금속 가공에서 밀링 머신 효율 극대화

고효율 밀링(HEM)을 통한 제거율 최적화

일반 밀링이 현대 밀링 머신의 잠재력을 제한하는 이유

전통적인 밀링 방법, 특히 슬롯 밀링은 공구 가장자리의 일부에만 절삭력을 집중시키는 경향이 있다. 이러한 집중은 해당 부위의 마모를 가속화하고 열적 스트레스를 증가시킨다. 2023년 CNC 파라미터에 관한 최근 연구에서는 흥미로운 결과를 보여주고 있다. 반경 방향 절입량이 40%를 초과하면 열 발생이 일반적인 경우보다 약 두 배 증가하고, 공구 수명은 약 3분의 1 수준으로 감소한다. 이러한 비효율성은 질화강과 같은 경질 소재의 대량 생산 환경에서 특히 작업 속도를 크게 저하시킨다. 예기치 못한 다운타임으로 인해 조기에 고장나는 공구를 지속적으로 교체해야 하는 문제는 제조업체마다 매년 약 74만 달러의 비용을 초래하고 있으며, 이는 지난해 포너몬 연구소에서 발표한 조사 결과에 따른 것이다. 이는 운영을 원활히 유지하려는 모든 현장 관리자에게 심각한 재정적 타격이다.

최대 MRR을 위한 절삭 깊이, 이송량(이빨당), 스핀들 하중의 균형 조절

고효율 밀링(HEM)은 절삭 깊이, 축방향 절삭 깊이, 이송 속도라는 세 가지 상호 의존적인 파라미터를 전략적으로 조화시켜 현대 밀링 기계의 토크와 출력 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 해줍니다.

• 절삭 반경 깊이(RDOC) : 커터 지름의 5~15%로 유지하여 더 많은 나이프에 마모를 분산시키고 방사형 하중을 줄입니다.
• 축방향 절삭 깊이(ADOC) : 공구 지름의 1.5~3배까지 확장하여 스핀들을 과부하시키지 않으면서 재료 제거량을 극대화합니다.
• 이빨당 이송량 : 스핀들 회전속도(RPM)에 따라 동적으로 조정하여 칩 두께를 일정하고 최적 상태로 유지합니다.

이러한 방식은 기존 절삭 경로 대비 최대 60%까지 방사형 하중을 감소시켜 진동을 줄이고 표면 품질을 개선하며 공구 수명을 70% 연장합니다. 인코넬 718 및 Ti6Al4V와 같은 항공우주 등급 합금에서는 치수 안정성과 부품 마감 품질을 유지하면서도 최대 3배의 재료 제거율(MRR)을 달성할 수 있습니다.

밀링 머신 성능 향상을 위한 스마트한 공구 경로 전략

반경 및 축방향 절삭 조절을 통한 칩 얇아짐 현상 완화

비균일한 칩 두께는 일반적으로 제어되지 않는 방사상 스텝오버나 얕은 축방향 절입 깊이로 인해 발생하며, 이로 인해 열을 효과적으로 배출하지 못하는 얇은 칩이 생성되어 마찰과 공구 마모가 증가하고 피가공물의 경화 위험이 높아진다. 절삭 접촉 각도를 제어하면 효율적인 칩 형성과 배출이 가능해진다.

• 알루미늄 가공 시 방사상 절입량을 커터 지름의 30% 이하로 제한하면 휨과 떨림(chatter)을 방지할 수 있다.
• 티타늄 및 경질강 가공 시 스텝오버를 줄이면서 축방향 절입 깊이를 증가시키면 절삭력이 안정화되고 열 전달 성능이 향상된다.

결과적으로 장시간 생산 주기 동안에도 정밀한 공차 유지와 생산성 지속에 필수적인 예측 가능하고 반복 가능한 성능을 확보할 수 있다.

재료와 강성에 따라 초승달형(Trochoidal), HREM 또는 고속급이(High-Feed) 공구경로 선택

공구경로 선택은 단순한 이론적 효율성뿐 아니라 재료 특성과 기계 성능에도 부합해야 한다.

트로코이드 경로는 재료 제거 시 한 번에 가공되는 양을 제한하는 데 도움이 되는 제어된 원호를 사용합니다. 이 방식은 진동을 과도하게 유발하지 않으면서 절삭하기 어려운 점착성 스테인리스강을 가공할 때 매우 효과적입니다. HEM(고효율 가공)의 경우, 이 방법은 공작기계가 칩 부하를 적절히 감당할 수 있을 만큼 강성이 충분할 때에 한해, 더 높은 이송 속도와 더 깊은 축방향 절삭을 추구한다는 의미입니다. 오래된 장비 또는 고출력이 아닌 기계를 사용하는 작업장에서는 고이송 밀링이 현명한 선택이 됩니다. 이 방식은 얕은 절삭을 하지만 공구를 훨씬 더 빠른 각도로 이동시켜 긴 실 모양의 칩이 아니라 두껍고 짧은 칩을 생성합니다. 이를 통해 스핀들을 마모로부터 보호하면서도 예산에 맞춘 장비로도 경질 소재 가공 시 충분한 생산성을 확보할 수 있습니다.

밀링 머신의 안정화: 공구, 작업물 고정 및 진동 관리

경화강에서의 탄화물 대 CBN 공구: 공구 수명과 밀링 머신 가동 시간 간의 트레이드오프

45 HRC 이상의 경화 강을 가공할 때, 초경합금 공구와 입방정질 질소화붕소(CBN)는 실제로 서로 교환하기 어려운 상이한 선택지입니다. 초경합금은 절삭 과정 중 갑작스러운 충격에 더 잘 견디며 소규모 설치 문제에도 크게 영향을 받지 않기 때문에, 늘 완벽하지 않은 일반 작업장 조건에서도 비교적 관용적입니다. 반면 CBN은 매끄럽고 빠른 마무리 가공 작업에 가장 적합합니다. 고온에서도 안정적이고 매우 단단한 특성 덕분에 공구 수명이 최대 10배까지 길어질 수 있습니다. 하지만 여기에 함정이 있습니다. 이 재료는 진동을 매우 정밀하게 제어해야 하며, 냉각수가 정확히 필요한 위치에 정량적으로 공급되어야 합니다. 게다가 말하자면, 런아웃(runout)이나 정렬 문제만 생겨도 CBN은 쉽게 파손되기 마련입니다. 따라서 CBN은 대량 생산을 위해 강성이 확보된 기계에서 사용할 경우 최대한의 생산성을 발휘하지만, 다양한 부품을 다루거나 장비 상태가 완벽하지 않은 대부분의 작업장에서는 여전히 초경합금을 선호합니다.

모듈형 공구 홀딩 시스템: 밀링 머신의 정확도와 수명을 향상시키기 위한 런아웃 감소

런아웃(runout)은 공구가 기계의 축을 중심으로 회전할 때 얼마나 중심에서 벗어나는지를 의미하며, 작업 현장에서 다양한 문제를 일으킵니다. 비대칭 절삭력, 가공 중 성가신 진동(채터), 예상보다 빠른 공구 파손 등은 모두 런아웃 제어가 부족할 경우 발생하는 직접적인 결과입니다. 다행히도 최신 정밀 공구 홀딩 시스템은 이러한 문제 해결에 실질적인 도움을 줄 수 있습니다. 이러한 고급 시스템은 유압 팽창 메커니즘, 열 수축 적합 기술 또는 최근 자주 사용되는 특수 듀얼 콘택트 콜릿 등을 활용하여 전통적인 ER 또는 BT 스타일 홀더 대비 총 누적 지시 런아웃(TIR)을 약 70%까지 감소시킵니다. 이러한 시스템으로 전환한 작업장들은 더 나은 표면 마감 품질, 긴 공구 수명, 그리고 전체 가공 센터의 보다 원활한 운영을 경험하고 있습니다.

• 비대칭 플랭크 마모를 제거하여 공구 수명을 최대 40%까지 연장
• ±0.0005인치 이내의 치수 반복 정밀도로 후속 공정 검사 및 재작업 감소
• 하모닉 진동을 줄여 스핀들 베어링의 무결성을 유지하고 재교정 주기를 연장함

밸런스 조정된 공구 어셈블리와 최적화된 스핀들 속도와 함께 사용할 경우, 이러한 시스템은 연간 유지보수 비용을 약 18% 절감하고 더 미세한 표면 마감을 지원합니다. 특히 치수 공차가 엄격한 티타늄 및 경질 합금 부품에서 매우 중요함

지속적인 밀링 머신 효율을 위한 열 및 유체 관리

정밀도, 공구 수명 및 공정 신뢰성을 위해서는 효과적인 열 제어가 필수적입니다. 예를 들어 티타늄 합금은 1000°C를 초과하는 국부적인 절삭 온도를 발생시키며, 목표 지향적인 열 관리가 없을 경우 공구의 급속한 열화, 작업물의 미세구조 변화 및 치수 제어 손실을 유발할 수 있음

MQL 대 고압 스루-스핀들 냉각수: 티타늄 및 합금 밀링 요구에 맞춘 냉각 전략 선택

MQL은 전통적인 풍부한 냉각 방식에 비해 냉각유 사용량을 약 90% 줄여주며, 환경적 영향도 감소시키는 데 기여합니다. 따라서 알루미늄이나 저탄소강처럼 발생하는 열이 극단적이지 않은 재료를 가공할 때 적합한 선택이 됩니다. 하지만 한 가지 단점이 있습니다. MQL의 열 제거 능력은 열전도율이 약 6.7 W/m·K인 티타늄 또는 니켈계 초합금과 같은 더 까다로운 소재에는 부족합니다. 이러한 소재들은 적절한 냉각이 이루어지지 않으면 가공 중 열적으로 변형되거나 경화되는 경향이 있습니다. 그래서 많은 공장에서는 70~300바(bar) 사이에서 작동하는 스핀들 내부 고압 냉각장치를 사용합니다. 이러한 시스템은 냉각액을 고속으로 절삭 부위에 직접 분사하여 절삭 인터페이스의 온도를 약 200~300도 섭씨 낮춰줍니다. 2022년 SME 기술 논문 시리즈의 연구에 따르면, 이 방법은 Ti6Al4V나 인코넬 718을 가공할 때 공구 수명을 2~3배까지 연장시킬 수 있습니다. 많은 열이 발생하는 정밀 부품을 다룰 때 고압 냉각은 더 이상 선택 사항이 아닙니다. 처음부터 시스템 설계에 반드시 포함되어야 합니다.

냉각 성능 비교

MQL을 티타늄의 조업가공에 사용하는 것과 같이 냉각 전략을 부적절하게 선택하면 열 불안정성이 발생하여 표면 무결성이 저하되고 공구 마모가 가속화되며 정밀 프레징 작업 중 유효 생산성이 23% 감소하는 결과를 초래한다.