[샌드빅코로만트 제공] ‘두 번 측정하고 한 번에 절삭’, 제조 분야에서 흔히 회자되는 표현이지만, 난삭재 가공 분야는 멀게 느껴진다.

이 가운데 새로운 가능성을 제시하며 거침없는 도전에 나서고 있는 샌드빅코로만트에 업계의 관심이 집중된다. 샌드빅코로만트의 글로벌 제품 매니저 제임스 소프(James Thorpe)가 드릴 설계가 홀 품질 향상에 얼마나 중요한지를 설명했다.

샌드빅코로만트 솔루션으로 2차 공정을 배제하면 제조기업의 수익성을 배가할 수 있다. [사진=샌드빅코로만트]

홀 가공은 모든 가공 공정에서 가장 일반적이고 당연시하게 여겨진다. 많은 생산 현장에서는 기존의 홀 가공 셋업을 변경하거나 업그레이드할 이유를 찾지 못해 수년간 동일한 공구를 사용하는 경우가 부지기수이다. 하지만 코로나19 사태가 업체들의 변화를 다그치고 있다. 

최근 McKinsey & Company가 발표한 COVID-19: Briefing note에서 작금의 산업계 상황을 ‘넥스트 노멀’이라고 정의했다. 기업들이 시황을 예측할 수 없는 불확실성이 장기간 지속될 것으로 전망된다. 보고서에서는 제조업체들이 사회 경제적으로 생존해 번영을 구가하기 위해서는 회복력이 관건이라고 봤다. 

대부분의 제조업체들은 새로운 업체 기반과 제품을 모색하고 있다. 한때 특정 분야에 몰입해야 했던 생산 현장에는 다양한 난삭재에 CNC 선반과 밀링 장비가 투입되며 과거와는 다른 풍경이 양산되고 있다. 동시에 제조업체들은 제품 품질을 희생하지 않으면서 수익을 높이고 사이클 시간을 단축하는 새로운 해법을 찾아야 한다. 즉, 제조업체들이 홀 가공법을 제고해야 할 시점인 것이다.

난공불락 같던 화이트 레이어 

홀 표면의 무결성은 우주 항공 제조업체들이나 우주 항공 산업으로 발을 넓히려는 일반 엔지니어링 업체들의 주요 관심사이다. 홀 품질은 홀의 가공 또는 정삭이 진행되는 제조 공정에서 결정된다.

툴링 솔루션과 드릴의 절삭날 형상은 제조와 부품 품질에 관한 최고 수준의 기준을 충족하기 위해 지속적으로 발전되고 있다. 덩달아 공구의 열 축적을 줄이기 위한 절삭유의 사용도 개선되고 있다. 이러한 과정을 거쳐 가공물 소재의 불청객 ‘화이트 레이어’ 를 배제시킬 수 있다. 

화이트 레이어는 샌드빅코로만트의 고객사인 한 글로벌 우주 항공 분야 제조업체가 만든 용어이다. 이 용어는 가공물의 드릴링 후에 관찰되고 드릴의 열에 의해 발생하는 얇은 초미립자 구조를 일컫는데 재료의 표면 특성을 변화시킬 소지가 있어 업계에서는 품질 관리 프로세스상 허용될 수 없는 것으로 간주된다.

이 업체는 터빈 디스크, 컴프레서, 드럼, 샤프트를 포함한 우주 항공 부품의 홀 드릴링에 엄격한 홀 정삭 공정을 적용하고 있다. 이 업체가 화이트 레이어가 생기는 이유를 조사하고 화이트 레이어의 제어 방법을 모색하기 위해 샌드빅코로만트에 손을 내밀었다.

품질 관리 부서에서만 테스트가 필요하다고 생각지 않았다. 경영진도 2차 가공 공정 전체를 제거하는 혁신을 기대하고 있었다.

샌드빅코로만트의 초경 드릴은 코너 보강, 코너 강도 증가 등으로 우수한 성능이 발현되도록 고안됐다. [자료=샌드빅코로만트]

2차 공정 배제로 생산성 배가

2차 공정은 초경 드릴로 홀을 만든 후에 수행되고 주로 부품을 정삭하기 위한 리머 가공이나 플런지 밀링 가공이 수반된다. 정밀 공차 홀의 가공을 제외하고 치수 정확도 보다는 화이트 레이어 같은 문제를 최소화해 표면 무결성에 대한 기준에 부합하기 위해 수행된다.

2차 공정으로 비용 부담이 적지 않았던 이 업체는 이 공정을 탈바꿈시키겠다고 작심했다.  2차 공정 없이 크기에 맞는 홀을 가공할 수 있다면 부품당 비용 지출을 크게 낮출 수 있다.

화이트 레이어의 원인과 가능한 예방 조치를 조사하는 과정에는 우주 항공 소재로 널리 쓰이는 고강성 니켈 크롬 소재 인코넬 718을 드릴링하는 테스트가 4회에 걸쳐 수행됐다. 샌드빅코로만트 고객사가 이러한 조사를 수행한 경우는 처음이다.

테스트에서는 샌드빅코로만트의 솔리드 초경 드릴 CoroDrill R840과 CoroDrill R846을 활용했다. 각 테스트는 두 세트의 가공 조건은 각각 58mm/min 및 98mm/min, 회전 속도 각각 829rev/min 및 757rev/min로 설정됐다. 화이트 레이어 두께와 마찬가지로 테스트에서 절삭 부하와 토크 데이터를 측정했다.

이 테스트 이후 R840은 -GM 형상이 적용된 CoroDrill860으로, R846은 -SM 형상이 적용된 CoroDrill860으로 대체됐다. 이 차세대 공구들은 홀 품질을 저해하지 않으면서 공구 수명은 늘도록 고안됐다.

테스트 결과 R846으로 인해 반경 방향 곡선 절삭날의 전처리 덕분에 화이트 레이어가 덜 발생했다. R840의 직선 절삭날과 절삭날의 챔퍼는 절삭 부하, 토크 및 화이트 레이어 두께의 증가와 관련이 있는 것으로 분석됐다. 이는 드릴의 설계에 따라 절삭 조건을 희생하지 않으면서 화이트 레이어가 감소한 우수한 홀 품질을 달성할 수 있을지 여부가 결정된다는 것을 방증한다.  

테스트는 화이트 레이어에 관한 몇 가지 사실을 명확히 했을 뿐만 아니라 리머 가공이나 플런지 밀링 가공 같은 일부 2차 공정을 제거함으로써 시간 및 비용 이점을 누릴 수 있다는 사실을 부각시켰다. 뿐만 아니라, 테스트 결과는 샌드빅 코로만트 CoroDrill 860초경 드릴 제품군의 설계 우수성도 입증했다.

적용 분야 [자료=샌드빅코로만트]

설계 통한 성능 향상 

샌드빅코로만트 제품군에는 ISO P, M, K, H 소재 등 다방면에 걸쳐 사용되는 -GM 형상이 적용된 CoroDrill 860(CD860-GM)이 포함된다. 또한 초합금(HRSA), 티타늄, 인코넬 같은 ISO-S 소재의 가공을 위한 -SM 형상이 적용된 CoroDrill 860(CD860-SM)도 존재한다. 후자는 우주 항공 산업에서 특히 유용하다.

CD860-GM은 혁신적인 연마 플루트 설계로 칩 배출이 개선될 뿐만 아니라 코어 강성이 우수하고 드릴링 중에 절삭 부하를 감소시킨다. 아울러 새로운 재종과 최적화된 포인트 형상의 CD860-SM을 사용하면 HRSA 같은 난삭재를 가공해도 오랫동안 견고함을 유지해 홀 품질이 향상된다.

CoroDrill 860은 다양한 분야의 사전 시장 테스트에서 이미 성능을 입증했다. 프랑스의 한 기계 엔지니어링 회사는 CD860-GM을 사용해 AISI 4140 구조용 강재를 가공했다. 드릴의 진입이 볼록한 경우와 오목한 경우 모두에서 우수한 홀 가공 결과를 보여줬고 진직도와 공차도 우수했다. 이후 이 회사는 샌드빅코로만트와 새로운 비즈니스 파트너십을 맺었다.  

한편, 또 다른 샌드빅코로만트 고객인 이탈리아의 한 일반 엔지니어링 제조업체는 강 합금 34CrNiMo6을 가공할 때 CD860-GM을 사용해 경쟁업체의 드릴 대비 45% 이상의 생산성 향상을 달성했을 뿐만 아니라 공구 수명도 100% 증가하는 성과를 거뒀다. CD860-SM도 인코넬 718의 가공에서 인상적인 결과를 보였다. 특히 폴란드 카토비체에서 수행한 테스트에서는 CD860-SM을 사용한 결과 공구 수명이 CoroDrill R840 대비 180% 향상되는 놀라운 결과치를 접할 수 있었다.

우주 항공 산업이든 일반 엔지니어링이든 분야에 상관없이 드릴을 목적에 따라 올바르게 설계하면 높은 공구 성능을 달성할 수 있다. 또한 샌드빅코로만트의 CoroPlus ToolGuide 같은 온라인 도구로 추가적인 지원을 제공할 수 있다. 웹 브라우저를 통해 이 도구에 접속해 가공물 소재, 홀 직경 및 깊이를 입력하면 요구사항에 가장 적합한 솔리드 공구와 절삭 조건을 확인할 수 있다.

[최정훈 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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