비절삭음량 최소화 방법에 기반한 듀플렉스 황삭 공구 선정

2.1 황삭 인서트 공구

본 연구에서는 서로 다른 기하학적 특성을 가진 황삭 공구 중에서 현장 작업자가 소리를 들어 선택한 공구가 비절삭음량 최소화 방법과 일치하는지 평가하였다. 대상 공구는 Fig. 1과 같이 기존 논문에서 사용했던 직경 20 mm 황삭용 볼엔드밀, 바닥이 원호인 인서트를 사용하는 직경 32 mm 고이송 커터, 사각형 인서트를 사용하는 직경 32 mm 페이스 커터이다.

Fig. 1

Roughing insert tools

Fig. 1(a)는 직경 20 mm인 황삭 볼 엔드밀로 바닥과 옆에 끼운 인서트를 사용해 윤곽 황삭 및 중삭 가공에 주로 사용되며, 자유곡면 가공에서 매끄러운 표면 마감을 구현할 수 있는 능력을 갖추고 있다. Fig. 1(b) 직경 32 mm 5날 바닥 원호 인서트 커터는 작은 축방향 깊이와 빠른 이송속도를 사용해 대량의 소재 제거 작업을 처리하도록 설계되었다. 원호 형태의 인서트는 많은 양의 소재 제거가 필요한 황삭 작업에서 효율적인 절삭을 가능하게 하여 속도와 정밀도 간의 균형을 제공한다. Fig. 1(c) 직경 32 mm 4날 사각 인서트 커터는 안정성과 높은 소재 제거율이 중요한 황삭 작업에 최적화되어 있다. 넓은 절삭 표면을 제공하여 가공 시간을 단축하면서도 공구 수명을 유지하는 데 효과적이다. 이 공구들은 듀플렉스 스테인리스강 황삭 작업에서 비절삭음량을 적용한 인서트 종류 선정과 각 인서트가 전체 가공 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 연구하기 위해 선택되었다.

2.2 실험 장치 및 방법

본 연구에서 사용된 실험 장비는 Fig. 2와 같이 듀플렉스 스테인리스강 소재, 가공경로를 생성하는 CAM 소프트웨어, 5축 머시닝센터, 그리고 가공 중 음향 방출을 포착하기 위한 소음계로 구성하였다. Fig. 2(a) 듀플렉스 스테인리스강은 높은 강도와 내부식성을 가지고 있어 황삭 가공이 어려워 공구 성능을 검증하는 데 적합하다. 시작 소재는 황삭 가공 부피를 줄이기 위해서 연마제 워터젯(abrasive waterjet) 장비로 최종 형상에 가깝게 2차원 절단해 준비하였다.

Fig. 2

Experimental equipment

5축 가공이 필요한 대상 제품의 가공 정확성과 재현성을 높이기 위해서 Fig. 2(b)와 같이 항공기 구조물 가공에 가장 많이 사용되는 상용 CAM 소프트웨어를 사용해 NC 데이터를 생성하였다. Fig. 2(c)와 같이 복잡한 형상의 정밀 가공을 가능하게 하는 5축 머시닝센터를 활용하여 소재를 고정한 테이블을 위 방향과 옆 4방향으로 각각 회전해 황삭 가공을 수행하였다. 가공 중에 발생하는 소리를 정량적으로 측정하기 위해 소음계(sound level meter, TES 53H)를 사용하였고 Fig. 2(d)에 보이는 소프트웨어로 1초마다 평균 음량을 저장하였다. 소음계의 주파수가중치는 A로 시간가중치는 빠름으로 설정해 내장된 데이터 필터링을 그대로 적용하였다. 일반적으로 신뢰성 있는 음량 확보를 위해 실험은 무향실과 같은 소음 차단 환경에서 수행된다. 그러나 이번 가공 실험은 실제 작업 환경에서 절삭 소리와 공장 배경 소음을 고려하여 현장 전문가들이 공구를 선택하는 상황을 재현하기 위해 실제 공장에서 진행되었다. 소음 측정은 머시닝센터의 왼쪽 정면 20 cm 거리에서 이루어졌다.

실험은 다양한 공구 형상이 소음 수준과 가공 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었다. 기존 연구들은 각 공구를 같은 가공조건에서 공정하게 비교하고 있다. 그런데 공구마다 최적의 성능을 발휘할 수 있는 조건이 다르므로, 본 연구에서 각 공구의 가공 실험은 전문가가 소리를 들으며 설정한 비절삭음량 최소화 가공조건에서 수행되었다. 현장 전문가가 소리를 이용해 볼 인서트 엔드밀의 최적 조건을 어떻게 설정했는지 기존 논문에 설명하였고^[6], 원호 인서트 커터와 사각 인서트 커터 역시 동일한 방법을 적용하였다. 각 공구마다 현장 전문가가 선정한 가공 조건은 다음과 같다. Fig. 1(a) 볼 엔드밀의 가공조건은 스핀들 속도 1200 rpm, 이송 속도 600 mm/min, 축 방향 깊이 2 mm, 반경 방향 깊이 1 mm이다. Fig. 1(b) 원호 인서트 커터의 가공조건은 스핀들 속도 775 rpm, 이송 속도 1600 mm/min, 축 방향 깊이 0.25 mm, 반경 방향 깊이 21 mm이다. Fig. 1(c) 사각 인서트 커터의 가공조건은 스핀들 속도 697 rpm, 이송 속도 1393 mm/min, 축 방향 깊이 0.5 mm, 반경 방향 깊이 21 mm이다.

3.1 각 공구의 절삭 음량

현장 전문가는 가공이 시작되면 아주 짧게 절삭 소리를 들으면서 이송 속도와 회전수 다이얼을 조정해 가공조건을 선정한다. 실험에서는 각 조건에서 약 30초 동안 음량을 측정하고, 노이즈 영향을 최소화하기 위해 측정된 값 중 음량이 큰 순서로 첫 번째와 두 번째 값을 제외하고 세 번째로 큰 값을 사용하였다. 가공 실험 중 기록된 소리 크기 데이터는 공구 간의 상당한 차이를 나타내며 각 공구의 축 방향 절삭 깊이 차이가 음량 차이를 만든 것으로 보인다. 측정된 음량은 Fig. 3(a)와 같이 볼 인서트 공구 82.4 dB, 원호 인서트 커터 70.2 dB, 사각 인서트 커터 71.4 dB로 나타났다. 이러한 차이는 가공 중 공구 형상이 음향 방출에 미치는 영향을 나타낸다. 볼 인서트 공구는 2 mm 큰 가공 깊이로 인해서 긴 날이 한 번에 소재에 진입 탈출하며 큰 진동과 절삭 소음이 발생한다. 원호와 사각 인서트 커터의 경우 현장 전문가가 선정한 가공 깊이가 0.25 mm와 0.5 mm로 작아서 한 번에 진입 탈출하는 인서트 날이 짧아 절삭 소음이 작게 발생한다. Fig. 3에서 절삭 소리의 크기가 가장 작은 공구는 원호 인서트 커터인데 축방향 깊이가 0.25 mm로 볼 인서트 커터와 사각 인서트 커터에 비해서 작은 것이 가장 큰 영향을 미친 것으로 생각된다.

Fig. 3

Specific cutting sound level of roughing insert tools

3.2 각 공구의 소재 제거율

현장 전문가가 황삭 공구를 선정할 때 진동 소음과 함께 중요하게 고려하는 요소는 생산성이며, 황삭 가공의 생산성은 Fig. 3(b)와 같이 소재 제거율(material emoval rate)로 측정된다. 볼 인서트 공구의 소재 제거율은 1.2 cm³/min로 다른 커터에 비해서 아주 작은데, 그 이유는 자유곡면에 적합하도록 원형으로 설계되어 황삭에서도 경로 간격을 1 mm로 작게 설정해야 하기 때문이다. 반면 평면 가공에 적합하도록 바닥을 평평하게 설계한 다른 인서트 커터는 경로 간격을 21 mm로 크게 띄어 소재 제거율을 높일 수 있다. 두 커터 중에는 사각 인서트 커터 소재 제거율이 14.6 cm³/min로 원호 인서트 커터 소재 제거율 8.4 cm³/min보다 높은 이유는 축 방향 가공 깊이가 2배이기 때문이다. 하지만 Fig. 3(a)에서 사각 인서트 커터의 소음이 원호 인서트 커터에 비해 1.4 dB 크기 때문에, 소음과 소재 제거율을 모두 고려해 공구를 선정할 필요가 있다.

3.3 전문가 공구 선정의 비절삭음량 최소화

현장 전문가는 Fig. 3(a)에서와 같이 절삭 소리를 들으면서, Fig. 3(b)에서와 같이 생산성도 함께 고려하여 최종적으로 사각 인서트 커터를 최적 공구로 선정하였다. 기존 논문에서 현장 전문가의 가공조건 선정을 절삭음량에서 소재제거율에 해당하는 데시벨을 뺀 비절삭음량을 최소화하는 방식으로 설명할 수 있었다^[6]. 본 연구에서는 현장 전문가의 공구 선정 역시 비절삭음량 최소화로 설명할 수 있는지 각 인서트 공구마다 절삭 소리 크기에서 소재제거율 데시벨 값을 뺀 비절삭음량을 Fig. 3(c)에 비교하였다. 비절삭음량은 사각 인서트 커터가 29.7 dB로 가장 낮았고, 원호 인서트 커터가 31.0 dB, 볼 엔드밀이 51.6 dB로 크게 나타났다. 이는 사각 인서트 커터가 비절삭음량을 최소화하는 데 가장 효율적이며, 보다 안정적이고 효율적인 가공 조건과 상관관계가 있음을 시사한다. 현장 전문가가 실제로 선택한 공구와 비절삭음량이 최소인 공구가 일치하는 점은, 이전 연구에서 제안한 비절삭음량 최소화 모델이 황삭 공구 종류 선정에서도 적용 가능함을 확인해주는 결과이다.

4.1 황삭 가공 결과 및 시간

현장 전문가가 선정한 공구가 최적인지 제품 가공 실험을 통해 확인하였다. 다품종 소량생산을 하는 현장에 적용한 연구임으로 같은 제품을 가공할 수는 없어서 소재는 모두 듀플렉스강이지만 최종 가공 형상은 Fig. 4와 같이 차이가 있다. 가공 사진들은 각각의 공구가 듀플렉스 스테인리스강 황삭 작업에서 어떻게 작용하는지를 시각적으로 보여주며 각 공구의 특성과 효율성을 비교하는 데 유용한 정보를 제공한다.

Fig. 4

Duplex stainless steel roughing results and time

Fig. 4(a)는 평면과 경사면을 볼 인서트 공구로 41분 동안의 3축 장비로 지그재그 가공한 결과로 경사면과 평면을 동시에 가공하는데 볼 인서트 공구가 적합함을 보여준다. Fig. 4(b)는 원호 인서트 커터로 10시간 35분에 걸쳐 5축 장비로 네 방향에서 등고선 황삭 가공한 결과이다. 긴 시간 동안 안정적인 소재 제거율을 유지하며 대량의 재료를 제거하는 데 효과적임을 보여준다. Fig. 4(c)는 사각 인서트 커터로 5축 장비에서 3시간 16분 동안 가공한 결과로 사각 인서트 커터로 짧은 시간 안에 높은 생산성을 달성할 수 있음을 나타낸다.

4.2 인서트 교체 주기

듀플렉스 스테인리스강 제품 1개를 황삭 하는데 사용된 인서트를 Fig. 5에 나타내었다. 볼 인서트 공구는 1개, 원호 인서트 커터는 10개의 인서트가 필요했으며, 사각 인서트 커터는 4개의 인서트가 필요했다.

Fig. 5

Count of inserts used to machine a workpiece

Fig. 5(a) 볼 인서트 공구는 41분 동안 1개의 인서트가 사용되었고 상대적으로 작은 마모가 발생하여 인서트를 교체하면서 경사면을 포함한 자유곡면의 중삭 작업을 수행하기에 비교적 적합함을 보여준다. Fig. 5(b) 원호 인서트 커터는 10개의 인서트가 사용되었으며, 평균 79분의 인서트 교체 시간을 기록하여, 장시간의 가공에서도 비교적 긴 수명을 유지함을 보여준다. 이는 아크 인서트가 대량의 소재 제거 작업에서 적합하며, 효율적인 수명을 제공한다는 것을 보여준다. Fig. 5(c) 사각 인서트 커터는 4개의 인서트가 사용되었고 평균 인서트 교체 시간은 49분으로 나타나, 빠른 소재 제거와 높은 생산성을 달성할 수 있도록 설계되었음을 보여준다. 사각 인서트의 설계는 빠른 소재 제거와 함께 마모의 균형을 잘 맞춘 결과를 보여준다. 절삭 소음 크기가 가장 큰 볼 인서트의 교체주기가 가장 짧고, 소음 크기가 가장 작은 원호 인서트 교체 주기가 가장 길어, 황삭에서 절삭 소음의 크기와 공구 교체 주기는 반비례하는 것으로 나타났다.

4.3 인서트 마모

듀플렉스 스테인리스강 제품 가공 후, 인서트의 공구 마모를 측정하여 Fig. 6에 비교하였다. Fig. 6(a)는 볼 엔드밀 옆날의 인서트 현미경 사진을 보여주며, 플랭크 마모 이후 치핑이 발생한 것을 확인할 수 있다. 이는 자유 곡면 가공 중 연속적인 절삭 및 탈출로 인해 공구의 옆날에 집중적인 충격이 가해진 결과로 판단된다. 볼 인서트 커터의 마모량은 0.51 mm로 측정되었다.

Fig. 6

Microscopic image of tool wear

Fig. 6(b)는 치핑이 발생한 아크 인서트의 현미경 사진을 나타낸다. 일부 인서트 커터의 마모 면에서는 Fig. 6(b)의 오른쪽과 같이 구성인선(built-up edge, BUE) 형성이 확인되었으며, 이는 소재가 절삭 중 칩으로 분리되지 않고 공구에 부착과 탈락을 반복하며 깨짐을 가속화한 것으로 분석된다. 아크 인서트 40날의 마모를 측정한 결과, 평균 1.28 mm, 최소 0.10 mm, 최대 2.81 mm로 나타났다. 이러한 큰 편차는 절삭력이 일정하지 않은 툴패스의 영향뿐만 아니라, 인서트 교체 주기의 지연 가능성 역시 배제할 수 없는 요인으로 분석된다.

Fig. 6(c)는 사각 인서트 마모 사진을 보여주며, 인서트의 각 꼭짓점에 마모가 집중된 것을 알 수 있다. 사각 인서트 16 날의 마모는 평균 2.81 mm, 최소 2.38 mm, 최대 3.34 mm로 측정되었다. 모든 사각 인서트에서 코너에 치핑이 발생하였으며, 치핑이 발생한 부분에 소재가 소량 부착되어 있는 것이 관찰되었다.

결론적으로, 세 가지 인서트 중 볼 인서트의 마모가 가장 적었으며, 아크 인서트에 비해 사각 인서트의 마모가 더 크게 나타났다. 이는 볼 엔드밀의 경우 인서트 당 제거한 소재의 양이 매우 적었고, 사각 인서트가 아크 인서트보다 많았기 때문으로 분석된다.

4.4 공구 수명 비교

공구비용 측면에서 황삭 공구의 성능은 인서트의 수명이 다할 때까지 제거하는 소재의 부피로 보고 Fig. 7 그래프에 비교하였다. 자유곡면 중삭에 사용되는 볼 인서트 공구는 소재 49 cm³를 제거할 수 있어서 황삭에는 적합하지 않다. 고이송 가공에 적합한 원호 인서트는 667 cm³를 제거할 수 있어서 인서트 비용 측면에서 적합하다. 가공 깊이를 키워 가공 가능해서 생산성이 가장 높았던 사각 인서트는 717 cm³를 제거할 수 있어서 공구비용 측면에서도 가장 우수했다.

Fig. 7

Material removal volume per insert

현장 전문가가 가공 시작 단계에서 소리를 들어 선정한 사각 인서트는 Fig. 3(c)와 같이 비절삭음량 최소화 방법으로 선정한 인서트와 동일해서, 전문가가 공구를 선정할 때도 비절삭음량이 최소인 공구를 선정함을 알았다. 사각 인서트는 Fig. 3(b)와 같이 생산성이 가장 높았으며, 전체 소재를 가공한 검증실험에서 Fig. 7과 같이 공구 수명이 다할 때까지 가장 많은 소재를 제거할 수 있어서 경제적이었다.

그러나, 이 결론은 각 듀플렉스 소재를 공구마다 다른 조건으로 황삭 가공해 비교한 실험에 한정되며, 소재나 공정이 달라지거나 공구를 같은 가공조건에서 비교하면 결과가 달라질 수 있음을 유념해야 한다.