조 부품에도 활용됩니다. 본질적으로 랜딩 기어 부품은 거대하고 강하지만 표준 소재로 제조할 때 매우 무겁습니다.
더 가벼운 랜딩 기어에 사용되는 더 가볍고 새로운 강한 티타늄 합금은 이전에 적용된 티타늄 합금보다 가공하기가 더 어렵습니다. 최근 개발된 합금 중 하나는 Titanium 5553 인데, 이름의 유래는 알루미늄 5%, 몰리브덴 5%, 바나듐 5%, 크롬 3% 를 포함하기 때문입니다. Titanium 5553 의 장점은 높은 인장 강도입니다. 1160MPa 인데, 참조로 Ti6Al4V 은 910MPa 입니다. 높은 인장 강도는 Ti6Al4V 에 적용되는 것보다 50% 낮은 수준으로 절삭 속도를 제한합니다.
겹판 합금
단일 ISO-S 초합금 소재가 가공이 어렵다고 한다면, 두 가지 소재를 함께 가공하는 것은 훨씬 어렵습니다. 항공 우주 산업에서는 서로 다른 소재의 스택(겹판)으로 구성된 부품을 가공하기도 합니다. 문제는 적절한 칩 컨트롤과 진동이나 버가 없는 상태에서 ‘샌드위치’ 또는 ‘하이브리드’ 소재를 가공하는 것입니다.
티타늄과 스테인리스 강의 조합이 전형적인 예 입니다. 스테인리스 강과 티타늄은 몇 가지 특성을 공유합니다. 둘 다 상대적으로 강도가 높고 절삭된 소재가 공구에 달라 붙는 경향이 있다는 점에서 점착성이 있습니다.
Titanium 6Al4V / 오스테나이트 스테인리스 강 스택으로 이루어진 엔진 마운트 가공을 위한 세코의 솔루션은 티타늄 가공을 위해 특별히 설계된 초경 JHP770 엔드밀입니다. 이 엔드밀의 특징은 부등분할 플루트, 반경 방향 릴리프 및 특별하게 설계된 칩 공간입니다. 내부 절삭유 채널은 소재의 점착을 최소화하고 칩을 제거합니다. 적층 소재를 가공할 때 공구는 먼저 스테인리스 강을 지나서 티타늄을 가공하였습니다. 가공하기 더 어려운 재료(티타늄)를 기준으로 전체 절삭 조건을 적용하였습니다. 합금의 낮은 열전도율을 고려하여 0.036mm/rev 의 회전 당 이송과 3mm 의 절입 깊이로 원호 보간으로 하강하는 일반적인 절삭 속도 50m/min 을 적용하였습니다.
많은 상황에서 성능상의 이점에도 불구하고 초경 엔드밀이 ISO-S 내열합금 소재를 효과적으로 가공하는 유일한 방법은 아닙니다. 경우에 따라 고속도강(HSS) 엔드밀이 더 생산적이고 비용 효율적인 선택이 될 수도 있습니다.
랜딩 기어 부품을 비롯한 많은 대형 항공 우주 부품들은 티타늄 또는 스테인리스 강의 견고한 빌릿에서 부터 가공됩니다. 이런 경우 최대 직경 50mm의 고성능 HSS 엔드밀로 대량의 소재를 제거 할 수 있습니다. HSS 엔드밀은 낮은 RPM 과 높은 토크의 공작 기계를 활용하면 티타늄 및 스테인리스 강의 황삭과 정삭에서 매우 효과적입니다. 고속도강 엔드밀은 초경 공구 보다 낮은 절삭 속도로 가공할 때에도 큰 직경과 큰 절삭 폭을 통해 경쟁력있는 금속 제거율을 제공 할 수 있습니다.
고급 HSS 엔드밀의 예는 코발트 함량이 8% 이고 경도가 67 HRC 인 JCO710 HSS-Co 엔드밀입니다. 이 엔드밀 시리즈는 칩 플루트에 폴리싱 처리가 되어 마찰과 구성 인선을 줄이고, 다양한 단면 프로파일 형상으로 가볍게 절삭하고 채터링 리스크를 줄여 표면 조도를 망치는 원인을 제거합니다. 이 엔드밀은 대형 티타늄 부품을 생산하는 제조업체에 800 분 이상의 공구 수명을 제공 했습니다.
결론
제조업체들은 중요한 부품에 사용되는 ISO-S 내열합금 소재의 가공에 대해 최고의 품질, 안정적인 일관성 및 생산성의 목표를 가지고 있습니다. 점점 더 까다로워지는 고성능 부품의 요구사항을 충족하기 위해 철강 업체가 새로운 합금을 개발함에 따라, 제조 업체가 ISO-S 초합금 소재의 가공 문제를 극복하고 가공 목표를 달성 할 수 있도록 절삭 공구 업체는 새로운 절삭 공구 소재와 가공 전략을 개발합니다.
ISO-S 내열합금 밀링 전략
세심하게 설계된 공구와 절삭 전략의 조합은 ISO-S 재료에 대한 생산적이고 비용 효율적으로 가공할 수 있도록 합니다.
그 중 한 가지 접근 방식으로, 절삭 부하를 반경 방향에서 축 방향으로 전달하여 작은 축 방향 절삭 깊이와 높은 테이블 이송을 결합하는 고이송 밀링(하이피드 밀링) 전략이 있습니다. 이 기술은 더 얇은 칩을 생성하여 절삭 인선에서 열을 전달하고 절삭력을 줄여 진동을 최소화하고 가공 작업을 안정화 합니다. 고이송(하이피드) 밀링은 열 발생을 줄이고 공구 수명을 연장하는 것 외에도 금속 제거율이 높으며, 기존 밀링보다 최대 200 – 300% 더 빠릅니다.
고이송 밀링은 다양한 공구들과 함께 사용할 수 있습니다. 예를 들어 세코에는 48-62 HRC 경도의 더 단단한 강철 및 코발트 크롬 합금 가공을 위해 설계된 JHF180 엔드밀이 있습니다. 이 엔드밀은 견고한 0.9 도 테이퍼 넥 설계로 공구 변형을 줄이고 깊은 캐비티 밀링이 가능하며 표면 조도를 개선합니다. 공구 형상은 절삭 날에서 칩을 효과적으로 배출하도록 설계되었습니다. 평면 밀링, 슬롯팅, 램핑, 헬리컬 보간, Z 레벨 가공을 포함한 고이송(하이피드) 밀링 애플리케이션에 적합합니다.
ISO-S 소재 밀링을위한 기타 전략은 작업의 특성, 공작물 재료 및 장비에 따라 다릅니다. 기존의 접근 방식은 축 방향 및 반경 방향 절삭 깊이와 평균 이송 속도의 1:1 균형 등이 있습니다. 세코의 HPM 시리즈와 같은 특수한 엔드밀로 수행되는 고성능 가공은 큰 축 방향 절입 깊이와 전체 폭 반경 방향 절입 깊이를 활용하여 많은 금속 제거량을 달성합니다. 고속 가공은 커터가 상당히 낮은 반경 방향 절삭 깊이와 큰 축 방향 절삭 깊이로 가공하는 또 다른 대안입니다. 이러한 접근 방식을 통해 더 높은 절삭 속도를 사용하여 생산성을 높일 수 있습니다. 다양한 가공 전략의 효과적인 구현은 큰 프로그램과 파일을 처리할 CNC 시스템 뿐만 아니라 사용중인 공작 기계의 기능을 비롯한 여러 요인에 따라 달라집니다.
티타늄 가공에는 고유한 특수 작업 및 툴링 요구 사항이 있습니다. 적당한 절삭 속도를 사용하면 과도한 열 발생을 막아 공구와 공작물 사이의 화학 반응을 방지할 수 있습니다. 가급적 절삭유를 사용해야 합니다. 날카로운 절삭 인선은 가공물에서 칩의 전단을 촉진하여 절삭력을 감소시킵니다. 여기에도 고이송(하이피드) 전략이 적용됩니다.
