항공 엔진 제조 산업에서 재료 특성은 끊임없이 개선되고 있으며, 가공하기 어려운 재료(고온 합금)에 대한 CNC 가공 기술은 업계에서 공통적인 관심사가 되었습니다. 세라믹 절삭 공구 재료는 경도가 높고, 내마모성과 내열성이 우수하고, 화학적 안정성이 뛰어나며, 금속과 결합하기 쉽지 않습니다. 고온 합금의 고속 절삭을 위한 주요 공구 재료 중 하나가 되었습니다. 또한 세라믹 공구의 최적 절삭 속도는 초경 공구보다 8~10배 높아 절삭 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 현재 새로운 세라믹 공구가 끊임없이 등장하고 있으며, 세라믹 공구는 전 세계 기계 가공 공구의 15%~20%를 차지할 것입니다. 그 개발은 절삭 가공 분야에서 또 다른 혁명을 일으킬 수 있습니다.
고온 재료 가공 시 카바이드 공구의 단점
고온 합금(주로 니켈 기반 또는 코발트 기반 합금)은 고온에서 뛰어난 안정성과 크립 저항성을 가지고 있습니다. GH4169는 실온에서 높은 경도(최대 HRC35-47)와 좋은 인성을 가지고 있습니다. 그러나 일반 강철 부품과 비교할 때 가공 성능이 좋지 않으며 절단 공정에서 더 많은 에너지를 소모합니다.
지난 10년 동안, 카바이드 도구 티타늄 기반, 니켈 기반 및 코발트 기반 고온 합금을 가공하는 것은 널리 보급되었습니다. 600°C 미만의 작동 온도에서 카바이드 재료의 높은 경도와 높은 인성은 고온 합금 및 티타늄 합금을 절단하는 데 이상적인 도구입니다. 그러나 카바이드 도구에는 치명적인 약점이 있습니다. 녹는점은 약 1200°C입니다. 절단 구역의 온도가 800°C보다 높으면 블레이드의 강도와 경도가 크게 떨어지고 마모가 증가합니다. 정상적인 절단을 완료하는 것도 어렵습니다.
따라서 초경 공구를 사용하여 고온 합금 소재를 절단할 때 절단 구역에서 지나치게 높은 온도를 피하기 위해 선형 속도는 약 40m/min으로만 유지할 수 있습니다. 가공 여유가 큰 부품의 경우 절단 속도가 느리기 때문에 금속 제거율이 매우 낮고 기계 시간이 매우 길며 생산 비용이 크게 증가합니다. 이로 인해 현대 CNC 공작 기계의 잠재력이 완전히 활용되지 못하고 있습니다. 새로운 엔진의 성능이 지속적으로 향상되고 새로운 소재가 등장함에 따라 초경 공구는 적응하기 어려웠습니다. 따라서 더 이상적인 절삭 공구를 찾는 것이 최우선 과제가 되었습니다.
고온 소재 가공을 위한 세라믹 절삭 공구의 장점
20년 전만 해도 선진국의 항공기 엔진 회사(미국의 GE, 영국의 롤스로이스 등)는 세라믹 공구를 사용하여 고온 합금 소재를 가공하기 시작했습니다. 세라믹 소재의 가장 큰 특징은 높은 융점(2000℃ 이상)입니다. 1200℃에서도 경도가 크게 떨어지지 않습니다. 초경 공구를 대체하여 고속 절삭을 실현할 수 있는 이상적인 소재입니다. 하지만 우리나라에서는 여러 가지 이유로 이러한 공구의 사용이 널리 보급되지 않았습니다.
절삭 가공에서 칩 형성은 재료 비선형성, 기하학적 비선형성 및 경계 비선형성을 포함하는 전형적인 대변형 공정입니다. 고속 절삭 공정에서는 열 결합 문제도 포함됩니다.
유명한 절삭 전문가인 피이스넨과 머천트는 1945년 초에 제안된 칩 형성 메커니즘에서 지적했습니다. 전단력(절삭력)의 작용으로 전단면 근처의 결정립계가 찢어지고 변형되기 시작하여 매트릭스에서 분리되어 칩을 형성하고 많은 열을 생성합니다. 실제로 절삭 열의 약 80%가 이에 의해 생성됩니다.
세라믹 공구를 사용하여 고속 절단을 달성하는 핵심은 세라믹 재료의 고온 특성을 최대한 활용하는 것입니다. 절단 속도를 높이면 절단 열이 지속적으로 축적되고 절단 구역의 온도가 상승하고 칩이 부드러워지고 절단이 매우 쉬워집니다. 세라믹 재료의 인성 및 내마모성은 초경합금 재료와 크게 다르지만 고온 안정성은 초경합금 공구의 범위를 훨씬 벗어납니다. 따라서 선형 속도를 높이는 것이 절단 구역의 온도를 높이는 가장 효과적인 방법입니다. 이론적으로 세라믹 공구의 절단 속도와 금속 제거율은 초경합금 공구의 5~10배 또는 그 이상이어야 합니다.
도구 제조업체는 홍보할 때 세라믹 도구가 HRC55 이상의 소재를 가공하는 데 적합하다고만 제안했으며, HRC55 미만의 소재에 대한 해당 보고서는 없습니다. 이 기사는 HRC55 미만의 소재를 가공하는 데 있어서 저의 경험에 대해 이야기합니다.
시멘트 카바이드 공구의 장기 사용으로 인해 작업자는 저속 절삭에 익숙해졌고, 시멘트 카바이드에 적합한 이 가공 방법은 세라믹 공구 가공에서 가장 큰 금기입니다. 세라믹 공구를 사용할 때 안전상의 이유로 작업자는 항상 속도를 높이는 것을 두려워하고, 심지어 일반 선반에서 세라믹 공구를 사용하기를 바랍니다. 과거에 세라믹 공구를 사용하면서 발생한 대부분의 문제는 절삭 속도가 충분하지 않아서 발생했습니다.
세라믹 절삭공구 가공시 주의 사항
속도는 블레이드 수명의 열쇠입니다. 우리는 사고방식을 바꾸고 과감하게 절삭 속도를 높여야 합니다. 절삭 과정에서 충분한 절삭 열이 발생하도록 하는 것이 공구 수명을 개선하는 열쇠입니다. 그러나 절삭 속도가 높을수록 좋습니다. 절삭 온도가 너무 높으면 너무 많은 절삭 열이 제거되지 않고 매트릭스에 남아 부품의 온도가 상승하고 열 응력으로 인해 부품이 변형됩니다. 또한 테스트에서 속도가 특정 한계를 초과하면 블레이드가 매우 빨리 마모된다는 것을 발견했습니다.
세라믹 재료의 내마모성은 초경합금만큼 좋지 않습니다. 동일한 절삭 깊이로 여러 번 절삭하면 블레이드와 부품의 접촉점에서 블레이드에 수직인 홈 마모가 불가피하게 나타납니다. 따라서 블레이드와 작업물 사이의 접촉점을 지속적으로 변경해야 합니다. 이 방법은 블레이드의 서비스 수명을 연장하는 데 매우 효과적입니다.
시멘트 카바이드와 비교했을 때 세라믹 재료는 여전히 비교적 취성이 있습니다. 따라서 절삭 공정 중에 진동을 단호하게 제거해야 합니다. 이를 위해서는 공작 기계에 충분한 동력이 있어야 하고, 스핀들이 원활하게 회전해야 하며, 이송이 균일해야 하며, 절삭 경로가 "푸시 절삭"이어야 합니다. 일반 공작 기계에 세라믹 도구를 사용하려고 하지 마십시오.
경도가 다른 재료의 경우, 합리적인 절삭 매개변수와 공구 경로를 선택해야 합니다. 이송 및 절삭 속도 조합을 최적화해야 효율적인 절삭이 보장될 수 있습니다.
블레이드 전면에 국소적 칩핑이 발생하는 경우 측면의 마모 증가로 인해 발생하는 압력으로 인해 발생합니다. 이 현상은 일반적으로 공구 성능에 영향을 미치지 않습니다. 사실 블레이드 전면이 칩핑된 후 새로운 날카로운 블레이드가 생성되고 만족스러운 절단 결과로 절단을 계속할 수 있습니다. 정밀 가공에서 "칩핑"은 마감에 영향을 미치고 "버"를 생성합니다. "칩핑"이 발생하면 블레이드 앞에서 불꽃이 보일 수 있습니다. 이 불꽃은 고온의 철 칩이 블레이드의 거친 표면을 통과하여 발생합니다. 이 절단을 완료하려면 공급을 줄여야 합니다.
다음 절단 전에 블레이드를 교체해야 하는지 확인하십시오. 거친 가공 시 "깨진" 블레이드를 최대한 활용하고 블레이드를 성급하게 버리지 마십시오. "깨진" 블레이드는 실제로 절단할 수 없을 때까지 계속 사용할 수 있습니다.
세라믹 블레이드는 심각한 오류가 발생하지 않는 한 심각하게 파손되지 않으며 사고를 일으키지 않습니다. 세라믹 블레이드의 주요 마모 형태는 칩핑과 백 페이스 마모입니다. 소위 플랭크 마모는 모든 종류의 도구에 존재하는 점진적인 마모 형태입니다. 마모 정도와 해당 절삭 속도는 공구 수명의 지표입니다. 니켈 기반 합금 부품의 경우 세라믹 블레이드의 홈 마모는 절삭 깊이 선에서 발생합니다. 이상적인 적용 방법은 홈 마모가 최대에 도달하는 동시에 플랭크 마모도 최대에 도달하는 것입니다. 홈 마모는 블레이드 두께의 1/3까지 확장될 수 있습니다. 빠른 홈 마모 또는 칩핑은 종종 절삭 영역에서 발생하며, 이는 절삭 영역의 열이 부족하여 발생합니다. 절삭 속도를 높이거나 이송을 줄이거나 두 가지를 동시에 조정하여 수정할 수 있습니다.
카바이드 공구의 툴 경로는 세라믹 블레이드의 툴 경로와 달라야 합니다. 세라믹 블레이드는 홈 마모로 인해 빠르게 고장납니다. 세라믹 공구 절단의 프로그래밍 방법과 툴 경로는 카바이드 공구와 완전히 동일하지 않습니다. 적절한 툴 경로와 절단 매개변수를 사용해야 합니다.
세라믹 공구는 벽 두께가 2mm 미만인 얇은 벽 부품을 마무리하는 데 적합하지 않습니다. 카바이드 공구를 여전히 사용해야 합니다. 결론 세라믹 소재는 21세기에 가장 유망하고 경쟁력 있는 공구 소재입니다. 세라믹 소재의 개발은 절삭 가공 분야에서 또 다른 혁명을 일으킬 수 있습니다. 시도 과정에서 약간의 경험을 얻었지만 가공 소재의 종류를 확장하기 위해 추가 실험을 수행해야 합니다. 세라믹 공구의 성능을 마스터해야만 고온 합금 가공에 더 잘 적용할 수 있습니다.
