원하는 소재로 제품을 제작하려 하는데, 생각보다 가격이 비싸다면 일반적으로 두 가지 이유 중 하나 때문일 것입니다. 자연적으로든, 인공적으로든 희귀한 소재이거나 가공하기 어려운 소재이기 때문이겠죠. 오늘은 취급하기 어려운 소재를 따로 분류하여 지칭하는 개념인 ‘난삭재’에 대해 소개하려고 합니다.
난삭재란?
난삭재(difficult to cut materials)는 글자 그대로 깎기 어려운 소재입니다. 제조업적인 용어로 풀이하면 절삭이 어려운 소재가 되겠죠. 하지만 보편적으로 쓰이는 의미는 좀 더 광범위하게 ‘취급’이 어려운 소재입니다. 딱딱하거나 깨지기 쉬울 뿐만 아니라 발화나 인화가 쉬워서 주의해야 하는 소재 역시 난삭재입니다. 또한 관련 데이터가 많이 없어서 어떻게 가공해야 할지 모르겠는 소재도 난삭재입니다.
난삭재의 조건
난삭재의 정의나 조건에 대해 사전적, 학술적으로 합의된 정보는 없습니다. 하지만 일반적으로 난삭재는 다음과 같은 조건을 가져 공작기계의 절삭기능을 저하합니다. 나열하는 조건 중 1~2개 정도만 충족해도 난삭재로 칭할 수 있습니다.
난삭재에 해당하는 소재
우주/항공 분야에 많이 사용되는 티타늄은 그동안 그 제조 비용을 줄이기 위해 주조, 항온단조, 메탈 3D 프린팅과 같은 방법이 동원되었습니다. 하지만 쓰임새의 특성상 티타늄 가공품은 정밀해야 합니다. 그래서 밀링, 터닝과 같은 기존의 절삭 가공법도 여전히 사용되었습니다.
하지만 열전도율이 낮고 강도가 매우 높은 특성 때문에 절삭 가공을 위해 1,000도 이상의 절삭열이 발생합니다. 게다가 고온에서 화학적 활성이 높아 공구에 쉽게 응착되어 공구 수명을 단축시킵니다.
인코넬 역시 티타늄처럼 낮은 열전도율과 고온 강도를 가집니다. 여기에 추가로 인코넬은 석출경화가 가능합니다. 절삭 시 가공경화 현상이 발생함과 동시에, 석출경화에 의해 미세먼지 내부에 발생하는 물질이 있는데요. 이것이 가공물의 인장강도와 항복강도를 증가시켜 절삭이 더욱 어려워집니다.
일명 탄소 섬유 강화 플라스틱인 이 물질은 강도, 무게 등등 여러 측면에서 기존의 소재보다 우위를 가집니다. 하지만 소재를 제작하는 일 자체가 어렵고, 섬유질 때문에 가공 시 공구에 엄청난 손상을 입힙니다. 그리고 손상된 공구가 적층된 섬유층을 박피하여 제품의 품질을 저하시키는 악순환이 발생합니다.
또한 절삭 가공 시 나오는 미세 섬유질의 입자가 설비의 주요 구동부 사이에 들어가 마모를 일으키고, 설비의 내구성이 떨어집니다. 가공과 별로 상관은 없지만, 이 입자가 사람의 호흡기에 들어가면 폐에도 안 좋은 영향을 끼칩니다.
우리에게 익숙한 스테인리스도 열전도율이 낮고 고온에서의 가공이 어려우며 가공 경화가 발생하기 때문에 난삭재로 분류할 수 있습니다.
마그네슘은 점화 시 격렬하게 타는 성질을 가지고 있습니다. 그런 상태에서 물에 닿으면 가연성 가스를 발생시키기도 합니다. 그래서 고온은 물론, 불이나 물이 있는 곳에서는 사용하면 안 됩니다. 사용 후 환기하거나 절삭분을 청소할 때도 주의가 필요합니다.
난삭재에 대응하는 방법
일반적으로 수용성 오일을 냉각재로 사용하여 절삭부에 분사함으로써 공구 수명을 향상시킵니다. 보편적으로 사용되는 방법이기는 하지만 기존 금속 대비 공구와 칩의 접촉길이가 짧은 경우 오일이 절삭부로 침투하기가 어렵다는 문제가 있었습니다.
그래서 고안된 하위 방법이 고압분사냉각입니다. 습식 냉각 가공에서 분사하는 절삭유를 고압으로 분사하여 칩 처리성을 증가시키고, 접근하기 까다로운 절삭영역을 냉각시킵니다. 이렇게 하면 공구 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다. 하지만 절삭유가 사람과 환경에게 해롭고, 고압분사까지 시도한다면 별도의 장비가 필요합니다.
절삭유를 사용할 필요 없이 –50도의 액체 이산화탄소 또는 –196도의 액체 질소를 냉각재로서 사용하는 방법입니다. 절삭유와는 달리 냉각 작용 후 바로 대기 중으로 휘발되어 별도의 청소가 필요하지 않습니다. 또한 냉매 자체의 온도가 매우 낮아서 냉각 효과 자체도 월등합니다.
하지만 이산화탄소를 사용한다는 점에서 온실 가스를 방출하지 않으려는 국가적, 세계적 흐름에 위배된다는 단점이 있습니다. 따라서 대기 중에 방출되지 않도록 하기 위한 별도의 장치가 필요합니다.
최근에는 아예 냉각하는 방법이 아니라 초음파를 사용하여 절삭성과 공구 수명을 향상시키는 연구가 진행되고 있습니다. 가공 시 20~40kHz의 고주파와 20~30μm의 낮은 진폭을 갖는 초음파를 공구와 공작물에 부가하여 효과를 발생시킵니다. 실험 결과 가공 홀의 평균 표면 거칠기와 원통도가 최대 60% 향상되었습니다.
친환경을 강조하는 현대 사회의 흐름에 따라 새로운 소재는 계속 개발될 것이고 난삭재의 종류도 많아질 것입니다. 하지만 평범한 공구에 위와 같은 방식만을 사용하여 난삭재에 대응하는 일은 한계가 있습니다. 그러므로 소재에 맞는 전용 공구나 전용 가공장비가 필요할 것입니다.
오늘은 다루기 까다로운 소재들을 총칭하는 난삭재에 대해 알아보았습니다. 이 글을 보시고 본인이 가공하려는 소재에 대해 정확히 파악하여 효과적으로 제품을 제작하시면 좋겠습니다. 오늘도 저희 바로발주에 방문해주시고 글 읽어주셔서 진심으로 감사드립니다!
오늘 읽은 난삭재 발주를 넣고 싶다면 아래의 3초만에 견적 받기를 눌러 보세요!