(절삭)가공 공법에 대하여

작성 계기

제조업에 근무하게 되면 다양한 공정을 접하게 됩니다. 내가 이 공법의 전문가는 아니더라도 같이 회의를 하거나, 라인 점검을 하거나 있어서 대화는 따라와야 겠지요. 절삭 가공 공정의 주요 내용을 간략히 정리하고, 주로 사용하는 단어의 의미를 안내해드릴까 합니다.

용어는 제가 몰랐던 게 있으면, 업데이트를 해서 보완예정이고, 트러블/대책 쪽은 8,9 챕터를 참고하시면 되지 않을까 합니다.

절삭 가공이란?

절단/절삭 가공: 금속, 플라스틱, 목재 등 다양한 재료를 원하는 크기와 형태로 자르는 과정입니다. 밀링, 터닝, 드릴링 등의 방법이 포함됩니다.

* 터닝 가공(Turning) : 주로 선반(Lathe) 기계를 사용하여 원통형의 공작물을 회전시키면서 고정된 절삭 도구로 재료를 절삭하는 과정입니다. 이 공정은 공작물의 외경이나 내경을 가공하거나, 다양한 형상과 치수를 만들기 위해 사용됩니다.

장점

정밀도: 절단 가공은 매우 정밀한 치수와 형상을 구현할 수 있습니다. 이는 복잡한 디자인과 정교한 부품 제작에 매우 유리합니다.
유연성: 다양한 재료와 형태에 적용 가능합니다. 특히, CNC(컴퓨터 수치 제어) 기계를 사용하면 복잡한 형태와 패턴도 쉽게 제작할 수 있습니다.
재료 보존: 최신 절단 기술은 재료의 낭비를 최소화하면서 정밀한 절단을 가능하게 합니다.

단점

높은 비용: 정밀한 장비와 도구가 필요하며, 이는 고비용을 수반합니다. 특히, 초기 투자 비용이 상당히 높을 수 있습니다.
작업 시간: 복잡하거나 세밀한 작업은 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 대량 생산에서는 이러한 시간이 비용 증가로 이어질 수 있습니다.
기술적 요구 사항: 고도의 기술과 숙련된 작업자가 필요합니다. 특히, 정밀한 작업을 위해서는 경험과 전문 지식이 필수적입니다.

이러한 장단점들은 절단 가공을 선택하는 데 있어 중요한 고려사항이 됩니다. 특히 제품의 특성, 생산 규모, 예산 등에 따라 이러한 요소들의 중요성은 달라질 수 있습니다.

용어★

MCT와 선반/밀링머신

1. MCT (머시닝 센터, Machining Center)

특징: CNC(컴퓨터 수치 제어) 기술을 사용하여 자동으로 작동합니다. 여러 축을 가지고 있어 복잡한 형상과 패턴을 가공할 수 있습니다.
용도: 복잡한 3차원 형상의 부품을 가공하는 데 적합합니다. 자동차, 항공우주 부품 등의 제조에 널리 사용됩니다.

2. 선반 (Lathe)

특징: 주로 원통형 부품을 가공합니다. 부품이 회전하면서 고정된 절삭 도구로 재료를 절단합니다.
용도: 축, 롤러, 핀 등 원통형 부품의 외경 및 내경 가공에 사용됩니다.

3. 밀링 머신 (Milling Machine)

특징: 회전하는 절삭 도구를 사용하여 재료에서 칩을 제거합니다. 다양한 축의 움직임으로 평면이나 불규칙한 형상을 가공할 수 있습니다.
용도: 평면, 홈, 기어 등 다양한 형상의 부품 가공에 적합합니다.

4. 드릴링 머신 (Drilling Machine)

특징: 주로 구멍 뚫기 작업에 사용됩니다. 드릴 비트가 재료에 직각으로 접근하여 구멍을 뚫습니다.
용도: 다양한 크기와 깊이의 구멍을 뚫는 작업에 사용됩니다.

5. 연삭기 (Grinding Machine)

특징: 높은 정밀도와 마감 품질을 위해 사용됩니다. 연삭석을 사용하여 재료의 표면을 매끄럽게 합니다.
용도: 표면 마감, 치수 정밀도 향상, 형상 가공 등에 사용됩니다.

황삭과 정삭

황삭 (Roughing)

목적: 재료의 대부분을 빠르게 제거하여 대략적인 형상을 만드는 과정입니다.
특징:
- 큰 절삭 깊이와 폭을 사용하여 빠른 재료 제거율을 달성합니다.
- 공구에 높은 부하가 가해질 수 있으므로, 강한 내구성을 가진 공구가 필요합니다.
- 가공 표면의 마무리 품질은 상대적으로 낮으며, 이후 정삭 과정에서 개선됩니다.
- 효율성이 중요시되어 가공 시간을 최소화합니다.

정삭 (Finishing)

목적: 황삭으로 만들어진 대략적인 형상에 정밀하고 매끄러운 마무리를 제공하는 과정입니다.
특징:
- 작은 절삭 깊이와 폭을 사용하여 높은 표면 마감 품질을 달성합니다.
- 정밀한 치수와 형상 허용 오차를 달성하기 위해 더 세밀하고 정밀한 공구가 사용됩니다.
- 가공 속도는 황삭에 비해 일반적으로 느리지만, 표면 마감과 치수 정밀도가 더 중요합니다.
- 최종 제품의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.

절삭 가공 기초

1. 절삭 저항

절삭저항의 3분력 — 출처 https://case.pe.kr/mold-making-1/

※ 절삭 저항 : 절삭 공정에서 발생하는 힘으로, 공구가 재료를 절삭할 때 재료가 이에 대항하여 공구에 가하는 반력을 말함. 이 저항은 주로 다음 세 가지 주요 구성 요소로 나눌 수 있습니다:

주분력/주 절삭력 (Main Cutting Force): 이 힘은 절삭 방향으로 작용하며, 재료를 절단하는 데 가장 중요한 힘입니다. 이 힘은 절삭 깊이, 공구의 기하학적 형태, 재료의 종류 및 절삭 속도에 영향을 받습니다.
이송분력/급전력 (Feed Force): 이 힘은 공구가 재료를 따라 움직일 때 발생하며, 주로 급전 방향으로 작용합니다. 급전력은 절삭 깊이와 급전 속도에 의해 영향을 받습니다.
배분력/후퇴력 (Radial Force): 이 힘은 절삭 공정 중 공구가 재료에 수직 방향으로 가하는 힘입니다. 이 힘은 공구의 안정성과 가공된 표면의 마감도에 영향을 미칩니다.

1) 전단각

※ 전단각 : 재 료가 변형될 때 발생하는 전단 응력의 방향과 관련된 각도를 나타냅니다. 이는 재료가 절단, 압축, 혹은 다른 형태의 변형을 받을 때 그 변형이 일어나는 방향과 그에 대응하는 전단력의 방향 사이의 각도.
→ 전단각이 크면 : 칩 두께 감소 / 절삭 저항 감소
→ 전단각이 작으면 : 칩 두께 증가 / 절삭 저항 증대

2) 절삭저항을 낮추기 위해서는

- 경사각을 크게한다. (=전단각)
- 피삭재와 친화성이 적은 (융착이 어려운/잘 달라붙지 않는) 공구 재질을 선택한다.
- 절삭 속도를 올린다.
- 절삭유를 사용한다.

3) 주 분력, 이송 분력, 배 분력

절삭 저항을 직접 측정하는 것은 매우 어려우므로 절삭속도/이송/절입 3가지 방향으로 나누어 측정한다. 이 것이 절삭저항의 3분력.

4) 배 분력에 의한 영향

터닝(원통형 공작물의 내/외경 가공)에서 참 경사각이 너무 크면 이송 분력이 마이너스, 절인 경사각이 너무 크면 배 분력이 마이너스가 된다.

참 경사각 (True Rake Angle):
- 참 경사각은 공구의 절삭면과 기준면(대부분의 경우 공구가 공작물에 대해 수평이 되는 면) 사이의 각도를 나타냅니다.
- 이 각도는 공구가 재료를 절삭할 때 재료가 얼마나 쉽게 칩으로 변환되는지를 결정하는 중요한 요소입니다.
- 참 경사각이 크면 칩의 흐름이 원활해지고 절삭 저항이 감소하지만, 공구의 강도가 줄어들 수 있습니다. 반대로, 참 경사각이 작으면 공구의 강도는 증가하지만 절삭 저항이 커질 수 있습니다.
절인 경사각 (Effective Rake Angle):
- 절인 경사각은 실제 절삭 조건에서 공구의 절삭면이 형성하는 각도로, 참 경사각과는 다를 수 있습니다. 이는 공구의 위치나 가공 방향, 공구의 기울기 등에 의해 영향을 받습니다.
- 예를 들어, 공구가 공작물에 대해 기울어진 상태에서 절삭을 진행하면, 실제 절삭 작업에서의 경사각은 참 경사각과 달라질 수 있습니다.
- 절인 경사각은 실제 절삭 환경에서 공구가 재료와 상호 작용하는 방식을 나타내며, 절삭 효율성과 공구 마모, 칩의 형성 및 제거에 직접적인 영향을 미칩니다.

실제로 배분력이 마니어스가 되었을 때, 경우에 따라 피삭재가 공구 쪽으로 휨이 발생하여, 중앙 부근 직경이 가늘게 될 수 있다.

5) 보링 바의 채터링과 절삭저항

보링 바 (Boring Bar):
- 보링 바는 내경 가공, 즉 원통형 공작물의 내부를 확장하거나 정밀하게 가공하는 데 사용되는 도구입니다.
- 이 도구는 긴 막대 형태를 하고 있으며, 한쪽 끝에는 절삭 공구가 부착됩니다. 보링 바는 공작물의 내부로 들어가 내경을 가공할 수 있도록 설계되어 있습니다.
- 보링 바는 길이와 강도가 중요한 요소이며, 긴 도출 거리에서도 안정적인 가공을 할 수 있도록 충분한 강성을 가져야 합니다.
채터링 (Chattering):
- 채터링은 가공 중에 발생하는 불규칙한 진동으로, 공구와 공작물 사이에서 발생합니다. 이는 가공 부품의 표면 마감 품질을 저하시키고, 소음을 발생시키며, 도구와 기계의 마모를 가속화합니다.
- 채터링은 여러 요인에 의해 발생할 수 있습니다. 가장 흔한 원인은 공구의 과도한 길이, 부적절한 공구 강성, 높은 절삭 속도, 부적절한 급전율, 공작물의 고정 불안정 등입니다.
- 채터링을 줄이기 위해서는 공구의 길이를 최소화하고, 적절한 절삭 조건을 선택하며, 공구와 공작물의 고정을 안정화시키는 것이 중요합니다.

보링바는 원통 내부 가공이므로 공구의 길이가 긴 형태이다. 그러므로 채터링(가공 중에 발생하는 진동)이 발생하기 쉽다.

※ 보링 시 채터링을 줄이고 싶다면

(1) 돌출량을 좀 더 짧게 한다.
(2) 생크(절삭공구의 손잡이/그립부분)의 경을 좀 더 크게 한다.
(3) 생크 재질을 강에서 헤비메탈/초경합금으로 변경한다.
(4) 인선의 심고를 피삭재 중심보다 약간 낮추어 경사각을 크게 한다.
(5) 절삭 속도를 낮춘다.
(6) 코너 R이 약간 작은 인서트로 변경한다. (예리한/경사각이 큰 인서트 사용)
(7) 절입각을 90˚ 전후로 한다.

2. 터닝 공구 선택

※ 주요 터닝 공구 재료 특성

세라믹스:
- 세라믹 공구는 높은 경도와 내열성을 가지고 있습니다.
- 주로 고속 절삭에 사용되며, 특히 경화된 강이나 니켈 기반 합금의 절삭에 효과적입니다.
- 그러나 충격에 약하므로, 불규칙한 절삭이나 중단 작업에는 적합하지 않습니다.
서밋(섬멘티드 카바이드):
- 탄화텅스텐을 주성분으로 하는 합금으로, 높은 경도와 내마모성을 가집니다.
- 다양한 절삭 작업에 널리 사용되며, 특히 금속 절삭에 적합합니다.
- 세라믹스에 비해 더 나은 충격 저항성을 보입니다.
초경합금:
- 초경합금은 서밋보다 더욱 향상된 내마모성과 내열성을 가집니다.
- 고속 절삭 및 어려운 재료의 절삭에 적합합니다.
- 하지만, 높은 비용과 세라믹스처럼 충격에 약한 단점이 있습니다.
하이스(HSS: High-Speed Steel):
- 하이스는 고속강으로, 고속 절삭에 사용되는 공구강입니다.
- 내마모성과 인성이 좋아 다양한 절삭 작업에 적합합니다.
- 세라믹스나 초경합금에 비해 경도는 낮지만, 가공성과 경제성이 좋습니다.

1) 외경가공에서 인서트 선택

※ 인서트 형상 선택

- 인서트는 형상/크기/두께/코너 R/칩 브레이커 등의 조합에 의해 많은 종류가 있음.
- 작업 내용/피삭재질/절삭 조건을 고려하여 선택해야 함.

(1) 인서트 형상 : 형상선택 시 가공 형태/절인 강도/클램프 강도/경제성을 종합적으로 고려.

[가공 형태]
└ 외경/단면 가공 : 외경/단면 가공이 동시 가능한 형태(80˚ 마름모 형) 주로 사용.
4각 인서트(네거티브형)는 양면 사용 가능하여 경제적이나, 외경/단면 동시 가공은 불가능하다.
└ 모방 가공 : 피삭재의 형상에 따라 55˚/35˚ 결정하여 사용한다.

[절인 강도]
└ 절인 선단각이 크면 : 절인 강도가 높아 단속 절삭 유리 / 가공형태 제약받음 (인선강도 작음)
└ 둥근 인서트 : 양호한 가공면 but 채터링 발생가능성 크고 코너/수명관리 난해함 (인선강도 최대)

[클램프 강도]
└ 인서트가 크고 두꺼울수록 유리
└ 마름모 형(4각 인서트)은 넓은 면으로 2면 구속하기 때문에 클램프 강도가 우수함.

(2) 코너 R의 영향

- 인서트의 각의 둥그스름한 모양.
(코너 반경 / 노즈 R / 노즈 반경이라고 부름)
- R이 클수록
: 양호한 가공면 / 높은 인선강도를 얻을 수 있다.
: 하지만 채터링이 일어나기 쉽고, 칩 처리성이 악화.

(3) 칩 브레이커의 종류

- 그라운드 타입 (Ground Type) 칩브레이커:
이 유형의 칩브레이커는 정밀한 절삭을 위해 연마된 가장자리를 가지고 있습니다.
뛰어난 마감 품질을 제공하며, 정밀한 작업에 적합합니다.
주로 작은 칩 제거 작업에 사용됩니다.
하지만 한쪽 방향만의 전용 브레이커로 주로 제공됩니다.
- 클램프-온 타입 (Clamp-On Type) 칩브레이커:
클램프-온 타입은 절삭 도구에 클램프로 고정되는 칩브레이커입니다.
교체가 쉽고 다양한 종류의 절삭 작업에 적용할 수 있는 범용성을 가지고 있습니다.
이 유형은 보통 중간 크기의 칩 제거 작업에 사용됩니다.
클램프로 고정되기 때문에 안정적인 절삭 작업이 가능합니다.
특히 세라믹 공구에 많이 사용됩니다.
- 몰디드 타입 (Molded Type) 칩브레이커:
몰디드 타입은 절삭 도구 자체에 형성된 칩브레이커입니다.
대량 생산에 적합하며, 경제적인 선택이 될 수 있습니다.
큰 칩 제거 작업에 주로 사용됩니다.
절삭 도구와 일체형으로 제작되어 고강도와 내구성을 가질 수 있습니다.
주로 채택되는 칩브레이커로 폭넓게 사용되고 있습니다.

2) 외경가공에서 바이트 홀더 선택

가공 형태 / 인산 강도 / 경제성 등을 고려합니다.

(1) 절입각에 의한 선택

낮은 절입각 (예: 0° ~ 45°):
이 각도는 좁은 접촉 영역을 제공하여 절삭 저항을 줄이고, 더 높은 표면 마감을 제공합니다.
낮은 절입각은 칩이 넓게 퍼지기 때문에 칩 제거가 용이합니다.
낮은 절입각 바이트는 일반적으로 벽면이나 단면 가공에 적합합니다.
높은 절입각 (예: 45° 이상):
높은 절입각은 절삭 영역을 확대하여 절삭력을 분산시키고, 가공에 안정성을 제공합니다.
이는 높은 절삭 깊이에 적합하며, 더 강한 절삭력을 견딜 수 있습니다.
높은 절입각은 칩을 더 좁게 만들어, 특정 재료에서는 칩 제거가 더 어려울 수 있습니다.

(2) 가공형태에 따른 절입각과 바이트 홀더 선택

RECESSING (홈 가공)
홈 가공에는 정밀도가 높고 좁은 영역에 접근할 수 있는 바이트 홀더가 필요합니다.
절입각은 작업 조건과 홈의 너비에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 좁은 절입각을 사용합니다.

"RECESSING" : 절삭 가공 분야에서 사용되는 용어로, 기계 부품의 표면에 홈이나 오목한 부분을 만드는 가공 과정.

외경/단면 가공 (인피드/백피드)
인피드 및 백피드 가공에는 다목적 바이트 홀더가 적합하며, 각도는 가공 면의 요구사항에 따라 조정됩니다.
인피드 가공은 더 낮은 절입각을 사용하여 표면 마감을 개선할 수 있습니다.
백피드 가공에는 높은 절입각을 사용하여 칩 흐름을 개선하고 안정적인 절삭을 돕습니다.
외경 가공
외경 가공에는 다양한 절입각이 사용될 수 있으나, 일반적으로 45° 정도의 중간 절입각이 균형 있는 성능을 제공합니다.
외경 면취 가공
외경 면취 가공에는 정밀한 각도 조절이 가능한 바이트 홀더가 필요합니다.
이 경우 절입각은 가공하려는 면취의 각도에 맞춰 선택됩니다.
단면 가공 (인피드)
인피드 단면 가공에는 높은 정밀도와 좋은 표면 마감을 위해 낮은 절입각을 사용하는 바이트 홀더가 적합합니다.
모방 가공 (외경)
모방 가공에서는 대상 표면의 형태를 정확하게 복제하기 위해 특수 설계된 바이트 홀더를 사용합니다.
절입각은 가공되는 부품의 형태와 표면 마감 요구사항에 따라 다양하게 조정될 수 있습니다.

(3) 클램프 기구

ISO에서는 인선 교환식 바이트 클램프 기구를 M/P/S/C 형, 4가지로 규정합니다. 그 외 형태도 같이 나열하였습니다.
레버 록 형 (Lever Lock Type - P)

특징: 레버를 사용하여 절삭 도구를 고정하는 방식. 빠른 도구 교체가 가능하며, 레버 작동으로 안정적인 클램핑을 제공합니다.
장점: 빠르고 쉬운 도구 교체, 높은 클램핑 강도. 조작성이 우수해서 많이 보급되어 있음.
단점: 레버 메커니즘의 공간 제약, 레버가 가공 공간에 방해가 될 수 있음. 상하 방향 클램프 강도가 충분하지 않아, 단속 중(重) 절삭에는 부적합.

더블 클램프 형 (Double Clamp Type - D)

특징: 두 개의 클램핑 포인트를 사용하여 도구를 고정하는 방식. 높은 안정성과 정밀도를 제공합니다.
장점: 강력한 클램핑, 높은 안정성, 좋은 반복 정밀도. 단속 중(重) 절삭에서도 인서트 들뜸을 방지함.
단점: 클램프 해제와 장착 시간이 더 길 수 있음, 복잡한 구조.

웨지 록 형 (Wedge Lock Type - M)

특징: 웨지(쐐기) 메커니즘을 사용하여 도구를 고정하는 방식. 웨지가 도구를 단단히 잡아주어 안정적입니다.
장점: 간단한 구조, 높은 클램핑 강도, 좋은 안정성.
단점: 도구 위치 조정이 다소 까다롭고, 웨지 부분의 마모가 영향을 미칠 수 있음.

스크류 온 형 (Screw-On Type - S)

특징: 나사(screw)를 사용하여 도구를 고정하는 방식. 나사로 도구를 직접 고정하기 때문에 간단하고 효율적입니다.
장점: 구조가 단순하고, 도구 교체가 쉬움.
단점: 나사의 마모나 손상 시 클램핑 안정성에 영향을 미칠 수 있음.

클램프 온 형 (Clamp-On Type - C)

특징: 클램프를 사용하여 도구를 고정하는 전통적인 방식. 다양한 형태의 도구에 적용 가능합니다.
장점: 범용성, 다양한 도구와 호환 가능.
단점: 클램핑 강도가 다른 방식에 비해 약할 수 있음, 도구 교체 시간이 다소 길어질 수 있음.

캠록 형 (Cam-Lock Type - E)

특징: 캠(cam) 메커니즘을 사용하여 도구를 빠르게 고정하고 해제하는 방식. 빠른 도구 교체가 가능합니다.
장점: 매우 빠른 도구 교체, 간단한 작동 방식.
단점: 클램핑 강도가 다른 방식에 비해 약할 수 있으며, 캠 메커니즘의 마모가 영향을 미칠 수 있음.

3) 내경 가공에서 인서트 선택

형상선택은 기본적으로 외경가공과 동일하다. 하지만 내경가공은 보링 바의 돌출이 기므로 중(重) 절삭은 불가능하다. 따라서 형상에 의한 크램프 강도의 차이를 고려할 필요가 없다.

(1) 코너 R의 영향

코너 R이 크게 되면, 절삭저항의 배분력이 증가한다.
보링 바의 배분력은 공구를 휘게 하는 방향으로 작용하므로 채터링이 발생하지 않도록 주의해야 한다.
절입량이 작을 경우, 코너 R이 크므로 칩 처리성 악화가 우려된다.
내경 가공의 경우 칩 배출이 잘 되도록 유의하여야 한다.

(2) 네거티브 형 인서트와 벽면 간섭

소경(小經, 작은 지름)의 내경 가공의 경우 포지티브 형 인서트를 사용하는 것이 일반적. (채터링 우려)
가공 경이 클 때에는, 경제성을 고려해 네거티브 형 인서트 사용.

4) 내경 가공에 사용하는 보링 바 선택

내경 가공의 경우도 외경 가공과 똑같이 절입각의 크기에 따라 적합한 가공형태가 결정된다.

(1) 내경 가공에 사용하는 다양한 보링바

직선 가공
- 배분력을 억제하기 위해 절입각이 90° 근처의 보링 바를 선택한다.
관통 홀
- 절입각을 90°이하로 하며 경제적인 4각 인서트 선택이 선호됨.
직선가공, 단면 가공
- 내경/단면 가공을 동시에 하는 경우, 80° 마름모 형 인서트를 선택한다.
직선가공, 단면 인피드
- 단면 인피드 가공일 경우, 절입각이 큰 보링바 선택.
모방가공
- 간섭 방지를 위해 절인각을 크게 한다.
백 보링, 단면 백피드
- 피삭제의 형상이나 정도, 툴 패스 문제 등으로 보링 바 배치에 제약이 있을 때 선택한다.

(2) 생크 경 선택 포인트

보링 바는 돌출 길이가 길어서 강성 확보(및 채터링 방지)를 위해 가능한 큰 생크 경이 유리하다.
하지만 가공 경에 대해 빠듯한 생크 경은 칩 배출성이 나빠지므로 이를 고려하여야 한다.

(3) 생크 재질

보링바의 생크 부에는 헤비메탈이나 초경합금등의 재질이 사용된다. (강성을 높일 목적)

3. 절삭조건 변경에 따른 영향

터닝 가공에서는 절삭속도, 이송량, 절입량 등의 절삭 조건이 공구 수명에 영향을 준다.

1) 절삭 속도

공구 수명에 가장 영향이 큰 요소이다.
절삭 속도가 빨라지면 공구 수명이 매우 빠르게 짧아진다.
(절삭 온도 상승)
절삭 속도가 너무 느려지면 또한 공구 수명이 짧아지고 가공 정도가 나쁘다.
(절인에 융착 발생하여 치핑/결손 등의 트러블 발생)
사이클타임은 이송 속도에 비례하는 것이지 절삭속도와 반드시 비례하는 것은 아니다.

2) 절삭 속도와 표면 조도

고정된 RPM으로 진행하는 단면 인피드 가공을 예시로,
밖에서 안으로 가공을 할 때 안쪽으로 올수록 표면조도가 나빠질 수 있다. (사상면 악화)
이는 이송속도가 동일할 때 내측으로 올수록 절삭속도가 줄어들기 때문이다. (r ↓)
이 경우 RPM을 올릴 필요가 있다.

3) 공구 재종에 따른 표면 조도 비교

위와 같이 회전속도가 일정하면 절인이 원반의 중심에 도달하면서 절삭 속도는 저하된다.
저속 영역에 도달 시 구성 인선 발생으로 표면조도가 현저히 열화 하며, 피삭재의 가공면은 백탁화된다.
백탁 영역은 공구 재종에 따라 큰 차이가 있다. 피삭재와 친화성이 낮은 공구 재종일수록 구성인성 발생 영역이 낮다.(=백탁 영역이 적다.) 서멧이나 CVD코팅 초경합금은 피삭재와 친화성이 낮고, 초경합금은 상대적으로 크다. (피삭재 예시 : S45C)

4) 이송량

이송량은 절삭 속도 다음으로 공구 수명에 영향을 준다.
- 이송량을 줄이면 → 피삭재의 가공경화된 부분을 절삭하기 때문에 공구 수명 짧아짐.
- 이송량을 크게 하면 → 절삭온도 상승에 따라 여유면 마모카 커지나 절삭속도 상승에 비하면 적다.
∴ 이송량을 크게하면 공구 수명 저하가 크지 않고 가공 능률은 향상하므로 가공 비용 저감에 효과적이다,

5) 절입량

절입량은 공수 수명에 영향이 적은 요소다. 하지만 매우 적은 절입은 이송량 때와 같이 공구수명을 저해함. 흑피 등 불순물이 함유된 피삭재의 단단한 표면을 절삭할 땐 절입량을 크게 하지 않으면, 인선에 치핑이나 이상마모를 일으키는 원인이 된다.
∴ 절입량은 큰 것이 좋음

4, 공구형상 변경에 따른 영향

터닝 가공의 인선의 모든 각도는 절삭에서 다양한 요소에 영향을 줌. 각각의 각도가 어떤 작용을 하는지 이해하는 것이 중요.

1) 참 경사각

절삭 저항, 칩 배출, 절삭 열, 공구 수명에 큰 영향을 줌.

	크게	작게
영향	- 절삭이 좋아진다. - 1˚ 크게 하면, 절삭저항이 1% 감소한다. - 인선 강도가 저하한다.	- 너무 작으면 절삭저항이 증대한다.
피삭재 종류	- 연할 때 - 절삭이 쉬운 재료일 때	- 너무 단단할 때
절삭조건, 기타	- 피삭재, 기계에 강성이 없을 때	- 인선 강도를 필요로 할 때

2) 횡 여유각

공구의 여유면과 피삭재의 마찰을 피해 인선을 피삭재에 보내는 기능을 함.

	크게	작게
영향	- 여유면 마모가 감소한다.	- 인선 강도가 향상한다.
피삭재 종류	- 연할 때 - 가공 경화가 쉬운 재료일 때	- 단단할 때
절삭조건, 기타		- 인선 강도를 필요로 할 때

3) 횡 절인각

충격적 하중 완화, 이송 분력과 배분력의 크기, 칩 두께에 영향을 줌.

	크게	작게
영향	- 칩 처리성이 악화. - 공구 수명이 길어진다. - 가늘고 긴 피삭재에서는 굽힘이 일어날 수 있다.
피삭재 종류	- 단단하고 발열량이 클 때	- 가늘고 길 때.
절삭조건, 기타	- 기계, 피삭재의 강성이 있을 때	- 기계의 강성이 없을 때. - 절입 량이 적은 사상 절삭일 때.

4) 전 절인각

통상 5 ˚~15 ˚로 한다. 절삭 가공면과 공구와의 간섭을 방지하는 용도.

	크게	작게
영향		- 인선 강도가 증대. - 인선에 열이 발생하기 쉬움. - 절삭저항의 배분력이 증가하여 채터링 발생.
절삭조건, 기타	- 사상 절삭일 때	- 중 절삭일 때

5) 절인 경사각

경사면의 기울기를 나타내는 각도. 절삭 개시점의 인선에 걸리는 응력을 인선 선단이 받아 결손이 일어나는 것을 방지함. 터닝 가공에서 3 ˚~5 ˚, 밀링 가공에서 10 ˚~15 ˚ 가 추천됨.

	크게	작게
영향	- 칩은 피삭재와 반대쪽으로 배출된다.	- 칩은 피삭재 쪽으로 배출된다. - 인선 강도가 커진다. - 절삭 저항의 배 분력이 증가하고, 채터링이 일어나기 쉽다.

5. 호닝의 중요성

가공 인서트에서 "호닝(Honing)"이라는 용어는 인서트의 절삭 가장자리에 미세한 마무리 처리를 가하는 과정을 지칭합니다. 이 처리는 인서트의 성능을 향상시키기 위해 사용되며, 다음과 같은 특징과 목적을 가집니다:

가장자리 강화: 호닝 처리는 인서트의 절삭 가장자리를 강화하여 내마모성을 증가시킵니다. 이는 인서트의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.
절삭력 감소: 미세한 마무리 처리는 절삭력을 감소시키며, 이로 인해 가공 중에 발생하는 진동과 소음을 줄일 수 있습니다.
표면 마감 향상: 인서트의 호닝 처리는 가공되는 부품의 표면 마감 품질을 향상시킵니다.
칩 제거 개선: 호닝 처리는 칩의 형성과 제거를 개선하는 데 도움을 줍니다.
열 분산: 호닝은 절삭 과정에서 발생하는 열을 분산시켜, 과도한 열로 인한 인서트 손상을 예방합니다.

가공 인서트에서의 호닝 처리는 절삭 도구의 성능을 최적화하기 위한 중요한 공정 중 하나입니다. 이는 더 나은 절삭 성능, 향상된 내구성 및 더 우수한 가공 결과를 얻기 위해 적용됩니다.

1) 호닝 형상의 영향

	둥근 호닝	챔퍼 호닝
절인 강도	강하다.	약하다
절삭성	열세	우세
설명	- 호닝량(폭)이 같을 경우 절인 강도는 둥근 호닝 쪽이 강하다. - 챔퍼 호닝의 경우 호닝 각도에 따라 절인 강도는 변한다. → 일반적으로 각도가 클 수록 절인 강도는 높게 된다. (절삭성은 반대)

2) 호닝량의 영향

	호닝을 크게 하다	호닝을 작게 하다
절삭 조건	흑피, 단속절삭과 같은 인선에 강한 충격이 가해질 때	사상 절삭 등 매우 작은 절입, 매우 작은 이송일 때
피삭재 경도	단단하다.	무르다.
피삭재-기계의 강성	있다.	없다.
설명	- 호닝은 인선 강도를 위해 필요하나, 절삭성은 저하하므로 가능한 최소한의 호닝량을 적용해야 함. - 최적의 호닝량은 일반적으로 이송량의 1/2 - 연질의 피삭재(알루미늄 등)의 경우 호닝 없는 인선을 사용하는 경우도 있음.

3) 랜드

랜드는 인서트의 절삭 가장자리 부분에 있는 평평한 면을 가리키며, 이는 절삭 과정에서 중요한 역할을 합니다. 인서트의 랜드는 다음과 같은 목적과 특징을 가집니다:

가장자리 강화: 랜드는 인서트의 절삭 가장자리를 강화하여 내구성을 증가시킵니다. 이는 인서트가 더 오랜 시간 동안 절삭 성능을 유지할 수 있도록 돕습니다.
절삭력 분산: 랜드는 절삭 시 발생하는 힘을 분산시키는 역할을 하여, 인서트와 공작물에 가해지는 스트레스를 줄입니다.
표면 마감: 랜드의 크기와 형태는 가공되는 부품의 표면 마감에 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적으로, 랜드가 작을수록 더 좋은 표면 마감을 얻을 수 있습니다.
내마모성: 랜드는 인서트의 마모를 방지하는 데 도움을 줍니다. 특히 거친 가공이나 고하중 절삭 작업에서 중요한 역할을 합니다.
칩 형성: 랜드의 형태와 크기는 칩의 형성 및 제거에 영향을 미칩니다. 올바른 랜드 디자인은 칩 제거를 용이하게 하여 절삭 과정의 효율성을 높일 수 있습니다.

6. 칩 처리

칩 처리는 생산성을 향상, 안전사고 가능성을 낮추는데 큰 영향을 미치므로 반드시 고려해야 할 요소이다.

1) 칩 처리에 영향을 미치는 요인

터닝에서 절삭 두께 h로 절삭하면, 칩 두께는 약 3h로 배출된다. 단면적은 일정하므로 길이가 1/3로 줄어든다는 뜻

→ 금속이 칩으로 변할 때 매우 큰 힘을 받는다는 뜻.

절삭속도 / 횡 절인각 / 경사각 / 절삭유체 / 코너 R 등이 주요 요인입니다.

절삭속도 (Cutting Speed)

절삭속도는 절삭 도구가 공작물 표면을 지나가는 속도를 의미합니다.
높은 절삭속도는 더 빠른 칩 제거율을 의미하지만, 과도한 열 발생과 도구 마모를 증가시킬 수 있습니다.
고속 저이송에서는 칩이 파단되지 않고 길어지는 경향이 있습니다. 그 결과 공구, 피삭재 등에 얽힐 수 있습니다.
과도한 고속 고이송에서는 칩이 비산하고 채터링 발생/ 사상면이 불량한 문제가 발생가능합니다.

횡 절입각 (Side Cutting Edge Angle)

횡 절입각은 절삭 도구의 주 절삭날과 공작물 표면과의 각도를 의미합니다.
이 각도는 칩의 흐름 방향과 칩의 형성에 영향을 미칩니다.
적절한 횡 절입각은 칩이 도구에서 쉽게 분리되도록 하여, 칩의 혼잡과 절삭 부위의 열 축적을 방지할 수 있습니다.
횡 절인각이 크면 칩 처리성은 악화됩니다. (절단 두께는 얇아지고, 칩 폭은 넓어짐.)

경사각 (Rake Angle)

경사각은 절삭 도구의 절삭면과 공작물 표면 사이의 각도를 의미합니다.
양의 경사각은 칩이 더 쉽게 흐르도록 하여 절삭 저항을 줄이고, 마이너스 경사각은 도구의 강도를 증가시킵니다.
경사각은 칩의 형성과 제거, 절삭력, 그리고 열 발생에 큰 영향을 미칩니다.
경사각이 작을수록 칩은 두꺼워져서 Curl 형태가 됩니다. (둥글게 말리거나 고리 형태가 된다.)
경사각이 작으면 전단각이 작아져 칩이 두꺼워지고 파단되기 쉬워진다. 반대로, 경사각이 크면 전단각이 커져 칩이 얇고 길어지는 경향을 보입니다.

절삭유체 (Cutting Fluid)

절삭유체는 절삭 과정에서 발생하는 열을 제거하고, 마찰을 줄이며, 칩의 제거를 돕는 역할을 합니다.
적절한 절삭유체의 사용은 칩 제거를 용이하게 하고, 도구 마모와 공작물의 열 손상을 줄입니다.
절삭유를 사용하면 칩 브레이커의 칩 처리 유효범위가 넓어집니다. 가열된 칩이 급랭으로 경화되어 파단되어 처리되기 때문입니다.

코너 R (Corner Radius)

코너 R은 절삭 도구의 절삭날 끝단의 반경을 의미합니다.
코너 R은 절삭 압력의 분포, 표면 마감, 도구 내구성에 영향을 미칩니다.
적절한 코너 반경은 칩의 형성을 개선하고, 절삭 과정에서의 진동을 줄일 수 있습니다.
일반적으로, 코너 R이 크면 칩 처리성은 악화됩니다. 횡 절인각이 커져 칩의 curl 반경이 커져 파단되기 어려워지기 때문입니다.

2) 칩 브레이커 기능

칩 브레이커의 기능은 칩 처리 기능 향상과 절삭 저항 저감에 있습니다. 이를 통해 공구 마모를 지연시킬 수 있습니다.

3) 칩 브레이커 설계의 기본적 사고

- 사상용 브레이커 (Finishing Breaker)

장벽 위치: 사상용 브레이커는 비교적 낮은 절삭력과 얇은 칩을 처리해야 하므로, 장벽은 낮게 설계됩니다.
칩 포켓: 칩 포켓은 얇고 연속적인 칩을 쉽게 배출할 수 있도록 작고 얕게 설계됩니다.
목적: 최적의 표면 마감과 칩 제거를 위해, 절삭 저항을 최소화하면서도 효과적으로 칩을 제어해야 합니다.

- 황절삭용 브레이커 (Rough Cutting Breaker)

장벽 위치: 황절삭에서는 가장 두꺼운 칩을 처리해야 하므로, 장벽은 더 높고 견고하게 설계됩니다.
칩 포켓: 칩 포켓은 크고 깊게 설계되어, 크고 두꺼운 칩을 수용하고 제거할 수 있어야 합니다.
목적: 황절삭용 브레이커는 매우 높은 절삭 부하와 대형 칩을 효과적으로 처리할 수 있어야 하며, 동시에 도구의 내구성과 안정성을 유지해야 합니다.

7. 가공면 조도에 영향을 주는 요인

가공면 조도에 영향을 주는 요인은 절인의 형상과 정도, 구성 인선 유무, 공구마모, 공작 기계의 운동 정도, 칩 생성 기구, 절삭 조건 그리고 가공 형식에 따라서 다양하다.

1) 공구 재종 선정

양호한 가공면을 얻기 위해 가장 중요한 것은 구성 인선을 발생하지 않도록 하는 것.

※ 구성인선 : 가공 경화된 피삭재가 절인 선단부에 달라붙어 그 자체가 인선이 되어 피삭재를 절삭하는 것.

→ 피삭재와 친화성이 적은 공구 재종을 선정해야 한다.

강의 절삭 가공에선 TiC나 TiN(탄화 티탄, 질화 티탄)을 주성분으로 한 서멧이 WC(탄화텅스텐)에 비해 철의 용해도가 적다.

2) 공구 형상 선택

인서트의 코너 R 치수가 공구 형상 중 조도에 가장 큰 영향을 준다.

가공면 조도는,

코너 R이 클수록 작아(매끈해) 진다.
이송량이 클수록 커진다(거칠다).
공구 경사각을 크게 하면 조도 개선에 좋다.
호닝은 적은 쪽이 양호한 가공면을 얻기 쉽다.

3) 절삭 조건 변경

가공면 조도는 이송량에 좌우된다.
→ 이송량을 적게 하면 가공면 조도는 개선되나, 너무 적으면 가공능률이 저하되므로 조도를 악화시키지 않을 만큼의 이송량을 설정한다.
절삭온도를 재결정 온도 이상으로 설정하여 용착이나 구성인선 발생을 억제한다.
절삭 속도를 올리면 구성인선이 삭감된다.
이송량과 절입량을 증가시켜 절삭 온도를 상승시키는 것도 개선 방법으로 검토할 수 있다.

4) 와이퍼 인서트 이용

와이퍼 인서트의 특징
- 와이퍼 인서트는 전통적인 인서트보다 더 넓은 접촉면을 가지고 있어, 가공 표면에 대한 압력을 더 넓게 분산시킵니다.
장점
- 향상된 표면 마감: 일반 인서트에 비해 더 우수한 표면 마감을 제공합니다.
- 고속 가공 가능: 높은 절삭 속도에서도 안정적인 가공이 가능하며, 생산성을 높일 수 있습니다.
- 짧은 가공 시간: 더 높은 속도에서 효율적으로 작업할 수 있어, 가공 시간을 단축시킵니다.
단점
- 비용: 와이퍼 인서트는 일반 인서트보다 비용이 더 높을 수 있습니다.
- 적용 제한: 모든 유형의 가공 작업에 적합하지 않을 수 있으며, 특정 조건에서만 최적의 성능을 발휘합니다.
→ 절삭 저항이 증가하므로 SHAFT와 같은 피삭재, 저 강성 공장기계나 클램프에서는 채터링이 발생합니다. 또한 모방가공에는 적합하지 않습니다.

8. 절인 손상과 대책 ★

1) 통상 손상

- 여유면 마모 (플랭크 마모)

원인	절삭열이 오르기 쉬운 피삭재, 즉 단단한 재료를 절삭할 때 여유면 마모가 발달한다.
대책	- 내 마모성이 큰 공구 선택. - 절삭 속도를 적절한 수준으로 낮춘다. - 이송속도가 극단적으로 적을 때에도 발생하기 때문에, 이송 속도를 올린다.

- 경사면 마모 (크레이터 마모)

원인	인선 성분이 칩에 의해 가져감으로써 발생한다. 절삭열이 오르기 쉬운 강한 재료를 가공할 때 발달하기 쉬운 손상이다.
대책	- 인서트가 초경 재종일 때엔 코팅 재종으로 변경한다. - 절삭 속도/이송 속도를 낮추어 마모 발달을 지연시킨다. - 경사각을 크게 한다.

2) 이상 손상

- 구성 인선

원인	가공 경화된 피삭재가 절인 선단부에 부착된 것. - 절삭 온도가 낮아 피삭재의 재결정 온도까지 도달하지 않은 경우. - 공구 재종과 피삭재의 친화성이 높은 경우.
대책	- 절삭 속도를 올린다. (절삭온도 ↑) - 경사각을 크게한다. (부착물 퇴적 방지) - 호닝을 작게 하고, 윤활성이 큰 절삭유 사용. - 공구 재종을 피삭재와 친화성이 낮은 것으로 변경한다. (서멧, 코팅 재종 등)

- 절입 경계마모

원인	재료의 가공 경화부를 깎을시 발생 가능성 大. 가공 경화가 쉬운 재료나 주물, 열간 단조품, 열처리품 등을 가공할 때 주의할 필요가 있음. 절인의 여유면 등에 보이는 산화 손상은 절인이 고온에 노출되어 공구의 표면 조직이 불안정하게 되어 일어 난다.
대책	칩 두께를 줄이고 폭을 넓히면 단단한 피삭재의 표면을 효율적으로 절삭할 수 있다. - 절인의 횡 절인각을 크게한다. - 인서트 코너 R을 크게, 절입량을 코너 R내로 설정. - 난삭재로 절입량이 필요한 경우는 원형 인서트 선택.

- 결손

원인	인선의 결손은 주로 충격에 의해 일어남.
대책	- 공구 재종을 연한 것으로. - 인서트의 호닝을 크게한다. - 가능하다면 코너 R을 크게. - 경사각을 작게 해서 절인의 강도를 확보. - 칩 브레이커를 변경. (랜드를 크게) - 강 절삭의 경우 이송량을 낮추거나, 생크 사이즈를 크게 하여 강성을 확보.

- 치핑

원인	절인 능선부에 생기는 미소 결손을 뜻함. 진동 충격에 일어날 수도, 융착된 피삭재가 탈락할 때 발생할 수도 있다. 따라서 단단한/연한 피삭재 가공시 모두 발생 가능하다.
대책	- 공구 재종을 연한 것으로. - 인서트의 호닝을 크게한다. - 가능하다면 코너 R을 크게. - 경사각을 작게 해서 절인의 강도를 확보. - 칩 브레이커를 변경. (랜드를 크게) - 강 절삭의 경우 이송량을 낮추거나, 생크 사이즈를 크게 하여 강성을 확보.

- 파손

원인	인선이 크게 파손 되는 것은 절삭 조건이나, 공구형상, 공구 재료를 검토할 필요가 있다.
대책	취부 상태를 확인한다. - 인서트 부착부의 이물을 제거하여 적절한 취부를 한다. - 적정한 토크로 조인다. 절삭조건을 낮춘다. - 피삭재의 취부나 기계의 진동을 체크해서 채터링 발생이 없는 절삭 조건에서 절삭 가공한다.

- FLAKING

원인	플레이킹은 조개껍데이 형상의 조각을 뜻한다. - 절삭부에 걸리는 피삭재의 탄성 변형에 의해 절인에 압축 응력이 생겨서 일어난다. - 용착물/응착물이 떨어져 나갈 때 박리 발생. - 고경도 재료의 절삭에 프레이킹이 발생할 여지가 크다.
대책	절삭 저항을 낮추는 것이 효과를 볼 수 있다. - 이송량과 절삭속도를 낮춘다. - 코너 R을 작게한다.

- 용착

원인	- 절삭열로 녹기 쉬운 연한 피삭재 절삭시. - 피삭재와 공구의 친화성이 높을 때. - 가공면의 악화, 인선의 치핑을 초래함.
대책	- 절삭 속도를 올린다. - 알루미늄 합금은 여유각을 크게 한다. (탄선 변형에 의해 여유면에도 용착을 일으키므로) - 경사면을 경면 사상한다. (칩 흐름을 좋게 하기 위함.)

- 소성 변형

원인	인선의 소성변형. 저항력 만으로 눌려 굽어지는 경우는 희박하다. 절삭열이 클 경우 인선의 연화로 큰 변형이 일어나기 쉽다.
대책	- 공구 재종을 단단한 것으로 변경한다. - 절삭 조건을 낮춘다. (절삭속도/이송량 ↓, 절삭열을 억제하기 위함) - 코너 R을 크게한다. - 절삭유를 사용한다.

- 열균열

원인	열충격에 의해 발생한다. (가열-냉각을 단시간에 반복)
대책	- 절삭성이 좋은 인서트를 사용하여 발열을 억제한다. - 공구 재종을 내열충격성이 좋은 재종을 선택한다. - 에너 블로를 사용한다. * "에너블로(Enabler)" : 절삭 공정의 효율성과 정밀도를 개선하는 데 도움이 되는 기술이나 도구. - 절삭유를 가능한 많이 사용한다.

9. 트러블 슈팅 ★

- 가공 정도의 변화, 인서트 마모가 빠르다.

원인	- 인서트 재종이 너무 무르다. - 절삭 속도가 빠르다. - 이송이 너무 작다.
대책	- 내마모성이 높은 재종을 선정한다. - 절삭 속도를 낮춘다. - 이송 속도를 올린다.

- 가공 치수에 산포 발생

원인	- 인서트 정도가 나쁘다. - 절삭저항이 커서 인선이 마모됨.
대책	- 인서트 정도 향상 - 절삭성이 좋은 브레이커 선정 - 코너R을 작게한다. - 횡 절인각을 작게 한다. - 홀더 강성을 향상 시킨다.

- 가공면 정도가 나쁘다.

원인	- 용착이 발생한다. - 절인 형상의 부적정. - 채터링이 발생.
대책	- 절삭 속도를 올린다. - 습식 절삭 또는 비수용성 절삭유를 사용한다. - 절삭성이 좋은 브레이커 선정. - 코너R을 키운다. - 채터링이 발생하는 경우 절삭 조건을 낮춘다. - 홀더 강성을 향상시킨다.

- 발열이 크다.

원인	- 절삭 조건의 부적정. - 절인 형상의 부적정.
대책	- 절삭 조건을 낮춘다. - 절삭성이 좋은 브레이커 선정.

- 버(BURR) 발생. (강/알루미늄)

원인	- 절삭 조건 부적정 - 절인 형상의 부적정
대책	- 절삭 속도를 낮춘다. - 이송 속도를 올린다. - 습식 절삭을 한다. - 절삭성이 좋은 브레이커 선정. - 코너 R을 작게 한다. - 횡 절인각을 작게 한다.

- 피삭재 치핑. (주철)

원인	- 절삭 조건 부적정 - 절인 형상의 부적정
대책	- 이송/절입량을 줄인다. - 절삭성이 좋은 브레이커 선정. - 코너R을 크게한다. - 횡 절인각을 크게 한다.

- 거칠다. (연강)

원인	- 공구 재종 부적정 - 절삭 조건 부적정 - 절인 형상의 부적정 - 기계 진동
대책	- 내용착성이 높은 재종 선정. - 절삭 속도를 올린다. - 습식 절삭 또는 비수용성 절삭유 사용. - 절삭성이 좋은 브레이커 선정. - 홀더 강성을 향상시킨다.

- 칩이 길어진다.

원인	- 절삭 조건 부적정 - 브레이커 선정 부적정 - 절인 형상의 부적정 - TOOL PATH 부적정
대책	- 절삭 속도를 낮춘다. - 이송/절입량을 키운다. - 습식 절삭으로 한다. - 절삭 조건에 적합한 브레이커로 변경. - 코너 R을 작게한다. - 횡 절인각을 작게한다. - 단면은 인피드 가공으로 한다.

- 칩이 미세, 비산

원인	- 절삭 조건 부적정 - 브레이커 선정 부적정 - 절인 형상의 부적정
대책	- 이송/절입량을 키운다. - 습식 절삭으로 한다. - 절삭 조건에 적합한 브레이커로 변경. - 코너 R을 작게한다. - 횡 절인각을 크게한다.

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