금형 제작 4

제4장 밀링

1. 밀링 머신의 종류 및 특징

(1) 개요

밀링 머신은 주축에 고정된 밀링 커터를 회전시키고 테이블에 고정한 일감을 전후, 좌우, 상하 운동을 주어 절삭하는 공작기계로서 평면 절삭은 물론 불규칙하고 복잡한 형상을 갖는 면의 절삭가공에 적합함.

최근에는 초경합금의 발달로 각종 작업에 적합한 초경 밀링 커터로 고속 또는 강력 절삭을 할 뿐만 아니라 가공 정밀도도 매우 높음.

(2) 니 칼럼형 밀링 머신

1) 수평 밀링 머신

(가) 구조

수평 밀링 머신은 주축 및 이에 고정한 아버가 수평으로 장치되어 회전되고 니는 기둥 앞면을 상하로 미끄러져 이동하며 니 위의 새들은 전후 방향으로 이동할 수 있는 구조임.

아버는 밀링 커터를 고정하여 회전시켜 일감을 가공하며 오버 암은 아버가 휘는 것을 방지해 줌.

(나) 변속

주축의 속도변환은 칼럼 내부에 있는 속도변환 기어로 하며 테이블 이송을 위한 속도변환은 니 내부에 장치한 변환 기어로 수행됨.

최근에는 테이블의 절삭이송, 급속이송 및 귀환 등을 자동 사이클로 완성하는 장치도 있음.

(다) 수평 밀링 머신의 가공 종류

수평 밀링 머신은 아버에 플레인 커터나 측면 커터를 설치하여 평면을 가공함.

2) 수평 밀링 머신

(가) 구조

주축 헤드가 테이블에 대해 수직으로 설치된 것으로 주로 엔드 밀과 정면 커터를 사용하여 공작물의 내면 또는 바깥면, 구멍, 평면을 가공할 수 있음.

주축은 상하로 이동하는 것, 고정된 것, 필요한 각도로 경사시킬 수 있는 것 등이 있음,

(나) 수직 밀링 머신의 가공 종류

3) 만능 밀링 머신

수평 밀링 머신과 거의 같으나 새들 위에 회전대가 있어서 수평면 안에서 필요한 각도로 테이블을 회전시킬 수 있음.

따라서 분할대나 헬리컬 절삭장치를 사용하면 헬리컬 기어의 치형과 트위스트 드릴의 비틀림 홈을 가공할 수 있음.

(3) 생산형 밀링 머신

1) 특징

생산형 밀링 머신은 대량생산에서 적합하도록 기능을 단순화하고 자동화시킨 밀링 머신으로서 스핀들 헤드가 1개인 단두형과 2개인 쌍두형, 2개 이상인 다두형이 있음.

2) 종류

(가) 고정 베드형 밀링 머신

고정 베드형 밀링 머신의 베드는 고정되고 테이블은 베드 위에서 길이 방향으로 왕복 이동을 하며 베드에 고정된 칼럼 위에서 주축대가 상하로 이동하고 스핀들은 관형으로 되어 있어 전후로 움직여 3차원 운동을 수행함.

(나) 회전형  밀링 머신(ROTARY MILLER)

회전형 밀링 머신은 일감을 고정한 원형 테이블을 연속 회전시키며 직립 스핀들이 2개 있어 두 종류의 일감을 동시에 가공할 수 있고 거친 절삭과 다듬질 절삭을 동시에 할 수 있는 고성능 밀링 머신임.

(4) 플레이너형 밀링 머신(PLANO MILLER)

1) 특징

플레이너의 공구대 대신 밀러 헤드가 설치된 형식으로 단주형과 쌍주형이 있고 수평 및 수직으로 헤드가 위치하여 길이가 긴 대형 일감이나 중량물의 가공과 강력 절삭에 적합한 밀링 머신임.

2) 이송

가공물을 고정한 테이블이 길이 방향으로 이동하며 가로 및 수직 방향의 이송은 스핀들을 이용함.

(5) 특수 밀링 머신

1) 모방 밀링 머신

모방 장치를 사용해 다이, 금형의 조각 및 윤곽을 가공하는 것으로 유압식, 유압 공기식. 전기식 등의 자동 추적 장치에 의해 절삭용 주축의 운동을 제어하여 절삭하며 복잡한 형상을 정밀도가 높고 능률적으로 가공함.

2) 나사 밀링 머신

나사를 가공하는 전용 밀링 머신으로서 작동이 간단하고 가공 능률이 좋으며 암•수나사의 내•외면을 정밀하게 가공할 수 있음.

3) 공구 밀링 머신

소형 수평 밀링 머신으로 테이블이 다양한 각도로 조절이 가능함.

2. 밀링 머신의 구성과 기능

(1) 개요

밀링 머신은 회전하는 절삭공구에 가공물을 이송하여 원하는 형상을 공작기계로서 절삭공구는 주축 및 아버에 장착하고 일감은 테이블에 장착되어 전후, 좌우, 상하 방향으로 이동하며 절삭가공을 하며 칼럼 및 베이스는 기계의 골격을 이루는 틀이 됨.

니는 테이블을 지지하며 칼럼의 안내면을 따라 상하로 이동함.

(2) 밀링 머신의 크기

테이블의 이동량.(전후, 좌우, 상하)

테이블의 크기.

주축 중심으로부터 테이블 면까지의 최대 거리.(수평, 만능 밀링 머신의 경우)

주축 끝으로부터 테이블 면까지의 최대 거리 및 주축 헤드의 이동 거리.(수직 밀링 머신의 경우)

(3) 밀링 머신의 구성 및 기능

1) 칼럼 및 베이스

(가) 칼럼의 구성

칼럼은 기계의 몸체을 이루는 중요한 부분으로 베이스에 견고하게 연결되어 있고 앞면에는 니가 설치되어 상하 운동을 할 수 있게 수직 미끄럼면이 있으며 칼럼의 상부에는 오버 암, 내부에는 주축, 주축 변속 장치, 주축 구동용 모터 등이 설치되어 있음.

(나) 칼럼의 구조

칼럼은 절삭력에 의해 휨과 비틀림 작용을 받으며 따라서 강력 절삭에 대해서도 변형이나 진동이 일어나지 않도록 주축과 수직 방향의 푹을 넓힌 폐쇄 상자형으로 만들고 내부에 리브로 보강되어 있음.

2) 니

칼럼에서 수평으로 뻗어나온 부분으로 컬럼의  미끄럼면을 따라 상하로 이동하며 새들과 테이블을 지지하며 니의 내부에는 이송변속 기어가 설치되어 있음.

3) 새들

테이블을 지지하며 니의 상부 미끄럼면에 조립되어 전후 미끄럼 운동을 하고 새들의 내부에는 테이블의 좌우 이송 볼트와 너트, 방향전향 장치, 백래시 제거 장치 등이 설치되어 있음.

4) 테이블

테이블은 새들 위에서 길이 방향으로 이송을 주며 윗면에는 일감, 고정구 및 부속 장치 등을 지지 또는 설치하고 작업면에는 몇 개의 T 홈이 파여 있어 T 볼트로 일감 또는 고정구를 고정함.

만능 밀링 머신의 경우에는 테이블의 선회가 가능함.

5) 스핀들

스핀들은 칼럼의 상부에 위치하며 고속, 강력 절삭에 적합하도록 설계되어 있고 주축 구멍은 테이로 되어 있으며 여기에다가 여러 가지 절삭공구나 다른 절삭공구를 고정하기 위한 아버를 끼워서 사용함.

6) 오버 암

오버 암은 칼럼 상부에 설치되어 스핀들과 평행 방향으로 이동 조절할 수 있으며 아버 및 여러 가지 부속 장치를 지지함.

3. 밀링 머신의 백래시 제거 장치

(1) 개요

밀링 가공 시 커터의 회전 방향과 가공물의 이송 방향이 같은 하향절삭은 절삭력의 영향을 받게 되어 일감에 절삭력을 가하면 백래시 양만큼의 이동으로 인해 이송량이 급격히 크게 되며 절삭 상태가 불안정해짐.

이러한 경우에는 백래시를 제거하기 위한 장치가 필요하며 이것은 스크루와 너트 간의 밀착에 의해 이루어짐.

(2) 백래시 제거 장치

1) 기계적 방법

고정 암나사 외에 다른 또 하나의 백래시 제거용 암나사가 있어 이송 핸들을 돌리면서 나사 기어에 의해 이 암나사가 돌면서 백래시를 제거하게 됨.

2) 유압식 방법

스크루와 너트의 마모를 줄이기 위해 절삭 중에만 백래시 제거 장치가 작동되도록 한 것으로 너트 A의 일단에 압력을 가하여 너트 C와 스크루  B를 밀착시켜 백래시를 제거하며 너트 A는 회전하지 못하도록 실린더 헤드 D와의 사이에 키로 끼워맞춤되어 있음.

3) 전기적 방법

토크 모터를 이용하여 백래시를 제거함.

4. 밀링 커터의 종류와 공구각

(1) 개요

밀링 커터는 가공하는 일감의 형상에 따라 여러 가지 모양, 치수, 재질이 사용되고 있으며 수평 밀링 머신 과 수직 밀링 머신용은 장착 및 가공 방법의 차이로 인해 형태가 다름.

밀링 시 커터의 절삭작용은 단속적으로 행해지므로 경도와 인성이 큰 것이 요구되며 절삭날의 재료로는 고속도강이나 초경합금이 주로 사용됨.

(2) 밀링 커터의 종류

1) 평면 커터

평면 커터는 원주의 절삭날이 등 간격으로 붙어 있으며 주축과 평행인 평면을 절삭함.

보통 폭이 10 ~ 15mm인 것은 날끝이 직선이고 그 이상의 폭에 대해서는 보통 15˚ 정도 기울어진 헬리컬로 되어 있음.

헬리컬의 커터는 절삭 시의 충격과 절삭저항이 적어 가공면이 깨끗하고 소비 동력도 적으나 추력이 작용함.

2) 측면 커터

측면 커터는 원주와 측면에 절삭날이 있는 커터로서 직각을 이루는 면을 동시에 절삭할 수 있음.

3) 총형 커터

총형 커터는 외주에 소요 가공품의 외형과 같은 곡선의 윤곽을 갖는 커터이며 기어, 커터, 리머, 나사 등의 윤곽을 가공할 때 사용함.

4) 정면 커터

정면 커터는 길이가 짧고 지름이 큰 원통 또는 쟁반 모양의 외주와 단면에 절삭날이 있는 커터로서 주축에 대해 수직인 넓은 면의 가공에 사용됨.

일반적으로 지름이 큰 경우는 절삭날을 삽입하여 쓰며 평면 커터에 비해 진동이 작고 양호한 절삭면을 얻을 수 있고 중절삭이 가능함.

5) 엔드밀

엔드밀은 원주와 한쪽 단면에 날이 붙어 있어 홈, 측면, 평면 절삭을 수행할 수 있고 형상은 자루와 일체로 된 솔리드 엔드 밀과 자루가 따로 있는 셀 엔드 밀이 있으며 솔리드 엔드 밀은 지름이 큰 경우 테이퍼 자루로 되어 있고 절삭날로는 직선날과 헬리컬 형상 등이 있음.

6) 플라이 커터

플라이 커터는 아버에 고정하여 사용하는 단면 공구로서 날은 요구하는 형상으로 연삭하여 사용하며 주로 실험실이나 공구실에서 사용됨.

(3) 밀링 커터의 공구각과 영향

1) 공구각

(가) 경사각

경사각은 날의 윗면과 날끝을 지나는 중심선 사이의 각으로 정면 커터에서는 이 각을 레이디얼 경사각(반지름 방향 경사각)이라 하고 경사면이 축 방향과 이루는 각을 액시얼 경사각(축 방향 경사각)이라고 함.

(나) 여유각

여유각은 절삭날의 뒷면과 일감 사이의 마찰을 피하기 위한 각으로서 정면 커터에서는 레이디얼 여유각이라 하며 축 방향과 수직한 평면과 이루는 각을 여유각이라 함.

2) 공구각의 영향

(가) 경사각

경사각을 크게 하면 절삭저항은 감소하나 날끝각이 작아서 날이 약하게 되고 초경 커터에서는 치핑을 방지하게 위해 0˚ 혹은 부각(-)으로 연삭함.

(나) 여유각

여유각이 크면 날끝의 마멸은 감소하나 날끝이 약하게 되어 일반적으로 경사각과 같이 단단한 일감은 작게 하고 연한 일감은 크게 함.

(다) 비틀림각

곧은 날 밀링 커터의 경우 날에 비틀림각을 주면 절삭이 순조롭고 좋은 가공면을 얻을 수 있음.

일반적으로 날의 너비가 20 mm 이상의 평면 밀링 커터는 모두 비틀림날로 하며 비틀림각의 경절삭용은 15˚, 중절삭용은 25˚로서 날의 개수가 적음.

5. 밀링 머신의 부속품 및 부속 장치

(1) 개요

밀링 머신의 부속품과 부속 장치는 스핀들, 오버 암, 테이블 등에 설치하며 밀링 머신의 기능을 보완하여 다양한 작업과 특수한 작업을 가능하도록 하는 중요한 요소임.

(2) 밀링 머신의 부속품

1) 커터 고정용구

(가) 아버

수평 밀링 머신이나 만능 밀링 머신에서 중심축에 구멍이 있는 밀링 커터를 고정시키는 것으로서 밀링 머신 스핀들 끝의 테이퍼 구멍에 고정하고 타단의 지지부에 의해 커터의 위치를 조정함.

아버의 구성품

(나) 어댑터와 콜릿 척

엔드 밀과 같이 생크의 크기나 테이퍼가 주축 구멍과 다를 경우 어댑터를 주축에 고정시켜 놓고 양끝 부분의 죔 너트를 이용하여 콜릿 척과 아버 등을 고정시킴.

2) 밀링 바이스

(가) 평형 바이스

평형 바이스는 조의 방향이 테이블 이송 방향과 평행 또는 직각으로 설치되며 강력 절삭에 적합함.

(나) 회전 바이스

회전 바이스는 밑부분에 각도 눈금이 있는 회전대가 있어 수평면 내에서 임의의 각도로 회전시킬 수 있으므로 조의 방향을 돌려 고정시킬 수 있음.

(다) 만능 바이스

만능 바이스는 수평면과 수직면 내에서 임의의 각도로 조정할 수 있음.

3) 분할대

(가) 기능

분할대는 일감의 바깥둘레를 필요한 개수로 등분할할 때 또는 어느 각도만큼 일감을 회전시킬 수 있고 기어, 스풀라인 등의 원주 분할 및 드릴의 비틀림 홈 등을 가공할 때 사용함.

(나) 종류

단식 분할대, 평형 분할대, 만능 분할대 등이 있음.

4) 회전 테이블

일반적으로 수직 밀링 가공 시 사용되며 웜과 웜 기어에 의해서 수동 또는 자동으로 회전하여 일감을 회전시켜 원형의 홈 가공, 바깥둘레의 원형 가공, 원판의 분할 가공 등을 수행할 수 있는 장치.

(3) 밀링 머신의 부속 장치

1) 수직 밀링 장치

수평 및 만능 밀링 머신을 수직 밀링 가공할 수 있도록 하는 것으로서 칼럼면에 설치되고 수평 방향의 스핀들 회전을 기어를 통해 수직 방향으로 전환시킴.

2) 슬로팅 장치

수평 및 만능 밀링머신의 칼럼에 설치하여 스핀들의 회전 운동을 램이 상하 왕복 운동으로 변환하며 평면 위에서 임의의 각도로 기울어지게 하여 키 홈, 기어 가공 등을 할 수 있음.

3)  만능 밀링 장치

수직 밀링 장치와 유사하나 수평 및 수직면에서 임의의 각도로 선회시킬 수 있으며 수평 밀링 머신의 테이블 위에 설치하여 만능 밀링 머신과 같이 가공할 수 있는 장치.

4) 래크 밀링 장치

수평 및 만능 밀링 머신의 칼럼에 장치한 것으로서 스핀들과 기어에 의하여 동력을 전달받고 특수 바이스와 테이블 끝에 래크 분할 장치를 설치하여 각종 피치의 래크를 가공할 수 있도록 변환 기어를 이용하는 장치.

6. 밀링의 절삭조건

(1) 개요

절삭속도, 이송, 절삭깊이는 가공능률에 영향을 주는 가장 큰 요소로서 기계의 성능, 일감의 재질 및 지지 방법, 가공면의 정밀도 등 여러 가지 조건에 따라 달라짐.

절삭속도는 밀링 커터의 날끝이 공작물을 절삭하는 속도로서 절삭속도에 따른 이송량에 의해 다듬질 정도가 영향을 받음.

(2) 절삭속도와 이송

1) 절삭속도

절삭속도는 밀링 커터의 매분 원주속도로서 일감 및 공구의 재질에 따라 달라짐.

밀링 가공 시에는 공구 및 일감의 재료에 따른 절삭속도가 정해져 있으며 이에 따라 절삭속도를 선택하고 계산에 의해 주축의 회전수를 변환함.

2) 이송

(가) 이송속도

밀링 가공 시 이송속도는 밀링 커터의 날 1개마다의 이송을 기준으로 함.

(나) 이송의 표시 방법

밀링 커터의 날 1개당 이송.(mm/tooth).

밀링 커터의 1회전에 대한 이송.(mm/rev).

1분간의 이송.(mm/min).

(다) 절삭속도 및 이송의 고려사항

① 커터의 형상

커터의 지름과 폭이 작은 경우에는 고속으로 절삭하고 거친 절삭에서는 이송을 크게 하며 각 커터를 이용한 절삭은 절삭속도와 이송을 작게 해야 함.

② 일감의 재질

경도가 높은 재료는 절삭속도를 낮춰야 함.

③ 가공정도

매끈한 가공면을 얻기 위해서는 절삭속도를 크게 하고 이송을 작게 해야 함.

④ 커터의 수명

커터의 수명을 길게 하기 위해서는 절삭속도를 작게 해야 함.

(3) 절삭깊이

1) 최대 절삭깊이

5mm 이하.

2) 다듬질 절삭깊이

절삭깊이가 너무 작으면 날끝의 마멸이 커짐.

절삭량이 많으면 절삭깊이를 크게 하는 것보다 이송을 크게 하는 것이 공구의 수명 측면에서 더 좋음.

7. 밀링의 상향절삭과 하향절삭

(1) 개요

밀링 시 밀링 커터의 회전 방향과 가공물의 이송 방향에 따라서 상향절삭과 하향절삭으로 구분되는데 상향절삭 또는 올려깎기는 밀링 커터의 회전 방향과 일감의 이송 방향이 반대인 것으로 커터는 일감을 테이블에서 들어 올리는 힘이 작용함.

하향절삭 또는 내려깎기는 커터의 날이 회전하는 방향과 일감이 이송되는 방향이 같으며 절삭공구는 일감에서 뒤쪽으로 밀리나 지지면으로 내려 누르는 경향이 있음.

(2) 상향 절삭과 하향절삭의 비교

(3) 상향절삭과 하향절삭의 장점

1) 상향절삭

밀링 커터의 날이 일감을 들어 올리는 방향으로 작용하므로 기계에 무리를 주지 않음.

절삭을 시작할 때 날에 가해지는 절삭저항이 0에서 점차적으로 증가하므로 날이 부러질 염려가 없음.

칩이 날을 방해하지 않고 절삭된 칩이 가공된 면에 쌓이지 않으므로 절삭열에 의한 치수 정밀도의 변화가 적음.

커터 날의 절삭방향과 일감의 이송방향이 서로 반대이고 따라서 서로 밀고 있으므로 이송기구의 백래시가 자연히 제거됨.

2) 하향절삭

밀링 커터의 날이 마찰 작용을 하지 않으므로 날의 마멸이 작고 수명이 길며 따라서 절삭속도를 높일 수 있음.

커터 날이 밑으로 향하여 절삭하고 따라서 일감을 향해 테이블이 누르므로 일감의 고정이 간편해짐.

커터의 절삭방향과 이송방향이 같으므로 날 하나마다의 날 자리 간격이 짧아서 가공면이 깨끗함.

절삭된 칩이 가공면 위에 쌓이므로 가공할 면을 잘 볼 수 있음.

테이블에 동력이 적게 들므로 상향절삭에 비해 절삭량을 크게 할 수 있음.

얇은 판이라도 절삭이 용이하고 아버의 진동이 적음.

8. 밀링 가공면의 불량 원인

(1) 개요

밀링 커터로 절삭된 가공면은 절삭날에 의한 가공 무늬가 남게 되는데 이것은 날 1개마다 날 무늬와 여러 가지 오차와 변형에 의한 밀링 커터 1회전마다 나타나는 회전 무늬가 있으며 이 무늬는 가공면의 조도에 큰 영향을 미침.

날 무늬는 이상적인 조건으로 절삭해도 기하학적으로 반드시 생기며 그 무늬의 간격은 1개당의 이송과 같음.

일반적으로 날 1개마다의 이송이 0.125m 일 때는 육안으로 보이지 않으나 이것보다 거칠어지면 명확히 나타나고 밀링 가공 시에는 떨림 현상이 발생되며 이 떨림 현상은 가공면을 거칠게 할 뿐만 아니라 절삭날의 수명을 감소시켜 생산능률을 저하시킴.

(2) 날 무늬의 높이

1) 평면 커터

2) 정면 커터

(3) 가공면의 불량 원인

1) 날 무늬

밀링 커터의 날 높이가 일정하지 않을 때.

밀링 커터 날의 흔들림.

절삭저항으로 인한 아버의 스프링 작용.

2) 회전 무늬

주축 아버의 편심.

아버의 휨.

커터 내경의 편심.

밀링 커터 날의 흔들림.

주축과 베어링의 클리어런스 과대.

3) 떨림

(가) 원인

기계의 강성 부족.

커터의 정밀도 부족.

일감 고정의 부적정.

절삭 조건의 부적정.

(나) 대책

일감의 고정 방법을 개선.

절삭속도와 이송에 변화를 줌.

커터의 날 수, 비틀림각을 적절히 선정.

커터의 고정구, 고정 방법을 개선.

기계 각 부분의 미끄럼면 사이의 클리어런스를 최소화함.

일감과 커터를 칼럼에 가깝게 설치.

4) 구성인선

다듬질면은 구성인성에 의해서도 거칠어지므로 구성인성의 발생을 억제하기 위해 절삭속도를 높이고 절삭유제를 충분히 사용해야 함.

이상으로 절삭가공 중 밀링에 대한 연재를 마치고 다음에는 비절삭가공 중 방전가공에 대한 연재를 시작할 예정입니다.