[첨단 헬로티]

드릴 가공을 고능률, 고정밀도로 실시하는 데는 피삭재, 절삭 조건, 사용 기계, 사용 환경 등 여러 가지 조건을 고려해서 진행하지 않으면 안 된다. 또 가공을 진행하는 과정에서는 여러 가지 트러블이 발생하는데, 이 트러블을 어떻게 빨리 대처하느냐, 어떻게 미연에 방지하느냐 하는 것이 드릴 가공을 잘 진행하는 포인트가 된다.

이번 호에는 절삭 공구 중 드릴로 가공했을 때 발생할 수 있는 트러블과 그 대책에 대해 살펴본다.

1. 가공 정밀도에 관한 트러블

드릴에 의한 구멍의 가공 정밀도의 평가 항목으로는 ①구멍의 확대 여유, ②구멍의 표면 거칠기, ③구멍의 피치 정밀도, ④구멍의 구부림 등을 들 수 있다.

1) 구멍의 확대 여유

드릴로 강의 구멍 가공을 한 경우, 일반적으로는 구멍이 확대된다. 이 경우 드릴의 선단 형상이 구멍 지름에 크게 영향을 준다.

다시 말해 웨이브의 편심, 치즐의 편심, 절삭날의 높이 차, 선단 반각차 등 2개의 절삭날의 불균일, 절삭날과 섕크의 중심 어긋남이나 사용 기계 주축의 흔들림 등은 구멍 지름을 확대시키는 요인으로 되고 있다.

절삭날의 높이 차가 있으면 가공 구멍은 확대되고, 어느 정도의 차이까지는 드릴 수명이 늘어나는 경향이 있다. 이것은 확대 여유가 커짐에 따라 구멍의 벽면과 마진(드릴 측면)의 마찰이 감소되고 절삭유의 침투성도 다소 좋아지게 되기 때문인 것으로 생각할 수 있다.

구멍의 확대 여유가 크게 되는 트러블에 대해서는 우선 드릴의 정밀도(특히 절삭날의 높이 차)를 체크할 필요가 있다.

2) 구멍의 표면 거칠기

드릴 가공에서 구멍의 표면이 뜯기거나 흠집이 생기는 가공면의 거칠기에 관한 트러블이 있다. 이러한 트러블들이 발생했을 때 주의해야 할 것은 날 끝 정밀도, 칩의 배출 상태, 마진의 용착 상태 등이다.

드릴이 피삭재에 파들기 하는 경우 보행 형상을 일으키면 가공 구멍의 벽면에 라이플링(Rifling)이라고 불리는 나선 형상의 흔적이 생겨서 표면 거칠기가 나빠진다. 이 드릴의 보행 형상을 억제하는 데는 구멍의 확대 여유에 관한 트러블과 마찬가지로 날 끝의 정밀도(특히 절삭날의 높이 차, 치즐의 편심)를 좋게 해서 고정밀도의 시닝이 효과적인 것은 잘 알려져 있다. 시닝은 될 수 있는 대로 좌우 대칭으로 실시하는 것이 효과적이다. 좌우 비대칭은 역효과를 가져오는 수도 있다.

그리고 구멍의 표면 거칠기는 칩의 배출 상태가 나쁜 경우에도 저하되는데, 특히 심공(Deep Hole)에서는 그 경향이 현저하다. 칩의 배출성은 드릴 형상에 의한 영향이 크지만 같은 현상이면 이송을 작게 하는 것이 칩의 배출은 양호하다. 심공에서는 단계 이송(Step feed) 방식의 가공이 칩을 배출하는 점에서 효과적이다. 

▲ 시닝의 종류

3) 구멍의 피치 정밀도

구멍의 피치 정밀도에 관한 트러블은 드릴의 파들기성에 원인이 있는 것으로, 겨눈 위치에 구멍이 뚫어지기 때문에 일어나는 것이다. 소정의 위치에 구멍을 가공할 때는 보통 센터 구멍 드릴을 사용한 다음 구멍 뚫기를 하게 되지만 그 드릴이 없는 경우에는 홈 길이가 짧은 스텝 드릴에 X형의 시닝을 해서 사용하면 이와 같은 트러블을 방지할 수 있다. 이것은 드릴의 파들기 성질을 좋게 해서 보행 현상이 발생하지 않도록 하고 있기 때문이다. 

지금까지 기술한 바와 같이 드릴의 보행 현상은 구멍의 표면 거칠기나 피치 정밀도를 나쁘게 하는 요인으로 된다. 보행 현상의 확인은 구멍 면의 라이플링의 유무를 관찰하는 것으로 간단히 할 수 있다.

보행 현상 메커니즘에 대해서는 여러 가지로 연구되고 있고 보행하는 경우 드릴의 선단에 작용하는 불균형력에 기인하는 운동과 치즐 에지의 대칭적인 2점을 번갈아 회전 중심으로 하는 운동과의 2개가 고려되고 있다. 그래서 보행 현상에 의한 트러블의 발생을 극력 억제하는 설계의 드릴도 개발되고 있다.

 

4) 구멍의 구부림

구멍의 구부림은 특히 심공 가공에서 문제가 된다. 이 트러블의 해결책을 검토하기 위해 피삭재 SUS403에 규격 ø6.5 × 1260㎜로 가공하였다. 구멍의 구부림을 명확히 조사하기 위해 가공 방식으로 3가지로 나눠 진행하였다.

먼저 심공용 드릴만으로 가공했을 때 구멍의 구부림 정도를 <그림1> (a)에 표시한다. 다음에 센터 드릴로 구멍을 뚫은 다음 ø6.5㎜의 JIS품으로 30㎜까지 절삭하고 그 후 심공용 드릴을 사용했을 때 구멍의 구부림 정도를 <그림1> (b)에 표시한다.

이 결과 구멍의 구부림을 미연에 방지하기 위해서는 절삭 초기의 깊이 20 ~ 30㎜ 정도의 절삭 초기 때는 정밀도를 최대한 높일 수 있도록 가공하는 것이 핵심이 된다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 1 심공 드릴로 뚫은 구멍의 구부림량 (피삭재 SUS 403)

2. 드릴 수명에 관한 트러블

드릴의 수명에 관한 트러블의 요인에는 사용 기계, 절삭 속도, 이송, 절삭유, 드릴 재질, 피삭재 등 여러 가지가 있다. 특히 절삭 조건, 절삭유 등을 잘 선택하면 딱딱한 재료의 구멍 뚫기, 구멍 뚫기 능률, 수명 등도 크게 개선할 수 있다는 것을 알 수 있다.

예를 들어 드릴 형상에 관해서이지만 특히 작은 지름 드릴에서 주의를 요하는 것은 날 끝의 2번각이다.

<그림2>에 표시한 것과 같이 힐 부분이 올라가는 상태가 되어, 접선 2번각 α는 충분하지만, 직선 2번각 β는 불충분한 경우가 있다. 이와 같은 상태의 드릴로 구멍을 뚫으면 드릴 수명은 크게 차이가 생기게 되고 만다. 그리고 심공 가공에서는 단계 이송량을 적정하게 하지 않으면 칩이 막히게 되고 드릴의 절손에 연결되는 트러블이 되는 일도 있다.

▲ 그림 2 직선 2번각 α와 접선 2번각 β

드릴 재질도 영향을 미친다. 가령 코팅 하이스 드릴에 의한 S50C(HB 200)의 구멍 뚫기에서는 일반적으로 절삭 속도가 30m/min에서 40m/min로 되면 수명이 극히 저하된다. 더욱이 절삭 속도가 50 ~ 60m/min로 되면 드릴 외주부의 마모는 극심해진다. 이 때 내주부의 절삭날은 거의 손상되지 않는 상태다. 이송에 관해서는 0.3㎜/rev 정도까지는 수명의 저하가 적어지는 경향이 있다.

따라서 같은 가공 능률이라면 절삭 속도를 떨어뜨리고 이송을 높이는 쪽이 드릴 수명을 조금이라도 길게 가져갈 수 있다.

▲ 티타늄(TiN) 코팅이 된 드릴

한편 장수명화, 고속 절삭화, 고능률화, 고정밀화를 표적으로 해서는 초경 드릴이 많이 사용된다. 초경 드릴의 경우 앞서의 절삭 조건과는 또 다르고, 초경만의 독자적인 트러블도 있다. 따라서 최적의 결과물이 나올 수 있는 절삭 조건을 살펴보고 선택해야 한다.

초경 드릴의 수명에 관한 트러블로는 초경이라는 재질의 특성상 치핑(Chipping)에 관한 것이 많다고 한다. 치핑의 원인은 날 끝이 너무 예리한 경우(여유각이 크거나 시닝의 날이 예리하다), 절삭 속도가 너무 높은 경우, 압착 분리에 의한 채터링, 진동에 의한 것 등을 생각할 수 있다.

날 끝이 지나치게 예리한 경우에는 호닝 가공을 하거나, 여유각을 작게 하거나, 시닝각을 둔각으로 하는 등의 대책이 강구될 수 있다. 스로어웨이(Throw away)형의 드릴이라면 팁 재종을 인성이 큰 것으로 바꾸는 것도 한 방법이다.

절삭 속도가 너무 높은 경우에는 절삭열의 영향이 생기기 쉽기 때문에 우선 절삭 속도를 내리는 절삭유를 사용하게 된다. 압착 분리에 의한 치핑에서는 여유각을 작게 하고 날 끝 강도를 높이는 방법이 있고, 이 외에 절삭유를 사용하거나, 이송을 낮추는 등의 대책을 생각할 수 있다.

또 채터링, 진동이 원인이 되는 경우는 강성이 큰 기계나 드릴을 사용한다. 공작물의 클램프 방법을 바꾸거나 절삭 속도를 낮게 하는 등의 대책을 강구하도록 한다.

드릴의 수명이라는 것은 사용 기계, 절삭 조건 등으로 상당히 변화한다. 결국 가공 능률은 같아도 여러 조건에 따라 드릴 수명이 크게 변화하게 되는 것이다. 따라서 드릴 수명이 짧은 경우에는 우선 절삭 조건의 재검토가 필요하다.

▲ 드릴 가공 시 발생하는 트러블 원인과 대책

3. 난삭재의 드릴 가공

난삭재에 제대로 구멍을 뚫기 위해서는 적절한 절삭 조건이나 가공 상의 유의점에 대해 정확히 알고 있어야 한다.  

난삭재에는 여러 가지가 있으나 이번 호에서는 고강도의 대표격인 다이스강, 가공 경화성이 높은 스테인리스강과 고망간강, 열전도율이 낮아 응착하기 쉬운 초내열 합금(인코넬)을 예로 들어 절삭 조건과 수명에 관해 다뤄본다.

1) 다이스강

다이스강은 HRC 40 정도의 강도가 있은 것으로, 쾌삭성이 있기 때문에 그다지 난삭이라고는 할 수 없다. 다이스강 중에서 대표적인 난삭 모델은 냉간 금형용의 SKD11이다.

이 그래프는 가로축에 1회전마다의 이송량 f를, 세로축에 절삭 속도 V를 잡았으며, 경사 진 곡선은 이송 속도 F를, 그 선상에 있는 원 마크는 공구 수명의 크기를 표시한 것이다. 이 그래프에서 이송 속도를 나타내는 곡선에 따라 1회전마다의 이송량과 절삭 속도의 조합을 여러 종류 잡을 수 있다.

<그림3>의 ø6.0㎜ TiN 코팅 드릴을 사용한 경우 절삭 속도 25m/min, 이송량 0.06㎜/rev의 조합과 절삭 속도 14m/min, 이송량 0.10㎜/rev의 조합은 큰 차이를 드러낸다. 1분간 이송 속도는 같은 75㎜/min이지만 절삭 길이는 전자가 0.7m이고, 후자가 22.8m다. 차이가 무려 32배다.

▲ 그림 3 다이스강의 구멍 가공

절삭 속도와 이송 속도의 적정한 조합이 얼마나 공구 수명에 영향을 주는가를 보여주는 예이다. 그리고 건식 절삭보다 습식 절살(수용성, 비수용성)인 것이 수명 길이 더 긍정적인 영향을 미친다.

 

2) 스테인리스강

스테인리스강에는 마텐자이트계, 페라이트계, 오스테나이트계, 석출 경화계가 있다. 여기서는 난삭재로 불리는 오스테나이트계와 담금질 경화된 마테자이트계에 대해 설명한다.

(1) 오스테나이트계 스테인리스강

오스테나이트계 스테인리스강은 Cr(크롬)과 Ni(니켈)이 주요 성분이며, 내식 재료로 가장 넓게 사용되고 있으나 피삭성이 나쁜 것이 단점이다. 그 원인은 가공 경화성이 높은 것과 칩 생성시 전단 응력이 높고, 열전도율이 낮은 것이다. 특히 열전도율이 낮은 것은 절삭날의 치핑과 발열에 의해 마모가 촉진되기 때문이다.

<그림4>는 오스테나이트계 SUS 304를 ø6.0㎜ TiN 코팅 드릴로 구멍 뚫기한 예로 절삭 속도가 약 20m/min 이상, 이송량이 0.20㎜/rev 이상에서는 수명이 극단적으로 짧게 되어 있다. 그런데 이송 속도를 100㎜/min으로 잡고 절삭 속도를 14m/min까지 내리면 급격히 수명이 늘어난다. 예컨대, 이송량은 0.15㎜/rev로 일정하게 하고 절삭 속도를 18.8m/min와 14.0m/min로 비교하면 25배 이상이지만 후자의 수명이 길게 된다.

스테인리스강만이 아니라 난삭재라고 하는 재료의 일부에는 이와 같인 공구 수명이 비약적으로 변화하는 변곡점이나 임계 조건이 있는 것으로 판단된다.

▲ 그림 4 스테인리스강의 구멍 가공

(2) 마텐자이트계 스테인리스강

마텐자이트계 스테인리스강은 Cr이 주요 성분으로, 담금질 경화 과정을 거친 것이 특징이다. 이 재질은 일반 구조용 혹은 내열·내식성을 필요로 하는 고응력 부품에 사용되고 있다. 냉간 가공된 상태에서는 피삭성은 양호하지만 담금질 처리한 것은 피삭성이 악화된다.

<그림5>은 담금질 경화된 마텐자이트계 SUS 420 J2(HRC 36)를 ø29.1㎜의 코발트 테이퍼 섕크 드릴로 가공한 예이다.

▲ 그림 5 스테인리스강의 구멍 가공

이송 속도는 어느 것이든 22㎜/min이지만 절삭 속도를 낮게, 이송량을 높게 설정할 경우 수명이 는다. 스테인리스강에서 확대량이나 라이플링이 작은 고정밀도의 구멍 가공을 할 때는 시닝을 스리 레이크형으로 하면 효과적이다. 그리고 경도가 높을 때의 절삭유는 비수용성이 적합하다.

       

3) 고망간강

고망간강은 내마모성이 요구되는 레일이나 토목 광산 기계에 사용되는 것이 일반적이다. 하지만 이 외에도 비자성체의 성질을 이용해 리니어모터카의 궤도재나 강한 자기장을 발생하는 장치의 구조재, 또는 오스테나이트계 스테인리스강 대신으로 고망간 비자성 강판이 사용되기도 한다.

이 재료는 강도가 높고 가공 경화성이 크며 인성이 풍부하기 때문에 절삭날에 가해지는 전단 응력이 높게 된다. 따라서 가공 시 드릴의 홈 길이를 짧게 하고 선단각을 크게 하며, 시닝을 시행하는 것이 효과적이다. 이는 고망간강뿐만 아니라 일반 난삭재에도 적용된다.

가공 시 3조(Jaw)의 드릴 척은 미끄러지기 쉽기 때문에 고정력이 강한 것으로 교환한다. 또 피삭재의 가공점 부근을 단단히 고정해야 한다.

<그림6>은 ø10.0㎜ 코발트 스텝 드릴로 고탄소 고망간강(C 0.7%, Mn 16%)을 가공한 예이다. 적정 조건은 절삭 속도 약 1 ~ 1.5m/min, 이송량 0.12 ~ 0.22㎜/rev 정도인데, 이 수치는 극단적인 저속이지만 실용적인 절삭 길이를 얻을 수 있는 조건이기도 하다. 절삭유는 비수용성을 사용한다. 여기서도 조건을 조금만 변화시킨 것만으로도 수명이 완전히 바뀌어지는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 6 고망간강의 구멍 가공

▲ 한국OSG의 드릴링 공구 제품들

4) 인코넬

초내열 합금은 니켈기, 코발트기, 철기 합금 이렇게 3종이 대표적이다. 이 가운데 니켈기에 속하는 인코넬, 와스파로이 등은 피삭성이 가장 나쁜 합금이다.

<그림7>은 인코넬 600을 ø1.6㎜의 TiN 코팅 드릴로 가공한 것으로, 적정 조건은 절삭 속도 6m/min 이하, 이송량은 0.02 ~ 0.04㎜/rev 범위로 볼 수 있다.

▲ 그림 7 인코넬의 구멍 가공

인코넬은 가공 경화가 현저하기 때문에 이송량이 너무 작으면 제대로 가공할 수 없다. 그러나 드릴의 지름이 작은 것은 강성이 낮고, 이송량을 크게 하면 비틀림 진동이 발생하기 때문에 미리 예비 시험을 실시해서 적정 이송량을 결정할 필요가 있다. 

▲ 단단하고 강한 재료의 구멍 뚫기 대책

원문 ｜ 도서출판 성안당 [구멍 가공의 모든 것]

<본 기사는 [머신앤툴 2018년 6월호]에 게재되었습니다.>