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3.3.1 절삭열의 발생
절삭가공에서는 여러가지 원인에 의해 열이 발생된다.
실지로 통상적인 속도의 절삭 속도에서는 절삭에 소요된 에너지의 거의 대부분이 열로 변환된다.
전단면에서의 소성 변형, 칩과 공구 경사면의 마찰, 공구 여유면과 가공면과의 마찰 등이 절삭열을 발생시키는 대표적인 요인이라고 할 수 있다.
이런 절삭가공에서 발생한 열은 60% 이상이 칩으로 빠져나간다.
절삭속도가 빨라질수록 칩으로 빠져나가는 절삭열의 비중은 커지며, 고속 가공에서는 그 비중이 90% 이상이 된다.
나머지 절삭열이 공구와 공작물의 온도를 상승시키게 되며, 비율은 보통 일반적인 절삭속도에서 공구 약 10% , 공작물 약 30% 정도이다.
일반적으로 절삭열은 공구의 경도 저하로 인한 공구 마모 속도 증가, 공작물의 열팽창으로 인한 가공 칫수 정도 저하 등 절삭 가공에 나쁜 영향을 미친다.
특히, 절삭온도가 높아지면 공구 수명은 급속하게 짧아진다.
3.3.2 절삭온도에 영향을 미치는 인자
1) 절삭 속도
일반적으로 절삭 속도가 빨라지면 절삭 온도도 상승하며, 그로 인한 공구의 고온 경도 저하 문제로 공구 재료에 따라 최대 사용 가능 절삭 속도는 크게 제약을 받는다.
예를 들어, 고속도강 공구의 경우 철계 피삭재 가공시, 절삭 속도 25 m/min 이상의 조건에서는 사용이 어렵다.
◆ Saloman의 가설
독일의 Carl Saloman은 1931년 절삭속도와 절삭온도의 관계에 대해 아래과 같은 가설을 제시했다.
① 절삭속도가 증가함에 따라 절삭공구의 온도와 마모는 어떤 특정값에 도달할 때까지 증가한다.
② 그리고, 그 특정 영역을 지나면 절삭 속도가 증가함에 따라 절삭 온도와 공구 마모는 감소한다.
Saloman의 이 가설은 어느 임계 절삭 속도 이후에는 절삭 속도가 증가할수록 공구의 온도가 감소하므로 공구의 마모도 감소한다는 것을 의미하며, 고속 가공에 대한 이론적 근거로 활용되어 왔다.
그러나, 현재는 이 가설이 실지 고속 가공에서 그대로 적용되지 않는다는 실험 결과나 논문이 많이 발표되고 있어 정설로 인정받지 못하고 있다.
예를 들어, 알루미늄 합금을 고속으로 가공할 수 있는 것을 Saloman의 가설이 옳기 때문이 아니라, 알루미늄 합금의 용융 온도가 절삭 공구의 마모가 심각하지 않은 온도 영역 이하이기 때문이라는 주장 등이다.
즉, 가공속도가 증가함에 따라 절삭온도는 증가하여 피삭재의 용융 온도에 접근하게 되며, 그 이상의 절삭속도에서는 절삭온도가 증가하지 않으므로, 상대적으로 단위 공구 마모량에 대한 가공량이 증가하게 된다는 것이다.
실지로 알루미늄 합금 가공의 경우, 알루미늄의 용융 온도인 657℃에서는 고속도강의 경우도 어느 정도 경도가 유지되므로, 공작 기계가 견딜 수만 있다면 고속도강 공구로도 절삭 속도를 거의 무한대로 하는 것이 가능하며, 알루미늄 합금에 대해서는 고속 절삭이 오래전부터 적용되어 왔다.
반면에 용융온도가 높은 피삭재의 경우에는 고온에서의 공구 마모 문제로 고속 가공 적용이 어렵다.
예를 들어, 철계 재료의 경우 일반 고속도강이나 초경 공구로는 고속 가공이 불가능하며, 고속 가공을 위해서는 철계 재료의 용융온도 부근에서도 어느 수준의 경도가 유지될 수 있는 CBN 공구 등을 적용해야 된다.
- CBN은 1000℃ 에서도 HB200 정도의 경도가 유지됨.
2) 피삭재의 경도
일반적으로 피삭재의 경도가 높을수록 절삭온도는 높아진다.
즉, 단단할수록 절삭온도가 높아지고, 절삭가공도 그만큼 어려워진다.
실지 절삭온도는 피삭재의 경도 뿐 아니라 현미경 조직 등 피삭재의 다른 특성에도 영향을 받지만, 보통은 경도에 대한 정보가 얻기 쉬우므로, 피삭재의 경도가 절삭 온도 예측을 위한 기준으로 활용된다
예를 들어 절삭속도 30 m/min 일 경우, 피삭재 경도가 'HB 250'에서 'HB 400'로 높아지면 절삭온도는 500 ℃에서 650℃ 정도로 상승한다.
3) 공구 경사각 (Rake Angle)
일반적으로 공구 경사각이 커지면, 절삭온도가 내려가고 절삭 가공이 쉬워진다.
예를 들어, 공구 경사각 5° 에서 절삭온도가 600 ℃ 였다면, 경사각이 25° 로 커지면 절삭온도는 400℃ 정도로 내려간다.
단, 공구 경사각이 커질수록 공구 인선이 약해지므로, 피삭재 재질, 작업 특성 등에 따라 결정할 필요가 있다.
4) 이송 속도
일반적으로 이송속도가 빨라지면, 절삭온도도 올라간다.
예를 들어 절삭속도 100 m/min 일 경우, 이송속도 0.05 mm/회전에서 절삭온도가 600 ℃ 였다면, 이송속도가 0.4mm/회전으로 빨라지면 절삭온도는 1000 ℃ 정도로 올라간다.
단, 이송률은 표면 거칠기와도 관계가 있으므로 요구 표면 조도, 절삭 속도 등에 따라 결정할 필요가 있다.
5) 절삭 깊이
일반적으로 절삭 깊이가 커지면, 절삭온도도 올라가지만, 어느 한계 이상으로 절삭 깊이가 커지면 절삭 온도 상승이 둔화된다.
공구 마모 측면에서 보면, 단위시간당 절삭량(MRR)을 크게 하기 위해서는 절삭 속도나 이송률에 비해 절삭 깊이를 크게하는 것이 유리하다.
6) 절삭유제
절삭유제의 1차 기능은 냉각 작용과 윤활 작용이며, 두 기능 모두 절삭 온도를 낮추는데 기여를 한다.
저속 영역에서는 냉각 효과가 별로 없으며, 수용성 절삭유제가 비수용성에 비해 절삭 온도를 낮추는데 더 유리하다.
단, 고속 영역의 단속 절삭에서는 열 충격으로 인한 공구 피로 파괴 문제로 사용에 제한을 받는다.
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