금형 제작 1

제1장 절삭가공의 분류

1. 개요

기계가공은 칩을 발생하면서 가공하는 절삭가공(CUTTING)과 칩이 발생하지 않는 비절삭가공으로 크게 나뉨.

절삭가공(CUTTING)은 절삭공구에 의한 것과 연삭공구에 의한 것 그리고 전기 화학적인 방법을 이용하여 가공하는 특수 가공법이 있음.

2. 절삭가공 분류

(1) 절삭공구 가공

1) 고정 공구에 의한 가공

(가) 선삭

척에 고정된 공작물이 회전하고 공구대에 고정된 공구를 전후, 좌우로 직선 이동시키면서 원통의 일감을 가공함.

(나) 평삭

공구를 고정한 램의 좌우, 왕복 직선 운동과 이에 수직방향인 공작물의 직선 운동으로 가공하여 절삭능률을 높이기 위해 급속귀환 운동을 함.

(다) 브로칭

다인 공구인 브로치를 공작물에 눌러대고 이송시켜 키홈 등을 공구의 다면 형상으로 절삭하는 가공.

2) 회전에 의한 가공

(가) 밀링

주축에 고정된 절삭공구를 회전시키고 공작물을 전후, 좌우, 상하로 직선 이송하면서 가공.

(나) 드릴링, 보링

절삭공구인 드릴을 회전시키면서 동시에 상하로 직선 운동을 하는 가공.

(다) 호빙

절삭공구인 호브와 공작물이 웜과 웜 기어와 같이 서로 맞물려 돌아가면서 치형을 절삭하는 가공.

(2) 연삭공구 가공

1) 고정 입자에 의한 가공

(가) 연삭

공작물과 공구인 숫돌이 함께 회전 운동을 하면서 고정된 입자인 숫돌에 의해 연삭가공함.

(나) 슈퍼 피니싱

미세한 숫돌입자를 비교적 약하게 결합시킨 연삭숫돌을 이용하여 비교적 낮은 압력과 미진동을 주면서 주로 고정밀도의 표면으로 가공.

(다) 호닝

숫돌입자를 결합시킨 직사각형의 숫돌을 붙인 혼에 회전 운동과 직선 운동을 동시에 주면서 구멍의 내면을 정밀하게 가공.

(라) 버핑

직물 등의 연한 재료의 회전 원판에 숫돌입자를 부착시키고 공작물을 접촉시켜 마찰에 의해 가공면을 매끈하게 함.

2) 분말 입자에 의한 가공

(가) 래핑

랩이라고 하는 공구와 공작물 사이에 렙제인 연삭입자를 넣고 공작물을 가압하면서 상대 운동을 주어 매끈한 다듬질면을 얻는 가공 방법.

(나) 액체 호닝

연삭입자를 가공액과 혼합한 다음 압축공기와 함께 노즐로 고속 분사시켜 금속 표면을 가공.

(다) 바렐 연마

회전하는 상자 속에 공작물과 미디아로 숫돌입자 등을 넣고 서로 마찰•충돌시켜 공작물의 표면을 매끈하게 함.

(라) 초음파 가공

액체와 연삭입자를 섞은 랩제를 초음파 공구와 공작물 사이에 넣고 초음파 진동을 통해 미립자의 충돌로 인한 절삭작용을 시행하여 공구의 동일한 단면에 구멍을 뚫는 가공임.

3) 특수 가공

(가) 열적 특수 가공

① 방전 가공

절연성의 가공액 속에 공작물을 고정한 후 공구 대신 전극의 방전 현상을 이용하여 공작물을 국부적으로 가열•용융하고 기화시켜 가공.

② 빔 가공

전자 빔, 레이저 빔을 이용하여 전자 또는 레이저 광을 렌즈에 의해 집중조사하여 고에너지를 통해 재료를 용해•증발시키는 가공.

③ 플라스마 가공

가스가 가열에 의해 이온화된 플라스마를 분사시켜 가공부를 용융시키고 가스 흐름으로 표면을 가공.

(나) 화학적 특수 가공

기계적, 전기적 방법으로 가공할 수 없는 재료를 용해나 부식 등의 화학적인 방법으로 표면을 가공하는 것으로 용삭가공, 화학연삭, 화학절단이 있음.

(다) 전기 화학적 특수 가공

전기 도금과는 반대로 연마하려는 공작물을 양극, 공구는 음극으로 연결하여 전해액 속에서 전류를 통해 가공 부위의 전해 작용을 이용하여 가공하는 것으로 전해연마, 전해가공, 전해연삭 등이 있음.

(라) 기계적 특수 가공

작은 강구나 그리트를 사용하여 공작물의 표면을 가공하는 숏 피닝, 그리트 블라스팅이 있으며 원통 내면에 강구를 압입하여 가공하는 버니싱 및 볼 브로칭, 회전하는 공작물에 롤러를 압입· 급송시켜 가공하는 롤러 다듬질 등이 있음.

3. 절삭저항 및 영향 인자

(1) 개요

공작물을 절삭할 때 공구는 공작물로부터 큰 저항을 받는데 이것을 절삭저항이라 함.

절삭저항의 크기는 절삭에 필요한 동력, 피삭성 재료의 여부, 절삭조건의 적부, 공구의 수명, 표면 정밀도 등을 판단하는 기준이 됨.

(2) 절삭저항

절삭저항 = 주분력(Fc) + 이송분력(Fa) + 배분력(Fr)

주분력(Fc) : 절삭 방향으로 작용하는 분력

이송분력(Fa) : 이송 방향으로 작용하는 분력

배분력(Fr) : 공구의 축 방향으로 작용하는 분력

분력의 크기

Fc : Fr : Fa = 10 : 2 ~ 4 : 1 ~ 2

(3) 절삭저항의 변화 요인

1) 공작물의 재질

연한 재질의 공작물보다는 단단한 재질일수록 절삭저항은 커짐.

2) 절삭속도

절삭속도 200m/min 정도의 고속으로 절삭을 하면 온도 상승에 의한 재료의 연화로 절삭저항은 감소하고 그 이상에서는 그다지 큰 변화가 없음.

절삭속도가 고속이면 절삭동력의 감소에 의한 절삭효율의 증대와 양호한 다듬질면을 얻을 수 있음.

3) 절삭면적

절삭깊이와 폭이 커질수록 절삭저항도 커짐.

4) 공구각

절삭각이 90˚보다 작으면 절삭저항은 감소하며 60˚부터는 거의 일정함.

윗면 경사각이 감소하면 절삭저항은 증가하나 절삭속도가 빨라지면 공구 윗면과 칩 사이의 마찰계수가 감소하여 절삭저항은 감소함.

설치각의 증가와 더불어 주분력과 배분력은 감소하지만 이송분력은 다소 증가함.

4. 절삭치수효과

(1) 개요

절삭 시 절삭깊이가 얕아지면 단위면적당 비절삭저항이 증가하는 현상을 절삭치수효과라 함.

총 절삭력은 칩 및 공작물에 접촉하는 공구의 면적에 분포하고 있으며 공구의 날끝은 미세한 곡률 반지름을 갖고 있어 날끝 반지름의 영향이 절삭깊이의 감소와 더불어 현저하게 나타나기 때문임.

(2) 비절삭저항

1) 2차원 절삭

2차원 절삭은 절삭 날끝의 선과 운동 방향이 서로 직각이며 또한 주운동 방향을 포함하여 절삭날에 직교하는 평면에 평행으로 칩이 배출되는 절삭 방법.

2차원 비절삭저항 = 절삭저항 / (절삭폭 X 절삭깊이)

2) 3차원 절삭

3차원 절삭은 경사 절삭을 하거나 노즈에 반지름이 있는 바이트로 세로 방향으로 절삭할 때 칩이 3차원적으로 생기는 절삭 방법.

3차원 비절삭저항 = 절삭저항 / (절삭깊이 X 이송)

(3) 절삭치수효과의 원인

1) 전단응력의 증대

절삭깊이가 감소할수록 전단응력이 커짐.

절삭깊이가 0.1mm 정도인 선삭에서는 재료 시험에서 전단응력과 유사하나 0.01mm 정도인 밀링 가공에서는 2 ~ 3배로 증가하고 1μm 이하의 연삭에서는 20 ~ 30배로 전단응력이 증대함.

2) 가공경화 및 격자 결함

공작물이 격자 결함의 평균 간격과 같은 정도까지 되면 결함에 의한 강도 가감의 현상이 작아지고 재료 강도의 증가에 의한 절삭저항이 증가됨.

미소한 절삭깊이에서는 언제나 앞의 절삭에 의하여 가공경화된 경화층을 절삭하므로 비절삭저항이 커짐.

5. 초고속 절삭가공

(1) 개요

주축의 베어링 기술, 냉각 시스템, 윤활법 등의 발전에 의해 공작기계의 주축은 끊임없이 고속화가 추진되어 왔으며 공구의 개선과 더불어 통상의 절삭속도인 200m/min 전후에서 1,000m/min 전후의 절삭속도인 초고속 절삭가공이 가능해짐.

절삭속도가 빨라지면 절삭온도는 상승하지만 어떠한 한계를 넘으면 칩이 갖는 열량이 많아지고 온도 상승은 적어짐.

공작기계의 발달과 세라믹 등 공구 재료의 발달로 초고속 절삭가공의 적용 연구가 활발해지고 있으며 생산성 향상의 측면에서도 바람직한 현상임.

제조 산업은 급속한 환경 변화로 제품 가격의 세계적인 표준화가 진전되어 대폭적인 가격 인하가 생존의 조건이 되었음.

금형 산업도 예외일 수 없고 가격 인하는 물론 단기 납품 대응이 발주의 절대적인 조건이 되어 가고 있는 실정임.

금형 부품가공은 절삭이 많은 비중을 차지하고 있으며 절삭가공 기술의 고도화에 중점을 두어야 함.

그 중에서 초고속 절삭가공을 기반으로 한 고능률, 고정밀, 가격인하 대응의 생산 시스템 구축이 필요함.

(2) 초고속 절삭가공의 특징

1) 장점

절삭능률이 증가되어 가공시간이 단축됨.

절삭저항이 감소되어 절삭동력도 적어짐.

가공정도 및 다듬질면의 표면 거칠기가 좋아짐.

가공 변질층이 적어짐.

2) 단점

절삭온도가 높으므로 공구는 내열성이 있어야 함.

공작기계의 정밀도가 높아야 하며 기계의 가격 상승이 수반됨.

(3) 초고속 절삭가공의 영향

1) 절삭저항

절삭속도가 증가함에 따라 초경합금 공구 사용 시의 절삭저항은 큰 변화가 없음.

서멧 공구는 절삭속도가 1,800m/min 정도에서 약간 상승되며 세라믹 공구의 절삭저항은 가장 작고 속도의 증가에 따라 큰 변화가 없음.

2) 공구 마멸

초경합금 공구의 초고속 절삭가공 시 공구의 크리에이터 마멸은 거의 없으나 전면 절삭날의 마멸이 매우 심하게 되어 공구 수명을 다하게 됨.

세라믹 공구는 노즈 반경 부분의 마멸이 증가하여 사용을 어렵게 함.

초고속 절삭가공을 위한 공구는 전면 절삭날과 여유면의 손상이 방지 되어야 함.

3) 초고속 절삭가공과 다듬질면의 표면 거칠기

다듬질면의 표면 거칠기는 저속에서 구성인선 등의 영향으로 매우 거칠어지고 가공속도의 증가와 더불어 200m/min 정도까지는 거칠어지는 정도가 감소되며 그 이상의 속도에서는 그다지 큰 변화를 보이지 않음.

(4) 초고속 절삭가공의 영향인자

1) 절삭속도

(가) 개요

초고속 절삭가공은 공구를 고속 회전과 고속 이송의 조건으로 절삭함.

절삭속도는 공구수명과 가공정밀도에 큰 영향을 미침.

(나) 최적의 절삭속도 영역

프리히든강을 선삭, 볼 엔드밀 절삭(단속절삭)에 대해 절삭속도와 공구수명의 관계는 다음과 같음.

① 선삭

절삭속도가 높을수록 공구수명이 단축됨.

② 볼 엔드밀 절삭

중심날 부근의 저속측은 절삭속도를 높일수록 공구수명이 단축됨.

③ 코팅된 초경합금 볼 엔드밀 절삭

급속한 공구의 마모가 진행되기 직전의 절삭속도는 매분당 600m임.

2) 이송량

한 날당 이송량을 크게 하면 황삭에서 고능률화가 가능함.

이는 절삭깊이가 얕아 공구의 마모량을 적게 억제할 수 있기 때문임.

정삭에 경우에는 정밀도가 결정되기 때문에 절삭속도와 이송속도를 동시에 높여야 고능률화가 가능함.

(5) 금형에 초고속 절삭가공 도입

1) 조건

(가) 기계

고속 회전이 가능한 주축을 갖출 것.

민첩한 이송 구동부를 가질 것.

기계 전체의 소요 바닥 면적과 워크를 탑재하는 테이블의 면적의 비율이 작을 것.

주축에 절삭유제 공급 기능을 가질 것.

(나) 공구와 지지구

초고속 가공 시 공구는 고속 회전을 하므로 높은 진동 정밀도와 강성 등이 요구됨.

깊은 홈과 벽면 절삭 시 진동 발생을 저감하기 위해 외주날에 백 테이퍼를 두어 절삭면과 절삭날의 접촉을 없앰.

정삭 시 공구의 교환없이 가공을 완료해야 함.

공구 지지구를 슬림화하고 정밀도를 2~3 급으로 정밀화해야 함.

2) CAM 데이터베이스

NC 프로그램 작성 시 가공 형상에 대응한 공구의 선택과 공구의 부하가 균일하도록 공구 궤적을 생성해야 함.

초고속 절삭가공에 필요한 데이터베이스 구축은 다음과 같이 시행.

– 공구의 기능과 특성 등에서 공구 궤적과 절삭조건에 대한 데이터베이스.

– 가공 형상과 정밀도에 대한 최적 절삭공구의 선택 기준 데이터베이스.

– 고속가공기 시방.

– CNC 제어 등에 관한 데이터베이스.

(6) 고부가가치 금형 생산기술의 추진방법

미세형상 및 초정밀가공을 위해서는 한 개의 공구를 사용하여 완료하는 것이 치수정밀도를 높이고 고능률화를 실현할 수 있음.

고속가공기는 동작 범위가 작고 민첩해야 하고 고정밀도의 위치결정기능, 매분당 수 만회 이상의 회전이 가능한 고속 주축, 미세 형상을 고속으로 가공할 수 있는 최적의 CNC 제어장치 등과 같은 새로운 기술이 요구됨.

또한 공구의 지지 정밀도와 강성의 요구는 지나칠 수 없는 중요 요소임.

(7) 향후 과제

1) 마멸 저감 대책의 강구

2) 공작기계의 설계 및 제작상의 문제 해결

공작기계의 가속 및 감속.

위험 방지.

초고속 회전 시 발생하는 소음 및 진동에 대한 대책 수립.

3) 금형 생산기술의 고도화을 위한 고찰

금형 생산의 고도화는 고속가공기의 출현으로 가속화되고 있음.

고속가공기의 출현으로 고속 및 고정밀화가 진전되어 현재 1㎛ 이하의 가공정밀도에 도달하고 있으며 무연마가 가능한 단계를 맞이하고 있음.

한편으로는 IT 관련 산업의 진전으로 광전자분야에서의 장치 부품 등의 수요가 급증하여 미세 형상과 고정밀도 가공기술의 수요가 주목받고 있는 실정임.

이를 위해서는 기계, 공구, 공구 지지구, CAD/CAM 등 일련의 금형 생산 설비와 기술의 새로운 진전이 요망 됨.

6. 공구수명

(1) 개요

가공물의 피삭성과 공구의 성능을 분석하기 위해서 공구수명 파악이 중요함.

절삭가공 시 고온 및 고압으로 인한 마찰력으로 공구가 마모되어 절삭성이 감소하고 치수정밀도와 표면거칠기가 나빠지는데 이는 공구 본래의 형상을 잃게 되며 소요되는 절삭동력도 증가하여 어느 한계값을 넘어서면 공구를 교환하거나 재 연삭을 시행해야 함.

공구로 가공물을 일정한 절삭조건으로 절삭을 시작하여 공구의 교환 또는 재 연삭을 할 때까지의 실질적인 절삭시간의 합을 공구수명시간이라고 하고 단위는 분으로 나타냄.

(2) 공구의 파손 종류

1) 크레이터 마모

(가) 현상

공구의 윗면 경사각이 오목하게 파인 현상.

절삭 시 유동형 칩이 발생할 때 가장 뚜렷이 나타나며 크레이터 마모 자체는 큰 문제가 아니지만 크레이터 마모가 커지면서 공구 인선이 약화되어 공구가 파손이 됨.

(나) 공구수명의 판정

초경합금 공구일 경우 크레이터 깊이는 0.05~0.1mm.

(다) 해결방안

공구의 경사각을 크게 하여 경사면 위의 압력을 감소시켜야 함.

공구의 경사면의 표면 거칠기를 양호하게 하고 냉각제를 사용하여 경사면 위의 마찰계수를 감소시켜야 함.

2) 플랭크 마모

(가) 현상

공구의 절삭면이 평행하게 마모되는 현상으로 측면과 절삭면 간에 마찰에 의해 발생함.

주철과 같은 메진 재료를 절삭하거나 분말상 칩이 발생할 때 뚜렷하게 나타남.

(나) 공구수명 판정

3) 치핑

공구의 인선 일부가 미세하게 탈락되는 현상.

공구의 인선에 충격을 받거나 충격에 약한 공구를 사용할 때 발생하고 공작기계의 진동에 의해 공구의 인선에 가해지는 절삭저항의 변화가 큰 경우에도 발생함.

초경합금이나 세라믹 공구 등에 발생하기 쉽고 고속도강과 같이 점성이 큰 재질의 공구에는 비교적 적게 발생하는 경향이 있음.

크레이터 마모나 플랭크 마모는 서서히 진행되는데 반해 치핑은 충격적인 힘을 받을 경우 발생하므로 급격하게 진행 됨.

4) 온도에 의한 파손

절삭속도가 증가하면 절삭온도는 상승하여 공구의 마모가 증가하는 현상.

공구의 마모가 증가하면 압력 에너지가 증가하므로 공구의 날이 약해져서 파손이 일어남.

절삭가공 시 불꽃이 발생하는 것으로 온도에 의한 파손을 확인할 수 있음.

절삭온도의 상승은 공구의 수명을 단축시키고 절삭저항을 증가시킴.

(3) 공구수명 판정

1) 공구수명 공식

n은 공구와 가공물에 의해 변화하는 지수로써 다음과 같음.

일반적으로 n값은 1/5~1/10을 많이 사용하고 C는 가공물의 절삭조건에 따라 변화하는 값이므로 공구수명을 1분으로 할 때의 절삭속도로 함.

2) 공구수명 판정 방법

(가) 가공면에 광택이 있는 색조 또는 반점이 발생할 경우

공구의 인선이 마모되거나 파손되면 버니싱을 한 것과 같은 광택이 나고 절삭 불량이 발생하는데 눈으로 확인이 가능하여 손쉽게 공구수명이 종료된 것으로  판정함.

(나) 공구 인선의 마모가 일정량에 도달할 경우

플랭크 마모나 크레이터 마모의 깊이로 공구수명을 판정함.

(다) 주분력의 변화는 적고 이송분력과 배분력이 급격하게 증가할 경우

이러한 경우 현미경으로 공구의 인선을 살펴봐서 마모나 미소한 결함이 발생했으면 공구수명이 종료된 것으로 판정함.

(라) 완성 치수의 변화량이 일정량에 도달할 경우

공구가 마모되면 선반의 심압대에서 척 방향으로 절삭 시 척 방향에 지름이 커지는 비정상적인 테이퍼로 절삭됨.

이때 척 방향으로 가공물 지름이 증가하는 양이 어느 정도 일정한 양에 도달하면 공구수명이 종료된 것으로 판정함.

(마) 기타

주분력이 절삭 초기와 비교하여 일정량이 증가할 경우 공구수명이 종료된 것으로 판정함.

(4) 공구수명에 영향을 주는 인자

1) 공구각

고속도강과 같은 열에 민감한 공구에서 경사각이 증가하면 절삭온도가 낮아져서 공구수명이 길어지나 경사각이 30˚보다 커지면 공구인선의 강도가 부족하여 치핑이 발생하여 공구수명이 짧아짐

2) 절삭속도

절삭속도가 필요 이상으로 빨라지면 고온 경도 및 크레이터 마모의 증가로 인하여 공구수명이 짧아짐.

3) 공구의 재료

공구의 재료는 고온경도, 경도, 인성, 내마모성, 열정 충격성 등 여러가지 조건을 갖춘 것이 좋음.

가공물과 공구의 친화력이 적어지면 마모저항이 향상됨.

고속도강은 고온경도가 낮아 절삭온도가 낮은 저속가공을, 초경합금, 세라믹, CBN은 절삭온도가 높은 고속가공을 실시해야 공구수명이 길어짐.

4) 가공물 재료

가공물 재료의 경도, 인성, 마모, 강도 등과 같은 성분이나 기계적 성질이 공구수명에 영향을 미침.

5) 절삭유제

절삭유제는 절삭 시 발생하는 절삭열과 마찰을 감소시켜 공구수명을 연장함.

7. 절삭유제

(1) 개요

금속의 절삭가공 및 연삭가공 시 사용되는 윤활유를 말하며 성분은 파라핀계, 나프텐계, 방향족계 등의 기유와 각종 성능 향상을 위한 극압첨가제, 계면활성제 등의 첨가제로 구성되어 있음.

(2) 기능

공구와 가공물 간의 마찰을 줄여 공구의 마모를 낮춤.

가공표면의 특성을 좋게 함.

가공표면에 칩이 유착되거나 융착되는 현상 발생을 낮춤.

절삭열을 냉각.

절삭 칩, 절삭된 조각, 미세한 가루, 잔여물 등을 비산.

(3) 3대 작용

냉각작용

윤활작용

세척작용

(4) 구비조건

윤활성 및 냉각성이 우수할 것.

화학적으로 안정하고 인체에 무해할 것.

기계와 가공물에 부식을 일으키지 말 것.

가공 칩 분리와 수거가 용이할 것.

휘발성이 없고 인화점이 높을 것.

값이 저렴하고 쉽게 구할 수 있을 것.

(5) 절삭유제 종류

1) 비수용성 절삭유제

(가) 개요

1종과 2종의 구별은 극압첨가제 함유 유무.

1종은 석유와 유지로 구성되고 극압첨가제가 함유되지 않으며 2종은 광유와 유지, 극압첨가제로 구성됨.

(나) 열화요인

타유의 혼입.

수분의 혼입.

가공 칩에 의한 광유의 산화중합의 보전.

(다) 관리방법

가공성의 판정.

외관 변화의 관찰.

점도의 관찰.

보급량 관리.

2) 수용성 절삭유제

(가) 개요

희석액이 외관 및 주성분인 광우와 계면활성제의 비율에 의해 W1종과 W2종으로 분류됨.

유화제의 양이 적고 희석액의 외관이 백탁 되어 있는 W1종은 에멀션이라 함.

유화제가 주성분이 W2종은 희석액은 투명 또는 반투명이며 솔루블이라함.

(나) 열화요인

미생물 서식.

가공 칩의 혼입.

타유의 혼입.

(다) 관리방법

농도관리.

부패방지.

청정화관리.

피부염 발생에 대한 대책 강구.

이상으로 절삭가공(CUTTING)의 분류에 대한 연재를 마치고 다음에는 절삭가공 중 드릴링에 대한 연재를 시작할 예정입니다.