선삭 작업에서의 기계적 부하·절삭 형상 금속 절삭 작업에서 공구는 피삭재 재질이 칩의 형태로 절단될 때까지 변형한다. 변형 과정에는 상당한 에너지가 필요할 뿐만 아니라, 공구는 다양한 기계적, 열, 화학 및 마찰 부하를 받게 된다. 이러한 부하로 인해 공구의 성능이 저하되고, 공구가 마모되며 파손된다. 따라서 적절한 금속 절삭 애플리케이션을 적용하는 목적은 공구의 기능을 사용해 금속을 절삭할 때 필요한 에너지의 균형을 맞추어 공구가 부하를 안정적으로 견딜 수 있도록 하는 데 있다.절삭 변수, 공구 형상, 공구 재료 및 기타 요소에 대한 이해와 처리를 통해 기계 기술자는 생산적이고 비용 효율적인 방식으로 금속 절삭 공정을 수행할 수 있다. 선삭 작업에서의 기계적 부하는 일정한 데 반해 밀링 작업에서의 부하는 동적이어서 부하의 증가 및 감소가 끊임없이 반복적으로 발생한다. 이번 분석에서는 선삭 작업에서의 변수 및 공구 형상에 주안점을 두고 있으며 후반부에서는 밀링 작업과 관련된 다른 사항을 기술한다.기계적 부하절삭 공구에 가해지는 부하는 크게 기계적, 열, 화학 및 마찰 부하로 분류된다.기계적 압력은 공구의 마모와 파손을 가속화한다. 빈 공간이나 이물질이 포함된 부품을 가공할 때 단속이 일어나면 충격 부하가 발생해 공구 치핑 또는 파손이 발생한다.피삭재 재질이 변형될 때에는 열이 발생하는데, 이 온도가 섭씨 800 ~ 900도까지 상승하게 되면 변형 및 무뎌짐을 유발하는 열 부하가 발생하게 된다.열과 압력이 동시에 가해지면 절삭 재질과 피삭재 재질 사이에 화학 반응이 촉진돼서 열 변형이나 경사면 마모와 같은 화학적 마모가 발생하게 된다.공구와 칩 사이의 마찰력으로 인해 마모 및 침식 마모가 발생하며 그로 인해 마찰 부하가 발생하게 되는데 여기서 마찰이란 접촉된 두 표면 사이에서 관찰되며 특정 온도 및 압력 하에서 두 표면의 기하학적 형태를 어떻게 변형시킬 것인지를 결정하는 것을 의미한다.네 가지 범주로 구분된 부하는 독립적으로 작용하지 않고 상호적으로 작용하며 전체적인 부하의 총합에 영향을 미친다. 관련 기계 동력, 기계 및 부품 고정 장치 및 기계 작업자의 기술 또한 가공 결과에 영향을 미친다. 상호적으로 작용하는 부하에 의해 가공물의 결과가 달라지며 공구의 변형, 마모 및 파손이 발생하게 된다.공구의 수명은 공구에 가해지는 부하를 견디는 능력에 따라 달라진다. 공구 수명과 공정 안정성을 최대 수준으로 유지하기 위해서는 가공 부하를 공구의 부하 범위 이하로 일정 시간 이상 낮추어야 한다. 부하 범위에 가장 큰 영향을 미치는 요인에는 공구의 절삭 형상, 절삭 재질 및 코팅 등이 있다.선제적인 문제 해결효율을 향상시키고 비용을 절감하기 위해 작업장은 장비 셋업, 공구 관리, 피삭재 관리 등에 드는 시간과 유휴 시간을 줄이기 위해 노력한다. 그러나 문제 해결 시간이 유휴 시간을 절감하려는 노력에 포함되는 경우는 거의 없다. 가공 작업이 시작되기 이전에 적절한 공구 형상 및 절삭 변수를 선제적으로 적용함으로써 문제를 진단하고 해결하는데 드는 시간을 줄일 수 있다.가공성선제적 계획의 목표는 작업의 가공성을 극대화하는 데 있다. 가공성에 대한 전통적인 정의에서는 특정 피삭재 재질에 초점을 두고 있으며 기준 소재 대비 해당 소재의 가공 난이도를 측정하기 위해 백분율 지수를 사용한다.그러나 가공성을 단위 동력 당 금속 제거 비율을 높이기 위해 달성해야 하는 목표로 일단 정의한다. 이 수준은 금속 절삭 작업이 안정적인 방식으로 최고 생산성 및 최저 비용을 달성하는 수준을 의미한다.가공 작업을 보다 신속하게 수행하는 가장 간단한 방법은 절삭 깊이, 이송, 절삭 속도 등의 절삭 조건을 개선하는 것이다. 그러나 절삭 조건을 개선하게 되면 절삭 공구에 가해지는 부하와 관련해 다수의 결과를 초래하게 된다. 본 분석에서는 이러한 기계적 부하에 주목할 필요가 있다.절삭 공구에 가해지는 기계적 부하와 절삭력이 같지 않다는 것을 이해해야 한다. 기계적 부하는 압력의 관점에서 이해될 수 있다(단위 면적당 힘). 넓은 면적에 걸쳐 확산되는 높은 절삭력은 상대적으로 적은 부하를 발생시킨다. 반면, 낮은 수준의 절삭력이라도 좁은 면적에 집중되는 경우 문제를 유발할 수 있는 부하가 발생된다. 절삭력은 피삭재 재질, 공구 형상 및 절삭 조건에 영향을 받는다. 반대로 절삭력은 동력 소비, 진동, 피삭재 공차 및 공구 수명에 영향을 미친다.절삭 변수의 영향절삭 깊이, 이송 및 절삭 속도를 조절하면 공구에 작용하는 부하가 달라지게 된다. 절삭 깊이를 두 배로 늘리면 절삭력이 두 배로 증가하지만 절삭에 사용되는 절삭 인선의 길이도 두 배로 증가하게 되므로 단위 절삭 인선 길이에 대한 부하는 동일하게 유지된다. 이송을 높이면 절삭력도 증가하지만 이송을 늘린 만큼 증가하지는 않는다. 이송을 늘리면 절삭 깊이를 증가시킨 만큼의 절삭력이 증가하지는 않는데 그 이유는 이송을 늘리면 절삭에 사용되는 절삭 인선의 길이 대신 칩 두께가 증가하기 때문이다. 그 결과, 절삭 인선의 부하는 대폭 늘어나게 된다. 기본적인 기계 공식에 따르면 동력 소비는 힘과 속도의 곱에 비례하므로 절삭 속도를 증가시키면, 절삭력은 대개 그대로 유지되지만 동력 소비가 증가하게 된다. 절삭 속도 및 절삭력은 범위의 중간 수준에서 일정하게 유지된다는 점은 사실이다. 그러나 연구 결과 및 실제 경험에 따르면 절삭력은 절삭 속도가 낮을수록 증가하고 높을수록 감소한다. 낮은 속도에서 절삭력이 증가하는 현상은 구성 인선의 모양에 그 원인이 있으며, 이러한 절삭력의 증가는 그 자체로 절삭 속도가 부적절함을 나타내는 지표이기도 하다. 1920년대 및 1930년대 베를린 대학교 Carl Salomon 박사의 연구에 따르면 절삭 속도가 증가하면 절삭 온도가 상승하고, 절삭 속도가 더 높아지면 절삭 온도는 다시 하락한다. 이러한 연구 결과에 의해 진정한 고속 가공의 시대로 들어서게 됐다. 고속 가공은 그 자체의 원인과 효과에 관한 범주가 존재할 뿐만 아니라 또 다른 논의의 주제이기도 하다.절삭 속도가 너무 높으면 제어할 수 없는 칩이 형성되고, 공구의 마모가 심각하게 발생하며 진동으로 인해 공구에 칩 또는 균열이 발생돼 공정의 안정성이 저하된다. 현실적인 결론은 낮거나 보통 수준의 절삭 속도 조건에서 높은 이송과 깊은 절삭 깊이로 최고의 적용 안정성 및 신뢰성을 얻을 수 있다. 절삭 깊이 및 이송이 절삭력을 제한할 정도로 충분히 낮은 상태에서 절삭 속도가 증가하게 되면 생산성이 대폭 향상된다.공구 형상을 통한 문제 해결 금속 절삭 생산력을 증대시키고 문제를 해결하려면 새로운 초경 재종, 코팅, 세라믹 및 PCBN 등 최첨단 절삭 공구 소재의 도입이 필요한 것으로 여겨졌다. 공구 소재 기술의 지속적인 발전은 명백하다. 그럼에도 불구하고 새로운 절삭 소재의 사용만으로 문제를 해결하려는 방식은 반응에 지나지 않으며 더 이상의 발전이 불가능한 막다른 골목에 이르게 될 것이다. 예를 들어 높은 기계적 부하에 의해 공구 파손 등의 문제가 발생하는 경우, 보다 강력한 절삭 공구용 소재를 사용함으로써 문제를 해결할 수 있을 것이다. 그러나 그러한 소재가 존재하지 않는 경우, 더 이상의 진보는 불가능하다.선제적인 문제 해결에 있어서 공구 형상의 역할은 아직 과소 평가돼 있다. 공구 형상을 변경함으로써 변형된 재료의 흐름을 적극적으로 변경할 수 있다. 예를 들어 절삭력 예측 공식(사이드바 참조)에 따라 기계적 부하가 높아질 것으로 예상되는 경우, 보다 날카로운 공구 형상을 사용하면 절삭력을 감소시킬 수 있으며 문제가 발생하기 전에 그 위험을 최소화할 수 있다. 다른 공구 형상을 사용해 칩 흐름을 조정하면 화학적, 열 및 마찰 부하의 양과 효과를 긍정적으로 변경할 수 있다.공구 형상의 요소공구의 형상에는 거시적 및 미시적 단계의 공구 형태 및 치수가 포함된다. 거시적 관점의 경우, 절삭 인서트의 기본적인 크기 및 형태에 따라 그 강도가 결정된다. 대형 인서트에 작용하는 절삭력은 보다 작은 크기의 인서트에 작용하는 동일한 크기의 절삭력에 비해 적은 부하를 발생시킨다. 크기가 크고 강력한 인서트를 사용하면 이송과 절삭 깊이의 생산성을 증대시킬 수 있다. 그러나 대형 인서트는 작은 크기의 부품을 가공하지 못할 수 있다. 인서트 형상에서도 유사한 논의점이 존재한다. 둥근 모양의 인서트 형상이 가장 강력하며 마름모 형상의 인서트 중 35도 각도의 모서리보다는 사각형 형상의 인서트 중 90도 각도의 모서리가 보다 강력하다. 그러나 둥근 모양의 인서트를 사용해서는 35도 각도의 도구와 동일한 수준으로 부품 프로파일을 다양한 형태로 절삭할 수 없다. 강도와 작업 유연성은 양립될 수 없는 것이다.또 다른 형상 요소로서 공구가 피삭재에 어떻게 진입하는가에 관한 또 다른 형상 요소가 존재하는데, 이 요소는 절삭 인선 각도, 절인 경사각 및 경사각으로 정의된다. 인서트의 상단(경사)면이 피삭재면에 수직인 경우, 공구의 경사각은 네거티브(-)으로 간주된다. 절삭력은 공구의 돌출부 또는 가장 단단한 부분으로 전달된다. 반면, 절삭 인선이 피삭재 표면에서 뒤로 기울어진 경우, 공구의 경사각은 포지티브(+)로 간주된다. 절삭력은 공구의 인선에 집중되는데 인선은 돌출부만큼 단단하지 않다. 게다가, 양의 각으로 적용된 인서트의 경우에는 측면에 대해 웻지 또는 여유각이 필요한데, 그로 인해 공구 강도는 더 감소하게 된다.네거티브 경사에서의 가공 작업은 강 또는 주철 등과 같은 단단한 재질을 가공하는데 효과적이지만, 동시에 높은 절삭력이 발생하므로 칩 흐름이 제한되고, 견고성이 떨어지는 장비, 고정 장치 또는 피삭재의 경우에는 진동이 발생하게 된다. 포지티브 경사에서의 작업은 발생하는 절삭력의 수준이 낮기 때문에 칩 흐름이 보다 자유롭지만, 치핑이나 깨짐이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 칩을 제어하기가 쉽지 않다. 포지티브 경사에서의 절삭 작업은 날카로운 절삭 인선이 필요한 점착성 또는 초합금 등의 재질에 적합하다.칩브레이커 형상선삭 인서트 칩브레이커 형상에는 절삭 인선 프로파일, 칩 제어 형상 또는 홈과 이른바 인선 및 칩 홈 사이의 T-랜드 등 세 가지 구성요소가 존재한다. 절삭 인선 프로파일은 칩 전단 공정에서 시작되고, 칩 홈은 칩이 어떻게 형성되는가를 결정하며 T-랜드는 두 구성요소 사이에서의 전환을 담당한다. 세 가지 구성요소는 공구에서 발생하는 절삭력의 양에 영향을 미친다.절삭 인선은 날카롭거나 연마됐거나 둥글거나 모서리가 진 형태를 띠고 있다. 서로 다른 각각의 형태는 서로 다른 장점을 지니고 있으며 서로 다른 결과를 나타낸다. 어떤 경우에는 날카로운 모양의 절삭 인선의 수명이 더 긴 경우가 있다. 그러나 피삭재, 기계 공구 및 고정 장치 모두가 견고하고 안정적이지 않으면 날카로운 모서리의 경우, 고르지 않은 힘을 받게 되면 치핑이 발생한다. 둥글거나 모가 난 절삭 인선인 경우에는 치핑과 않고 파손에 대한 저항력이 상대적으로 높다.상식적으로 단단함이 요구되는 강 절삭용 공구의 경우에는 단단한 인선이 사용되며, 점착성을 지닌 스테인리스용 공구는 날카로운 인선이 사용된다. 물론 날카로운 인선을 사용해 강 소재를 절삭할 수도 있고 단단한 인선을 사용해 스테인리스를 절삭할 수도 있지만 이를 위해 절삭 조건을 변경해야 하며 생산성도 높지는 않다. 기계 기술자는 유연성이 높은 다목적 도구와 특정 피삭재 재질에 가장 적합한 특수 공구 중 한 가지를 선택해야 한다.매우 날카로운 절삭 인선을 사용한다고 반드시 높은 표면조도가 얻어지지는 않는다. 최고의 작업 결과는 주로 절삭 인선이 어느 정도 사용된 후에 얻어진다. 이러한 현상은 면도날처럼 날카로운 칼을 사용해 사과 껍질을 벗기는 것과 유사하다. 칼이 너무 날카로우면 사과 껍질을 깎는 것이 쉽지 않은데 그 이유는 칼날이 너무 날카로우면 껍질을 깎는 대신 과육에 파고들기 때문이다. 극도로 날카로운 금속 절삭 도구도 이와 유사하게 작동해 작업물이 너무 깊이 절삭되므로 고르지 않은 표면이 남게 된다. 절삭 인선이 약간 마모돼야 가장 균등한 마감 표면을 얻을 수 있다.절삭 인선과 칩브레이커 형상 사이의 T-랜드는 포지티브 또는 네거티브 구조를 갖는다. 포지티브 T-랜드의 경우 보다 높은 절삭 속도를 사용할 수 있으며 그 결과 절삭 온도 및 마모가 줄어들게 된다. 그러나 포지티브 T-랜드의 경우 인서트의 좁은 영역에 응력이 집중돼 마모와 칩 발생이 가속화된다. 네거티브 또는 평평한 T-랜드를 사용하는 경우, 보다 넓은 면적에 걸쳐 절삭 재료를 이동시키므로 인서트가 보호되지만 절삭력이 증가하고 높은 열이 발생하며 마모가 증가한다.칩브레이커 홈의 형상도 유사하게 둘로 나뉘어진다. 하단 윤곽이 개방됐거나 평평한 경우 칩이 덜 변형되며 절삭력도 낮아진다. 윤곽이 닫혀있거나 좁은 경우 칩이 보다 뚜렷하게 동그랗게 말리며 변형의 정도가 높아 절삭 온도가 상승한다.개방형 또는 평평한 하단 칩브레이커 형상은 칩과 공구 사이의 접촉 면적을 극대화해 보다 넓은 면적으로 절삭력을 분산시키는데 사용된다. 절삭력이 높은 경우, 개방형 형상으로부터 보다 낮은 기계적 부하가 발생된다. 인서트 파손 및 칩 발생의 위험은 낮지만 개방형 형상에 의해 발생된 칩은 그 길이가 더 길다. 칩 제어가 제대로 이루어지지 않아 칩 처리 문제가 발생해 피삭재, 기계 또는 작업자에게 위험할 수 있는 경우, 폐쇄형 칩브레이커 형상을 사용하면 문제를 해결할 수 있다.반면 폐쇄형 칩 칩브레이커 형상의 경우 칩이 동그랗게 말리면서 작은 조각으로 쪼개지지만 그 결과 절삭 압력이 높아지게 된다. 너무 짧은 칩 조각은 절삭 인선에 손상을 야기해 사용 수명을 단축시킬 수 있다. 절삭력이 낮더라도 기계적 부하는 매우 높을 수 있다. 폐쇄형 형상은 절삭 깊이와 이송이 낮은 정삭 작업 등과 같이 절삭력이 작은 작업에 적합하다. 기계 기술자는 제어 가능한 수준으로 칩이 발생되면서도 가장 광범위하게 적용할 수 있는 형상을 결정하기 위한 절충점을 찾아내야 한다.칩 제어 형상의 선택에 있어서는 가공소재가 가장 중요한 역할을 한다. 예를 들어 알루미늄은 폐쇄형 칩 제어 형상을 선택해야 길게 가닥처럼 발생하는 칩을 안정적으로 끊어낼 수 있다. 반면, 주철에서 발생하는 짧은 칩의 경우에는 칩 형성 형상이 존재하는 경우 최소한의 제어만 필요하다.절삭 변수와 관련해, 이송을 높이면 칩 길이가 짧아지고 절삭 깊이가 얕을수록 칩의 길이가 길어진다. 피삭재 재질에 따라 절삭 속도가 칩 관리에서 가장 중요한 변수가 되기도 한다. 궁극적인 목표는 기계적 부하에 영향을 미치는 모든 요소를 제어해 허용 수준의 칩이 발생되도록 하며 공구 칩 또는 파손 발생을 최소화하거나 없애는 것이다.형상 개발 및 적용 인서트 형상의 기능을 활용해 소재의 흐름을 조정하기 위해 절삭 공구 제조자는 황삭 또는 정삭 등 특정 작업을 위한 형상을 개발한다. 절삭 인선, T-랜드 및 칩 브레이킹 형상에 대한 서로 다른 구성 및 조합을 서로 다른 작업과 피삭재 재질에 적용할 수 있다.Seco의 M3 및 M5 형상은 특정 작업 또는 재료에 대해 요구되는 결과를 얻도록 설계된 개별 도구의 좋은 예이다. M3 형상은 광범위한 피삭재 재질 및 절삭 변수에 대해 중간 수준 강도의 가공 작업을 수행하는 다목적 도구로 설계됐다. 그러나 기계적 부하가 높은 경우 M5 형상으로 바꿔야 하는데 이는 높은 강도를 갖추고 고이송의 까다롭고 거친 작업을 처리하도록 설계된 형상으로 상대적으로 낮은 절삭력을 발생시킨다. 특정 가공 조건에 맞게 설계된 형상을 사용하면 파손을 최소화하고 가동 신뢰성을 높일 수 있다.가공 작업 중 성능 저하는 피할 수 없다. 공구는 언젠가 수명을 다한다. 만일 공구 수명이 용납할 수 없을 만큼 짧은 경우, 공구에 칩 또는 파손이 발생하는 경우 또는 예측 불가능한 마모 또는 고장이 발생하는 경우, 기계 기술자는 공구 형상 및 절삭 조건을 조정해 생산성과 공구 수명을 극대화할 수 있다. 그러나 그러한 경우에도 언젠가는 공구 수명은 다하게 된다. 가능한 한 수명 저하의 속도를 줄이고 예측 가능하도록 새로운 모드를 수립하는 것을 목표로 해야 한다.

선삭 작업에서의 기계적 부하·절삭 형상

기사입력 2015-05-10 10:39:50

[산업일보]

금속 절삭 작업에서 공구는 피삭재 재질이 칩의 형태로 절단될 때까지 변형한다. 변형 과정에는 상당한 에너지가 필요할 뿐만 아니라, 공구는 다양한 기계적, 열, 화학 및 마찰 부하를 받게 된다. 이러한 부하로 인해 공구의 성능이 저하되고, 공구가 마모되며 파손된다. 따라서 적절한 금속 절삭 애플리케이션을 적용하는 목적은 공구의 기능을 사용해 금속을 절삭할 때 필요한 에너지의 균형을 맞추어 공구가 부하를 안정적으로 견딜 수 있도록 하는 데 있다.

절삭 변수, 공구 형상, 공구 재료 및 기타 요소에 대한 이해와 처리를 통해 기계 기술자는 생산적이고 비용 효율적인 방식으로 금속 절삭 공정을 수행할 수 있다. 선삭 작업에서의 기계적 부하는 일정한 데 반해 밀링 작업에서의 부하는 동적이어서 부하의 증가 및 감소가 끊임없이 반복적으로 발생한다. 이번 분석에서는 선삭 작업에서의 변수 및 공구 형상에 주안점을 두고 있으며 후반부에서는 밀링 작업과 관련된 다른 사항을 기술한다.

기계적 부하
절삭 공구에 가해지는 부하는 크게 기계적, 열, 화학 및 마찰 부하로 분류된다.

기계적 압력은 공구의 마모와 파손을 가속화한다. 빈 공간이나 이물질이 포함된 부품을 가공할 때 단속이 일어나면 충격 부하가 발생해 공구 치핑 또는 파손이 발생한다.

피삭재 재질이 변형될 때에는 열이 발생하는데, 이 온도가 섭씨 800 ~ 900도까지 상승하게 되면 변형 및 무뎌짐을 유발하는 열 부하가 발생하게 된다.

열과 압력이 동시에 가해지면 절삭 재질과 피삭재 재질 사이에 화학 반응이 촉진돼서 열 변형이나 경사면 마모와 같은 화학적 마모가 발생하게 된다.

공구와 칩 사이의 마찰력으로 인해 마모 및 침식 마모가 발생하며 그로 인해 마찰 부하가 발생하게 되는데 여기서 마찰이란 접촉된 두 표면 사이에서 관찰되며 특정 온도 및 압력 하에서 두 표면의 기하학적 형태를 어떻게 변형시킬 것인지를 결정하는 것을 의미한다.

네 가지 범주로 구분된 부하는 독립적으로 작용하지 않고 상호적으로 작용하며 전체적인 부하의 총합에 영향을 미친다. 관련 기계 동력, 기계 및 부품 고정 장치 및 기계 작업자의 기술 또한 가공 결과에 영향을 미친다. 상호적으로 작용하는 부하에 의해 가공물의 결과가 달라지며 공구의 변형, 마모 및 파손이 발생하게 된다.

공구의 수명은 공구에 가해지는 부하를 견디는 능력에 따라 달라진다. 공구 수명과 공정 안정성을 최대 수준으로 유지하기 위해서는 가공 부하를 공구의 부하 범위 이하로 일정 시간 이상 낮추어야 한다. 부하 범위에 가장 큰 영향을 미치는 요인에는 공구의 절삭 형상, 절삭 재질 및 코팅 등이 있다.

선제적인 문제 해결
효율을 향상시키고 비용을 절감하기 위해 작업장은 장비 셋업, 공구 관리, 피삭재 관리 등에 드는 시간과 유휴 시간을 줄이기 위해 노력한다. 그러나 문제 해결 시간이 유휴 시간을 절감하려는 노력에 포함되는 경우는 거의 없다. 가공 작업이 시작되기 이전에 적절한 공구 형상 및 절삭 변수를 선제적으로 적용함으로써 문제를 진단하고 해결하는데 드는 시간을 줄일 수 있다.

가공성
선제적 계획의 목표는 작업의 가공성을 극대화하는 데 있다. 가공성에 대한 전통적인 정의에서는 특정 피삭재 재질에 초점을 두고 있으며 기준 소재 대비 해당 소재의 가공 난이도를 측정하기 위해 백분율 지수를 사용한다.

그러나 가공성을 단위 동력 당 금속 제거 비율을 높이기 위해 달성해야 하는 목표로 일단 정의한다. 이 수준은 금속 절삭 작업이 안정적인 방식으로 최고 생산성 및 최저 비용을 달성하는 수준을 의미한다.

가공 작업을 보다 신속하게 수행하는 가장 간단한 방법은 절삭 깊이, 이송, 절삭 속도 등의 절삭 조건을 개선하는 것이다. 그러나 절삭 조건을 개선하게 되면 절삭 공구에 가해지는 부하와 관련해 다수의 결과를 초래하게 된다. 본 분석에서는 이러한 기계적 부하에 주목할 필요가 있다.

절삭 공구에 가해지는 기계적 부하와 절삭력이 같지 않다는 것을 이해해야 한다. 기계적 부하는 압력의 관점에서 이해될 수 있다(단위 면적당 힘). 넓은 면적에 걸쳐 확산되는 높은 절삭력은 상대적으로 적은 부하를 발생시킨다. 반면, 낮은 수준의 절삭력이라도 좁은 면적에 집중되는 경우 문제를 유발할 수 있는 부하가 발생된다. 절삭력은 피삭재 재질, 공구 형상 및 절삭 조건에 영향을 받는다. 반대로 절삭력은 동력 소비, 진동, 피삭재 공차 및 공구 수명에 영향을 미친다.

절삭 변수의 영향
절삭 깊이, 이송 및 절삭 속도를 조절하면 공구에 작용하는 부하가 달라지게 된다. 절삭 깊이를 두 배로 늘리면 절삭력이 두 배로 증가하지만 절삭에 사용되는 절삭 인선의 길이도 두 배로 증가하게 되므로 단위 절삭 인선 길이에 대한 부하는 동일하게 유지된다. 이송을 높이면 절삭력도 증가하지만 이송을 늘린 만큼 증가하지는 않는다. 이송을 늘리면 절삭 깊이를 증가시킨 만큼의 절삭력이 증가하지는 않는데 그 이유는 이송을 늘리면 절삭에 사용되는 절삭 인선의 길이 대신 칩 두께가 증가하기 때문이다. 그 결과, 절삭 인선의 부하는 대폭 늘어나게 된다.
기본적인 기계 공식에 따르면 동력 소비는 힘과 속도의 곱에 비례하므로 절삭 속도를 증가시키면, 절삭력은 대개 그대로 유지되지만 동력 소비가 증가하게 된다. 절삭 속도 및 절삭력은 범위의 중간 수준에서 일정하게 유지된다는 점은 사실이다. 그러나 연구 결과 및 실제 경험에 따르면 절삭력은 절삭 속도가 낮을수록 증가하고 높을수록 감소한다. 낮은 속도에서 절삭력이 증가하는 현상은 구성 인선의 모양에 그 원인이 있으며, 이러한 절삭력의 증가는 그 자체로 절삭 속도가 부적절함을 나타내는 지표이기도 하다. 1920년대 및 1930년대 베를린 대학교 Carl Salomon 박사의 연구에 따르면 절삭 속도가 증가하면 절삭 온도가 상승하고, 절삭 속도가 더 높아지면 절삭 온도는 다시 하락한다. 이러한 연구 결과에 의해 진정한 고속 가공의 시대로 들어서게 됐다. 고속 가공은 그 자체의 원인과 효과에 관한 범주가 존재할 뿐만 아니라 또 다른 논의의 주제이기도 하다.

절삭 속도가 너무 높으면 제어할 수 없는 칩이 형성되고, 공구의 마모가 심각하게 발생하며 진동으로 인해 공구에 칩 또는 균열이 발생돼 공정의 안정성이 저하된다. 현실적인 결론은 낮거나 보통 수준의 절삭 속도 조건에서 높은 이송과 깊은 절삭 깊이로 최고의 적용 안정성 및 신뢰성을 얻을 수 있다. 절삭 깊이 및 이송이 절삭력을 제한할 정도로 충분히 낮은 상태에서 절삭 속도가 증가하게 되면 생산성이 대폭 향상된다.

공구 형상을 통한 문제 해결
금속 절삭 생산력을 증대시키고 문제를 해결하려면 새로운 초경 재종, 코팅, 세라믹 및 PCBN 등 최첨단 절삭 공구 소재의 도입이 필요한 것으로 여겨졌다. 공구 소재 기술의 지속적인 발전은 명백하다. 그럼에도 불구하고 새로운 절삭 소재의 사용만으로 문제를 해결하려는 방식은 반응에 지나지 않으며 더 이상의 발전이 불가능한 막다른 골목에 이르게 될 것이다. 예를 들어 높은 기계적 부하에 의해 공구 파손 등의 문제가 발생하는 경우, 보다 강력한 절삭 공구용 소재를 사용함으로써 문제를 해결할 수 있을 것이다. 그러나 그러한 소재가 존재하지 않는 경우, 더 이상의 진보는 불가능하다.

선제적인 문제 해결에 있어서 공구 형상의 역할은 아직 과소 평가돼 있다. 공구 형상을 변경함으로써 변형된 재료의 흐름을 적극적으로 변경할 수 있다. 예를 들어 절삭력 예측 공식(사이드바 참조)에 따라 기계적 부하가 높아질 것으로 예상되는 경우, 보다 날카로운 공구 형상을 사용하면 절삭력을 감소시킬 수 있으며 문제가 발생하기 전에 그 위험을 최소화할 수 있다. 다른 공구 형상을 사용해 칩 흐름을 조정하면 화학적, 열 및 마찰 부하의 양과 효과를 긍정적으로 변경할 수 있다.

공구 형상의 요소
공구의 형상에는 거시적 및 미시적 단계의 공구 형태 및 치수가 포함된다. 거시적 관점의 경우, 절삭 인서트의 기본적인 크기 및 형태에 따라 그 강도가 결정된다. 대형 인서트에 작용하는 절삭력은 보다 작은 크기의 인서트에 작용하는 동일한 크기의 절삭력에 비해 적은 부하를 발생시킨다. 크기가 크고 강력한 인서트를 사용하면 이송과 절삭 깊이의 생산성을 증대시킬 수 있다. 그러나 대형 인서트는 작은 크기의 부품을 가공하지 못할 수 있다. 인서트 형상에서도 유사한 논의점이 존재한다. 둥근 모양의 인서트 형상이 가장 강력하며 마름모 형상의 인서트 중 35도 각도의 모서리보다는 사각형 형상의 인서트 중 90도 각도의 모서리가 보다 강력하다. 그러나 둥근 모양의 인서트를 사용해서는 35도 각도의 도구와 동일한 수준으로 부품 프로파일을 다양한 형태로 절삭할 수 없다. 강도와 작업 유연성은 양립될 수 없는 것이다.

또 다른 형상 요소로서 공구가 피삭재에 어떻게 진입하는가에 관한 또 다른 형상 요소가 존재하는데, 이 요소는 절삭 인선 각도, 절인 경사각 및 경사각으로 정의된다. 인서트의 상단(경사)면이 피삭재면에 수직인 경우, 공구의 경사각은 네거티브(-)으로 간주된다. 절삭력은 공구의 돌출부 또는 가장 단단한 부분으로 전달된다. 반면, 절삭 인선이 피삭재 표면에서 뒤로 기울어진 경우, 공구의 경사각은 포지티브(+)로 간주된다. 절삭력은 공구의 인선에 집중되는데 인선은 돌출부만큼 단단하지 않다. 게다가, 양의 각으로 적용된 인서트의 경우에는 측면에 대해 웻지 또는 여유각이 필요한데, 그로 인해 공구 강도는 더 감소하게 된다.

네거티브 경사에서의 가공 작업은 강 또는 주철 등과 같은 단단한 재질을 가공하는데 효과적이지만, 동시에 높은 절삭력이 발생하므로 칩 흐름이 제한되고, 견고성이 떨어지는 장비, 고정 장치 또는 피삭재의 경우에는 진동이 발생하게 된다. 포지티브 경사에서의 작업은 발생하는 절삭력의 수준이 낮기 때문에 칩 흐름이 보다 자유롭지만, 치핑이나 깨짐이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 칩을 제어하기가 쉽지 않다. 포지티브 경사에서의 절삭 작업은 날카로운 절삭 인선이 필요한 점착성 또는 초합금 등의 재질에 적합하다.

칩브레이커 형상
선삭 인서트 칩브레이커 형상에는 절삭 인선 프로파일, 칩 제어 형상 또는 홈과 이른바 인선 및 칩 홈 사이의 T-랜드 등 세 가지 구성요소가 존재한다. 절삭 인선 프로파일은 칩 전단 공정에서 시작되고, 칩 홈은 칩이 어떻게 형성되는가를 결정하며 T-랜드는 두 구성요소 사이에서의 전환을 담당한다. 세 가지 구성요소는 공구에서 발생하는 절삭력의 양에 영향을 미친다.

절삭 인선은 날카롭거나 연마됐거나 둥글거나 모서리가 진 형태를 띠고 있다. 서로 다른 각각의 형태는 서로 다른 장점을 지니고 있으며 서로 다른 결과를 나타낸다. 어떤 경우에는 날카로운 모양의 절삭 인선의 수명이 더 긴 경우가 있다. 그러나 피삭재, 기계 공구 및 고정 장치 모두가 견고하고 안정적이지 않으면 날카로운 모서리의 경우, 고르지 않은 힘을 받게 되면 치핑이 발생한다. 둥글거나 모가 난 절삭 인선인 경우에는 치핑과 않고 파손에 대한 저항력이 상대적으로 높다.

상식적으로 단단함이 요구되는 강 절삭용 공구의 경우에는 단단한 인선이 사용되며, 점착성을 지닌 스테인리스용 공구는 날카로운 인선이 사용된다. 물론 날카로운 인선을 사용해 강 소재를 절삭할 수도 있고 단단한 인선을 사용해 스테인리스를 절삭할 수도 있지만 이를 위해 절삭 조건을 변경해야 하며 생산성도 높지는 않다. 기계 기술자는 유연성이 높은 다목적 도구와 특정 피삭재 재질에 가장 적합한 특수 공구 중 한 가지를 선택해야 한다.

매우 날카로운 절삭 인선을 사용한다고 반드시 높은 표면조도가 얻어지지는 않는다. 최고의 작업 결과는 주로 절삭 인선이 어느 정도 사용된 후에 얻어진다. 이러한 현상은 면도날처럼 날카로운 칼을 사용해 사과 껍질을 벗기는 것과 유사하다. 칼이 너무 날카로우면 사과 껍질을 깎는 것이 쉽지 않은데 그 이유는 칼날이 너무 날카로우면 껍질을 깎는 대신 과육에 파고들기 때문이다. 극도로 날카로운 금속 절삭 도구도 이와 유사하게 작동해 작업물이 너무 깊이 절삭되므로 고르지 않은 표면이 남게 된다. 절삭 인선이 약간 마모돼야 가장 균등한 마감 표면을 얻을 수 있다.

절삭 인선과 칩브레이커 형상 사이의 T-랜드는 포지티브 또는 네거티브 구조를 갖는다. 포지티브 T-랜드의 경우 보다 높은 절삭 속도를 사용할 수 있으며 그 결과 절삭 온도 및 마모가 줄어들게 된다. 그러나 포지티브 T-랜드의 경우 인서트의 좁은 영역에 응력이 집중돼 마모와 칩 발생이 가속화된다. 네거티브 또는 평평한 T-랜드를 사용하는 경우, 보다 넓은 면적에 걸쳐 절삭 재료를 이동시키므로 인서트가 보호되지만 절삭력이 증가하고 높은 열이 발생하며 마모가 증가한다.

칩브레이커 홈의 형상도 유사하게 둘로 나뉘어진다. 하단 윤곽이 개방됐거나 평평한 경우 칩이 덜 변형되며 절삭력도 낮아진다. 윤곽이 닫혀있거나 좁은 경우 칩이 보다 뚜렷하게 동그랗게 말리며 변형의 정도가 높아 절삭 온도가 상승한다.

개방형 또는 평평한 하단 칩브레이커 형상은 칩과 공구 사이의 접촉 면적을 극대화해 보다 넓은 면적으로 절삭력을 분산시키는데 사용된다. 절삭력이 높은 경우, 개방형 형상으로부터 보다 낮은 기계적 부하가 발생된다. 인서트 파손 및 칩 발생의 위험은 낮지만 개방형 형상에 의해 발생된 칩은 그 길이가 더 길다. 칩 제어가 제대로 이루어지지 않아 칩 처리 문제가 발생해 피삭재, 기계 또는 작업자에게 위험할 수 있는 경우, 폐쇄형 칩브레이커 형상을 사용하면 문제를 해결할 수 있다.

반면 폐쇄형 칩 칩브레이커 형상의 경우 칩이 동그랗게 말리면서 작은 조각으로 쪼개지지만 그 결과 절삭 압력이 높아지게 된다. 너무 짧은 칩 조각은 절삭 인선에 손상을 야기해 사용 수명을 단축시킬 수 있다. 절삭력이 낮더라도 기계적 부하는 매우 높을 수 있다. 폐쇄형 형상은 절삭 깊이와 이송이 낮은 정삭 작업 등과 같이 절삭력이 작은 작업에 적합하다. 기계 기술자는 제어 가능한 수준으로 칩이 발생되면서도 가장 광범위하게 적용할 수 있는 형상을 결정하기 위한 절충점을 찾아내야 한다.

칩 제어 형상의 선택에 있어서는 가공소재가 가장 중요한 역할을 한다. 예를 들어 알루미늄은 폐쇄형 칩 제어 형상을 선택해야 길게 가닥처럼 발생하는 칩을 안정적으로 끊어낼 수 있다. 반면, 주철에서 발생하는 짧은 칩의 경우에는 칩 형성 형상이 존재하는 경우 최소한의 제어만 필요하다.

절삭 변수와 관련해, 이송을 높이면 칩 길이가 짧아지고 절삭 깊이가 얕을수록 칩의 길이가 길어진다. 피삭재 재질에 따라 절삭 속도가 칩 관리에서 가장 중요한 변수가 되기도 한다. 궁극적인 목표는 기계적 부하에 영향을 미치는 모든 요소를 제어해 허용 수준의 칩이 발생되도록 하며 공구 칩 또는 파손 발생을 최소화하거나 없애는 것이다.

형상 개발 및 적용
인서트 형상의 기능을 활용해 소재의 흐름을 조정하기 위해 절삭 공구 제조자는 황삭 또는 정삭 등 특정 작업을 위한 형상을 개발한다. 절삭 인선, T-랜드 및 칩 브레이킹 형상에 대한 서로 다른 구성 및 조합을 서로 다른 작업과 피삭재 재질에 적용할 수 있다.

Seco의 M3 및 M5 형상은 특정 작업 또는 재료에 대해 요구되는 결과를 얻도록 설계된 개별 도구의 좋은 예이다. M3 형상은 광범위한 피삭재 재질 및 절삭 변수에 대해 중간 수준 강도의 가공 작업을 수행하는 다목적 도구로 설계됐다. 그러나 기계적 부하가 높은 경우 M5 형상으로 바꿔야 하는데 이는 높은 강도를 갖추고 고이송의 까다롭고 거친 작업을 처리하도록 설계된 형상으로 상대적으로 낮은 절삭력을 발생시킨다. 특정 가공 조건에 맞게 설계된 형상을 사용하면 파손을 최소화하고 가동 신뢰성을 높일 수 있다.

가공 작업 중 성능 저하는 피할 수 없다. 공구는 언젠가 수명을 다한다. 만일 공구 수명이 용납할 수 없을 만큼 짧은 경우, 공구에 칩 또는 파손이 발생하는 경우 또는 예측 불가능한 마모 또는 고장이 발생하는 경우, 기계 기술자는 공구 형상 및 절삭 조건을 조정해 생산성과 공구 수명을 극대화할 수 있다. 그러나 그러한 경우에도 언젠가는 공구 수명은 다하게 된다. 가능한 한 수명 저하의 속도를 줄이고 예측 가능하도록 새로운 모드를 수립하는 것을 목표로 해야 한다.

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홍보영 기자 papersong@kidd.co.kr

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산업1부 홍보영 기자입니다. 국내외 무역과 로봇, IoT, 기계·금형산업에 대한 참 소리를 전합니다.^^