다이아몬드 코팅을 이용한 초경합금 가공마이크로볼 노즈 엔드 밀

적절한 공구와 공작기계를 사용하면 HRC60 경도의 D-2 공구강과 같은 경질 재료를 밀링 가공하는 것은 어렵지 않습니다. 그러나 경질 합금과 같은 더 단단한 재료를 밀링 가공하는 것은 그리 간단하지 않습니다. 이러한 재료는 일반적으로 연삭이나 방전 가공(EDM)을 통해서만 가공할 수 있습니다.

Union Tool Inc.의 UDCB 시리즈 마이크로 볼 노즈 엔드밀이 출시되면서 많은 것이 바뀌었습니다. 마키노의 미세가공 연구 개발 책임자인 존 브래드포드는 "마키노는 이 공구 개발이 1990년대 중반 경질 밀링 도입만큼이나 중요하다고 생각합니다."라고 말합니다. 과거에는 경질 합금 공작물을 경질 합금 커터로 밀링하는 성공률이 10~20%에 불과했습니다.

IMTS 2012에서 Muye District는 IQ300 마이크로머시닝 센터에서 최소 HRA93 경도의 마이크로 볼 노즈 엔드밀을 사용하여 직경 1mm의 UDCB로 초경 펀치의 황삭 및 정삭 가공을 시연했습니다(그림 1 및 2). 38분간의 가공 후 공구 마모는 1.8μm에 불과했습니다. 방전 가공(EDM)의 경우 전극 프로그래밍, 전극 가공 및 공작물 방전 가공을 포함하여 최소 4시간이 소요됩니다. 브래드포드는 "최소 3개의 구리-텅스텐 전극을 가공해야 합니다. 대부분의 경우 5μm 이상의 정밀도를 유지하려면 4개의 전극을 가공해야 합니다."라고 말했습니다.

그림 1. udcb 다이아몬드 코팅 마이크로 볼 노즈 엔드 밀

그림 2. 초경 펀치

깊이 2,200mm의 다중 공작물 밀링을 위해 Udcb 양날 마이크로 볼 노즈 엔드밀을 사용하여 스핀들 속도 30,000rpm, 이송 속도 300mm/min으로 가공하였고, 날당 칩 부하는 10μm였습니다. 마이크로 볼 노즈 엔드밀은 MST Uno 열간 로딩 공구척에 고정하였고, 공장 인증 최대 직경 편차 오차는 600nm였습니다.

합작 공구 회사에서 개발한 Udcb 양날 마이크로 볼 노즈 엔드밀의 직경은 0.2~6mm입니다. 이 회사의 영업 및 마케팅 담당 수석 부사장인 조너선 헤이에 따르면, 고온 필라멘트 CVD 방식으로 증착된 10μm 이상의 두께의 다이아몬드 코팅은 정밀하게 제어된 가공 조건에서 우수한 내구성을 제공하며, 모서리 반경 효과를 최소화합니다. 플라즈마 CVD 방식과 비교했을 때, 고온 필라멘트 CVD 방식은 복잡한 형상의 표면에 더욱 균일한 코팅을 증착할 수 있습니다.

UDCB 마이크로 볼 노즈 엔드밀의 다이아몬드 코팅 경도는 약 100GPa(9,000HV)로 단결정 다이아몬드의 경도와 매우 유사합니다. 또한, 정밀한 계면 제어를 통해 다이아몬드 코팅과 기판 사이의 접착력이 매우 강합니다.

경질 합금 밀링의 절삭력은 D-2 공구강(HRC60) 밀링보다 약 2배 크기 때문에 진동을 최소화하려면 UDCB 마이크로 볼 노즈 엔드밀을 사용할 때 고강성 공작기계를 사용하고 나선형 이송 공구를 이용하여 공작물을 점진적으로 절삭해야 합니다. IMTS 전시회에서 진행된 가공 시연에서 마키노는 1밀링 커터가 공작물을 절삭할 때 나선형 각도를 °로 줄이고 이송 속도를 90% 감소시켰습니다.

"오거 피드 방식은 절삭력이 더욱 균일하기 때문에 더 안정적이라는 것을 알게 되었습니다."라고 헤이는 말하며, 절삭 과정 전반에 걸쳐 일정한 이송 속도를 유지할 수 있다고 덧붙였습니다. UDCB 마이크로 볼 노즈 엔드밀은 표준 나선형 홈을 사용하여 공구의 강성을 향상시킵니다. 균일하고 일정한 절삭력은 취성이 강한 부품, 공구 기판 및 코팅의 손상을 방지하는 데 도움이 됩니다.

무이노는 가공 시연 중 칩을 제거하고 공구/공작물 접촉면을 냉각하기 위해 드라이 블로우를 사용합니다. 헤이는 이 방식이 수성 절삭유를 사용한 분무 냉각이나 오일 미스트 냉각보다 우수하다고 말합니다. "오일 미스트로 냉각할 경우, 초경합금 칩이 섞인 작은 오일 덩어리가 생길 수 있습니다. 지속적인 공기 분사 방식이 더 안정적이고 환경 친화적입니다."

앞서 언급했듯이, 경도가 높은 합금 다이와 유사한 경도의 다른 공작물은 연삭 가공이 가능하지만, 가공 가능한 형상(특히 미세 형상)의 종류는 다이아몬드 휠이 형상에 도달하거나 진입할 수 있는 능력에 따라 제한됩니다. PCBN 및 PCD 공구와 같은 다른 초경질 공구도 있지만, 이러한 공구는 UDCB 마이크로 볼 노즈 엔드밀보다 최대 4배(직경에 따라 $534.50~$674.50)나 비싸며, 가공 과정에서 마모가 점진적으로 진행되지 않습니다. 헤이는 "PCBN은 공구로 만들기가 매우 어렵습니다."라고 말합니다. "PCD 소재는 이방성(이방성 소재는 방향에 따라 다른 물성을 가짐)이 부족하여 파손되는 경향이 있습니다."

브래드포드는 시연 도중 방문객들의 반응에 다소 놀랐다고 말하며, "그들은 눈앞에 펼쳐진 광경을 믿을 수 없다는 반응이었습니다. 초경합금 공구 제조업체들은 이제 새로운 공구를 갖게 될 것입니다. 이는 역사적인 기술 발전입니다."라고 덧붙였다.