마르텐사이트계 스테인리스강 부품 CNC 가공 실무

높은 강도와 경도로 알려진 마르텐사이트계 스테인리스강은 정밀한 공정 관리와 공구 선정이 요구되는 가공 난도를 지닙니다. 이 글에서는 SS17-4 PH 소량 생산 부품의 CNC 가공 공정을 다루며, 양산을 위한 핵심 고려사항, 가공 난점, 해결책을 살펴봅니다.

프로젝트 개요

• 소재: SS17-4 PH；
• 주문 수량: 500개；
• 정밀도 요구사항: 홀 직경 공차 1개소 ±0.001in, 2개소 ±0.002in; A면에 깊이 0.35in의 #4-40 UNC-2B 탭 홀 4개; 내부 홀 표면 거칠기: Ra 0.8; 외부 표면 거칠기: Ra 1.6；
• 용도: 에너지 채굴 설비 부품；

소재 분석

마르텐사이트계 스테인리스강인 SS17-4 PH는 인장 강도 1,310~1,450 MPa, 경도 HRC 40~44로 높은 강도와 경도를 제공합니다. 종합 성능은 오스테나이트계 스테인리스강을 능가합니다. 내식성은 오스테나이트계보다 떨어지지만, 대기 중이나 담수 노출과 같은 약한 부식 환경에는 충분합니다.

이번 프로젝트에서 공차 관리 난도는 중간 수준이지만, 양산 전반에 걸친 일관성과 안정성이 요구됩니다. 내부 홀 표면 조도(Ra 0.8)는 조립 시 원활한 작동을 확보하기 위한 것이며, 외부 표면 조도(Ra 1.6)는 비기능부에 대한 일반 기준을 충족합니다.

SS17-4 PH는 내식성, 고강도, 외관성으로 평가받아 항공우주 구조물, 자동차 엔진 부품, 에너지 설비, 의료기기에 폭넓게 사용됩니다.

SS17-4 PH 부품의 가공 난점

오스테나이트계 스테인리스강과 비교하면 SS17-4 PH는 강도와 경도가 높은 반면 인성과 연성이 낮아 피삭성이 좋지 않습니다. 주요 난점은 다음과 같습니다.

• SS17-4 PH 부품은 가공 중 심한 표면 가공 경화가 발생합니다.
• 칩 제어가 어려워 가공 안정성에 영향을 줍니다.
• 열전도율이 낮아 절삭면과 공구의 온도가 크게 올라갑니다.
• 표면 품질 확보를 위해 파라미터 최적화가 필요합니다.

이를 해결하려면 경도가 높고 내마모성이 우수한 절삭 공구를 선정하고, 절삭 파라미터를 합리적으로 조정하여 가공 효율과 품질을 높여야 합니다.

소량 생산 공정 루트

요구되는 정밀도와 표면 품질을 달성하려면 정밀하고 체계적인 가공 공정이 필수적입니다. 다음 단계는 이 SS17-4 PH 부품의 가공 방식을 정리한 것입니다.

1단계: 소재 절단

• 각재(길이 2.5m)를 구매합니다.
• 길이 방향으로 +0.2mm 공차로 절단합니다.

2단계: B면 및 측면 이어 구조의 4축 CNC 가공

• 지그 설계: 1형 5캐비티 배치의 강재 지그.
• 클램핑 방식: 클램핑 지점 두께 2.0mm의 토드형 클램핑 조.
• 정밀도 관리: 관리 도면의 #5, #9 치수를 후속 공정의 위치 결정 치수로 격상하고, 공차를 ±0.015mm로 조정.

3단계: A면 및 측면 홀 구조의 4축 CNC 가공

• 지그 설계: 1형 5캐비티 배치의 강재.
• 클램핑 방식: 알루미늄 싱글 이어 확장 블록을 이용한 측면 가압 클램핑.
• 최적화: 측면 가압 블록을 제품 중심 홀에 정렬하고 초승달 형상의 릴리프 구조를 적용하여, 클램핑 시 중심 홀의 진원도가 변형되는 것을 방지합니다.

공구 선정

SS17-4 PH와 같은 고경도 소재를 다룰 때는 적합한 공구 선정이 효율적인 가공과 공구 수명 연장의 핵심입니다.

드릴 비트

황삭 밀링 전에 A/B면의 대형 홀 3개에 대해 센터 홀을 예비 드릴링합니다.

• 홀 직경: ∅9.78mm 및 ∅10.0mm.
• 공구 재질: 초경 일체형 내부 냉각 드릴 비트.
• 장점: 예리한 절삭날과 고속 회전 상태에서의 고압 내부 수냉이 결합되어 열 축적을 효과적으로 관리합니다. 동시에 가압 수류로 칩 배출까지 이루어져 스테인리스강 소재의 드릴링 요구를 충족합니다.

밀링 커터

• 공구 종류: 스테인리스강 전용 코팅 초경 커터.
• 경도: HRC 65.
• 설계: 부등 헬릭스 각(1° 차이)과 나선형 칩 플루트로 칩 절단 및 배출 성능을 강화.
• 코팅: 세라믹 코팅(Al₂O₃, TiO₂, TiN).
• 특성: 높은 경도와 뛰어난 내마모성. 예를 들어 알루미나 코팅은 2000~3000HV의 경도를 구현하여, 가공 중이나 사용 중 스테인리스강 표면의 마모성 마찰에 효과적으로 견딥니다. 또한 세라믹 코팅은 화학적 안정성이 뛰어나 산, 알칼리, 염류 및 기타 화학 물질의 부식을 견디면서 스테인리스강 모재를 보호합니다.

프로그래밍 전략

• 황삭: UG의 어댑티브 다이내믹 고효율 황삭.
• 이점: 절삭날 전장을 활용해 재료 제거율을 높이고, 큰 절입 깊이와 이송 속도로 효율을 확보하며, 공구 부하를 고르게 분산해 마모를 줄입니다.
• 정삭: 황삭과 정삭 모두 측면 절삭날 가공 전략을 적용하여 가공 정밀도와 표면 조도 품질을 높입니다.

최종 실행 및 공정 검증

정밀한 공정 계획, 공구 선정, 프로그래밍을 통해 이 가공 솔루션은 SS17-4 PH 부품의 안정적이고 효율적인 생산을 보장합니다.

효율적이고 안정적인 공정

이 솔루션은 4축 CNC 가공을 적용하며, 실제 적용을 통해 효율성, 안정성, 신뢰성 면에서의 장점이 검증되었습니다.

5축 + 3축 가공 공정이나 순수 3축 가공 등 다른 공정 구성도 구성할 수 있습니다. 이들 중 최종 선택은 가공 공장이 보유한 설비 자원과 요구되는 공정 안정성에 따라 달라집니다.

양산용 지그 설계

고객사의 연간 반복 발주(연 1~2회, 회당 400~500개)를 고려하여, 지그 제작에 고급 소재와 앞선 기법을 투입해 긴 수명과 여러 생산 주기에 걸친 반복 사용성을 확보했습니다.

표준화된 공정 문서는 각 생산 배치에 대해 상세하고 일관된 엔지니어링 지침을 제공하여 반복 가능한 제조 결과를 보장합니다.

이번 사례 공유를 통해 엔지니어링 프로젝트 개발에 대한 Sendot Technology의 전문 역량을 보여드릴 수 있기를 바랍니다. 관심에 감사드리며, 새로운 프로젝트 개발에서의 심도 있는 협력을 기대합니다!