금형 제작 3

제3장 선삭

1. 개요

선반에서 시행되는 가공 작업으로 척에 고정된 일감을 회전시키고 공구대에 공구를 고정시켜 전후, 좌우로 직선 이동시켜 원통의 일감을 가공하는 가공법을 선삭 이라함.

선삭가공의 종류로는 원통 깎기, 테이퍼 깎기, 자르기, 보링, 곡면 깎기, 총형 깎기, 정면 깎기, 끝면 깎기, 측면 깎끼, 나사 깎기, 널링 등이 있음.

2. 선반

(1) 구조

1) 주축대

주축에 전동기의 동력을 전달하는 역할을 하며 가공물을 고정하여 절삭 회전운동을 함.

주축대는 주축과 베어링, 기어, 급유 펌프로 구성되어 있음.

주축은 모스 테이퍼 형태를 취하고 가공물을 고정하여 정밀한 회전운동을 유지하는 역할을 하며 탄소강이나 니켈-크롬강을 사용하여 제작되고 주축의 정밀도는 가공품의 정밀도에 영향을 줌.

(가) 주축대의 변속장치

① 기어식 주축대

–  가장 많이 사용하고 강력한 구동력을 가지고 있으며 조작이 간단함.

– 기어의 변환은 미끄럼식과 클러치식이 있음.

② 무단 변속식(단차식) 주축대

– 원추형의 풀리의 간격 조정으로 무단 변속을 수행.

2) 베드

베드는 주축대와 왕복대, 심압대를 지지하는 역할을 함.

베드 안내면의 정밀도는 선반의 정밀도를 좌우하고 고급 주철로 제작되며 구비조건으로는 내마모성이 크고 강성 및 방진성이 우수하며 가공 정밀도와 진직도가 좋아야 함.

(가) 베드의 종류

① 평형 베드(영국식)

– 대형 선반용으로 수압 면적이 크고 단면 모양이 평면이며 강력 절삭에 사용됨.

② 산형 베드(미국식) : 중소형 선반용

– 중소형 선반용으로 수압 면적이 작고 단면 모양이 산형이며 정밀 절삭에 사용됨.

③ 절충형 베드

– 평형과 산형을 절충한 베드.

3) 심압대

심압대는 주축대의 반대쪽 베드 위에 설치되며 주축의 센터와 더불어 가공물의 오른쪽 끝을 센터로 지지하고 드릴을 설치하여 구멍을 가공할 수 있으며 심압대를 편위시키면 테이퍼를 가공할 수 있음.

4) 왕복대

왕복대는 베드 위에 설치되며 공구대를 전후, 좌우로 이송시킬 수 있으며 새들, 에이프런, 세로 이송대로 구성됨.

(2) 바이트

바이트는 선반에서 사용하는 절삭공구로 선반의 공구대에 고정되는 부분인 자루(생크)와 날 부분으로 구성되어 있음.

1) 명칭

(가) 자루

바이트에서 날 부분을 제외한 부분.

(나) 인선

실질적인 절삭을 하는 바이트의 예리한 날 부분.

(다) 주절인(옆날)

바이트 측면 여유면과 경사면이 서로 만날 때 이루는 날카로운 날 부분으로 바이트의 길이 방향으로 형성되며 절삭가공의 대부분을 차지하는 주요 부분.

(라) 부절인(앞날)

주절인에 접하며 바이트 앞쪽으로 형성되는 날카로운 부분으로 단면 가공을 할 때 주로 사용하는 인선.

(마) 날 끝(노즈)

주절인과 부절인이 만나는 부분으로 매우 날카로워 원래의 형태로 사용하게 되면 바이트가 약해져서 공구 수명 단축, 마모, 파손, 발열 등의 원인이 됨.

주절인과 부절인이 만나는 끝 부분은 약간(R=0.2~1.6mm정도) 둥글게 하는 부분으로 가공되는 면의 표면 거칠기에 많은 영향을 미침.

(바) 경사면

절삭되는 칩이 접촉하는 면으로 주절인과 부절인이 연결된 바이트의 윗면을 의미함.

(사) 여유면

가공물과 바이트 간에 마찰을 줄이기 위한 면으로 주절인과 부절인의 아랫부분으로 연결된 면을 의미함.

2) 바이트의 각도

(가) 경사각

절인과 경사면이 평면과 이루는 각도로 윗면 경사각과 옆면 경사각으로 구분하며 경사각이 크면 절삭성이 좋아지고 가공된 면의 표면 거칠기도 좋아지지만 날끝이 약해져서 바이트의 수명이 단축되므로 적절한 경사각을 사용해야 함.

① 윗면 경사각

부절인에서 바이트의 뒤쪽으로 이어지는 면과 수평에서 이루어지는 각.

② 옆면 경사각

주절인이 경사면과 수평에서 이루는 각으로 칩의 유동을 좌우하는 각.

(나) 여유각

여유각은 바이트의 옆면 및 앞면과 공작물과의 마찰을 줄이기 위한 각으로 여유각이 너무 크면 날끝이 약해짐.

바이트의 여유각은 가공물의 재질, 바이트의 재질, 절삭조건에 따라 적절하게 선정하는 것이 효과적임.

① 앞면 여유각

부절인을 이루는 바이트의 앞면이 바이트의 수직선과 이루는 각.

② 옆면 여유각

주절인과 여유면이 바이트의 수직선과 이루는 각.

3) 바이트의 종류

(가) 바이트 구조에 따른 분류

① 단체 바이트

바이트의 인선과 자루가 같은 재질로 구성된 바이트이고 고속도강 바이트라고 함,

② 팁 바이트

생크에서 날(인선) 부분에만 초경합금이나 용접이 가능한 바이트용 재질을 용접하여 사용하는 바이트로 용접 바이트라고 함.

③ 클램프 바이트

팁을 용접하지 않고 기계적인 방법으로 클램핑하여 사용하기 때문에 클램프 바이트라고 하며 용접이 불가능한 세라믹 바이트도 클램핑하여 사용함.

(나) 바이트의 용도에 의한 분류

(3) 칩 브레이커

1) 개요

절삭속도의 증가의 따라 장시간 연속 절삭을 하는 경우에 발생되는 칩은 공구, 일감 및 공작기계와 엉키게 되어 작업자에게 위험할 뿐만 아니라 적절히 처리되지 않으면 가공물에 흠집을 주고 공구 날끝에도 기계적 치핑을 초래하며 절삭유제의 유동을 방해하게 됨.

절삭 시 발생되는 긴 칩은 위와 같은 문제 때문에 제어하고 적당한 크기로 잘게 부서지게 하기 위하여 공구 경사면을 변형시키는 칩 브레이크가 필요함.

2) 칩 브레이커의 목적

(가) 칩과 공구, 가공물, 공작기계가 서로 엉키는 것을 방지

가공 표면에 흠집의 발생을 방지.

공구 날끝의 치핑 방지.

칩의 비산 등에 의한 작업자의 위험 요인을 줄임.

(나)절삭유제의 유동성 향상

(다) 효율적인 칩의 제거 및 처리

3) 칩 브레이커의 형상과 공구 마모

(가) 형상

① 홈형 칩 브레이커

공구의 경사면 자체에 홈을 만드는 방식의 칩 브레이커.

② 장애물 칩 브레이커

공구의 경사면에 별도의 부착물을 붙이거나 돌기를 만드는 방식의 칩 브레이커.

(나) 칩 브레이커에 의한 공구 마모

① 평면 공구

평면 공구는 공구가 마모될 때 공구면에 큰 홈이 발생되어 칩 브레이커 역할을 할 수 있고 최초에 발생되는 칩은 나선형 칩임.

② 홈형 칩 브레이커 공구

홈형 칩 브레이커 공구는 공구의 마모율이 평면 공구의 것과 같으나 초기부터 홈에 의해 칩이 잘게 부서지며 마모가 계속됨에 따라 장애물형 칩 브레이커 공구와 같은 형상을 나타냄.

③ 장애물형 칩 브레이커

장애물형 칩 브레이커는 칩의 곡률 반경과 칩 브레이커를 제어할 수 있으며 공구의 마모를 감소시킬 수 있고 공구 상면의 마모가 계속됨에 따라 칩의 곡률 반경이 감소하여 칩이 너무 잘게 부서질 수 있음.

4) 선삭 시 칩의 형태

(가) 나선형 칩(RIBBON CHIP)

나선형 칩은 절삭날의 경사각이 0˚이면 절삭이 진행됨에 따라 점점 칩의 곡률 반경이 증가되며 이로 인해 칩에 응력이 증가하여 파괴됨.

나선형 칩은 고속 절삭에서 칩이 자연스럽게 말리지 않고 칩 브레이커가 없다면 절삭이 진행되면서 칩은 직선으로 공구의 상면을 흐르고 서로 얽히는 리본과 같은 형태의 칩이 발생됨.

(나) 활형 칩(ARC CHIP)

활형 칩은 칩 브레이커를 설치하여 발생되는 칩의 가공면과 부딪히도록 유도하여 작은 조각으로 부서지게 한 칩.

잘게 부서진 활형 칩은 가공물의 회전 시 가공물에 의해 튕겨져서 작업자에게 위험을 줄 수 있음.

(다) 대롱형 칩(TUBULAR CHIP)

대롱형 칩은 3차원 절삭에서 발생되는 것으로 칩의 나선각은 칩의 유동각과 거의 같고 경사각과도 거의 같음.

대롱형 칩의 곡률 반경이 너무 작을 때 칩이 공구면을 접촉하여 생기는 칩이며 칩의 곡률 반경을 조정하여 칩의 파괴 형태를 개선할 수 있음.

(라) 연결된 나선형 칩(CONNECTED-ARC CHIP)

연결된 나선형 칩은 칩의 자유단을 가공품에 부딪치게 하고 회전이 계속될 때 자유단이 밀려서 공구의 플랭크에 부딪치고 이로 인해 곡률 반경이 증가되면 응력의 증가로 칩이 파괴됨.

연결된 나선형 칩은 곡률 반경이 너무 크면 칩은 공구과 부딪치지 않고 밑면으로 치우쳐 공구를 휘감고 곡률 반경이 너무 작으면 칩이 공구 상면과 접촉하여 활형 칩이 발생됨.

3. 칩의 발생 형태

(1) 개요

일감이 공구에 의해 절삭될 때는 날끝 부위의 재료가 소성변형을 일으키고 공구의 압력에 의해 미끄럼이 일어나 모재로부터 분리되어 칩이 형성됨.

칩은 절삭공구의 형상, 일감의 재질, 절삭속도, 절삭깊이나 이송 등에 따라 달라지며 유동형, 전단형, 경작형, 균열형의 4가지를 기본형으로 분류함.

(2) 칩의 형태

1) 유동형 칩

(가) 형상 및 특징

유동형 칩은 칩이 공구의 경사면 위를 유동하는 것과 같이 원활하게 연속적으로 흘러나가는 형태이고 칩 발생 시 재료는 연속적인 미끄럼 파괴에 의하여 절삭되어 길게 연속된 코일 모양을 취함.

유동형 칩은 절삭면의 변동이 없고 전동이 적으며 가공면이 깨끗하고 절삭작용이 원활하게 됨.

(나) 발생 조건

연하고 인성이 큰 재질을 윗면 경사각이 큰 공구로 절삭할 때.

절삭깊이가 작을 때.

절삭속도가 높고 절삭제를 사용하여 가공할 때.

2) 전단형  칩

(가) 형상 및 특징

전단형 칩은 칩이 원활히 흐르지 못하고 칩을 밀어내는 압축력이 축적되어야 분자 사이에 전단이 일어나기 때문에 미끄럼 간격이 커짐.

전단형 칩은 불연속적인 미끄럼에 의하여 나타나므로 유동형과 균일형의 중간에 속하는 형태이며 절삭저항은 1개의 칩이 발생할 때마다 변동하여 가공면도 매끄럽지 못함.

(나) 발생 조건

점성이 큰 재질을 작은 경사각의 공구로 절삭할 때 절삭깊이가 크면 피삭재가 공구에 붙어 떨어지지 않아 발생함.

3) 경작형 칩

(가) 형상 및 특징

경작형 칩은 공구의 날끝보다 날의 아래쪽에 균열이 발생되면서 절삭이 되는 형태.

경작형 칩은 재료가 공구 전면에 접착하여 공구의 상면을 미끄러져 나가지 못하며 아래 방향에 균열이 발생하여 가공면이 나쁨.

경작형 칩은 절삭력의 변동이 심하고 날끝의 진동과 잔류응력이 큼.

(나) 발생 조건

연한 재료를 작은 윗면 경사각으로 저속 절삭할 때.

4) 균열형 칩

(가) 형상 및 특징

균열형 칩은 균열의 발생은 전단형과 같으나 순간적으로 공구의 날끝 앞에서 인장응력에 의해 일감의 표면을 향해 균열이 생기고 이것이 칩이 됨.

균열형 칩은 칩 발생 시의 진동으로 절삭력의 변동이 크며 가공면도 매우 불량함.

(나) 발생 조건

주철과 같은 취성이 큰 재료를 저속으로 절삭할 때.

4. 구성인선(BUILT UP EDGE) 및 억제 방법

(1) 개요

연강, 동, 스테인리스강, 알루미늄과 같은 연한 재료를 절삭할 때 칩과 공구면 사이의 높은 압력과 고온의 마찰열에 의해 날끝에 단단하게 경화된 물질이 융착 또는 압착되어 절삭면에 군데군데 흔적을 나타내는 것을 구성인선이라 함.

고장물 재료의 층으로 구성된 상태로 가공물의 표면을 거칠게 만드는 주요 원인이지만 얇고 안정적인 구성인선의 경우 공구 경사면을 보호하고 공구의 마모를 낮춰 수명을 연장시킴.

(2) 구성인선

1) 가공면에 미치는 영향

구성인선은 매우 짧은 시간(1/50초 ~ 1/200초)을 주기로 발생 → 성장 → 분열 → 탈락을 반복하여 탈락할 때마다 가공면에 흠집을 만들고 진동을 일으켜 가공면을 나쁘게 함.

구성인선의 끝은 공구의 날끝보다 아래에 있고 둥글기 때문에 가공면의 치수 및 표면 정밀도가 나쁨.

탈락 시마다 마찰에 의해 인선의 마모를 크게 함.

2) 특징

치수정밀도가 떨어짐.

표면 거칠기가 나쁨.

공구의 수명이 단축됨.

표면 변질층이 깊어짐.

공구의 날끝을 보호함.

공구의 윗면 경사각을 크게 하여 절삭열의 발생을 감소시킴.

3) 발생 억제 방법

공구의 윗면 경사각을 크게 할 것.

칩의 흐름 저항을 작게 할 것.

– 공구 상면을 잘 연마하고,

– 윤활성이 좋은 절삭유제를 사용하고,

– 마찰계수가 적은 초경합금 공구를 사용해야 함.

절삭속도를 빠르게 할 것.

절삭깊이를 얕게 할 것.

저속인 절삭조건에서는 이송을 크게 할 것.

절삭유제를 사용할 것.

가공물과 친화력이 낮은 재료의 공구를 사용할 것.

공구의 날끝이 날카로워야 할 것.

4) 구성인선을 이용한 절삭

(가) 개요

구성인선은 다듬질면을 나쁘게 하고 치수 정밀도를 저하시키는 반면 경사각을 크게 하므로 절삭저항을 감소시키고 바이트 인선을 구성인선으로 보호하는 측면도 있기 때문에 공구의 수명이 연장되는 이점도 있음.

이러한 이점을 이용한 절삭법을 은백칩 절삭법이라고 함.

(나) 절삭 방법

SWC 바이트는 표준 바이트 형상과 차이가 있으며 마이너스의 경사각이 생성된 0.2mm 정도의 랜드 부분에 구성인선을 부착시켜 바이트의 인선을 보호하고 절삭 열의 일부를 마이너스 각의 날에서 발생되는 별도의 칩으로 유출시켜 공구 수명을 연장시킬 수 있는 방법임.

마이너스 각에 의한 칩은 표준 바이트보다 큰 경사각을 갖고 마찰열을 감소시키기 때문에 칩의 색깔은 변색하지 않고 은백색을 띰.

이상으로 절삭가공 중 선삭에 대한 연재를 마치고 다음에는 밀링에 대한 연재를 시작할 예정입니다.