올세라믹의 발전 밀링 커터 니켈 기반 합금 소재의 가공에 새로운 전망을 열었습니다. 경금속 공구와 비교했을 때, 올 세라믹 공구는 가공 효율을 8배까지 높일 수 있습니다.
재료 과학 분야의 기술적 진보와 지속적인 개발은 어려운 작업물을 가공하는 능력과 효율성을 지속적으로 촉진합니다. 니켈 기반 합금을 사용하면 증기 터빈의 전반적인 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 니켈 기반 합금으로 만든 단결정 증기 터빈 버킷 휠은 복잡한 냉각 홈과 세라믹 절연 층 시스템을 갖추고 있으며 최대 1450°C의 온도 조건에서 사용됩니다. 이 고유한 기계적 및 내열성 특성은 가공에 큰 요구를 합니다. 제트 추진 장치 하나만 가공하는 데 약 3,000개의 인덱싱 인서트가 필요한 반면, 자동차를 제조하는 데는 평균 2개의 인덱싱 인서트만 필요합니다.
더 높은 절단 속도 활성화
니켈 기반 합금은 내열성이 높고 열전도도가 낮아 절단 표면에서 고온을 유발할 수 있습니다. 이로 인해 절단 재료가 부드러워집니다. 미세 구조에 쉽게 마모되는 카바이드가 존재하기 때문에 공구는 온도 및 기계적 과부하 조건에서 고장나는 경향이 있습니다. 코팅된 경금속 공구는 20m/min 미만의 절단 속도에서만 안정적으로 작동합니다. 다양한 테스트에 따르면 세라믹 재료로 절단하면 절단 속도를 30~50배 높일 수 있습니다. 핵심 요소는 세라믹의 뛰어난 내열성입니다.
따라서 절삭 공정 중에 온도를 충분히 높여서 공작물 소재를 부드럽게 하고 절삭을 더 쉽게 할 수 있습니다. 이를 통해 고속 절삭(HSC) 기술 분야에 진입할 수 있습니다. 세라믹 소재로 만든 인덱서블 인서트와 일치하는 밀링 커터가 이미 시중에 나와 있으며, 이러한 공구는 터빈 버킷 휠의 거친 가공에도 사용할 수 있습니다. 그러나 설계상의 이유로 공구의 최소 크기는 여전히 제한되어 있습니다. 가장 작은 상업용 공구의 직경은 현재 32mm입니다. 더 작은 공구 직경이나 복잡한 절삭 윤곽이 필요한 가공 작업의 경우 경금속 공구와 HSS 공구 외에도 연삭 및 와이어 절단도 사용할 수 있습니다.
시중에서 흔히 볼 수 있는 코팅 및 비코팅 경금속 공구와 개발된 세라믹 공구를 표준 이동거리와 단위 시간당 절삭량을 비교한 결과, 올 세라믹 밀링 커터를 사용하면 생산성을 8배나 높일 수 있는 것으로 나타났습니다.
현대 세라믹 절단 재료의 절단 기능을 이러한 응용 분야에 적용하는 것은 베를린의 Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik(IPK)의 연구 초점이 되었습니다. 2006년 초에 Fraunhofer-Allianz High Performance Ceramics의 "Cercut" 프로젝트에서 최초의 세라믹 밀링 커터 테스트 샘플이 나왔습니다. 이러한 도구는 실험 응용 분야에서 성공적이었습니다. 도구 제조업체와 사용자의 긍정적인 반응을 고려하여 공동 연구소는 이미 수행된 개발 작업을 계속 추진할 것입니다.
올세라믹 절삭공구 개발 촉진
2008년 1월에 "Tech-Volk" 프로젝트가 시작되었습니다. 그 이후로 프로젝트 팀은 응용 분야에 적합한 절삭 프로파일을 갖춘 완전 세라믹 밀링 커터를 개발하기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 프로젝트의 다양한 파트너가 각자의 강점과 작업 초점을 가지고 있기 때문에 전체 프로세스를 종합적으로 고려할 수 있습니다. 세라믹 블랭크 생산, 연삭 전략 적용 및 연삭 도구 처리에서 현대 HSC 가공 센터에서 특정 작업물 절단에 이르기까지 작업물 재료는 Nimonic 90과 같은 니켈 기반 단조 합금에서 MAR M247과 같은 주조 합금까지 다양합니다.
복잡한 HSC 밀링 공정의 부하 조건에 적응하기 위해 절삭 재료는 특정한 특수 요구 사항을 충족해야 합니다. 절삭 공정의 중단은 절삭 모서리에서 높은 부하 변화와 온도 변동으로 이어질 수 있습니다. 특정 시간 간격 동안 절삭 모서리는 절삭 상태가 아닐 수 있으며 절삭 모서리의 표면 온도는 코어 층 내부의 온도보다 더 쉽게 냉각됩니다. 열 팽창 상태의 차이로 인해 공구 모서리 영역에 인장 응력이 형성되어 균열이 쉽게 발생할 수 있습니다.
세라믹은 인장 응력에 더 민감하기 때문에 이 메커니즘에 특히 취약합니다. 이 절삭 재료에는 건식 가공이 필요하게 되는데, 냉각 윤활은 공구의 냉각 효과를 높이고 공구의 작동 상태에 추가적인 부정적인 영향을 미치기 때문입니다. 실리콘 카바이드 휘스커로 강화된 Al2O3 및 SiAlON의 내부 구성 및 구조는 이러한 재료가 균열 형성을 방지하고 파괴 인성을 증가시키는 특성을 가지고 있음을 결정합니다. 이 두 가지 절삭 세라믹 재료는 이미 인덱싱 인서트로 시장에 출시되었으며 사용 시 성능이 우수합니다.
가장 유망한 후속 개발은 소위 등급 세라믹의 생산입니다. 이와 관련하여 이 소재의 강도 특성은 후속 가공을 통해 구체적으로 변경될 수 있습니다. 담금질을 통한 강철과 마찬가지로 세라믹도 내마모성 모서리와 비파괴성 코어 영역으로 만들 수 있습니다.
전체 세라믹 개발 프로세스 이전에, 인덱싱 인서트로서 이 두 세라믹 재료의 사용 특성이 분석되었습니다. 그 사이에, 재료의 내마모성도 연구되고 평가되었습니다. FEM 시뮬레이션과 결합된 작업물의 기계적 측정을 통해 도구 설계에 대한 자세한 분석을 얻을 수 있습니다. 실제 테스트에서 얻은 지식은 수치적으로 결정된 하중 한계로 보완됩니다. 이를 통해 세라믹의 강도 특성에 해로운 하중 조건을 식별할 수 있습니다. 동시에, 다양한 도구 모양의 다양한 자체 진동 특성이 고려됩니다. 도구와 프로세스의 목표 설정을 통해 도구 마모를 크게 줄이고 도구 수명을 늘릴 수 있을 뿐만 아니라 작업물 표면의 기하학적 품질도 크게 개선됩니다.
연구 기관의 경우, 자체 고정밀 연삭기에서 공구를 제조하고, 이후 공구 측정 장비에서 측정하고, 강력한 HSC 가공 센터에서 테스트할 수 있는 고유한 조건이 있는 것이 중요합니다. 이를 통해 매우 짧은 개발 주기와 프로세스에 대한 심층적인 지식이 가능해집니다.
