기계 가공 생산성에 중요한 연결을 제공하는 툴 홀더

같은 용도로 제작된 홀더는 없다
가능한 모든 용도에 맞는 하나의 툴 홀딩 수단은 없다. 예를 들어 고속 정삭 작업을 수행하도록 설계된 툴 홀더는 보통 원료 주강을 효과적으로 깊게 황삭하는 데 필요한 강성과 강도가 부족하다. 반대로, 황삭 가공용 홀더는 일반적으로 정삭 작업에서 고속으로 부드럽게 작동하는 균형 면에서 성능이 떨어진다. 또한 황삭 홀더는 설계가 견고하고 크기가 커서 섬세하거나 깊이가 있는 부품에 접근하기 어려울 수 있다. 견고한 피삭재 재질에는 강도와 강성이 높은 툴 홀더가 필요하다. 또한 진동을 완화하고 절삭유를 전달하는 기능도 중요한 선택 기준이다.

적합하지 않은 툴 홀더를 사용하면 기계 공구 스핀들의 과도한 마모, 공구 수명 단축, 공구 파손 증가를 비롯해 치수 오류와 부품 폐기의 문제를 낳을 수 있다. 물론 중요하지 않은 작업에서는 경제적인 툴 홀더가 만족스러운 결과를 낼 수 있다. 그러나 반복적 정밀도가 필수인 작업에서, 특히 고가의 피삭재를 폐기해야 한다면 부품 수익률은 낮아진다. 따라서 용도에 맞춰 최고 품질의 툴 홀더에 투자하는 것은 이러한 예상치 못한 손실을 낮은 비용으로 방지할 수 있는 보험이 된다.

일부 작업장 관리자에게는 다용도로 사용되는 긴 형태의 툴 홀더가 비용을 절약할 수 있는 유효한 전략이다. 그러나 항상 최대한 짧은 홀더를 사용하는 것이 강성을 최대화하고 표면 감쇠 진동을 최소화하며 공구 수명을 유지하는 방법이다.

툴 홀더는 총생산비용의 2% 미만을 차지한다. 이 비용을 반으로 줄여도 비용 절감 효과는 미미하지만, 피삭재 폐기 또는 공구 파손은 재정적으로 큰 영향을 미친다. 고급 공구와 홀더는 금속 절삭 생산 속도를 높여 공구 투자 대비 수익을 즉각적으로 가져올 수 있다. 특히 가공 공정의 안정성을 최우선으로 하는 항공우주 부품 제조 등의 산업에서는 대다수의 제조업체가 결함 있는 부품을 생산하거나 문제 해결 및 생산 중단에 시간을 낭비하지 않도록 고급 공구를 구입하는 데 가장 심혈을 기울인다. 일반적으로 항공우주 업계의 제조업체는 홀더를 생산에 사용하기 전에 새로운 홀더의 개념을 검증하는 데 오랜 시간을 투자한다.

피삭재가 홀더 선택에 영향을 미치는 요인
툴 홀더 선택에 영향을 미치는 요인으로는 각 작업에서 피삭재 재질의 가공성과 최종 부품의 구성이 있으며, 이러한 요소는 특정 형상에 도달하는 데 필요한 툴 홀더 치수를 결정할 수 있다. 무엇보다 툴 홀더는 작업자의 오류 가능성을 최소화하기 위해 최대한 간단하고 사용이 쉬워야 한다.

어떤 툴 홀딩 기술이 적용되든, 가능한 작업을 결정 짓는 것은 정밀한 공차를 생성하는 스핀들의 동력과 성능, 기계 공구의 강성이다. 예를 들어 마모된 기계에서 미크론 규모의 공차를 생성하는 것은 시간 낭비이다.

기계 공구의 기본 요소가 중요하다. 선형 가이드웨이 방식의 고속 기계는 고속 분야용으로 설계된 툴 홀더를 최상으로 활용하고, 박스 방식의 기계는 대량 가공을 지원한다. 멀티태스킹 기계는 선삭 및 밀링/드릴링 작업을 모두 수행할 수 있는 툴 홀더의 성능을 충분히 활용한다.

사용 중인 가공 전략 또한 툴 홀더 선택에 영향을 미친다. 예를 들어 더 얕은 절삭 깊이와 관련된 고속 절삭(High Speed Cutting, HSC) 작업에서, 혹은 동력은 적절하지만 속도 성능은 제한된 기계에서 높은 금속 제거율을 생성하는 고성능 절삭(High Performance Cutting, HPC)의 상황에서 생산성을 극대화하는 도구를 선택할 수 있다.

반복 가능한 런아웃이 낮으면 공구가 지속적으로 결합되어 진동이 줄어들고 공구 수명이 최대한 연장된다. 균형이 중요하며 품질이 높은 툴 홀더는 G2,5-25000rpm의 품질(1g.mm)로 정밀하게 균형이 잡혀 있다. 가공 공장은 직접 조사하고 공구 공급업체와 상의하여 제조 요구사항을 경제적으로 충족하는 툴 홀딩 시스템을 결정할 수 있다.

홀더별 틈새시장이 존재
간단한 Weldon이든, 콜렛이든, 열박음이든, 기계식 또는 유압식이든 관계없이 툴 홀더는 특정 작동 요구사항을 충족해야 한다. 예를 들어 Weldon 샹크 공구에 사용되는 단순한 엔드밀 홀더는 견고하고 사용이 쉽고 높은 토크를 전달할 수 있으며 강력한 이탈 방지 기능으로 안전하고 강력한 클램핑을 제공한다. 이러한 홀더는 중부하 황삭에는 적합하지만 정밀한 동심도는 부족하다. 대개 본질적으로 균형이 잡혀 있지 않으므로 높은 회전 속도를 사용하는 용도에는 생산적이지 않다.

콜렛 척과 교환식 콜렛은 가장 일반적인 형태의 원형 툴 홀딩 기술이다. 경제적인 ER 스타일이 다양한 크기로 제공되며 경부하 밀링 및 드릴링 작업을 안정적으로 수행할 수 있는 충분한 그립을 제공한다. 고정밀 ER 콜렛 홀더는 낮은 런아웃(툴팁에서 5µm 미만)과 고속 작동을 위해 균형 잡힌 대칭 설계를 특징으로 하며, 고강도 가공 작업용으로 강화된 버전이 제공된다. ER 홀더는 빠른 전환과 다양한 공구 직경을 지원한다.

열박음 홀더는 강력한 클램핑력, 3xD에서 3µm의 동심도, 탁월한 균형 품질을 제공한다. 작고 간단한 노즈 구성으로 되어 있어 단단히 고정된 부품에 쉽게 접근할 수 있다.



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강화된 버전은 중간 강도에서 고강도 밀링까지 수행할 수 있지만 그립핑력은 공구 몸통 및 홀더의 ID 공차에 따라 달라진다. 열박음 공구를 사용하려면 특수 가열 장치를 구입해야 하며 가열/냉각 프로세스는 단순히 콜렛을 교체하는 것보다 더 많은 설정 시간이 소모된다.

기계식 밀링 척은 여러 줄의 니들 베어링을 통해 강한 그립핑력과 높은 반경 방향 강성을 제공한다. 이 설계는 고강도 밀링과 빠른 공구 교환을 지원하지만 런아웃은 콜렛 시스템보다 클 수 있다. 기계식 척은 일반적으로 다른 툴 홀더 스타일보다 크기가 크므로 일부 부품 형상에서 공구 접근이 제한될 수 있다.



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유압을 사용하여 클램핑력을 생성하는 유압 척은 기계식 척보다 내부 요소의 수가 적으며 그에 따라 프로파일이 비교적 얇다. 유압 척은 런아웃이 낮고 높은 스핀들 속도의 리밍, 드릴링, 경부하 밀링에 효과적이지만 큰 반경 방향 부하에 민감하다.

홀더가 기계 공구 스핀들에 장착되는 방식도 절삭 공구를 고정하는 방식만큼이나 중요하다. 툴 홀더의 스핀들 또는 테이퍼 끝은 토크 전달 성능과 공구 중심의 정확도를 결정한다. 기존의 BT, DIN, CAT 공구 테이퍼는 소형 기계에는 효과적이지만 고속 성능에는 한계가 있을 수 있다. 홀더 테이퍼와 표면에 모두 접촉하는 버전은 특히 긴 오버행 상황에서 강성과 정확도를 향상한다. 더 높은 토크를 안정적으로 전달하려면 더 큰 테이퍼 크기가 필요하다. 예를 들어 대형 가공 시 HSK-A125A 홀더 대신 HSK-E32 홀더를 사용할 수 없다.

홀더 테이퍼 스타일은 종종 지역 선호도에 따라 결정된다. HSK는 1990년대 중반 5축 기계의 인기가 높아지면서 독일에서 등장했다. 미국에서는 CAT 테이퍼가 주로 사용되지만 아시아에서는 BT 샹크가 테이퍼/표면 접촉 버전에서 자주 널리 사용된다.

HSK는 5축 가공에 매우 흔히 사용된다. PSC(다각형 클램핑 시스템, Polygonal Clamping System: Capto) 및 KM 연결은 주로 멀티태스킹 기계에서 사용되며 현재 ISO 표준이다. 또한 KM과 Capto는 모두 모듈식 시스템으로, 연장 장치 또는 축소 장치를 연결하여 다양한 길이의 특정 공구를 조립할 수 있다. 멀티태스킹 기계의 사용이 증가함에 따라 하나의 고정 장치에서 부품을 터닝, 밀링 또는 드릴링할 수 있는 툴 홀더 스타일의 인기가 높아지고 있다.



Hydraulic Chuck.jpg

독창적인 홀더와 콜렛을 혁신적인 방식으로 활용하여 탁월한 결과를 구현하는 독점적 툴 홀딩 시스템도 있지만, 그 이점을 따져봐야 한다. 이러한 시스템은 대개 공급업체가 한 곳이기 때문에 더 큰 비용이 발생하고 도구 선택이 제한된다.

비용 및 기타 고려사항
유압식 또는 기계식 홀더의 기본 비용은 콜렛 또는 열박음 홀더의 비용보다 높지만 열박음 시스템 비용이나 공구 교환에 소요되는 시간 등의 기타 요인도 고려해야 한다. 콜렛 척 홀더 시스템에서는 콜렛을 간단히 교체하여 다른 직경을 적용할 수 있지만 열박음 홀더는 각 공구 직경에 맞게 하나씩 갖춰야 한다.

툴 홀더를 성공적으로 적용하려면 기계 작업자와 공구 유지보수 담당자의 역할도 중요하다. 기계 공구 및 기타 제조 장비와 마찬가지로 툴 홀더는 그 이점을 극대화하고 최대한 활용하기 위해 올바르게 사용하고 관리해야 한다. 예를 들어 작업자는 공구 샹크를 홀더에 전체 길이로 삽입해야 한다. 제대로 배치하지 않으면 정확도를 망치는 진동이 발생하거나 공구가 빠져나올 수도 있다. 또한 툴 조립 사양을 따라야 한다. 작업자는 척을 조일 때 과도하게 토크를 적용하려고 연장 핸들을 사용해서는 안 된다. 그렇게 하면 콜렛이 비틀리고 공구가 잘못 배치될 수 있다.

공구의 유지보수도 중요한 요소지만 종종 간과된다. 작업자는 홀더를 사용하기 전에 항상 청소하고 기계 공구 스핀들도 점검해야 한다. 홀더는 공구 테이퍼를 보호하기 위해 덮개과 함께 깨끗이 건조한 상태로 보관해야 한다. 유압 척의 경우 유압을 정기적으로 점검해야 한다.

결론
기계 공장은 가공 시스템에서 툴 홀더의 중요성을 인식하고 적합한 툴 홀더를 특정 기계 공구, 가공 전략, 피삭재에 올바르게 적용하는 것이 어떻게 생산성을 높이고 비용을 절감하는지 알아야 한다. 또한 툴 홀더 제조업체는 개별 운영 요구사항을 충족하도록 설계된 더 광범위한 홀더 선택 옵션을 제공하고 있다(사이드바 참조).

향후 발전은 홀더 하드웨어 자체를 넘어서 이루어질 것이다. 소프트웨어 및 RFID 태그를 사용한 툴 관리는 데이터 기반 제조의 한 요소로, 점점 일반화되고 있다. 툴 홀더의 첨단 기술 중에는 홀더에 가해지는 힘을 실시간으로 모니터링할 수 있는 센서 장착 홀더가 있다. 수집된 데이터를 이용하면 작업자가 직접 작업하거나 기계 제어 장치와 연결된 인공 지능(AI)을 통해 가공 매개변수를 공정 내에서 자동으로 조정할 수 있다. 이러한 기술을 비롯한 기타 새로운 기술은 가공 작업에서 툴 홀더의 생산성 기여를 더욱 강화할 것이다.

(사이드바)
모든 요구사항에 맞는 하나의 홀더
Seco Tools는 구체적인 고객의 요구사항을 충족하기 위해 제공하는 툴 홀더의 범위를 확장할 방법을 계속 모색해 왔다. 2000년에는 툴 홀더, 보링 헤드, 진동 흡수 툴 홀더의 설계 및 제조 경험이 풍부한 프랑스 툴 홀딩 시스템 회사 EPB를 인수했다. EPB의 리소스 덕에 Seco Tools는 특정 가공 용도에 맞게 설계된 다양한 홀더를 제공할 수 있게 되었다.

예를 들어 Seco Tools는 게이지 길이 및 노즈 프로파일 등 여러 기능을 갖춘 다양한 열박음 툴링 옵션을 제공한다. HD 열박음 척은 중부하 황삭 분야에 적합하며, DIN 열박음 척은 품질이 최우선인 고속 절삭 작업의 중정삭 및 정삭 가공에 적합하도록 설계되었다. M&D(몰드 및 다이) 열박음 척은 몰드 및 다이 또는 항공우주 제조 분야에서 흔히 볼 수 있는 깊은 구멍의 정삭 및 중정삭 작업을 위해 설계되었다.

이와 마찬가지로, Seco Tools는 ER 및 HP 콜렛 척을 모두 제공한다. 인기 있는 다용도 ER 척을 사용하면 하나의 척에 다양한 크기의 콜렛을 장착하여 여러 공구 직경을 클램핑할 수 있다. HP 콜렛 척은 고속 정삭 및 경황삭 작업에서 우수한 피삭재 표면을 생성하도록 설계되었다. 이러한 홀더는 가공 진동을 최소화하는 흡수 효과가 있으며, 콜렛과 공구를 간단히 교체하기만 하면 가공을 즉시 재개할 수 있기 때문에 공구 파손 상황에서도 사용이 편리하다.

고강도 작업용으로 사전에 균형 있게 성능이 조정된 Seco Tools의 밀링 척은 금속 제거율이 높으며 열박음 홀더나 Weldon 홀더의 대체품으로 사용할 수 있다. 이 제품은 구축이 쉬우며 축소 슬리브를 사용하면 다양한 공구 직경을 수용할 수 있다. 확장 슬리브를 통해 툴 홀딩의 다양한 기능을 제공하는 하이드로 확장 척은 런아웃이 3xD에서 5µm 미만이며 고속 절삭 용도에 맞게 정밀한 균형을 이룬다. 통합된 오일 저장소는 완화제 역할을 하여 표면 품질을 최적화하는 데 도움이 된다.

Seco 기술 영업 직원은 툴 홀더의 기능, 성능 및 용도에 관해 완벽하게 교육을 받았으며 현지 전문가가 추가 지원을 제공하기도 한다. 풍부한 지식과 경험을 기반으로 한 기술 지원을 통해 고객은 해당 특정 부품, 장비, 가공 전략에 가장 적합한 홀더를 선택할 수 있다. 또한 Seco 카탈로그는 사용자가 가장 생산적이고 경제적인 선택을 할 수 있도록 자세한 기술 안내서를 제공한다.

저자:
입스 하이츠(Yves Heitz), 툴링 시스템 담당 기업 제품 관리자