선반용 5C vs ER 콜릿: 무엇을 구입할까?

선반에서는 표준 봉재 사이즈의 반복 작업에는 5C 콜릿을, 규격에서 벗어난 사이즈를 적은 예산으로 다룰 때는 ER 콜릿을 선택한다. 5C 콜릿은 표기 사이즈에서 수천분의 몇 인치 이내로만 파지하지만 원형 소재를 1-1/16 in(27 mm)까지, 여기에 육각·사각 소재까지 물 수 있으며, Hardinge 표준 5C 콜릿의 런아웃은 0.001 in(0.025 mm) TIR 이하이다. 표준(Form B) ER 콜릿은 1 mm 축소되므로(ER16–ER40, ISO 15488 기준) ER40 콜릿 약 23개로 3–26 mm를 끊김 없이 커버하지만, 원형 소재에만 해당한다.

본 글은 선반 워크홀딩으로 쓰이는 콜릿, 즉 가공물을 파지하는 콜릿 클로저와 주축 노즈 장착형 콜릿척을 다룬다. 밀링머신에서 공구 홀더로 쓰이는 ER 콜릿은 ER 콜릿 선정 가이드를, 콜릿보다 조(jaw) 척이 유리한 경우는 3조 vs 4조 선반척 선정을 참조한다.

선반에서 5C 콜릿과 ER 콜릿은 어떻게 다른가?

두 시스템은 서로 반대 방향으로 닫힌다. 5C 콜릿은 인입식(draw-in) 콜릿으로, 드로우튜브 또는 척의 클로징 링이 콜릿을 협각 20°(헤드 각도 10°) 시트 안으로 당기기 때문에 닫히는 동안 콜릿과 가공물이 주축대 쪽으로 약간 이동한다. ER 콜릿은 노즈의 나사식 너트에 의해 협각 16°(세팅 각도 8°) 테이퍼 안으로 밀려 들어가며, 이 형상은 ISO 15488과 그 전신인 독일 규격 DIN 6499에 규격화되어 있다.

이 클로징 방식의 차이가 아래의 실무적 트레이드오프 대부분을 좌우한다.

• 슬릿 구조. 표준 5C 콜릿은 노즈 쪽에서만 슬릿이 들어가(슬롯 세 개) 주로 앞쪽에서 닫힌다. ER 콜릿은 양쪽 끝에서 번갈아 슬릿이 들어가 있어, 1 mm 범위 전체에 걸쳐 보어가 길이 방향으로 평행하게 닫힌다.
• 형상. 5C 콜릿은 원형, 육각, 사각, 직사각 보어로 제작된다. ISO 15488은 원통형 샹크용 콜릿만 다루므로 ER은 원형 소재 전용 시스템이다.
• 액세서리. 5C에는 동일한 콜릿 시트를 기반으로 한 폭넓은 생태계가 있다. 내부 콜릿 스톱, 데드렝스 콜릿, 이머전시(소프트) 콜릿, 최대 6 in의 스텝 척 등이다. ER에는 이 중 어느 것도 표준품으로 존재하지 않는다.

파지 용량, 축소 범위, 봉재 관통 용량

축소 범위가 가장 큰 차이이다. ER16부터 ER40까지의 표준(Form B) ER 콜릿은 호칭 사이즈보다 1 mm 작은 지름까지 닫히는 반면, 5C 콜릿은 표기 사이즈 또는 그에 매우 가까운 지름에서 파지하도록 설계되어 있다. Hardinge가 5C 콜릿을 0.001 in 단위까지 세분화해 판매하는 것도 바로 이 때문이며, 일반적인 현장 관행은 소재를 호칭 사이즈의 수천분의 몇 인치(약 0.05–0.08 mm) 이내로 유지하는 것이다. 이보다 더 작은 소재는 앞쪽 슬릿형 5C 콜릿의 노즈 부분에서만 파지되는 경향이 있어 파지력과 동심도가 모두 떨어진다.

축소 범위는 풀세트에 필요한 콜릿 수를 결정한다.

65개짜리 5C 세트라도 사이즈 사이에 1/64 in(0.4 mm)의 공백이 남지만, 1 mm 간격 ER 세트는 각 콜릿의 범위가 다음 콜릿과 이어지므로 공백이 전혀 없다. 이 개수는 ISO 15488 표준인 1 mm 범위를 전제로 한다. 이 규격은 ER16–ER40에 대해서는 협의에 따라 0.5 mm도 허용하며, 0.5 mm 범위로 표기된 콜릿을 공백 없이 쓰려면 0.5 mm 간격이 필요하므로, 세트를 주문하기 전에 제조사의 파지 범위표를 확인해야 한다. 규격에서 벗어난 미터·인치 소재를 구입하는 공장이라면, ER40 콜릿 약 23개가 33개짜리 5C 세트보다 실제 현장의 지름을 대개 더 많이 커버한다. 반면 최대 원형 파지 용량은 거의 같으며(ER40 26 mm 대 5C 27 mm), ER32는 20 mm가 한계이다.

봉재 관통 용량은 콜릿만이 아니라 장착 방식에 따라 달라진다. 5C 드로우튜브 클로저는 봉재를 콜릿과 드로우튜브를 거쳐 주축 보어까지 통과시키며, Hardinge의 데드렝스 관통형 5C 콜릿은 최대 3/4 in의 봉재를 받아들인다. 백플레이트 또는 캠록 마운트에 장착한 ER 척은 대개 콜릿 뒤쪽의 주축 보어가 열려 있지만, 드로우바로 고정하는 모스테이퍼 샹크형 ER 척은 주축을 막기 때문에 척 본체 안에 들어가는 소재만 파지할 수 있다.

정밀도와 런아웃: 콜릿 단품 vs 시스템 전체

Hardinge는 표준 5C 콜릿의 런아웃을 0.001 in(0.025 mm) TIR 이하, 특수 정밀 등급 5C 원형 콜릿을 0.0002 in(0.005 mm)으로 명시하며, 후자는 Hardinge 주축에서 단면으로부터 1 in 위치에서 측정한 값이다. ISO 15488 클래스 2 ER 콜릿은 규정된 시험 맨드릴 돌출 위치에서 0.015 mm(보어 10 mm 이하) 또는 0.020 mm(10–26 mm)까지 허용되며, 클래스 1은 이를 0.010–0.015 mm로 강화하고, 제조사의 UP/AA 등급은 대개 0.005 mm 이하를 달성한다.

선반에서는 이러한 콜릿 수치가 연쇄의 마지막 고리에 불과하다. 가공물에서의 총 런아웃은 일반적으로 다음 항목의 합이다.

1. 주축 노즈의 런아웃
2. 마운트 오차 — D1 캠록 테이퍼, 나사식 노즈, 백플레이트 레지스터 또는 모스테이퍼 샹크
3. 척 본체 시트의 런아웃(5C 시트 또는 ER 테이퍼 보어)
4. 콜릿 런아웃, 그리고 소재 지름이 호칭 사이즈에서 벗어난 정도

일체형 D1 캠록 콜릿척은 조정이 불가능하므로, 테이퍼와 척의 콜릿 시트 사이의 오차가 그대로 가공물에 나타난다. 백플레이트 장착형 척은 선반 위에서 레지스터를 직접 재가공할 수 있으며, 이 때문에 많은 취미 사용자와 소규모 공장이 콜릿척에 백플레이트 장착 방식을 선호한다. ISO 702-2는 캠록식 주축 노즈와 척의 접속 치수를 규정하므로, 어느 제조사의 D1-4, D1-5, D1-6 콜릿척이든 대응하는 주축 노즈에 장착된다. 다만 장착된다고 해서 동심도가 보장되는 것은 아니므로, 신뢰하기 전에 게이지 핀과 다이얼 게이지로 보어를 점검해야 한다.

ER 척에서는 너트 토크가 콜릿 등급만큼 중요하다. REGO-FIX는 최대 보어 구간 기준으로 ER32 표준 너트에 136 Nm, ER40에 176 Nm를 권장하며, 체결이 부족하면 파지력이 떨어지고 과도하게 체결하면 콜릿이 변형될 수 있다. 전체 절차는 ER 콜릿 런아웃 및 토크 가이드에 정리되어 있다.

육각·사각 소재, 스톱, 데드렝스 콜릿, 스텝 콜릿

ISO 15488 ER 콜릿은 원형 샹크 전용으로 규격화되어 있으므로, 소재가 육각이나 사각일 때 선반에서 실용적인 콜릿 선택지는 일반적으로 5C뿐이다. Hardinge는 육각 5C 콜릿을 7/8 in까지, 사각을 3/4 in까지 제공하며, 이는 너트, 피팅, 스탠드오프에 쓰이는 육각 봉재 대부분을 커버한다.

길이 관리는 5C만의 두 번째 강점이다. 대부분의 5C 콜릿에는 나사식 콜릿 스톱용 1.041-24 내부 나사가 있지만, 스톱은 콜릿과 함께 움직인다. Hardinge는 헤드 각도 10° 콜릿의 규칙을 1:3으로 제시한다 — 소재 지름이 0.001 in 변할 때마다 가공물이 0.003 in 들어가거나 튀어나온다. 따라서 소재 지름 편차가 0.003 in이면 최대 0.009 in의 길이 편차가 생길 수 있다. 데드렝스 5C 콜릿은 파지하는 콜릿을 주축 단면에 맞대어 고정된 상태로 유지하며, Hardinge에 따르면 같은 소재 편차에서도 완성 길이의 편차가 일반적으로 0.0002–0.0005 in에 그친다.

ER 콜릿은 뒤로 당겨지는 것이 아니라 테이퍼 안으로 밀려 들어가며 닫히므로, 숄더 길이를 반복 재현하려면 주축 보어나 척 본체에 고정식 백스톱을 두는 것이 일반적이다. 이 경우 반복 정밀도는 가공물마다 너트 토크를 얼마나 일정하게 유지하느냐에 크게 좌우된다.

어떤 콜릿보다도 큰 가공물에는 다음과 같은 방법이 있다.

• 5C 스텝 척은 전용 스텝 척 클로저와 조합하여 5C 클로저의 가공 범위를 지름 최대 6 in까지 확장한다. Hardinge는 주철제 클로저의 허용 회전수를 5,000 rpm 미만(2–4 in), 4,000 rpm 미만(5–6 in)으로 정하고 있다.
• 5C 이머전시 콜릿은 소프트 상태로 공급되며, 현장에서 규격 외 사이즈나 형상에 맞춰 보링하여 사용한다. Hardinge의 경험칙은 수명 300–500개이므로, 양산용 툴링이 아니라 임시방편으로 취급해야 한다.
• ER에는 규격화된 스텝 척이나 이머전시 콜릿에 해당하는 제품이 없다. 대개 소프트 조를 장착한 3조 척이 그 역할을 대신한다.

선반 장착 방식과 풀세트 구성 비용

범용 선반과 소형 CNC 선반의 거의 모든 경우는 네 가지 장착 방식으로 커버된다.

드로우튜브식 5C 클로저는 드로우튜브를 통과시키기 위해 일반적으로 약 1.4–1.5 in(36–38 mm)의 주축 보어가 필요하므로, 보어가 약 20 mm인 대부분의 미니 선반과 9x20급 선반에서는 사용할 수 없다. 이런 기계에는 대개 노즈 장착형 콜릿척 — 백플레이트식 ER32/ER40 척이나 키 조작식 5C 척 — 을 대신 사용하며, 이렇게 하면 주축 보어가 봉재용으로 열린 상태로 유지된다.

비용은 척보다 주로 콜릿 수량과 등급에 따라 늘어난다. 연속 커버용 ER40 세트는 콜릿 약 23개, 5C 분수 인치 세트는 1/32 in 간격이 33개, 1/64 in 간격이 65개이므로, 콜릿 단가가 비슷하다면 5C를 완전히 갖추는 데에는 스톱이나 스텝 척 같은 액세서리를 더하기 전에도 연속 커버용 ER40 세트의 약 1.4–2.8× 개수의 콜릿이 필요하다. D1 캠록에서 3조 척을 콜릿척으로 교체하는 데에는 대개 몇 분이면 충분하다. 마운트의 반복 정밀도가 확보되지 않을 때에만 다시 다이얼링이 필요하며, 이것이 척을 한 번 점검해 두고 가장 좋은 캠 위치를 표시해 두어야 하는 또 하나의 이유이다.

취미용·소규모 공장 선반에는 무엇을 살 것인가 — 그리고 둘 다 갖춰야 할 때

대부분의 취미용·소규모 공장 선반에는 우선 백플레이트 장착형 ER40 척이 적합하다. 콜릿 약 23개로 3–26 mm를 공백 없이 커버하기 때문이다. 육각·사각 봉재, 배치 단위의 길이 관리, 스텝 척이 중요해지면 그때 5C 콜릿척이나 클로저를 추가한다. 둘 다 보유하는 경우도 흔하다. ER은 단품 가공과 규격 외 사이즈의 원형 작업을, 5C는 반복 작업과 이형 소재를 맡고, 그보다 큰 가공물에 대비해 3조 척을 따로 보관해 둔다.

출처

• ISO 15488:2003 — Collets with 8° setting angle for tool shanks — Collets, nuts and fitting dimensions
• DIN 6499 — Clamping sleeves for collet chucks
• ISO 702-2:2007 — Machine tools — Connecting dimensions of spindle noses and work holding chucks — Part 2: Camlock type
• Hardinge — Workholding Spindle Tooling for Manual & CNC Lathes, catalogue #2348J (2023)
• Hardinge — 5C Round Collet Kit, 33 pieces 1/16 in to 1-1/16 in by 32nds
• REGO-FIX — Recommended tightening torque for ER and MR clamping nuts