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절삭 공정 가장 중요한 요소 '칩 두께'
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절삭 공정 가장 중요한 요소 '칩 두께'

금속 절삭 연구자들, 평균 칩 두께 개념 고안

기사입력 2016-09-30 11:28:16
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[산업일보]
절삭 공구로 절삭되는 칩 두께는 절삭 공정에서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 칩 두께는 절삭 인선에 직각인 비변형 재료의 두께를 말하며, 이는 공구와 피삭재에 영향을 주는 절삭력과 밀접한 관련이 있다. 칩 두께가 과도하면 절삭 인선의 치핑과 파손이 발생하고, 칩 두께가 부족하면 공구 인선이 빠르게 마모된다.

절삭 공정 가장 중요한 요소 '칩 두께'

칩 두께의 중요성에 대한 제조업체의 이해가 부족할 경우 절삭 공구의 과부하 또는 활용도 저하로 이어져 공구 수명과 생산성에 부정적 영향을 줄 수 있다. 수학적 모델은 칩 두께의 기능적 중요성을 이해하는 데 매우 유용하다. 첫 번째 칩 두께 모델은 정적 선삭 작업으로 생성되는 칩 두께를 설명하는 간단한 공식이다. 단속 절삭 환경의 밀링 칩 두께 모델은 더 많은 변수를 고려하는 수준으로 발전해, 보다 정확한 결과를 산출할 수 있게 됐다.


밀링 작업의 평균 칩 두께 모델
연속 절삭 작업에서는 칩 두께가 변하지 않지만, 밀링 작업에서는 절삭 인선이 피삭재 재질에 단속적으로 진입하고 나가기 때문에 두께가 계속 변화한다.

절삭 공정 가장 중요한 요소 '칩 두께'

약 40년 전 금속 절삭 연구자들은 밀링 작업의 칩 두께를 간단히 이해할 수 있도록 평균 칩 두께라는 개념을 고안했다. 이 모델은 평균 두께가 일정한 이론상의 칩을 수학적으로 제시한다. 평균 칩 두께 모델은 밀링 공정에 대한 이해력을 높이고 이를 효과적으로 통제하는 데 도움을 준다.

평균 칩 두께 공식은 피삭재에 대한 밀링 커터의 원주 절입, 절삭 인선의 형상 및 절삭 인선의 각도, 이송을 고려한다. 이송이 커질수록 칩이 두꺼워지고 이송이 작을수록 칩이 얇아진다. 절삭 인선이 피삭재에 절입하는 각도는 칩 두께에 직접적인 영향을 준다. 절삭 인선 각도가 90도 이하일 경우 칩이 더 얇아진다.

평균 칩 두께 모델은 복잡한 상황을 단순화해, 약 15%의 오차 범위 내에서 공구 수명을 예측할 수 있게 해준다. 이러한 수준의 정확도는 일반 피삭재 재질을 대상으로 한 여러 작업에서 동력과 토오크를 계산하기에 충분하다. 그러나 부품 치수를 매우 정확히 구해야 하거나 가공이 어려운 재질을 밀링할 때는 추가 요소를 고려하는 모델이 필요하다.

동등한 칩 두께 모델
스웨덴의 연구자 Sören Hägglund는 밀링 공정의 다양한 요소를 고려하는 모델을 개발했다. 동등한 칩 두께 모델은 공구 수명을 예측할 경우 오차 범위가 2% 이내이다. 이 모델의 노란색 호는 밀링 커터가 만들어내는 실제 칩 두께의 변화를 나타낸다. 평균 칩 두께의 접근 방식을 나타낸 주황색 막대는 노란색 칩을 펼친 버전에 해당하며 파란색 막대는 동등한 칩 두께 모델을 나타낸다.

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동등한 칩 두께 모델과 평균 칩 두께 모델의 주요 차이점은 공구 인선이 절삭에 개입하는 시간을 추가 요소로 포함했다는 점이다. 이 요소는 커터가 피삭재에 절입하는 시간에 따라 절삭 인선이 절삭에 개입하는 시간이 달라지고, 그에 따라 생성되는 칩 두께가 변화하기 때문에 상당히 중요하다.

또한 동등한 칩 두께 모델은 칩 두께 계산 시 공구의 노즈 반경을 고려하는데, 이는 1930년대 초 스웨덴 연구자인 Ragnar Woxén이 선삭 작업에 처음 도입한 개념이다. Woxén의 공식은 공구의 노즈에 따른 칩 두께를 이론적으로 계산하고 노즈 반경을 펼쳐, 칩 영역을 삼각형으로 설명한다.

제조업체는 칩 두께를 계산함으로써 칩이 원하는 두께보다 얇아지거나 두꺼워짐으로 인해 발생하는 문제를 피할 수 있다. 원주 절입이 커터 직경보다 클 경우에는 이송을 줄여 칩 두께를 동일하게 유지해야 한다. 이렇게 하면 최대 칩 두께가 과도하게 커져 공구 수명이 단축되고 결과적으로 커터가 파손되는 것을 막을 수 있다.

반면 초내열 합금 및 티타늄 등 변형 경화되는 경향이 있는 재질을 가공할 때는 칩이 너무 얇아지지 않도록 하는 것이 중요하다. 절삭 인선이 칩을 특정 최소량보다 얇게 만들 경우, 2차 절삭 인선에 의해 절단되는 경화 영역이 생성된다.

변형 경화된 재질 층을 절단하면 공구 마모 속도가 빨라져 공구 수명이 약 3분의 1까지 단축될 수 있다. 실제 작업장에서도 변형 경화된 재질을 경화강과 같이 얕은 절삭 깊이로 절단, 밀링 커터를 부적절한 변수로 작동시켜 불충분한 두께의 칩을 만들어내는 경우가 많다.

컴퓨터를 이용한 정교한 계산
동등한 칩 두께 모델은 밀링 공정에 영향을 미치는 수많은 변수를 고려하기 때문에, 매우 복잡한 계산으로 공식을 풀어야 한다. 이러한 계산을 작업장에서 직접 실행하는 것은 매우 비현실적이다. 이에 따라 Seco 및 기타 공구 업체를 비롯한 절삭 공구 업체들은 수 초 이내에 계산을 실행하는 컴퓨터 소프트웨어 프로그램을 개발했다.

일반적인 칩 두께 계산 프로그램의 경우 가공 부품의 요구 사항을 바탕으로 피삭재 재질, 절삭 방법, 공구 형상을 입력하면 소프트웨어가 제품 데이터 관리 데이터베이스로부터 공구 치수 및 기타 하드웨어 세부 사항을 검색하고, 해당 정보를 절삭 형상과 결합해 공구 형상을 정의한다.

사용자가 원하는 절삭 깊이와 이송에 관한 정보를 입력하면 소프트웨어가 계산 작업을 수행해, 최소 및 최대 범위 안의 칩 두께를 만들어낼 절삭 변수를 결정한다. 첫 계산을 수행한 후에는 절삭 속도를 조절해 공구 수명을 원하는 수준으로 조정할 수 있다.

계산 프로그램은 또한 무게 요소를 통해, 공정 및 공구 변수를 수용 불가능(0)부터 최적(4)에 해당하는 다섯 가지 카테고리의 수용 가능성 조합으로 만들어낸다. 컴퓨터는 계산 속도가 빨라 여러 변수를 단 몇 초 안에 고려할 수 있고 해당 결과는 다양한 상황에 적용 가능하다.

동등한 칩 두께 공식을 컴퓨터로 계산하면 다양한 종류의 공정 요소 및 관계를 고려할 수 있다. 예를 들어 그림 4는 이송(수직 축)과 원주 절입(수평 축)의 관계를 나타낸다.

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평균 칩 두께 모델은 커터의 50% 이상이 절삭에 절입될 경우 이송이 크게 상승하는 곡선을 형성한다. 그러나 커터 절입이 50%를 넘으면 보통 이송이 감소하기 때문에 이러한 전략은 현실성이 크게 떨어진다. 반면에 동등한 칩 두께 모델은 커터 절입이 50%를 초과할 경우 곡선이 평평해지면서 이송이 동일하게 유지되고 최대 칩 두께가 그대로 유지되는 것을 보여준다.

그림 5는 커터 직경(수평 축)과 이송(수직 축)의 관계를 나타낸다. 이 그래프는 커터 직경이 증가할수록 절삭력이 강해져 이송을 더 높일 수 있음을 보여준다. 동등한 칩 두께 모델을 컴퓨터로 계산하면 이러한 관계를 손쉽게 정량화하고 이송을 높여 생산성 증가 효과를 얻을 수 있다.

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비슷한 방법으로 그림 6은 원주 방향 절삭 깊이(수평 축)와 이송(수직 축)이 칩 배출에 미치는 효과를 나타낸다. 원주 방향 절삭 깊이 또는 이송을 늘리면 칩 흐름이 증가한다. 그래프는 커터의 직경과 날수에 따라 칩을 가장 효율적으로 배출할 수 있는 원주 방향 절삭 깊이와 이송의 조합을 보여준다.

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원주 방향 절삭 깊이가 작으면 칩 배출이 문제되지 않고, 가공 시스템의 부품이 견딜 수 있는 절삭력에 따라 최대 이송이 제한된다. 반면 원주 방향 절삭 깊이가 크면 안전하게 배출할 수 있는 칩 배출량을 초과할 수 있다는 점에서 칩 배출이 문제가 된다.

원주 방향 절삭 깊이가 작으면 커터에 따라 공정이 제한되고 원주 방향 절삭 깊이가 크면 안전하게 배출 가능한 칩의 양이 제한된다. 동등한 칩 두께 공식은 이 두 가지 제한 기준의 영향력을 조절하는 데 쓰인다. 칩 배출을 정의하는 절삭 깊이와 이송 조합의 상호 작용을 모델링하려면 상당히 부담스러운 계산 작업이 필요하다. 이러한 관계는 사람이 직접 계산하기보다 컴퓨터의 수학 기능을 활용하는 것이 즉각적인 결과를 얻을 수 있어 효율적이다.

그림 7은 추가적인 예시로 원주(수평 축) 및 축(수직 축) 방향 절삭 깊이의 관계를 보여준다. 해당 곡선은 축 방향 절삭 깊이가 증가함에 따라 밀링 커터에 작용하는 부하가 증가함을 나타낸다. 점선으로 나타낸 커터의 칩 배출 성능은 원주 방향 절삭 깊이가 증가함에 따라 현저히 감소한다. 이 그래프는 모델을 통해 밀링 커터의 기능을 제한하는 다양한 조합을 분석할 수 있음을 보여주는 또 다른 예시이다.

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마지막으로 그림 8은 사각형 또는 유효 작업 영역 내에서 절삭 인선이 효과적인 기능을 수행할 수 있는 축 방향 절삭 깊이(수직 축)와 이송(수평 축)의 모든 조합을 나타낸다. 이 모델 역시 밀링 커터의 커터 직경 대비 절삭 깊이(ae/Dc 비율)가 클 경우 더 많은 칩이 배출돼 작업 영역이 하강함을 보여준다. 반대로 원주 방향 절삭 깊이를 적용하면 작업 영역이 상승한다.

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수학적 모델은 가공 공정에 대한 제조업체의 이해에 도움을 준다. 계산 리소스가 제한적이었던 시기에 개발된 초기 모델은 생산 환경에 모델을 활용할 수 있도록 공정을 단순화했다. 이러한 모델을 통해 단순화된 정보는 큰 오류 없이, 해당 시기에 필요한 수준의 정확도를 제공했으며 지금까지도 가치 있는 정보를 제공하고 있다.

이후 부품 요구 사항이 점점 더 엄격해짐에 따라 여러 가공 요소의 관계를 분석할 수 있는 공정 모델이 필요해졌다. 컴퓨터를 이용한 계산 방법을 사용하면 공식을 거의 즉시 실행하므로 제조업체가 다양한 가공 요소로 인한 제약과 기회를 효과적으로 판단하고 조정할 수 있게 됐다. 이렇게 얻은 정보는 일정 수준의 품질을 유지하기 때문에 금속 절삭 작업의 미세 조정을 통해 생산성과 비용 효율을 최대한 높일 수 있다.


 
3홀
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