[Tech Trends]밀링 공정 기계적 부하 제어 성공적 밀링 작업 위해 고려해야 할 사항 '선삭 작업에서의 기계적 부하·절삭 형상'(본보 5월10일자 게재)에 이어 이번에는 금속 절삭 공구에 영향을 미치는 부하의 특성, 영향 및 제어 방법을 살펴본다. 지난번 선삭 작업 공구 형상, 이송 및 기계적 부하의 개념을 알아 보고 서로 간의 관계에 대해 초점을 맞췄다면 밀링 시 기계적 부하에 커터 위치 및 공구 경로가 미치는 영향을 분석한다. 선삭은 단일 인선 공구에 꾸준한 기계적 부하를 생성하는 반면, 밀링은 여러 절삭 인선에 급속하게 변하는 단속 부하를 전달한다. 따라서 성공적인 밀링 작업을 위해서는 여러 부분을 고려하고 각 밀링에 맞는 적합한 선택을 해야 한다. 지속적인 부하 변경밀링 공정을 계획할 때 가장 기본적인 첫 번째 단계는 부품에 원하는 형상을 만들 수 있도록 설계된 밀링 커터, 절삭 인서트 또는 절삭 인선을 선택하는 것이다. 공구 업체는 황삭 또는 정삭 작업에서 필요한 거의 모든 형상의 부품을 만들 수 있도록 설계된 페이스 밀, 엔드 밀, 디스크 밀 및 기타 커터를 제공한다. 사용되는 커터 종류에 상관 없이 공정 시 커터의 절삭 인선은 피삭재 재질에 진입 및 진출을 반복한다. 밀링 커터 날에 생기는 부하는 진입 전에 영(0)에서 시작해 절삭 시에 최고 값에 이르고 진출 시에는 다시 영(0)로 돌아간다. 밀링 공정의 단속 부하를 완화함으로써 공구 수명, 생산성 및 공정 신뢰성을 최대화하는 것이 목적인데 커터 위치, 진입/진출 방법, 칩 두께 제어가 이러한 목적 달성의 핵심 요소이다.피삭재 접근밀링에서 절삭 공구에 대한 부하는 커터 및 커터의 절삭 인선이 피삭재에 진입하는 방식에 의해 크게 결정된다. '상향' 밀링에서 커터는 피삭재 이송의 방향과 반대로 회전한다. '하향' 밀링에서 커터는 이송과 같은 방향으로 이동한다.결과적으로 상향 밀링에서 절삭 인선은 피삭재에 진입시 칩 두께가 최소이고 진출 시 칩 두께가 최대이다. 반대로 하향 밀링에서 절삭 인선은 피삭재에 진입시 칩 두께가 최대이며 진출 시 칩 두께가 영(0)으로 줄어든다. 두 공정 모두에서 경사진 칩이 생성된다.대부분의 경우 공구 공급업체는 하향 밀링을 추천하는데 그 이유는 상향 밀링 시 얇은 두께로 진입할 때 발생하는 마찰과 마찰 저항을 최소화하기 때문이다. 또한 하향 밀링의 경우 전체 두께로 피삭 재질에 진입해 칩으로의 열전달을 도와 피삭재와 공구 모두를 보호한다. 칩은 커터의 뒤 부분으로 빠져 나가 재절삭의 위험을 최소화한다.그러나 어떤 경우에는 상향 밀링이 선호된다. 하향 방식의 페이스 밀링은 아래로 향하는 힘을 생성시켜 오래된 수동 기계에 반발력을 일으킬 수 있다. 커터가 피삭재를 끌어 올리는 상향 밀링은 특히, 고부하가 걸리는 불안정한 기계에는 더 나을 수 있다. 또한 상향 밀링은 표면이 거칠거나 얇은 재질을 밀링할 때 효과적일 수 있으며, 피삭재 재질에 점진적으로 진입함으로써 잘 부러지는 초경질 절삭 공구 재질을 충격으로부터 보호할 수 있다. 반면에 얕은 두께로 진입하는 상향 밀링의 특성으로 인해 발생할 수 있는 과도한 마찰과 열은 공구에 해로운 영향을 줄 수 있다. 공구 인선의 고르지 못한 힘은 인선 치핑을 초래할 수 있으며 인장 응력을 증가시킨다. 칩이 커터 앞 부분에 떨어지고 재절삭 위험으로 표면 조도가 나빠질 수 있다.하향 밀링에서 절삭 공구의 전체 두께로의 진입은 공구에 높은 기계적 부하를 주지만 대부분의 절삭 공구 재질에서 큰 문제가 되지 않는다. 초경, 세라믹 및 고속도강과 같은 최신 공구 재질은 우수한 압축 강도를 갖춘 분말계 제품이다.커터 위치 및 공구 진입 방법을 논의할 때 기계 기술자는 언제나 커터를 한쪽 측면이나 피삭재 중심선의 반대편에 위치시키는 것이 바람직하다는 점에 유의해야 한다. 중심 위치는 상향 및 하향 밀링의 힘을 뒤섞어서 불안정한 가공 및 진동을 야기할 수 있다.진출 전략절삭 인선이 피삭재에서 진출하는 방식은 진입하는 방식과 똑같이 중요하다. 실험 결과는 진출시 커터의 위치와 절삭 공구 인선 수명 간의 명확한 관계를 나타낸다. 진출이 갑작스럽거나 고르지 않은 경우 절삭 인선이 깨지거나 부서진다. 반면 공구의 진출에 유의하면 공구 수명이 10배까지 증가할 수 있다. 중요한 값은 밀링 커터의 반경선과 절삭 인선의 진출점 사이의 각도로 정의되는 진출각이다. 진출각은 네거티브(커터 반경선 초과)이거나 포지티브(반경선 미만)일 수 있다. 공구 인선 오류는 대략 -30도와 +30도 사이의 진출각에서 더욱 분명하게 나타난다(그림 3/3 참조). 이 각도에 포함되는 피삭재 영역의 폭은 밀링 커터 직경의 절반 정도이다.밀링 커터의 인선에서 단속 부하를 개선하는 다른 방법은 임의의 시간에 피삭재에 접해있는 절삭 인선의 수를 최대화하는 것이다. 작은 직경, 세목 피치 커터 및 큰 원주 방향 절삭 깊이를 적용하면 날이 피삭재에 더 많이 접촉하게 되고 절삭력을 균등하게 분배할 수 있다.밀링에서 생성된 칩의 두께는 절삭력, 절삭 온도, 공구 수명 및 칩 형성, 배출에 영향을 강하게 미친다. 칩이 너무 두꺼운 경우 고부하가 발생해 절삭 인선이 깨지거나 부서질 수 있다. 칩이 너무 얇은 경우 절삭은 절삭 인선의 일부에서만 일어나고, 마찰 증가로 생긴 열로 인해 빠른 마모가 초래된다.칩 두께는 유효 인선에 직각으로 측정한 칩의 두께이다. 앞서 논의된 바와 같이 밀링에서 생성된 칩의 두께는 절삭 인선이 피삭재를 가로질러 통과함에 따라 지속적으로 변한다. 공구 공급업체는 프로그래밍 목적으로 '평균 칩 두께'를 이용한다. 평균 두께란 칩의 가장 두꺼운 치수와 가장 얇은 치수의 평균을 숫자로 표현한 것이다. 공구 제조업체는 공구 수명 및 생산성을 최대화할 수 있도록 특정 공구 형상에 대한 평균 칩 두께 데이터를 제공한다.기계 기술자는 이 데이터를 사용해 권장 평균 칩 두께를 유지할 수 있는 커터 이송을 결정한다. 커터의 원주 방향 절입율, 커터의 직경, 커터의 위치 및 절삭 인선 각도는 정확한 이송을 결정하는 요소들이다. 원주 방향 절입율은 밀링 커터(Dc)의 직경에 대한 원주 방향 절삭 깊이(ae)의 비율로 정의된다. 커터의 원주 방향 절입율이 클수록 원하는 칩 두께를 생성하는 데 필요한 이송은 낮아지게 된다. 마찬가지로, 커터 절입율이 낮은 경우 동일한 칩 두께를 얻으려면 이송은 반드시 높아야 한다. 절삭 인선 각도 또한 이송 요구사항에 영향을 미친다. 최대 칩 두께는 절삭 인선 각도가 90도일 때 생성되므로 작은 각도로 동일한 칩 두께를 얻으려면 이송은 높아야 한다.날카로운 절삭 인선은 낮은 절삭력을 발생시킬 뿐만 아니라 호닝된 인선 또는 챔퍼링된 인선보다 약하다. 절삭 인선의 기계적 부하는 치핑 및 파손을 방지하기 위해 제한돼야 하며, 날카로운 절삭 인선을 적용하는 경우 작은 평균 칩 두께가 바람직하다. 이 경우 사용되는 절삭 인선 형상은 정확한 평균 칩 두께를 결정하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.기계 기술자는 이러한 원리와 방법을 사용해 기본 밀링 작업에서 밀링 공구의 단속 부하를 제어할 수 있다. 그러나 부품 요구사항이 더욱 복잡해짐에 따라, 심지어 단순한 코너 밀링 수준에서 조차 권장되는 평균 칩 두께를 유지하기 위해 이송을 수동으로 변경하는 것은 본질적으로 불가능하다. 이러한 경우와 매우 복잡한 5축 밀링을 포함한 그 밖의 경우를 위해 CAM 소프트웨어 및 고급 CNC 장비 제조업체는 트로코이달 밀링, 코너 필링과 같은 기술 뿐만 아니라 Dynamic Milling, Volumill 또는 Adaptive Clearing과 같이 일정한 공구 절입을 위한 공구 경로 프로그램을 개발했다. 절삭 공구에 대한 단속 밀링 공정의 영향을 제어하기 위한 이러한 소프트웨어 및 기계 제어의 발전은 공구 진입, 진출 및 칩 두께 관리의 기본 개념에 대한 첨단 기술의 진화를 나타낸다.칩 두께제조업체들은 1세기가 넘는 기간 동안 밀링 기계 및 공구를 사용해서 수없이 많은 고품질 부품을 생산했다. 그동안 기본 밀링 공정 즉, 표면 가공을 위해 피삭재에 회전 커터를 사용한다는 사실은 변하지 않았다. 공정의 단속 절삭 특성 또한 마찬가지이다.밀링 기계 및 밀링 공구는 믿을 수 없을 정도로 발전했지만, 대부분의 경우 사용자들이 그 진보된 기술을 최대한 활용하지 못하고 있다. 밀링 시 발생하는 피삭재와 공구의 독특한 상호작용을 인식하고 공정에 초래되는 단속 부하를 완화하기 위한 작업을 실시하면 제조업체들은 쉽지 않게 여겨왔던 생산성, 품질 및 공구 수명의 세 가지 목표를 모두 달성할 수 있다.

[Tech Trends]밀링 공정 기계적 부하 제어

성공적 밀링 작업 위해 고려해야 할 사항

기사입력 2015-06-30 11:29:18

[산업일보]
'선삭 작업에서의 기계적 부하·절삭 형상'(본보 5월10일자 게재)에 이어 이번에는 금속 절삭 공구에 영향을 미치는 부하의 특성, 영향 및 제어 방법을 살펴본다. 지난번 선삭 작업 공구 형상, 이송 및 기계적 부하의 개념을 알아 보고 서로 간의 관계에 대해 초점을 맞췄다면 밀링 시 기계적 부하에 커터 위치 및 공구 경로가 미치는 영향을 분석한다. 선삭은 단일 인선 공구에 꾸준한 기계적 부하를 생성하는 반면, 밀링은 여러 절삭 인선에 급속하게 변하는 단속 부하를 전달한다. 따라서 성공적인 밀링 작업을 위해서는 여러 부분을 고려하고 각 밀링에 맞는 적합한 선택을 해야 한다.

지속적인 부하 변경
밀링 공정을 계획할 때 가장 기본적인 첫 번째 단계는 부품에 원하는 형상을 만들 수 있도록 설계된 밀링 커터, 절삭 인서트 또는 절삭 인선을 선택하는 것이다. 공구 업체는 황삭 또는 정삭 작업에서 필요한 거의 모든 형상의 부품을 만들 수 있도록 설계된 페이스 밀, 엔드 밀, 디스크 밀 및 기타 커터를 제공한다.

사용되는 커터 종류에 상관 없이 공정 시 커터의 절삭 인선은 피삭재 재질에 진입 및 진출을 반복한다. 밀링 커터 날에 생기는 부하는 진입 전에 영(0)에서 시작해 절삭 시에 최고 값에 이르고 진출 시에는 다시 영(0)로 돌아간다. 밀링 공정의 단속 부하를 완화함으로써 공구 수명, 생산성 및 공정 신뢰성을 최대화하는 것이 목적인데 커터 위치, 진입/진출 방법, 칩 두께 제어가 이러한 목적 달성의 핵심 요소이다.

피삭재 접근
밀링에서 절삭 공구에 대한 부하는 커터 및 커터의 절삭 인선이 피삭재에 진입하는 방식에 의해 크게 결정된다. '상향' 밀링에서 커터는 피삭재 이송의 방향과 반대로 회전한다. '하향' 밀링에서 커터는 이송과 같은 방향으로 이동한다.

결과적으로 상향 밀링에서 절삭 인선은 피삭재에 진입시 칩 두께가 최소이고 진출 시 칩 두께가 최대이다. 반대로 하향 밀링에서 절삭 인선은 피삭재에 진입시 칩 두께가 최대이며 진출 시 칩 두께가 영(0)으로 줄어든다. 두 공정 모두에서 경사진 칩이 생성된다.

대부분의 경우 공구 공급업체는 하향 밀링을 추천하는데 그 이유는 상향 밀링 시 얇은 두께로 진입할 때 발생하는 마찰과 마찰 저항을 최소화하기 때문이다. 또한 하향 밀링의 경우 전체 두께로 피삭 재질에 진입해 칩으로의 열전달을 도와 피삭재와 공구 모두를 보호한다. 칩은 커터의 뒤 부분으로 빠져 나가 재절삭의 위험을 최소화한다.

그러나 어떤 경우에는 상향 밀링이 선호된다. 하향 방식의 페이스 밀링은 아래로 향하는 힘을 생성시켜 오래된 수동 기계에 반발력을 일으킬 수 있다. 커터가 피삭재를 끌어 올리는 상향 밀링은 특히, 고부하가 걸리는 불안정한 기계에는 더 나을 수 있다. 또한 상향 밀링은 표면이 거칠거나 얇은 재질을 밀링할 때 효과적일 수 있으며, 피삭재 재질에 점진적으로 진입함으로써 잘 부러지는 초경질 절삭 공구 재질을 충격으로부터 보호할 수 있다. 반면에 얕은 두께로 진입하는 상향 밀링의 특성으로 인해 발생할 수 있는 과도한 마찰과 열은 공구에 해로운 영향을 줄 수 있다. 공구 인선의 고르지 못한 힘은 인선 치핑을 초래할 수 있으며 인장 응력을 증가시킨다. 칩이 커터 앞 부분에 떨어지고 재절삭 위험으로 표면 조도가 나빠질 수 있다.

하향 밀링에서 절삭 공구의 전체 두께로의 진입은 공구에 높은 기계적 부하를 주지만 대부분의 절삭 공구 재질에서 큰 문제가 되지 않는다. 초경, 세라믹 및 고속도강과 같은 최신 공구 재질은 우수한 압축 강도를 갖춘 분말계 제품이다.

커터 위치 및 공구 진입 방법을 논의할 때 기계 기술자는 언제나 커터를 한쪽 측면이나 피삭재 중심선의 반대편에 위치시키는 것이 바람직하다는 점에 유의해야 한다. 중심 위치는 상향 및 하향 밀링의 힘을 뒤섞어서 불안정한 가공 및 진동을 야기할 수 있다.

진출 전략
절삭 인선이 피삭재에서 진출하는 방식은 진입하는 방식과 똑같이 중요하다. 실험 결과는 진출시 커터의 위치와 절삭 공구 인선 수명 간의 명확한 관계를 나타낸다. 진출이 갑작스럽거나 고르지 않은 경우 절삭 인선이 깨지거나 부서진다. 반면 공구의 진출에 유의하면 공구 수명이 10배까지 증가할 수 있다. 중요한 값은 밀링 커터의 반경선과 절삭 인선의 진출점 사이의 각도로 정의되는 진출각이다. 진출각은 네거티브(커터 반경선 초과)이거나 포지티브(반경선 미만)일 수 있다. 공구 인선 오류는 대략 -30도와 +30도 사이의 진출각에서 더욱 분명하게 나타난다(그림 3/3 참조). 이 각도에 포함되는 피삭재 영역의 폭은 밀링 커터 직경의 절반 정도이다.

밀링 커터의 인선에서 단속 부하를 개선하는 다른 방법은 임의의 시간에 피삭재에 접해있는 절삭 인선의 수를 최대화하는 것이다. 작은 직경, 세목 피치 커터 및 큰 원주 방향 절삭 깊이를 적용하면 날이 피삭재에 더 많이 접촉하게 되고 절삭력을 균등하게 분배할 수 있다.

밀링에서 생성된 칩의 두께는 절삭력, 절삭 온도, 공구 수명 및 칩 형성, 배출에 영향을 강하게 미친다. 칩이 너무 두꺼운 경우 고부하가 발생해 절삭 인선이 깨지거나 부서질 수 있다. 칩이 너무 얇은 경우 절삭은 절삭 인선의 일부에서만 일어나고, 마찰 증가로 생긴 열로 인해 빠른 마모가 초래된다.

칩 두께는 유효 인선에 직각으로 측정한 칩의 두께이다. 앞서 논의된 바와 같이 밀링에서 생성된 칩의 두께는 절삭 인선이 피삭재를 가로질러 통과함에 따라 지속적으로 변한다. 공구 공급업체는 프로그래밍 목적으로 '평균 칩 두께'를 이용한다. 평균 두께란 칩의 가장 두꺼운 치수와 가장 얇은 치수의 평균을 숫자로 표현한 것이다. 공구 제조업체는 공구 수명 및 생산성을 최대화할 수 있도록 특정 공구 형상에 대한 평균 칩 두께 데이터를 제공한다.

기계 기술자는 이 데이터를 사용해 권장 평균 칩 두께를 유지할 수 있는 커터 이송을 결정한다. 커터의 원주 방향 절입율, 커터의 직경, 커터의 위치 및 절삭 인선 각도는 정확한 이송을 결정하는 요소들이다. 원주 방향 절입율은 밀링 커터(Dc)의 직경에 대한 원주 방향 절삭 깊이(ae)의 비율로 정의된다. 커터의 원주 방향 절입율이 클수록 원하는 칩 두께를 생성하는 데 필요한 이송은 낮아지게 된다. 마찬가지로, 커터 절입율이 낮은 경우 동일한 칩 두께를 얻으려면 이송은 반드시 높아야 한다. 절삭 인선 각도 또한 이송 요구사항에 영향을 미친다. 최대 칩 두께는 절삭 인선 각도가 90도일 때 생성되므로 작은 각도로 동일한 칩 두께를 얻으려면 이송은 높아야 한다.

날카로운 절삭 인선은 낮은 절삭력을 발생시킬 뿐만 아니라 호닝된 인선 또는 챔퍼링된 인선보다 약하다. 절삭 인선의 기계적 부하는 치핑 및 파손을 방지하기 위해 제한돼야 하며, 날카로운 절삭 인선을 적용하는 경우 작은 평균 칩 두께가 바람직하다. 이 경우 사용되는 절삭 인선 형상은 정확한 평균 칩 두께를 결정하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

기계 기술자는 이러한 원리와 방법을 사용해 기본 밀링 작업에서 밀링 공구의 단속 부하를 제어할 수 있다. 그러나 부품 요구사항이 더욱 복잡해짐에 따라, 심지어 단순한 코너 밀링 수준에서 조차 권장되는 평균 칩 두께를 유지하기 위해 이송을 수동으로 변경하는 것은 본질적으로 불가능하다. 이러한 경우와 매우 복잡한 5축 밀링을 포함한 그 밖의 경우를 위해 CAM 소프트웨어 및 고급 CNC 장비 제조업체는 트로코이달 밀링, 코너 필링과 같은 기술 뿐만 아니라 Dynamic Milling, Volumill 또는 Adaptive Clearing과 같이 일정한 공구 절입을 위한 공구 경로 프로그램을 개발했다. 절삭 공구에 대한 단속 밀링 공정의 영향을 제어하기 위한 이러한 소프트웨어 및 기계 제어의 발전은 공구 진입, 진출 및 칩 두께 관리의 기본 개념에 대한 첨단 기술의 진화를 나타낸다.

칩 두께
제조업체들은 1세기가 넘는 기간 동안 밀링 기계 및 공구를 사용해서 수없이 많은 고품질 부품을 생산했다. 그동안 기본 밀링 공정 즉, 표면 가공을 위해 피삭재에 회전 커터를 사용한다는 사실은 변하지 않았다. 공정의 단속 절삭 특성 또한 마찬가지이다.

밀링 기계 및 밀링 공구는 믿을 수 없을 정도로 발전했지만, 대부분의 경우 사용자들이 그 진보된 기술을 최대한 활용하지 못하고 있다. 밀링 시 발생하는 피삭재와 공구의 독특한 상호작용을 인식하고 공정에 초래되는 단속 부하를 완화하기 위한 작업을 실시하면 제조업체들은 쉽지 않게 여겨왔던 생산성, 품질 및 공구 수명의 세 가지 목표를 모두 달성할 수 있다.

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