현재 경화강, 초경소결금속, 내열초합금, 바이메탈 재료 등과 같은 다양한 가공하기 어려운 재료가 산업용 부품 제조에 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이러한 재료로 만든 부품은 우수한 성능을 달성할 수 있지만, 또한 부품의 최종 성형을 부품당 합리적인 비용으로 달성하는 방법이라는 문제가 있습니다.
다행히도 CNC 절삭 공구 공급업체는 가공하기 어려운 소재의 밀링 및 터닝을 위한 다양한 새로운 절삭 인서트를 성공적으로 개발했습니다. 코팅된 것과 같은 카바이드 인서트, 금속 세라믹 인서트, CBN 인서트, PCD 인서트 등. 이러한 새로운 소재 인서트는 특수한 형상과 표면 코팅을 사용하고, 뛰어난 내마모성을 가지고 있으며, 가공 중 기계적 및 열적 충격을 견딜 수 있습니다. 그러나 이러한 절삭 인서트를 생산에 합리적이고 효과적으로 사용하려면 전문 지식을 갖춘 공구 공급업체와 긴밀히 협력해야 합니다.
절삭 인서트의 비용이 비교적 낮기 때문에(일반적으로 카바이드 인서트의 비용은 총 가공 비용의 3%에 불과하고 CBN 인서트는 총 가공 비용의 5%~6%를 차지함) 가공 비용을 절약하기 위해 무작정 저렴한 인서트를 선택하는 것은 비용 효율적이지 않을 수 있습니다. 신소재 인서트는 더 비싸지만 가공 시간을 단축하고 공구 수명을 늘리고 제품 품질을 개선할 수 있으므로 경제적 효율성이 더 좋을 수 있습니다.
반면, 실제 가공 필요성을 고려하지 않고 맹목적으로 신소재 인서트를 선택하면 가공 비용도 증가할 수 있습니다(CBN 인서트의 가격은 카바이드 인서트의 8~10배가 될 수 있음). 또한 신소재 인서트를 사용할 때 잘못된 절삭 속도와 이송 속도를 사용하면 공작물 가공 품질과 공구 수명에도 영향을 미칩니다. 따라서 가공이 어려운 소재에 대한 절삭 인서트를 선택할 때는 가공의 경제적 효율성을 올바르게 평가하고 전체 가공 프로세스를 종합적으로 고려해야 합니다.
절삭 인서트 선택 시 고려해야 할 요소
절삭 인서트를 선택할 때 전체 가공 작업을 평가해야 합니다. 공작물 치수 정확도 및 표면 마감 요구 사항을 충족하고 가공 시간과 인서트 교체를 고려한다는 전제 하에 비교적 저렴한 카바이드 인서트는 더 나은 가공 경제성을 달성할 수 있습니다. 생산 배치, 가공 시간 및 인서트 성능을 정확하게 이해하고 종합적으로 평가함으로써 절삭 인서트를 합리적으로 선택하여 생산성을 개선하는 가공 효과를 달성할 수 있습니다.
소결 티타늄 카바이드로 만든 가스터빈 블레이드의 밀링을 예로 들면, 작업물의 배치 크기가 작을 때 코팅된 카바이드 인서트를 사용하면 더 나은 가공 결과를 얻을 수도 있습니다. 절삭 속도가 35m/min일 때 카바이드 인서트의 절삭 날 수명은 5~10분에 불과하지만, 가공하기 어려운 작업물의 대량 가공에 대한 합리적인 인서트 수명은 일반적으로 15~30분에 도달해야 합니다. 소량 가공에서는 인서트 수명이 짧아지고 인서트를 더 자주 교체하는 것이 생산성에 미치는 영향은 명확하지 않지만, 대규모 전체 부하 가공에서는 인서트 수명이 길어지면 공구 교체 보조 시간을 줄이고 노동 강도를 줄이며 공작 기계 활용도와 생산 능력을 개선하는 데 매우 중요합니다. 따라서 터빈 블레이드의 배치 크기가 클 때 경도가 높고 가격이 더 비싼 CBN 인서트를 사용하는 것이 더 합리적일 수 있습니다.
고급 소재 인서트의 절삭 성능을 최대한 활용하려면 올바른 이송 속도와 절삭 속도를 선택해야 합니다. CBN 인서트를 예로 들면, 이러한 인서트의 절삭 날은 강화되고 수동화되어 경도가 >50HRC인 공작물 소재를 절삭할 때 칩핑을 효과적으로 방지할 수 있습니다. CBN 인서트는 인성이 뛰어나지만 절삭 매개변수 선택은 여전히 매우 엄격합니다. 선택한 절삭 속도가 이상적인 값보다 10% 높거나 낮으면 인서트의 절삭 성능이 크게 떨어질 수 있습니다.
가공하기 어려운 소재의 절삭을 구현하기 위해 다른 유사한 가공 사례를 기반으로 합리적인 솔루션을 제공할 수 있는 전문 도구 공급업체로부터 기술 지원을 받는 것을 고려할 수 있습니다. 절삭 테스트가 필요한 경우 일반적으로 시행착오법을 사용할 수 있습니다. 즉, 먼저 카바이드 인서트로 절삭한 다음 새로운 소재 인서트로 전환하여 비교 절삭하여 다른 인서트의 가공 효과를 비교합니다. 고급 인서트 모양, 고강성 툴 홀더 및 최적화된 가공 절차를 통해 일반적으로 저렴한 카바이드 인서트를 가공하기 어려운 소재 절삭에 적합하게 만들 수 있습니다. 인서트를 새로운 소재로 교체해야 하는지 여부는 특정 가공 작업 및 가공 조건에 따라 결정해야 합니다. 동일한 범주의 가공하기 어려운 소재의 경우 절삭 인서트 선택에 일반적으로 특정 공통점이 있습니다.
현재 많은 합금강 작업물은 경도에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 과거에는 공구강의 적용 경도가 일반적으로 45HRC였지만, 현재 금형 산업에서 사용되는 공구강은 일반적으로 63HRC로 경화되어야 합니다. 열처리 변형을 피하기 위해, 과거에는 열처리 전에만 절단할 수 있었던 일부 금형은 완전히 경화된 상태에서 정밀 밀링해야 합니다. 완전히 경화된 강철을 밀링할 때 발생하는 절삭 열과 절삭 압력으로 인해 절삭 인서트가 소성 변형되어 인서트가 빠르게 파손될 수 있습니다. 예를 들어, 경도가 60HRC인 경화된 강철을 밀링할 때(재료의 카바이드 입자 경도는 90HRC에 도달할 수 있음), 일반 코팅된 카바이드 인서트는 뒷면이 빠르게 마모됩니다.
경화강은 절삭하기 어렵지만, 완전 경화강 가공물은 카바이드 인서트를 사용하여 경제적으로 가공할 수 있습니다. 항공우주 부품 가공을 예로 들면, 원래의 세르멧 인서트를 카바이드 인서트로 교체한 후 경화된 3000M강(4340개정)으로 만든 대형 단조품의 2차 구멍 가공이 성공적으로 완료되었습니다. 가공된 구멍의 가공 여유 대부분은 열처리 전에 제거되었지만(소재 경도 30~32HRC), 열처리 변형을 교정하기 위해 이러한 대형 가공물의 정밀 구멍은 2차 절삭을 위해 가공물(경도가 54~55HRC에 도달) 후에 완전히 경화되어야 합니다. 가공할 구멍은 가공물 깊숙이 위치하기 때문에 특수한 가공물 지형으로 인해 가공이 매우 어렵기 때문에 필요한 치수 정확도와 표면 마감을 얻으려면 3회 절삭 패스가 필요합니다.
재료의 높은 경도와 간헐적 절삭 방법이 결합되어 원래의 세르멧 인서트의 절삭 날이 붕괴되어 단일 절삭 패스를 완료하기 전에 효과가 없게 됩니다. 붕괴된 인서트로 인해 작업물이 스크랩될 위험이 있습니다. PVD 코팅 미세 입자 카바이드 인서트로 전환한 후 공구의 인성과 날카로움이 크게 개선되었으며 6~9회 패스로 절삭을 성공적으로 완료할 수 있습니다. 카바이드 인서트로 전환한 후 공구 공급업체는 절삭 속도를 원래 90m/min에서 53m/min으로 줄일 것을 권장했지만 절삭 깊이는 변경되지 않았습니다. 절삭 속도를 줄인 후 카바이드 인서트로 구멍의 세 번의 절삭 패스를 완료하는 데 약 20분이 걸리는 반면 원래 세르멧 공구로 처리하는 데 1시간 이상 걸렸습니다. 더 중요한 것은 카바이드 인서트 절삭 날의 안전성을 향상시켜 공구 칩핑으로 인해 값비싼 작업물이 스크랩될 위험을 크게 줄인다는 것입니다.
경화강을 밀링하는 카바이드 인서트에 대한 합리적인 절삭 매개변수를 얻기 위해 공구 절삭 시험을 수행할 수 있습니다. 시범 절삭 중에 절삭 속도는 일반적으로 30m/min에서 45-55m/min 사이에서 선택할 수 있으며, 이송 속도는 일반적으로 0.075-0.1mm/tooth입니다. 일반적으로 레이크 각도가 0이거나 작은 음의 레이크 각도가 있는 인서트는 양의 레이크 각도가 있는 인서트보다 강합니다. 경화강을 가공할 때는 원형 카바이드 인서트를 사용하는 것이 더 유리합니다. 원형 인서트는 강도가 더 높고 무딘 절삭 모서리가 쉽게 부러지지 않기 때문입니다.
카바이드 인서트 등급을 선택할 때는 고인성 등급을 사용하는 것을 고려하세요. 이러한 인서트의 절삭 날 안전성이 더 우수하며 경화강을 절단할 때 큰 반경 방향 절삭력과 심각한 절삭 인/절삭 충격을 견딜 수 있습니다. 또한, 특별히 설계된 고온 카바이드 등급은 경화강(HRC60)을 절단할 때 발생하는 대량의 절삭 열을 견딜 수 있습니다. 산화 알루미늄 코팅이 된 내충격성 카바이드 인서트는 경화강을 밀링할 때 발생하는 고온도 견딜 수 있습니다.
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분말 야금 기술의 지속적인 발전으로 다양한 분야에서 사용되는 다양한 초경 소결 금속(분말 합금) 소재가 끊임없이 등장하고 있습니다. 예를 들어, 한 제조업체는 텅스텐 카바이드(WC) 또는 티타늄 카바이드(TiC) 입자를 함유한 복합 분말 니켈 합금을 개발했습니다. 경도는 53-60HRC이며 니켈 합금 매트릭스의 카바이드 입자 경도는 90HRC에 도달할 수 있습니다. 이 소재를 밀링할 때 코팅된 카바이드 인서트는 곧 뒷면을 마모시키고 주요 절삭 날은 평평하게 마모됩니다. 소재의 미세 구조에 있는 초경 입자는 "미세 진동"을 일으켜 인서트의 마모를 가속시킵니다. 공작물을 절단할 때 발생하는 전단 응력으로 인해 카바이드 인서트가 파손될 수도 있습니다.
CBN 인서트를 사용하면 텅스텐 카바이드와 티타늄 카바이드 입자가 포함된 경질 분말 합금 소재의 절삭 문제를 더 잘 해결할 수 있습니다. 개선된 인서트 형상은 "미세 진동" 현상을 효과적으로 극복할 수 있습니다. 사용자가 복합 분말 합금 작업물을 밀링했을 때, 그는 새로운 CBN 인서트의 가공 수명이 최상의 카바이드 인서트보다 2,000배 이상 길다는 것을 발견했습니다. 절삭 테스트에 따르면 경질 분말 합금 소재(절삭 속도 60m/min, 이송 속도 0.18mm/edge)의 가공 효율은 5개의 CBN 인서트가 장착된 페이스 밀링 커터를 사용하여 전기 방전 가공(와이어 절단)과 비교하여 75%만큼 증가할 수 있습니다.
CBN 인서트의 최상의 성능을 최대한 활용하기 위해서는 절삭 매개변수를 합리적인 범위 내에서 엄격하게 제어해야 합니다. 약 50m/min의 절삭 속도와 0.1-0.15mm/tooth의 이송 속도는 높지 않지만 분말 합금 소재를 가공할 때 높은 생산성을 달성할 수 있습니다. 최적의 절삭 매개변수는 30-60초의 시범 절삭을 통해 정확하게 결정할 수 있습니다. 시범 절삭 중에는 저속으로 시작하여 인서트 절삭 날이 과도하게 마모될 때까지 점차적으로 절삭 속도를 높일 수 있습니다.
가공하기 어려운 재료를 가공할 때는 일반적으로 건식 절단을 사용하여 인서트 절삭 날 온도를 일정하게 유지해야 합니다. 대부분의 경우 이중 음각 형상의 원형 도구가 가장 좋은 가공 효과를 발휘하며, 절삭 깊이는 일반적으로 1-2mm로 제어해야 합니다.
밀링은 단속 절삭 공정입니다. 가공 중에 60HRC 이상의 경도를 가진 공작물 재료가 공구에 지속적으로 충격을 가하면 가공 응력이 크게 발생합니다. 따라서 밀링에서 충분히 높은 충격 저항성을 제공하기 위해 가공 기계 및 공구 시스템은 가장 높은 강성, 가장 작은 오버행 길이 및 가장 큰 강도를 가져야 합니다.
내열성 초합금 가공 인서트
항공우주 산업을 위해 개발된 내열 초합금(HRSA)은 현재 자동차, 의료, 반도체, 발전 장비 및 기타 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 일반적인 내열 초합금 등급(예: Inconel 718/625, Waspalloy, 6A14V 티타늄 합금 등) 외에도 다양한 새로운 티타늄 기반 합금 및 알루미늄 및 마그네슘 기반 합금 등급이 개발되었습니다. 모든 내열 초합금은 가공하기 어려운 재료 범주에 속합니다.
초합금은 경도가 높고, 일부 티타늄 합금 등급의 가공 경도는 330HB에 이릅니다. 일반 합금의 경우 절단 구역의 온도가 1100℃보다 높으면 재료의 분자 결합 사슬이 부드러워지고 칩 형성에 유리한 유동 구역이 나타납니다. 반면 내열성 초합금은 내열성이 뛰어나 절단 공정 전체에서 높은 경도를 유지할 수 있습니다.
내열성 초합금은 또한 절단 시 냉간 경화되는 경향이 있어, 절삭 인서트의 조기 칩핑과 고장을 쉽게 일으킬 수 있습니다. 절단 시, 가공물의 절단 표면에 내마모성 냉간 경화 스케일 층이 생성되어 인서트 절삭 날이 빠르게 마모됩니다.
초합금의 가공하기 어려운 특성을 감안할 때, 가공 중에는 일반적으로 더 낮은 절삭 속도가 사용됩니다. 예를 들어, 카바이드 인서트가 있는 초합금 Inconel 718 브레이크 키를 밀링하는 절삭 속도는 60m/min이고, CBN 인서트가 있는 Inconel 718의 외부 원통형/엔드 터닝 절삭 속도는 80m/min입니다. 반면, 코팅되지 않은 카바이드 인서트가 있는 절삭 공구강의 절삭 속도는 일반적으로 120-240m/min에 도달할 수 있습니다. 초합금을 절삭할 때의 이송 속도는 일반적으로 절삭 공구강의 이송 속도와 동일합니다.
초합금을 가공할 때 절삭 인서트의 선택은 주로 가공되는 소재와 작업물의 유형에 따라 달라집니다. 가공 효율성을 개선하기 위해 얇은 벽의 작업물을 가공할 때는 양의 레이크 절삭 모서리가 있는 카바이드 인서트를 사용할 수 있고, 두꺼운 벽의 작업물을 가공할 때는 절삭 중 인서트의 "쟁기질" 효과를 높이기 위해 음의 레이크 절삭 모서리가 있는 세라믹 인서트가 필요합니다. 대부분의 가공하기 어려운 소재의 경우 인서트 절삭 모서리 온도를 일정하게 유지하기 위해 건식 절삭을 선호해야 합니다. 그러나 티타늄 합금을 가공할 때는 낮은 절삭 속도에서도 냉각수를 사용해야 합니다.
내열 초합금은 절삭 중에 높은 경도를 유지하므로 절삭 인서트의 모따기 끝의 마모가 가속화됩니다. 무딘 절삭 모서리가 있는 원형 인서트를 사용하면 절삭 모서리의 강도를 크게 향상시킬 수 있지만 초합금의 냉간 가공 경화 경향으로 인해 인서트 칩핑이 더 심해질 수 있습니다. 여러 번의 연속 패스 중에 절삭 깊이를 변경하면 인서트가 작업물 표면에 형성되는 냉간 가공 경화 층을 피할 수 있으므로 인서트 칩핑을 줄이고 절삭 모서리의 작업 수명을 연장할 수 있습니다. 절삭 깊이는 한 번의 패스에서 7.6mm, 후속 절삭에서 3.2mm와 2.5mm까지 달라질 수 있습니다.
바이메탈 재료용 인서트
바이메탈 소재는 마모되기 쉬운 선택된 부분에 더 단단한 소재를 배치한 다음 다른 부드러운 합금 소재로 둘러싸거나 혼합한 것입니다. 바이메탈 소재는 자동차 산업 및 기타 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있지만 특수한 가공 과제도 있습니다. CBN 인서트는 경도가 50HRC 이상인 단단한 합금을 효율적으로 절단할 수 있지만 바이메탈 소재에서 부드러운 합금을 절단할 때 파손될 수 있습니다. PCD 인서트는 내마모성 알루미늄 합금을 절단할 수 있지만 철 금속을 절단할 때 과도한 마모가 발생하기 쉽습니다.
바이메탈 소재의 효율적인 가공을 달성하기 위해 사용자, 공구 공급업체 및 공작 기계 제조업체는 정밀한 절삭 프로그램을 공동으로 개발해야 합니다. 예를 들어, 특정 바이메탈 소재는 열간 등방성 프레스 공정을 통해 저렴한 316 스테인리스 스틸 매트릭스에 고경도 복합 분말 합금을 매립하여 만들어집니다. 가공 중에 나선형 보간 공구 경로 프로그램을 컴파일하여 공작 기계 제어 시스템에 입력하여 먼저 분말 합금 소재 부품을 가공한 다음 매트릭스 부품을 최적화된 이송 속도와 절삭 속도로 가공해야 합니다.
알루미늄 합금과 주철 실린더 헤드 개스킷으로 구성된 바이메탈 실린더 블록을 효율적으로 가공하려면 자동차 제조업체는 알루미늄 합금의 내마모성과 주철의 높은 경도를 모두 극복해야 합니다. 더 단단한 주철 실린더 헤드 개스킷(마모되기 쉬운 부품)은 더 부드러운 알루미늄 합금 실린더 블록에서 분리하기 어렵기 때문에 별도의 가공 방법을 사용하는 것은 적합하지 않습니다. 그러나 매우 낮은 절삭 속도와 매우 작은 절삭 깊이를 사용하여 기계 공구를 합리적으로 프로그래밍하면 내마모성 PCD 인서트를 사용하여 알루미늄 합금과 주철을 모두 가공할 수 있으므로 가공 공정 중에 공구를 자주 교체하지 않아도 됩니다.
