절삭가공기술을 고도화하기 위한 노력은 각 생산현장에서 지속적으로 추진되고 있다. 예를 들어 워크 가공형상, 정밀도 등에 최적인 공구의 선택, 공구특성을 최대한으로 발휘시키는 조건에 대한 추구 등을 꼽을 수 있다. 공구특성을 충분히 발휘하기 위해서는 앞서 언급한 내용 이외에 툴링(Tooling)의 역할도 중요하며 이를 위해 툴링 메이커에서는 각종 제안을 하고 있다.

2016년 개최된 JIMTOF 2016(일본국제공작기계견본시 : 도쿄 빅사이트)에서 엔드밀과 새로운 고강성 툴링의 조합, 공구의 돌출량을 최소한으로 억제한 툴링으로 엔드밀 절삭특성을 발휘시킨 사례 등, 공구특성을 활용한 제안이 받아들여졌다. 한편, 생산설비는 NC 복합가공기, 5축 제어 머시닝센터(이후, MC라고 한다) 등, 다축 제어기능을 가진 공작기계가 중심이 되고 있으며, 공구와 툴링에서 요구되는 내용도 변화되고 있다.

몇 년 이후에는 공업제품의 스마트화에 따라 초정밀·미세절삭이 주목을 받아 전용 MC가 등장할 것이며 공구의 미세직경화와 초정밀 절삭에 대응하는 새로운 툴링이 개발될 것으로 전망된다. 이와 같이 다양화가 진행되는 절삭기술에 대응하는 툴링이 추구되고 있으며, 새로운 제안이 나오는 등, 툴링을 둘러싼 상황이 활발하게 움직이고 있다.

여기에서는 스마트화, 다기능화, 자동화가 진행되고 있는 공작기계의 최신 공구특성을 활용한 툴링의 최신 정보를 제공하고 이와 함께, 선택과 활용기술에 대해서도 알아본다.

절삭공구 특성을 활용한 툴링의 조건

절삭가공의 고성능, 고정밀도화를 실현하기 위해서는 절삭공구 특성을 충분히 발휘할 수 있어야 하며 공구궤적, 절삭조건 등과 같은 소프트웨어 면과 더불어 툴링의 역할이 중요하다. 공구의 흔들림이 크면 과도한 절삭으로 인한 절삭면 정밀도의 저하, 공구수명에 대한 영향을 주게 되므로 흔들림에 대한 고정밀도화가 요구되고 있다.

그림 1은 툴링 유지방법의 차이에 따른 2매날 엔드밀 절삭에서의 절삭면 비교사례를 나타낸다. 

▲ 그림 1 툴링 유지방법의 차이(날끝 흔들림)에 따른 2매날 엔드밀 절삭에서의 여유면 비교사례

말하자면, Collet Chuck 방식의 경우, 회전 시 원심력의 영향으로 유지가 느슨해져 공구에 흔들림이 발생, 1매날로 절삭하는 현상을 보인다. 이와 같이 절삭 시 흔들림이 크면, 모든 절삭날이 균일한 홈량으로 절삭되지 못하며, 이론계산에 따른 절삭면 정밀도와 동떨어진 절삭면이 되기 때문에 절삭 정밀도 및 공구수명의 불균일이 발생하게 된다.

고속 밀링이 등장한 이래 절삭의 고속, 고정밀도화 경향이 강해져, 절삭의 적용범위를 확대시키면서 툴링과의 조합에 대한 재고가 요구되고 있다. 

그림 2는 고속회전 시 유지 강성이 높은 Thick Shrink 방식의 툴링을 적용하여 엔드밀 특성을 최대한 발휘한 사례이며, 툴링 측에서의 고능률 절삭을 추구한 제안을 하고 있다.

▲ 그림 2 Thick Shrink 방식의 툴링 적용으로 엔드밀 특성을 최대한 발휘한 사례 (MST Cooperation 기술자료)

한편, 5축 제어 MC가 생산설비 중심이 되고 있는 상황에서 그림 3은 단척 엔드밀과 유지강성, 흔들림 정밀도가 높은 전용 툴링을 소개한 것이다. 돌출량이 많은 절삭에서 무거운 코팅 초경합금 엔드밀은 최대한 짧게 하고 경량화하는 것이 안정된 절삭을 실현하는 효과적인 수단이다.

▲ 그림 3 단척 엔드밀과 유지 강성, 흔들림 정밀도가 높은 전용 툴링 사례 (MST Cooperation)

그림 4는 툴링에서 요구되는 조건을 나타내며, 공구유지는 공구 Shank부를 엄격하게 유지하고, 회전 시 불균형량을 최소한으로 억제하는 것이 기본이다. 그렇지만 생산현장에서의 추진은 NC 공작기계의 성능 및 절삭에서 요구하는 조건 등이 주목을 받고 있으며, 툴링은 경시되기 쉽지만, 최적의 툴링 선택도 생산성을 향상시키는 유효한 수단이라는 점을 인식해야 할 것이다.

▲ 그림 4 툴링에서 요구되는 조건

툴링의 종류와 특징

툴링은 기능 면의 고도화와 동시에 다양화 경향에 있으며, 최적의 선택에서 망설이게 되는 부분이라고 할 수 있다. 이에 도움을 주기 위해 다음은 현재 적용되고 있는 주요 툴링의 특징에 대해 간단히 소개한다.

1. Collet Chuck 방식 툴링

Collet Chuck 방식은 절삭공구 장착이 용이하며, 유지 정밀도가 높다는 특성이 있어 현재 광범위하면서도 다량으로 이용되고 있는 범용성이 높은 툴링이다. 이 툴링은 그림 5에 나타낸 것과 같이 외주부가 테이퍼 형상의 Collet (Spring Collet라고도 한다)을 본체부의 내경 테이퍼 홀에 밀어 넣으면 Collet 중심 홀이 오그라들어 엔드밀 등의 절삭공구의 스트레이트 Shank부를 유지시킨다.

▲ 그림 5 Collet Chuck 방식 툴링의 공구유지부 메커니즘 예

Collet 외주의 테이퍼 각도는 툴링 메이커에 따라 다르지만, 테이퍼 각도가 커지면 절삭공구 Shank의 조임 정도가 커지며, 테이퍼 각도가 작으면 조임 정도 또한 적어진다. 반면, 유지 정밀도(흔들림 정밀도)는 테이퍼 각도가 작으면 고정밀도, 크면 정밀도가 낮은 것이 일반적이다. Collet을 밀어 넣은 너트 내부의 리테나 구조 등으로 유지 정밀도가 변화되는 경우가 있다.

Collet를 설치한 슬릿(Slot이라고도 한다)은 조임 정도의 대소와 성능(유지 강성과 유지 정밀도)에 커다란 영향을 미친다. 기본적으로는 슬릿 수가 많으면 균일하게 조여지기 때문에 유지 정밀도가 높아지지만, 반면 유지 강성은 저하되는 경향을 보이며 툴링에서 요구되는 성능에 따른 선택이 필요하다.

Collet Chuck 방식 툴링은 Collet Chuck 단면을 너트로 밀어 넣는 프런트 너트 방식 및, Collet 인입방식으로 분류할 수 있다. Collet 인입방식은 슬림화를 할 수 있기 때문에 공구와 절삭 포인트의 접근성이 요구되는 경우에 편리하다.

절삭액 공급은 스핀들 단면에 장착된 노즐에서의 공급 및 스핀들 중심 Hole에서 툴링으로 절삭공구에 공급(절삭공구 외부로 공급, 절삭공구 내부공급 Hole을 경유하는 공급)하는 방법이 있다. 본체에 설치한 중심 Hole 경유의 툴링방식, 너트의 리테나와 절삭날 Shank의 틈에 절삭액을 공급하는 스키마스루 방식 및 Collet의 틈에서 절삭액을 공급하는 Collet 스루방식으로 분류할 수 있다.

2. 유압방식 툴링

유압방식 툴링은 그림 6에 예를 나타낸 것과 같이 나사로 압력을 조정하는 실린더로 균등하면서 아치 상으로 가압하여 얇은 원통 슬리브를 확장시켜 절삭공구의 Shank부를 2곳에서 지지하고 유지하는 메커니즘을 갖는다. 유압방식 툴링의 반복 흔들림 정밀도는 2∼3μm 정도로 고정밀도화 되어 있으며 유압 작동유를 이용한 진동 감쇠효과도 어필할 수 있다.

▲ 그림 6 Hydraulic 방식 툴링의 기본 구조 예

유압방식 툴링은 예전부터 드릴, 리머, 보링 등, 직진하는 절삭을 중심으로 이용됐지만, 엔드밀 등 가로방향의 절삭에도 적용이 확대되고 있다. 최근 들어서는 5축 제어 MC 대응의 유지부가 슬림하고 접근성을 중시한 툴링에도 등장하여 다양한 종류로 흘러가는 경향에 있다.

유압방식 툴링의 수명은 절삭공구를 유지하기 위한 가압부의 마모로 인한 기름유출, 얇은 원통 슬리브 내부의 마찰로 인한 마모 등이 영향을 미치는 주요인으로 작용한다. 적용에 있어 절삭 시 발생하는 온도의 영향으로 점도가 변화하여 유지 강성을 일정하게 유지하기가 어렵다. 또한, 고속회전에서 적용할 경우 흔들림 정밀도, 유지 강성을 유지하는 데 한계가 있는 등의 사실을 인식해야 할 것이다.

3. Shrink 방식 툴링

예전부터 Shrink를 이용한 유지는 부품의 체결 등에 적용됐으며, 툴링에 대한 적용은 유지 강성이 높은 공구 유지방식으로 채용되었다. 이후, 고속 밀링용 유지방식으로 보급이 시작되어 고속·고정밀도 절삭용 툴링으로서의 인식이 높아지고 있다.

그림 7은 Collet Chuck 방식 유지구와의 차이를 설명하고 있으며 Collet Chuck 방식 툴링은 선 접촉으로 인한 유지이며, 금속을 가열하면 팽창하고 냉각하면 수축하는 기본 특성을 응용한 Shrink 방식 툴링의 유지구에 비하면 유지 정밀도와 유지 강성은 낮다는 평가이다.

▲ 그림 7 Shrink 방식과 Collet Chuck 방식 툴링의 공구유지 차이

Shrink 방식 툴링은 고속회전으로 고정밀도·고강성 유지, 및 워크에 대하나 접근성, 돌출량이 많은 절삭에서의 안정성을 꼽을 수 있으며 5축 제어 MC 및 NC 복합가공기용 툴링에 대한 적용이 증가하고 있다.

최근, 주목을 받고 있는 정밀·미세절삭은 엔드밀의 미소경화와 초정밀화 경향이 강해지고 있으며, 매분 5만 회전부터 10만 회전을 넘는 고속회전 시 흔들림 정밀도와 유지 강성이 요구되는 상황에서, 최적의 툴링이라는 인식이 높아지고 있다. 반면, Shrink 방식 툴링은 공구탈착 시 가열장치가 필요하며, 기존 툴링에 비해 도입 시 새로운 대응이 요구된다.

4. 절삭날부 접속방식 툴링

대직경 솔리드 엔드밀은 고가이기 때문에 필요한 최단 절삭날부를 툴링에서 나사로 접속하는 방식의 적용이 확대되는 경향이 있다. 예를 들어 그림 8에 스퀘어 엔드밀의 돌출량을 최소한으로 억제한 고강성 툴링의 예를 소개했으며, 이것으로 홈량과 이송량을 높인 고성능 절삭의 실현이 가능하다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 8 돌출량을 최소한으로 억제한 고강성 엔드밀 시스템 (OSG)

툴링 접속방식

NC 복합가공기 및 MC의 스핀들과 툴링 접속은 툴링과 공구의 특성을 발휘하기 위해 중요한 포인트로 작용하지만, 공작기계를 구입할 때의 유의점도 있다. 현재 가장 많이 적용되고 있는 BT 방식은 예전부터 일본 내에서 보급이 확대되고 있지만, 본체부의 강성이 높은 반면, 중량 면에서 스핀들과의 결합, 공구교환 정밀도 및 고속 밀링에서의 고속회전 시 문제점이 지적되고 있다.

그림 9는 독일에서 제창되어 ISO 규격화된 2면 구속방식의 HSK 규격 및 각 축의 위치결정 반복 정밀도를 BT 방식과 비교한 예를 소개하고 있다. 고속 밀링과 같이 스핀들을 고속으로 회전하여 절삭할 경우에는 경량이면서 반복위치 정밀도가 높은 HSK 방식이 우수하다는 것을 알 수 있다. 그렇지만 HSK 방식도 만능은 아니며, 예를 들어 중절삭 사양의 MC용에서는 기존의 BT 방식이 채용되는 경우도 많으며, 적재적소에 선택되도록 해야 한다.

▲ 그림 9 HSK 규격과 BT 방식과의 비교 예

한편, NC 복합가공기에서 이용하는 툴링은 그림 10에서 소개한 것처럼 정지공구용 HSK 방식의 인터페이스 규격, 및 회전공구용 HSK-A 타입과 호환성을 가진 디자인이 주목을 받고 있다. 이 규격은 일본에서 제창되어 2008년 HSK-T 타입이라는 명칭으로 ISO 규격화, 2013년에 JIS 규격에 제정되었다. 이후, Sandvik사(스웨덴) 및 Kennametal사(미국)가 소유하고 있던 특허 스핀들과의 인터페이스 규격이 ISO화 되었다.

▲ 그림 10 NC 복합가공기에서 이용되는 HSK 방식의 인터페이스 규격

이와 같이 다종, 다양화되고 있는 인터페이스 규격은 생산현장에서의 NC 공작기계 사양, 절삭공구, 절삭기술 및 표준화 등을 고려한 최적의 선택이 요구되고 있다.

초정밀·미세절삭에 대응하는 툴링

공업제품의 스마트화에 따라 정밀·미세절삭기술에 대한 기대가 높아지고 있으며, 엔드밀의 미소경화(微小徑化)와 이에 따른 절삭기술을 추구하고 있다. 툴링에 대해서도 새로운 추진이 요구되고 있으며, 예를 들어 매분 4만회에서 10만회의 회전수를 넘는 고속회전 시의 유지 강성과 서브 마이크로미터 이하의 흔들림 정밀도가 요구되고 있다.

최근, 공구 유지부의 출입구로 0.5μm 이하의 초고정밀도 툴링이 등장하여 절삭날 끝부분의 흔들림 정밀도는 고도화, 나노미터 수준의 초정밀 절삭에 기여하고 있다. 그림 11은 고속회전 시(40,000min-1)의 엔드밀 날끝의 흔들림 정밀도 측정 예를 나타낸다. 툴링의 초정밀도화에 따라 장착하는 공구 Shank 정밀도는 4정도의 초정밀급이 요구되며, 엔드밀 적용 시에는 Shank 정밀도를 확인하여 선택해야 한다.

▲ 그림 11 고속회전(40,000min-1)에서 엔드밀 날끝의 흔들림 정밀도 측정 예 (MST Cooperation)

그림 12는 미소경 드릴절삭에서의 초정밀 Shrink 방식 및 Collet Chuck 방식 툴링의 공구수명을 비교한 예이다. 드릴절삭에서도 툴링의 선택이 중요하다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 12 미소경 드릴절삭에서의 초정밀 Shrink 방식 및 Collet Chuck 방식 툴링의 공구수명 비교 예 (MST Cooperation)

그렇지만, 초정밀 툴링의 Shrink 범위는 2μm 정도이며, 수작업으로 탈착하면 툴링의 Shank 삽입 Hole 내부의 마모가 빨라질 우려 및 삽입 시 트러블 등이 염려되어 예를 들어 자동 탈착장치를 적용하는 것이 안정된 유지를 위해서는 효과적이다.

툴링 자동화 최신 동향

부품생산은 정보화 시대를 맞이하여 공장 내 네트워크를 통한 가시화를 실현할 수 있는 시스템이 제안되고 있다. 그림 13은 공장 내 네트워크로 각 공작기계의 절삭가공 상황을 파악하여 적시에 공구와 툴링을 자동 공급하는 시스템, 사용 완료 공구의 자동탈착, 필요에 따라 공구연삭 등의 기능도 부가시킬 수 있다.

▲ 그림 13 공장 내 네트워크로 각 공작기계의 절삭가공 상황을 파악, 적시에 공구와 툴링을 자동 공급하는 시스템 예

지금은 공구 메이커의 제안력을 기대할 수 있으며, 합리적인 절삭을 실현하기 위해서는 가공형태에 따른 공구의 선택, 절삭조건 제안 등이 요구되고 있다. 공구 특성을 발휘한 이후, 툴링의 역할이 중요하다는 것은 앞에서도 언급했으며, 앞으로는 공구와 툴링의 조합을 적재적소에 제안하여 실행하는 것이 요구된다. 이를 위해서는 각종 툴링의 특징을 구체적, 이론적으로 해설하고 유저가 선택하도록 한 다음, 유효한 데이터를 제공해야 한다.

중요성이 더해지는 툴링관리

부품생산의 효율화, 자동화는 세계적인 경향이며 절삭가공의 안정화가 추구되고 있는 가운데 공구 특성을 충분히 발휘할 수 있는 툴링 선택과 메인터넌스는 불가피한 대응이다. 예를 들어 그림 14는 사용 완료 툴링의 마모상황을 나타내고 있다. 특히 공구유지부 출입구에서의 마모는 절삭 시 흔들림, 진동 등이 불안정 절삭을 초래하는 직접적인 요인이다. 공구와 툴링의 다이내믹 밸런스 측정은 안정된 절삭, 특히 정밀 완성절삭용 공구에서는 유효하다.

▲ 그림 14 사용완료 툴링의 마모상황 예와 공구 메인터넌스 예 (MST Cooperation)

생산현장에서 발생하고 있는 이상마모, 절삭 정밀도 저하, 공구 수명의 불균형 등은 툴링에서 기인되었다는 것을 인식하여 메인터넌스 체제를 확립하는 것이 급선무의 과제이다.

맺음말

국제시장에서의 경쟁이 격화되고 있는 현재 상황에서 절삭기술의 고도화는 불가피한 대책이며, 생산현장에서의 추진이 실시되고 있다. 그렇지만 공구 선택, 절삭조건의 최적화 등이 중시되고 있으며, 그 이외에 툴링이 주목을 받는 경우는 적다. 툴링은 기본적인 존재이긴 하지만 절삭 정밀도, 공구 수명 등에 커다란 영향을 미친다는 것을 인식해야 할 것이다.

예를 들어 그림 15에 소개한 것과 같이 탭의 유지를 Shrink 방식 툴링을 하면, 벽면에 접근한 장소의 나사가공이 용이해지는 등, 새로운 영역 확대를 기대할 수 있다. 툴링과 관련된 기초지식부터 최신 정보까지 절삭공구와 동등한 주목이 새로운 절삭기술 구축에서 중요한 포인트가 된다. 

▲ 그림 15

Shrink 방식 탭용 툴링을 이용한

접근성과 유지 강성의 고도화 예

(타노이제작소·카토공기)

松岡 甫篁

마츠오카기술연구소 소장

본 기사는 일본공업출판이 발행하는 「기계와 공구」지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.