티타늄 드릴링 방법? 드릴링 설계부터 파라미터 조정까지

항공우주, 의료용 임플란트 및 화학 장비에 없어서는 안 될 소재인 티타늄 합금은 높은 강도와 내식성으로 인해 선호도가 높습니다. 하지만 티타늄 합금을 드릴링하는 방법？ 드릴링 시 많은 엔지니어들이 드릴 마모, 공구 파손, 낮은 가공 효율 등 일반적인 문제를 겪고 있습니다.

사실 이러한 문제를 해결하는 것은 어려운 일이 아닙니다. 이 글에서는 공구 설계부터 실용적인 파라미터까지 티타늄 합금 드릴링에 대한 전체 기술 솔루션을 체계적으로 분석하여 티타늄 합금 가공의 문제를 완전히 극복할 수 있도록 도와드립니다.

티타늄 합금 드릴링의 네 가지 핵심 과제

티타늄 합금을 가공할 때 가장 큰 어려움은 매우 높은 절삭 온도입니다. 티타늄 합금은 열전도율이 철의 1/5, 알루미늄의 1/14에 불과할 정도로 매우 낮습니다. 즉, 절삭 영역에서 발생한 열이 쉽게 방출되지 않아 국부적으로 1000°C를 초과하는 온도가 발생합니다. 이는 공구 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 공작물의 열 변형을 쉽게 유발합니다.

상당한 스프링백은 또 다른 주요 과제입니다. 티타늄 합금은 탄성 계수(강철의 약 절반)가 낮아 드릴링 후 구멍 벽의 탄성 회복을 유발하여 구멍 수축과 치수 편차를 초래하는 “스프링 효과'를 일으킵니다.

티타늄 합금은 화학 반응성이 높아 고온에서 공구 재료와 반응하여 침전물과 확산 합금을 형성하며, 이는 가공에 해로운 영향을 미칩니다. 이러한 고착 현상은 경도가 HB300 이하일 때 특히 두드러집니다.

또한 티타늄 합금 칩은 서로 달라붙는 경향이 있고 제거하기 어려워 공구 팁에 모서리가 쉽게 형성됩니다. 이렇게 쌓인 모서리는 주기적으로 분리되어 공구 재료를 운반하고 가공된 표면을 긁어냅니다.

티타늄 드릴 비트 가공을 위한 세련된 디자인

드릴 비트 재료 선택

YG 타입 초경합금은 티타늄 합금, 특히 YG8 등급(92% 텅스텐 카바이드(WC) 및 8% 코발트(Co))을 가공하는 데 선호되는 선택입니다. YT(티타늄 카바이드)형 초경합금은 티타늄이 공작물과 상호 작용하여 공구 마모를 가속화하므로 사용하지 마십시오.

직경 5mm보다 작은 구멍 또는 더 높은 인성이 요구되는 용도의 경우, 63 HRC 이상의 경도를 가진 고코발트 고속강(예: M42 또는 W2Mo9Cr4VCo8)을 사용할 수 있습니다.

탄탈륨 함유 초경합금(예: YA6(94% WC, 약 6% Co, 소량의 니오븀 카바이드(NbC) 포함)은 성능이 우수합니다. 소량의 희귀 원소를 첨가하면 공구의 내마모성이 향상되고 굽힘 강도와 경도도 YG6X보다 높습니다.

기하학적 매개변수 최적화

드릴 비트의 기하학적 파라미터는 절삭 성능과 공구 수명에 직접적인 영향을 미칩니다:

• 포인트 각도(2φ): 135°-140°로 증가합니다(표준 드릴의 경우 118°). 이렇게 하면 절삭 두께가 증가하고 칩 제거가 개선되며 드릴 강성이 향상되는 동시에 진동이 감소합니다.
• 나선 각도: 나선 각도가 25°~30°로 크면 칩을 부드럽게 제거할 수 있으며, 나선 홈을 연마해야 합니다.
• 안전거리 각도: 가공된 표면과의 마찰을 줄이기 위해 외부 클리어런스 각도를 12°-15°로 높입니다.
• 치즐 모서리: 치즐 모서리를 드릴 직경의 0.08~0.1배로 연마하여 축방향 힘을 크게 줄입니다.

치즐 엣지 구조의 혁신적인 디자인

치즐 모서리는 드릴링 축 방향 힘과 센터링 정확도에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 연구에 따르면 S자형 치즐 모서리 설계는 드릴링 축력을 최대 28%까지 줄이는 동시에 홀 진원도 오차를 58.9%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

길이 대 직경 비율이 큰 깊은 구멍 가공의 경우, 4개의 인대가 결합된 S자형 치즐 모서리 디자인을 사용하여 가공 부드러움을 개선하고 공구 파손을 방지할 수 있습니다. 이 설계는 “C자형” 칩의 생성을 보장하고 절삭력을 줄이며 작업물 경화를 완화합니다.

듀얼 앵글 디자인(주 각도 130°-140°, 보조 각도 70°-80°)은 센터링 안정성을 효과적으로 개선하고 칼이 달라붙는 현상을 줄여줍니다.

아래 표에는 티타늄 드릴 비트의 주요 기하학적 매개변수에 대한 최적화 체계가 요약되어 있습니다:

매개변수 이름	표준 드릴 비트	티타늄 드릴 비트	최적화 효과
포인트 각도(2φ)	118°	135°-140°	강성 향상 및 칩 제거 개선
나선 각도	20°-25°	25°-35°	칩 제거의 부드러움 향상
바깥쪽 가장자리 간격 각도	8°-10°	12°-15°	가공된 표면과의 마찰을 줄입니다.
치즐 가장자리 길이	0.2d	0.08-0.1d	축 방향 힘을 28% 이상 줄입니다.
치즐 가장자리의 모양	스트레이트	S자형 , X자형	센터링 정확도를 개선하고 진원도 오차를 줄입니다.

과학적인 드릴링 매개변수 선택

권장 절단 매개변수

티타늄 드릴 비트의 재질에 따라 절단 매개변수를 적절히 조정해야 합니다:

• 카바이드 드릴 비트: 절삭 속도 v = 9-15 m/min, 이송 속도 f = 0.05-0.2 mm/r
• 고속 강철 드릴 비트: 절삭 속도 v = 4-5 m/min, 이송 속도 f = 0.05-0.3 mm/r
  TC4 티타늄 합금의 심공 드릴링의 경우 이송 속도 0.12-0.16mm/r, 절삭 속도 30-40m/min이 가장 이상적인 결과를 제공합니다.

이송 속도와 표면 품질 간의 관계

이송 속도는 홀 벽 표면 품질에 큰 영향을 미칩니다. Ra 1.6μm의 표면 거칠기를 달성하려면 이송 속도를 0.16mm/r 미만으로 제어해야 합니다. 이송 속도가 증가하면 표면 거칠기가 크게 저하됩니다.

다양한 직경의 드릴 비트에 대한 권장 절삭 파라미터는 다음과 같습니다..

드릴 비트 직경(mm)	스핀들 속도(r/min)	이송 속도(mm/r)
＜3	1000-600	0.05
＞3-6	650-450	0.06-0.12
＞6-10	450-300	0.07-0.12
＞10-15	300-200	0.08-0.15
＞15-20	200-150	0.11-0.15
＞20-25	150-100	0.11-0.2
＞25-30	100-65	0.13-0.2

냉각, 윤활 및 작동 기술

냉각수 선택 및 사용

응력 부식 균열을 방지하기 위해 염소 함유 절삭유는 금지되어 있습니다. N32 기계유와 등유를 3:1 또는 3:2 비율로 혼합하거나 전용 황화 절삭유를 사용하는 것이 좋습니다.

심공 드릴링의 경우 고압 내부 냉각이 필수적입니다. 절삭 영역에 직접 냉각수를 공급하여 냉각, 윤활 및 칩 제거를 제공합니다. 냉각 압력은 일반적으로 1.5~3MPa 범위에서 선택되며, 특히 깊은 홀이나 가공하기 어려운 소재의 경우 6MPa까지 높일 수 있습니다.

깊은 구멍을 뚫을 때는 냉각과 윤활을 위해 극압 에멀젼이나 절삭유를 냉각제로 사용해야 합니다.

주요 운영 포인트

드릴 비트를 정기적으로 집어넣어 칩을 제거하세요: 이렇게 하면 칩 막힘과 드릴 비트 파손을 방지할 수 있습니다. 드릴 비트를 2-3mm 드릴링할 때마다 드릴 비트를 집어넣어 칩을 제거하세요.

- 드릴 비트가 구멍에서 멈추지 않도록 하십시오: 그렇지 않으면 드릴 비트가 가공된 표면에 마찰되어 작업이 경화되고 드릴 비트가 무뎌질 수 있습니다.

- 가공 시스템의 강성을 개선합니다: 드릴 지그를 가공된 표면에 가깝게 고정하여 드릴 비트 돌출부를 줄입니다.

- 깊거나 작은 구멍 가공: 수동 이송을 사용하여 절삭 공정을 더 잘 제어할 수 있습니다.

- 파일럿 홀을 미리 가공합니다: 깊은 홀 가공의 경우 드릴 비트와 직경이 비슷하고 깊이가 약 10mm인 파일럿 홀을 먼저 가공할 수 있으며, 여유 공간을 홀 직경의 0.003~0.008배로 제어할 수 있습니다.

특수 작업 조건에서의 가공 대책

심공 가공 기술

길이 대 직경 비율이 5보다 큰 깊은 구멍을 가공할 때는 내부 냉각 드릴링 기술을 사용해야 합니다. 내부 냉각 드릴 비트는 표준 트위스트 드릴의 나선형 구조와 유사한 단일 카바이드 조각으로 구성됩니다. 절삭유는 내부 나선형 캐비티를 통해 절삭날에 공급되고 칩과 함께 구멍에서 배출됩니다.

직경 30mm 미만의 깊은 구멍의 경우 DF 가공 시스템을 선택할 수 있으며, 직경이 큰 구멍의 경우 BTA 가공 시스템을 사용할 수 있습니다.

벽이 얇은 부품 가공의 핵심 포인트

벽이 얇은 티타늄 합금 부품을 가공할 때는 다음과 같은 대응책을 고려해야 합니다:

• 열처리 공정 횟수를 늘려 작업물 경화를 제거하고 응력 변형을 줄입니다.
• 먼저 내부 구멍을 가공한 다음 내부 구멍 맨드릴을 사용하여 외경을 배치하고 선삭하는 공정 경로를 채택합니다.
• 외경 선삭 시 홀 내부에 경화강 맨드릴을 추가하여 부품의 강성을 높이고 진동으로 인한 변형을 방지합니다.

라미네이트 재료 가공

탄소 섬유 복합재와 티타늄 합금 라미네이트를 가공할 때는 치즐 모서리 구조를 최적화하는 것이 특히 중요합니다. 연구에 따르면 최적화된 치즐 모서리 구조는 축 방향 절삭력과 토크를 크게 줄여 드릴링 품질을 향상시킬 수 있습니다.

실제 사례 연구 및 결과 검증

사례 1: 항공우주 제조 기업을 위한 티타늄 합금 부품 드릴링

TC4 티타늄 합금 공작물은 몰리브덴 고속 강철 드릴 비트를 사용하여 가공되었습니다. 드릴 비트 직경은 6.35mm, 구멍 깊이는 12.7mm였습니다. 선택된 파라미터: 절삭 속도 11.6m/min, 이송 속도 0.127mm/r, 에멀젼 냉각.

결과: 드릴 비트 하나당 260개의 구멍을 가공할 수 있어(마모 표준 0.38mm) 가공 효율이 크게 향상되었습니다.

사례 2: 항공기 내 얇은 벽의 티타늄 합금 구조물 수리

항공기 티타늄 합금 스킨의 균열 방지 구멍을 드릴링할 때 마이크로 오일 미스트 스프레이 윤활과 함께 S형 치즐 엣지 고속 강철 드릴 비트가 사용되었습니다. 그 결과 표준 직선형 치즐 모서리 드릴 비트에 비해 S형 치즐 모서리 드릴 비트는 드릴링 축 방향 힘이 28%, 구멍 진원도 오차가 58.9% 감소했습니다.

사례 연구 3: 철심 부싱의 깊은 블라인드 홀 가공

TC4 티타늄 합금의 깊은 블라인드 홀(길이 대 직경 비율이 20에 가까운)은 내부 냉각 드릴링 기술을 사용하여 스핀들 속도 1500r/min, 이송 속도 0.03mm/r, 냉각 압력 6MPa에서 가공되었습니다. 결과: 가공 시간이 개당 40분에서 6분으로 단축되어 효율성이 7배 가까이 증가했습니다. 시추공 표면 거칠기는 Ra0.8, 직진도는 0.01~0.019mm, 드릴 비트 수명은 80개 이상 가공할 수 있었습니다.

향후 개발 동향

티타늄 합금 가공 기술의 성숙도가 높아지고 가공 장비 및 절삭 공구의 지속적인 개선으로 초대형 구조 부품 및 정밀 복합 부품의 안정적인 가공이 가능해졌습니다. 앞으로 티타늄 합금 가공 기술은 다음과 같은 방향으로 발전할 것입니다:

1. 고성능: 더 높은 작동 온도, 더 높은 비강도, 더 높은 비계수, 더 나은 내식성 및 내마모성을 갖춘 합금 개발.
2. 저렴한 비용: 귀금속 원소가 거의 또는 전혀 포함되지 않은 합금을 개발하고 철, 산소, 질소 등 값싼 원소를 추가합니다.
3. 새로운 기술: 냉간 성형 기술과 같은 새로운 가공 기술을 채택하여 티타늄 합금의 생산 효율, 수율 및 성능을 개선합니다.
4. 지능형 처리: 고급 컴퓨터 기술을 사용하여 공작물 변형 과정을 시뮬레이션하고 금속 미세 구조의 변화를 예측합니다.

결론

티타늄 합금 가공은 단순한 공구 선택의 문제가 아니라 체계적인 엔지니어링 프로젝트입니다. 공구 소재와 형상에서 절삭 파라미터와 냉각 방법에 이르기까지 모든 측면에 세심한 설계가 필요합니다. YG형 초경합금을 사용하고, 드릴 형상을 최적화하고, 치즐 모서리 구조를 혁신하고, 과학적인 가공 파라미터를 사용하면 티타늄 합금 드릴링의 어려움을 극복하고 생산 효율과 제품 품질을 개선할 수 있습니다.

이 기사는 티타늄 합금 가공에서 발생하는 실제 문제를 해결하는 데 실질적인 도움을 제공하는 것을 목표로 합니다. 올바른 공구 설계와 과학적인 가공 파라미터를 결합하면 티타늄 합금 가공 효율이 30% 이상 향상되고 공구 수명이 50% 이상 연장됩니다. 논의할 특정 가공 시나리오가 있는 경우 의견 섹션에 댓글을 남겨 아이디어를 교환하거나 문의하세요.

특정 매개변수는 실제 조건에 따라 미세 조정해야 합니다.