공구의 마모·수명 관리와 평가의 정량화
더 높은 강도와 정도 그리고 경량화를 추구한 결과, 초경합금이나 초취성재·SUS계 담금질강 등 절삭 가공이 어려운 피가공물(난삭재)의 수요도 높아졌습니다.
난삭재는 절삭 공구에 대한 부담이 크고 특히 절삭 공구의 칼끝 마모나 칩핑(결함)에는 주의가 필요합니다.
4K 디지털 마이크로스코프는 기존에 어려웠던 관찰과 측정을 실현하여 절삭 공구의 측정 효율이 비약적으로 향상하고 공구의 관리·평가가 간편해집니다.
- 신소재와 절삭 공구의 진화
- 공구 마모 검사의 중요성
- 공구 마모의 수명 관리
- 공구 마모의 측정·검사를 효율화하는 마이크로스코프의 최신 사례
- 절삭 공구의 측정·검사를 바꾸는 4K 마이크로스코프
신소재와 절삭 공구의 진화
경량화 및 안전성 향상·성능 향상의 연구 개발과 그 실용화에 따라, 특히 자동차·항공기 분야에서 티타늄 합금 및 CFRP* 등의 난삭재를 고정도로 절삭하는 수요가 급속하게 증가하고 있습니다. 또한, 난삭재의 절삭 외에 생산 효율을 높이기 위한 고속 절삭이나 장시간의 무인 연속 절삭 등, 공구에 큰 부담을 가하는 동시에 신뢰성이 요구되는 공정이 증가하고 있습니다. 그리고 반도체 업계에서는 미세 가공의 수요에 따라 수 미크론 단위의 정밀 절삭 기술도 등장하고 있습니다.
이러한 수요에 맞춰 바이트 및 드릴·엔드밀에는 칼끝을 교환할 수 있는 스로 어웨이 공구가 개발되었습니다. 스로 어웨이 공구는 칼끝에 난삭재를 가공하기 위한 초경합금*, PCD*, CBN* 소재의 팁을 장착할 수 있습니다. 또한, 칼끝 마모 시에는 팁만 교환하면 되므로 유지 보수 시간 단축과 비용 절감이 실현되어 다양한 분야에서 널리 실용화되고 있습니다.
CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics(탄소 섬유 강화 플라스틱)의 약자. 탄소 섬유와 수지의 복합 재료. 철이나 알루미늄보다 저밀도이고, 경량이면서 강도가 높은 재료. 금속과 달리 섬유 방향으로 탄성률과 강도가 높아 섬유 방향의 비율에 따라 강도 설계가 가능.
초경합금(WC-Co계 합금): 일반적으로는 「초경」이라고 불린다. 주기율표 IVa, Va, VIa족 금속의 탄화물을 Fe, Co, Ni 등의 철계 금속으로 소결한 복합 재료. 저온·고온 경도(HRA: 80~94), 강도(항절력: 약 2 GPa 이상), 영률(철의 약 3배) 등의 기계적 특성이 뛰어나다.
PCD: Polycrystalline Diamond(다결정 소결 다이아몬드)의 약자. 다이아몬드의 미세 결정을 금속이나 세라믹스의 분말과 함께 고온·고압으로 소결(가열 응고)한 인공 광물. 천연 다이아몬드가 단결정인 것과 달리 PCD에 포함되는 다이아몬드는 다결정으로 열전도성·경도가 매우 뛰어나다.
CBN: Cubic Boron Nitride(입방정계 질화 붕소)의 약자. 붕소, 질소로 이루어진 천연에 존재하지 않는 화합물. 다이아몬드 다음으로 단단하며, 내열 온도는 PCD가 약 700℃에서 산화가 시작되는 한편, CBN은 약 1300℃로 고온 상태의 가공은 CBN이 더 뛰어나다.
공구 마모 검사의 중요성
공구 칼끝의 마모나 칩핑은 가공의 정도 및 속도는 물론, 칼끝 고온화에 따른 피절삭재의 변형·파손, 나아가 가공기 고장의 원인이 되기도 합니다. 따라서 칼끝을 관측하여 그 상태를 파악하는 것은 절삭 공정의 능력과 직결됩니다.
예를 들어, 난삭재의 가공 성능이 뛰어난 PCD 공구 및 CBN 공구의 칼끝인 스로 어웨이 팁에는 칩을 내보내기 위한 「경사면」과 팁이 절삭면과 접촉하는 것을 막기 위한 「여유면」이 있고, 이들이 이루는 각도의 정도는 가공 정도와 직결됩니다. 경사면 및 여유면이 마모되어 변화한 팁을 계속 사용하면 절삭 정도가 저하되고 결국에는 불량품이 발생합니다.
따라서 공구의 마모를 주기적으로 검사하여 최적의 공구 마모 관리를 실행하면 재료 손실을 줄이고 절삭 공구의 예지 보전을 실현할 수 있으며, 수율 향상에 따른 비용 절감과 절삭 공구의 안정된 가공에 의한 생산성 향상에 큰 도움이 됩니다.
공구 마모의 수명 관리
공구의 수명은 공작물의 재질, 가공법 및 가공 속도·회전 수 등 절삭 조건에 따라 다릅니다. 예를 들어, 회전 수를 늘려 바이트의 피딩량을 크게 설정하면 가공 속도는 빨라지지만 칼끝의 부담이 커지고 마모도 심해집니다. 반대로 회전 수를 줄여 바이트의 피딩량이 작아지면 칼끝의 수명은 늘어나지만 가공 속도가 느려집니다.
절삭은 가공 속도와 칼끝의 수명 연장을 양립할 수 있는 최적의 절삭 조건으로 실시해야 합니다. 현미경으로 공구의 마모 상태를 관찰·측정하고 최적의 절삭 조건을 찾는 것은 공구의 수명을 늘려 수율과 생산성 효율을 향상시키기 위한 효과적인 수단 중 하나라고 할 수 있습니다.
공구 마모의 측정·검사를 효율화하는 마이크로스코프의 최신 사례
공구의 2D·3D 형상 측정이나 R 측정을 통해 마모를 정량화하면 더 정확하게 정도를 관리할 수 있습니다.
공구·제품의 전초점 관찰·측정
공구의 칼끝은 깊이가 있는 입체적인 형상입니다. 이러한 경우, 가장 가까운 부분부터 가장 먼 부분까지 관측·측정하면 칼끝 마모나 손상, 가공면의 상태를 파악할 수 있습니다. 이때 피사체의 일부에만 초점이 맞으면 관찰 위치에 따라 초점을 다시 조정해야 하여 초점 조정 시간이 오래 걸립니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 간단한 조작을 통해 여러 초점 위치를 순간적으로 합성하여 요철이 있는 대상 물체에 풀 포커스를 맞출 수 있는 「라이브 심도 합성」을 실현합니다. 또한, 중심축을 움직이지 않고 모든 방향에서 관찰할 수 있어 샘플이 바뀌어도 같은 위치에서 같은 부분을 볼 수 있는 유센트릭 기구가 탑재되었습니다. 이로써 측정에 걸리는 시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라 샘플 비교도 쉬워집니다.
왼쪽: 일반 / 오른쪽: 라이브 심도 합성
광택의 영향을 받지 않는 관찰·측정
공구는 연마된 금속으로 만들어지며 절삭하는 공구의 선단은 더 강한 광택면입니다. 따라서 반사광이 강하고 그에 따른 헐레이션이 관찰·측정을 방해하게 됩니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 반사광 대책으로 헐레이션 제거 기능·링 제거 기능, 그리고 표면의 텍스처를 강조하여 촬영할 수 있는 HDR 기능이 탑재되었습니다.
링 제거 기능은 기존에는 제거가 어려웠던 대상 물체 표면의 링 모양 반사를 제거하는 기능입니다. 링 조명의 조사 방향을 변경한 여러 장의 화상을 취득하여 화상의 일부가 과다 노출되는 현상을 방지합니다.
또한, 셔터 스피드를 변경한 여러 장의 화상을 취득하여 고계조의 화상을 만드는 HDR(High Dynamic Range) 기능을 탑재했습니다. 지금까지 볼 수 없었던 높은 콘트라스트의 고해상도 화상을 관찰할 수 있게 되었습니다.
이러한 기능들로 반사광을 억제하여 선명하게 촬영하면 금속 표면의 관찰·측정이 한층 간편해집니다.
헐레이션이 없는 화상 촬영이 가능
헐레이션을 제거하여 금속 표면의 텍스처를 강조한 화상 촬영이 가능
1대로 마모 및 칩핑의 관찰·2D·3D 측정
엔드밀이나 드릴 선단은 깊이가 있는 형상입니다. 이 부분의 칩핑은 2D뿐이 아니라 3D로도 측정할 필요가 있습니다. 또한, 스로 어웨이 팁의 마모 및 칩핑은 입체화된 화상으로 측정할 필요가 있습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 2D는 물론 3D 측정에도 대응합니다. 3D로 측정하면 2D 측정으로는 실현되지 않는 정확한 입체상으로 관찰할 수 있습니다. 따라서 신뢰도가 더 높은 측정 결과를 얻을 수 있습니다. 또한, 기울어진 대상 물체를 관찰할 때도 심도 합성이 가능한 「Auto Adjust 기능」도 탑재되었습니다. 심도 합성할 화상을 불러올 때 발생하는 윤곽 어긋남이나 진동을 자동으로 보정하여 완성도가 높은 풀 포커스 화상을 구축합니다. 그 밖에 기울어진 앵글로도 합성할 수 있습니다.
다이아몬드 공구(PCD 공구)의 관찰·측정
다이아몬드 공구(PCD 공구)는 초경합금의 가공·경면 마감, 그리고 섬유 강화 플라스틱(FRP) 및 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 가공 성능이 뛰어납니다. 또한, 기존의 초경합금 공구에 비해 내마모성이 높고 수명이 깁니다. 한편, 칼끝 온도가 약 700℃에 이르면 다이아몬드의 탄소 원자가 철에 흡수(산화)되는 현상이 발생하여 PCD는 심각하게 마모됩니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」의 「3D 합성 기능」을 사용하면 프로파일 측정을 실행할 수 있습니다. PCD 공구의 표면 형상을 파악할 수 있어 손상은 물론, 마모에 대해 마이크로미터 단위로 측정할 수도 있습니다.
장기간 관찰에 의한 공구 수명 관리
공구의 수명 관리는 안정적인 제조에 필수입니다. 경우에 따라서는 절삭 조건의 재검토도 필요합니다. 절삭 공구의 선단은 마이크로미터 단위의 정도로 관리해야 하며, 마모인지 절삭물의 응착 또는 이물질 부착인지 식별하는 것도 중요합니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」의 배율은 0.1~6000배입니다. 일반 현미경의 배율로는 관찰할 수 없는 미세한 균열도 VHX 시리즈를 이용하면 놓치지 않습니다. 이처럼 배율이 높을 뿐 아니라 4K 고해상도로 촬영할 수 있습니다. 이 촬영 기능은 지금까지 판별할 수 없었던 마모와 이물질 부착의 차이 등을 판별할 수 있게 해줍니다.
이렇게 취득한 관찰 데이터를 바탕으로 공구 선단의 상태를 장기간 관찰하면 마모의 진행이나 균열 등 트러블의 패턴을 파악할 수 있습니다. 또한, 트러블 패턴을 통해 최적의 절삭 조건을 찾아 공구의 수명을 연장하고 불량품 제조를 미연에 방지할 수 있습니다.
절삭 공구의 측정·검사를 바꾸는 4K 마이크로스코프
「VHX 시리즈」는 4K 고해상도 화상으로만 취득할 수 있는 선명함, 정밀 측정에 의한 고정도의 수치 데이터 취득, 그리고 데이터 저장·활용에서 기존 측정·검사의 과제를 해결하여 작업 효율을 높이는 강력한 툴입니다.
깊이가 있는 대상 물체라도 가까운 곳부터 먼 곳까지 풀 포커스를 맞출 수 있는 「라이브 심도 합성」과 스테이지를 기울이거나 회전시켜도 시야에서 벗어나지 않는 「유센트릭 기능」, 관측을 방해하는 반사광에 의한 헐레이션을 억제하는 기능 등, 공구의 관찰을 강력하게 지원하는 기능을 갖추었습니다. 또한, 미세한 요철도 선명하게 표현하는 「Optical Shadow Effect Mode」·「멀티 라이팅」, 저장한 데이터를 선택하면 실행되는 각종 설정의 자동 재현 등, 현장에서 요구되는 속도나 정도에 대응하는 많은 기능을 탑재했습니다.
「VHX 시리즈」에 관한 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.
