비용에 걸맞은 티타늄 재료의 가공기술
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 김 경 진 (nadocdog@reseat.re.kr)
1. 개 요
○ 최근 항공기의 생산량 증가와 더불어 티타늄 재료의 절삭 방법의 개선 과 표준화에 대한 관심이 높아졌다. 지금까지 티타늄 재료 가공 경험이 많은 유저 뿐만 아니라 난삭재 가공이 비교적 뛰어난 사용자들도 생산 량 증대를 위하여 보다 효율적인 티타늄 가공 방법에 관한 정보를 필 요로 하고 있다.
○ 알루미늄을 주로 사용하는 종래 민간 항공기 기체에서 티타늄이 차지 하는 재료 사용 비율(중량비)은 7%정도다. 그러나 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 50% 이상의 중량비로 탑재한 신형 기체에서는, 코드와 프레임 등의 골격에 지금까지 사용한 알루미늄 합금 대신, 티타 늄 합금이 알루미늄 합금의 2배 이상에 해당되는 15%정도 사용되고 있다.
– 이와 같이 티타늄 합금의 가공 수요는 기체 수요량의 증가에 신형항 공기의 수요가 더해져 더욱 증가하고 있다. 그러므로 효율적인 가공 방법의 개발 없이는 수요에 대응하기가 어렵다.
○ 본고에서는 티타늄 재료를 어떻게 효율적으로 가공할 것인지, 또한 경 쟁력을 갖추기 위하여 공구와 기계에서 어느 점을 고려해야 하는지를 가공 기술적인 관점에서 소개한다.
2. 티타늄 재료의 특성
○ 티타늄 재료는 저속절삭 영역에서는 큰 문제가 없다. 그러나 금형 재료 또는 알루미늄 재료의 절삭 속도와 가공효율이 큰 폭으로 향상 된 것 에 비하면 티타늄 재료의 절삭방법은 그다지 향상 되지 못한 것이 사
실이다. 가공효율저하 요인으로는 아래와 같은 4가지 문제점을 들 수 있다.
– 티타늄의 열전도율은 철의 1/8 정도이며, 스테인리스강의 1/2정도이 다. 그러므로 절삭에 의해 발생된 열이 재료와 절삭 칩을 통해 방출 되기 어렵고, 공구 절삭점에 집중되어 공구수명을 저하시킨다.
– 전단각이 커서 톱날상의 전단된 칩이 공구경사면의 한정된 면적에 접촉하면서 형성되어 여기에 응력이 집중된다. 또 절삭저항이 변동 하므로 진동이 발생되기 쉽고, 절삭날에 치핑(chipping)을 일으키는 요인이 된다.
– 티타늄은 활성 재료이므로 가공 중에 절삭점이 고온으로 되면 산소 와 질소가 화학반응을 하기 쉬워, 결손․융착․박리․확산마모 등을 일으킨다.
– 영률이 낮아서 철의 60%정도이고 탄력성이 있다. 이로 인해 구멍가 공이라든가 탭 가공 시에 진동, 직경의 축소, 달라붙음 등이 일어나 기 쉬어 공구가 결손 되는 원인이 된다.
3. 공구의 종류와 특징
○ 티타늄재료의 절삭가공에 사용되는 대표적인 공구는 엔드밀(End Mill) 이다. 엔드밀은 여러 가지 크기와 형상이 있는 바, 재료의 종류와 형태 로 나누면, 고속공구강 공구, 초경솔리드 공구, 초경인서트 공구 등 3종 류로 대별된다.
○ 이들 세 종류의 특징을 이해하여 생산에 적용하는 것이 가공효율의 향 상과 원가절감을 위해 필요하다. 각각의 공구 특징은 다음과 같다.
– 고속공구강 공구의 가격은 초경솔리드 공구에 비해 공구비가 낮으며, 같은 체적이라면 초경솔리드 공구의 1/2~1/3 수준이다. 그러나 경도 는 초경공구의 경도인 HRC76에 비해 HRC63~70으로 다소 낮고, 절 삭온도가 공구의 템퍼링 온도인 550~600℃가 되면 급격하게 경도가
떨어진다. 그래서 보통은 20m/min이하의 비교적 저속 영역으로 사 용이 한정된다.
– 초경 솔리드 공구는 고온에서 내열성을 발휘하므로, 고속공구강 공구 보다 2배 이상의 절삭속도(35~80m/min)에서 사용할 수 있다. 또 공 구강성도 높아 고속공구강에 비해 파손이 적어 공구길이가 길어야 되는 가공에서도 유리하다. 공구직경자체는 25~32mm 부근이 일반적 인 유동상한선이므로 이것을 넘는 큰 직경의 공구는 가격적인 면에 서 유리한 고속공구강이나 인서트 공구를 사용한다.
– 초경인서트공구의 장점은 한 팁에서 여러 개의 모서리를 사용할 수 있다는 점이므로, 전체 공구가격은 고속공구강 공구보다 낮다. 공구 의 길이나 공구직경의 변화도 작아 프로그램과 착탈의 변경도 최소 로 줄일 수 있다. 또한 절삭점으로 향하는 커터 몸체에 미리 기름구 멍을 설치하면 고속공구강이나 초경솔리드공구에 비해 냉각수의 공 급이 유리하지만, 내치핑성에서는 열악하다는 결점이 있다.
4. 부등리드, 부등피치 인형공구(刃形工具)
○ 영률이 낮아 톱날형의 절삭 칩을 형성시키는 티타늄 재료의 절삭에서 는 절삭저항이 가공 중에 변동하므로 가공 진동을 일으키기 쉽다. 이 가공 진동을 제어하는 수단으로 지금까지 파형외주날 과 사인(sin)날 형을 활용한 고속공구강 공구의 래핑엔드밀이 많이 사용된다.
○ 다듬질 가공시의 떨림을 억제할 목적으로 사용되는 기술이지만 최근 티타늄 재료의 중절삭(重切削)에도 유효한 것으로 재인식되고 있다.
5. 냉각수 공급의 중요성
○ 가공효율을 높이기 위해서는 절삭속도를 높여야 하며 이에 따라 개발 된 것이 고속공구강보다 내열성이 높은 초경공구에, 산화온도가 높은 코팅피막 기술이다. 코팅기술과 냉각기능의 향상은 공구수명의 향상과 경도의 급격한 저하를 예방한다.
○ 그러나 티타늄 재료 자체가 열전달이 어려운 성질이 있어 절삭열이 절 삭날 끝에 집중되며, 이는 곧 공구수명의 단축으로 이어진다. 그래서 냉각에 의해 인선온도를 공구한계점 이내에 머물도록 하는 것이 중요 한다.
6. 공작물의 고정방법
○ 티타늄 재료를 가공하기 위해서는 소재의 고정 방법에도 충분히 주의 할 필요가 있다. 소재 자체가 휘어지기 쉽기 때문에 진동도 일어나기 쉽다. 그러므로 이를 강성이 높은 고정구에 확실하게 고정시켜, 불필요 한 진동요인을 없애는 것이 중요하다.
7. 티타늄 부품 가공기계
○ 티타늄 가공기계에 요구되는 기계의 요소는 충분한 토크를 가진 강성 이 높은 주축과 본체, 충분한 이송축 추력, 냉각수 공급능력 등이다.
8. 결론
○ 가공기의 사례 : 일본의 Makino(牧野) Milling Machine사에서 개발한 수평형 머시닝 센터는 공구직경 50.8mm의 인서트 엔드밀을 사용하여 티타늄 재료의 중절삭에 이용되고 있다. 거친 가공에서매분 409CC/min 이상의 절삭 칩이 배출되며, 공구는 부등피치배열을 채택 하였다. 또 7MPa 대유량의 관통스핀들 냉각액에 의한 인선냉각을 시 행하고 있다.
○ 티타늄 재료의 원가절감을 위해서는 종합적으로 문제를 해결할 필요가 있다. 공구수명을 어떻게 연장시켜서 효율적인 절삭이 되도록 할 것인 가는 고가의 재료, 신개발 절삭공구 등의 적극적 개발과 연계되어 있다.
출처 : 平畑 雅芳, “コストに見合うチタン材の加工技術”, 「機械と工具(日本)」 51(6), 2007, pp.33~37
◁전문가 제언▷
○ 티타늄은 가볍고 강성도 강하여 요소부품 전체분야에 사용량이 획기적 으로 증가되고 있다. 따라서 티타늄 재료의 가공은 철저한 준비 없이는 가공효율을 증대시키기 어렵다. 따라서 공구의 수명과 가공비의 균형을 고려하여, 절삭조건과 가공방법을 결정 할 필요가 있다.
○ 가공조건에서 공구의 가격과 관리비용은 중요한 요소이다. 고속공구강 공구는 재연삭기가 필요하고 인서트공구는 필요 없다. 가공성의 향상은 공구의 장점과 이점을 살린 복합적인 운용이 원가절감의 해결책이라고 할 수 있다.
○ 티타늄 재료의 고속절삭가공은 적합한 공구의 선택과 가공기계의 충분 한 강성이 필요하다. 또한 공구와 공작물의 냉각방법과 냉각수 토출량 관리 및 진동을 억제하는 치공구와 분당 발생되는 절삭칩의 중량도 관 리를 하여야 종합적인 가공효율을 높이는 방책이 될 것이다.
○ 공장에서 장인의 보유는 최우선이다. 공장은 생산품목과 관계없이 흐름 생산방식으로의 빠른 변화가 경쟁력의 목표이다. 반복 또는 1회 생산에 있어 가공조건의 표준화를 준수 및 유지하고, 아울러 눈에 잘 보이지 않는 준비교체시간과 전체적인 리드타임 단축 등도 개선되어야 한다.
○ 티타늄 재료의 가공에서 요구되는 고속절삭가공 기술에 대한 이 논문 은 사용자에게는 경쟁력을, 기계 및 공구회사에는 미래를 예측하는데 도움이 될 것으로 사료된다.
