| 가공업체에 있어서 납기 단축은 매우 중요한 문제이다. 이를 위해 많은 방법이 시도되어 지고 있고 그로 인한 효과가 가시화되고 있다. 이 글에서는 하드웨어와 소프트웨어의 가공기술의 결합체인 고속가공에 대해 기초적 개념과 이에 대한 활용을 알아보자 최근 국내 제조업체들의 동향을 보면 서서히 고속가공기술 쪽으로 눈을 뜨고 있고 고속가공기술을 도입하여 제품의 개발부터 납기까지의 사이클 주기를 줄이고자 꾀하는 업체들이 많아졌다. 그러나 새로운 신 기술인 초 고속 가공 기술을 도입하는데 있어서 접해보지 못했던 사항에 대한 고민으로 선뜻 용기를 내지 못하고 있는 것이 현 실정이다. 대부분의 고민 사항들은 초고속 가공에 대한 생소함, 시스템을 도입하였을 때의 효과. 신 기술에 대한 적응능력 등이다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. 고속가공에 대한 정의 및 선진국 연구 사례 고속가공이란 소재 제거율(MRR: Material Removal Rate)을 크게 향상시킴으로써 생산비용 및 생산시간을 단축시키는 가공기술을 말한다. 현재까지 추구된 고속가공에 대한 세 가지 방향으로 나뉘어 진다. 1. 초기에 추구된 것으로 티타늄합금과 같은 고경도 난삭재 가공 작용 심각한 공구마모의 발생 2. 고속가공을 통해 소재 제거율을 크게 해 생산성을 향상 3. 정삭 가공에 고속 가공을 적용해 가공 표면 품질과 가공 정도의 개선을 추구, 생산성 향상과 가공 품질 개선 동시 추구 고속가공에 대한 체계적인 연구는 1980년 대 초 미국에서 시작된 Advanced Machining Research Program을 들 수 있다. 이 연구에서 철, 티타늄, 니켈, 알루미늄 등에 대하여 고속 밀링, 고속 선삭 시 발생되는 현상들을 조사하여 고속가공 시 발생되는 제반 문제에 대한 과학적인 기초를 마련하였다. 비슷한 시기에 유럽 특히 독일에서는 고속가공에 대한 연구가 시작되었다. 독일 과학기술청과 산업계의 지원하에 Darmastadt 공대의 Institute Of Production Engineering & Machine Tools의 주관으로 시작된 연구는 첫 단계에서 고속주축개발과 알루미늄 고속절삭에 대한 연구를 진행하였으며 두 번째 단계에서는 철과 비철금속의 고속가공에 대한 연구가 이루어졌다. 일본에서는 이미 오래 전부터 이 분야에 대한 연구개발이 수행되어 상용화가 되었다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. 고속가공의 정의 일반적인 절삭가공뿐만 아니라 고속가공에서도 절삭 속도는 다음 사항을 고려하여 선정된다. 1 피삭재 : 알루미늄 합금. 티타늄 합금. 니켈 합금. 탄소강 ..... 2 가공 방법 : 선삭 밀링 드릴 등 3. 공작기계 : 동력(정적 및 동적) 강성 4. 절삭공구 : 고속도강. 초경합금. 세라믹. CBN .다이아몬드 등.... 5. 부품의 요구 조건 : 형상, 크기, 강성, 정밀도 등... 이 밖에도 칩 배출의 용이성. 안정성 및 경제성 등에 따라서 선정되어지므로 고속가공에 대한 절대적 절삭 속도를 정의하기는 어렵다. 피삭재의 종류에 따라서 적절한 공구 수명 내에서 가공할 수 있는 절삭속도에 큰 차이가 나기 때문이다. 그래서 고속가공을 주변형 영역에서 전단의 국부화가 완전히 일어나는 속도이상에서의 가공으로 정의하기도 한다. 그러나 이 정의는 정량적이지 못하므로 고속가공이라 함은 대부분의 현재 현장에서 사용되는 가공속도보다 현저히 높은 경우로 부르는 것이 일반적이다. 3. 고속가공의 필요성과 효과 독일의 CARL SALOMAN이 1931년 절삭속도의 증가에 따르는 절삭온도와 마모의 거동에 관하여 다음과 같은 가설을 제시했다. 절삭속도가 증가함에 따라 절삭공구의 온도와 마모는 어떤 특정값에 도달할 때까지 증가한다. 그리고 이 특정영역을 지나면 가공속도가 증가함에 따라 온도와 마모는 감소한다. SALOMAN의 이 가설은 어느 임계 절삭 속도 이후에는 절삭속도가 빠를수록 공구의 온도가 감소함으로 공구의 마모도 감소한다는 것을 의미하나 실제로 고속가공에서는 이 가설과는 다른 양상을 보임이 밝혀졌다. 예를 들어 알루미늄 합금을 고속으로 가공할 수 있는 것을 SALOMAN의 가설이 옳기 때문이 아니라 알루미늄 합금의 용융온도가 절삭공구의 마모가 심각하지 않은 온도영역 이하이기 때문이다. 즉 가공속도가 증가함에 따라 절삭온도는 증가하여 피삭재의 용융온도에 접근하게 된다. 그 이상의 절삭속도에서는 절삭온도가 증가하지 않으므로 상대적으로 단위 공구 마모량에 대한 가공량이 증가하게 된다. 그러나 용융온도가 높은 피삭재의 경우에는 고온에서의 공구마모에 의하여 고속가공의 적용이 성공하지 못한다. 절삭온도가 용융 온도에 근접하게 되면 피삭재가 국부적으로 유동성을 갖게 되는 이른바 연화현상이 발생하게 되어 절삭력이 감소한다. 고속가공에서는 절삭력의 감소로 공구의 휨이 작아져 정밀가공이 가능하게 되어 박형 부품의 가공이 가능하게 된다. 또한 가공 변질층의 두께가 얇아지게 되어 표면 품질이 향상되고 절삭력의 감소로 인한 전단각의 증가로 칩의 배출속도가 절삭속도보다 크게 되어 칩의 배출이 원활하게 되고 버(BURR)의 발생이 억제된다. ▶고속가공에서의 절삭조건 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 이러한 장점들이 있는 고속가공을 적용함으로써 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다. 고속가공은 가공의 효율성을 추구하는 고 능률 기공과 가공표면의 정밀성을 추구하는 고 품위가공으로 구분한다. 고 능률가공은 가공속도와 함께 이송을 증가시킴으로써 재료 제거율을 극대화 시켜 가공사간을 단축시키는 방법이며 고 품위가공은 고속가공과 함께 공구경로의 간격을 감소시킴으로써 최종표면에 남는 커숲(cusp)높이를 최소화시키는 가공방법이다. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. 고속가공의 절삭특성 1) 절삭현상 절삭은 공구 또는 피삭재가 이동함에 따라 피삭재가 탄성변형, 소성변형을 거쳐 칩의 형태로 제거하는 과정이다. 대부분의 재료들은 재료시험에서 변형률(strain) 0.002(0.2%)에서 항복(yield)하고 0.01~0.1의 범위에서 파단 된다. 그리고 인장시험에서의 단위시간당 변형률(strain rate)의 크기는 약 10^-3/sec, 충격시험(impact test)에서는 약 103/sec의 크기가 된다. 그러나 절삭에서 칩 형성시의 변형률은 1이상(2~5)의 크기가 되고 변형률 변화율(strain rate)의 크기가 약 105/sec 으로 매우 큰 값이 된다. 재료시험에서와 달리 칩 형성과정에서 파단이 일어나지 않는 것을 열 발생과 높은 압력에 기인한다. 고속가공에서는 가공속도의 증가에 따라 보다 높은 절삭온도가 되며 높은 전단변형으로 인하여 발생하는 단열전단(adiabatic shear)현상으로 피삭재가 국부적으로 연화(softening)되어 상온의 전단강도보다 작은 값의 고온 전단강도를 갖게 된다. 고온 고압으로 인하여 국부적으로 피삭재가 유체거동(hydrodynamic behavior)하는 양상을 보이게 되며 공구의 경사면에서 국부적으로 전단변형이 일어나는 경계층(boundary layer)이 칩 두께에 대한 경계층의 비는 0.02에서 0.05의 크기이므로 다음과 같은 볌형률 변화율을 계산하면 strain rate : r = V / δ 변형률 변화율은 108/sec이상이 된다. 고온 고압으로 인한 피삭재의 연화현상(softening)으로 칩 유동 층(flow zone)에서의 전단강도가 작아지고 칩의 유동이 보다 원활하게 되며 그 결과 절삭력이 감소하게 된다. 또한 전단각의 증가로 칩의 두께가 얇아지고 칩의 배출속도가 절삭속도보다 켜지게 되어 칩의 배출 특성이 좋고 표면 품질의 저하가 감소하게 된다. 2) 모멘텀 효과(momentum effects) 가공속도가 빨라질수록 달라지는 것 중의 하나가 모멘텀 효과에 의한 영향이다. 일반가공에서는 큰 영향이 없는 모멘텀 효과가 가공속도가 커질수록 무시할 수 없는 크기가 된다. D'ALEMBERT 힘으로 불리는 모멘텀력은 전단면에서 칩의 모멘텀을 바꾸기 위한 힘이다. 모멘텀력의 크기는 다음과 같다 fm = (pbtV) / Vs 위의 식에서 V는 가공 속도. Vs는 전단속도(shear velocity), p는 밀도. btV는 단위 시간당 제거되는 칩의 부피이다. 전단속도는 V를 사용하여 다음과 같이 표현할 수 잇다. vs = cos a / cos (ψ-a) 이 관계식을 이용하여 모멘텀력을 표현하면 fm = p < (V²bt)cosa/cos (ψ-a)> 또한 모멘텀력에 의한 단위체적 당 모²멘텀 에너지를 구할 수 있다. Um = FmVs / Vbt = PV² # 모멘텀힘과 모멘텀 에너지 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 앞의 식들에서 모멘텀력과 모멘텀 에너지의 크기가 가공속도의 제곱에 비례함을 알 수 있다. 저속가공에서는 영향이 무시될 수 있는 작은 크기지만 고속가공에서는 매우 큰 값을 갖게 된다. 모멘텀 에너지는 가공 속도 10000m/min에서 절삭에너지의 10% 정도의 크기지만 30000m/min의 가공속도에서는 절삭에너지와 같은 크기가 된다. 그러므로 고속가공에서는 비 절삭에너지(specific energy)에 모멘텀 에너지가 더해진 에너지가 가공에 소요된다. 즉 고속가공에서 절삭력은 작아지지만 가공에 소요되는 에너지는 더욱 크게 된다. 3) 칩 형상(chip formation) 가공시 피삭재의 종류와 가공조건에 따라 두 가지 종류의 칩 형성과정이 관찰되었다. 한 가지는 연속형 칩(continuous chip)이고, 다른 하나는 국부적인 전단변형의 집중으로 인한 전단변형 칩(shear olocalized or segmental chip)이다, 연속형 칩은 알루미늄합금, 저탄소강 등과 같은 연전도 도가 높고 경도가 낮으며 체심입방구조 또는 면심입방구조의 결정을 갖는 금속 또는 합금의 가공시 주로 형성된다. 전단변형 칩은 티타늄 합금이나 니켈합금과 같은 열전도가 낮으며 고 경도이고 육방정계 조밀격자구조의 결정을 갖는 합금의 가공시 발생한다. 칩에 있어서 절삭 초기에 소성변형이 진행되며 절삭속도가 고속인 경우 소성변형이 불안정하게 진행되고 주전단면의 얇은 전단면에 전단변형이 집중된다. 전단변형의 집중으로 공구인선 부근의 전단면에서 파단이 발생하게 된다. 이 파단은 공구인선으로부터 절삭속도와 평행한 방향으로 진행되며 칩의 자유표면(free surface)까지 위 방향으로 진행한다. 파단된 칩은 새로 형성되는 칩의 상면과 그리고 공구 상면과 마찰하면서 이동하게 되고 평행하게 변형되어지면서 공구로부터 이탈한다. 고속가공에서 발생하는 전단변형 칩은 작은 조각들로 완전히 분리되어 있으므로 칩의 배출면에서 유리하다. 전단변형발생초기에는 전단각이 최대가 되며 칩의 소성변형으로 두께가 증가함에 따라 전단각이 감소한다. 칩의 두께가 최대일 때 전단각은 최소가 된다. 칩이 피삭재로부터 분리되면 일정의 탄성회복으로 칩이 편평하게 되어 전단각이 증가하게 된다. 전단각의 주기적인 변화에 비례하여 칩의 배출속도가 주기적으로 변화하게된다. 또한 절삭력이 주기적으로 변화한다. 티타늄합금의 경우 거의 전 속도 범위에서 전단변형 칩이 생성되며 니켈합금 등의 고경도 소재들은 일정한 속도보다 클 때 전단변형 칩이 생성된다. 4) 마모(wear) 절삭속도가 증가함에 따라 절삭온도가 증가함에 되며 결과적으로 일반가공보다 공구의 마모가 증가하게 된다. 일반적인 저속가공에서는 물리적인 접촉으로 연삭에 의한 마모가 주로 되는 반면 고속가공에서는 높은 절삭온도에 기인하여 확산(diffusion)에 의한 마모가 주로 발생한다. 밀링 가공에서 초경합금과 세라믹 공구를 사용하여 탄소강인 S45C를 300, 400, 600 m/min으로 기공한 결과 여유면 마모(flank wear)는 절삭속도의 증가에 따르는 특별한 변화가 보이지 않는다. 경사면마모의 경우는 절삭속도에 따라 급격히 증가함을 관찰할 수 있고 초경합금에 비하여 열적으로 안정한 세라믹 공구의 마멸이 적다. 공구의 산화에 의한 마모인 경계마모는 칩의 경계선(depth of cut)에 위치한다. 보통 경계마모는 여유면 마모의 크기에 비례하는 크기를 갖는다. 그러나 고속가공에서는 높은 절삭온도에 의하여 경계마모가 여유면 마모에 비하여 매우 크게 발생한다. 또한 밀링 가공과 같은 단속절삭에서는 높은 절삭온도뿐만 아니라 물리적인 충격 및 열 충격도 발생하게 된다. 4. 공구(tool) 1) 공구재 초경합금은 고온에서의 산화(oxidation) 와 확산(diffusion)마모에 대하여 화학적으로 안정하여 고속가공에서 주로 사용하는 공구재이다. 초경 공구재는 고융점 물질을 주성분으로 하고 있다. 조성 및 조직이 각각 다르기 때문에 그 물성치는 다르지만 일반적으로 경도가 큰 것일수록 파괴 인성치는 작아지는 경향이 있다. 여러 가지 초경 합금 중 P 종이 고속가공에 많이 사용되고 있다. P종은 티타늄 카바이드(YIC)의 조성비가 크다. YIC와 TAC는 WC 보다 철과의 친화력이 적으므로 고온에서의 내마모성이 크다. K 종은 기계적 마모인 연삭 마모에 대하여 우수한 특성을 보이므로 알루미늄 합금, 동 합금 등의 연질 재료의 고속가공에 많이 사용된다. 서밋은 경도가 높은 반면 항절력의 값이 매우 낮아서 초경합금에 비하여 내마모성이 우수하나 결손이 쉽게 발생한다. 서밋 공구재의 개발에 있어서의 주 노력은 내 결손성의 향상에 주어지고 있다. 서밋공구의 고온 특성은 초경합금과 세라믹의 중간적 성질을 나타내는 사실로부터 현재 주종을 이루고 있는 초경합금공구가 서밋의 개발에 의해서 교체될 것으로 예측된다.절삭속도가 증가함에 따라 절삭온도가 증가하게 되며 결과적으로 일반가공보다 공구의 마모가 증가한다. 그리고 선삭 가공에서는 높은 내열성을 갖는 세라믹 공구를 적용함으로써 고속가공에 대응할 수 있다. 그러나 세라믹 공구는 내마모성이 좋은 반면 인성이 작아 취성에 취약하다. 그러므로 밀링가공과 같은 단속절삭에서는 높은 절삭뿐만 아니라 물리적인 충격 및 열 충격도 발생하게 되어 인성이 작은 세라믹공의 적용이 용이하지 않다. SI3N4의 경우 굽힘강도와 열충격에 강한 특성을 가지고 있어 밀링과 같은 단속절식에도 적용이 가능하다. AL2O3(산화알루미늄 세라믹)에 ZrO2를 첨가하여 확산마모에 대한 내마모성을 향상시킨 공구재가 개발되고 있다. 다이아몬드와 CBN은 타 공구재료에 비하여 경도와 열전도율이 월등히 뛰어나다. 이러한 다이아몬드와 CBN의 개발은 지금까지는 연삭가공에 의존할 수밖에 없었던 고경도 재료들의 절삭가공을 가능하게 하였고 고속가공을 실용화 할수 있는 길을 내주었다. CBN 및 세라믹은 주철의 가공에서 표면 정밀도에 영향을 주는 칩 용착이 잘 일어나지 않는다. 2) 공구재료의 기계적 성질 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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다이아몬드는 고 경도의 비철계 재료들(NONFERROUS MATERIALS)의 가공에 적합하다. 철계재료의 가공에는 탄소의 확산과 흑연화현상(graphitization) 때문에 다이아몬드는 적합하지 않고 CBN을 사용하는 것이 적합하다. CBN은 철계재료와 화학반응이 없을 뿐만 아니라 열적 안정성도 매우 뛰어나서 고 경도로 열처리된 고 탄소강, 금형강, 합금강 등의 가공에 뛰어난 성능을 발휘한다. 전형적인 고 경도 난삭재인 니켈합금은 높은 고온경도를 가지고 가공경화가 발생하며 열전도율이 낮다. 높은 절삭온도는 보다 따른 마멸을 초래하게 되므로 내열성이 좋은 세라믹 또는 CBN 공구가 사용된다.
타타늄합금은 대부분의 공구재와 화학적으로 반응하는 경향이 있으므로 공구의 마모가 큰 문제가 된다. 그래서 타타늄강의 고속가공에는 공구재로 탄소강이나 고속도강을 사용하고 급속한 마모에 대하여 마모를 보상할 수 있는 LEDGE 공구를 사용하여 가공한다. 렛지형(LEDGE)공구의 오버행은 가공하려는 절삭깊이와 같고 두께는 허용 여유면 마모의 길이와 같도록 한다. 고속가공에 있어서 공고수명을 연장시키기 위한 방법으로 코팅을 한다. 엔드밀의 코팅은 인서트 팁의 코팅에 비하여 실용화가 늦어졌다. 그 이유는 엔드밀의 복잡한 형상 때문에 팁과는 달리 전체를 코팅하는 것이 어려웠기 때문이다. 그러나 PVD(폴리 증착)코팅의 발달로써 안정된 막의 코팅이 가능하게 되어 엔드밀의 코팅도 확대되고 있다. 엔드밀의 코팅으로 가장 대표작인 것 중의 하나는 TIN 이다. HV2000정도의 경도를 가지며 공구의 내 마모성을 향상시키고 강과의 밀착력이 높고 금색으로 장식성도 있다. 절삭온도의 증가와 더블어 절삭열이 많이 발생하는 고속가공에서는 화학반응에 의한 마모가 많이 발생하므로 내 산화성이 우수한 TIN(질화 타탄 알루미늄)과 TICN(탄질화탄)코팅이 각광을 받고 있다. TIAIN막과 TICN막은 TIN보다 경도가 높고 내 마모성이 우수하다. 3) 공구형상 엔드밀의 경우 상면 경사각이나 여유각. 비틀림각 등을 어떻게 설정할 것인가에 따라 성능의 차이가 있게 되며 고속가공에 적합한 형상이 요구된다. 날 끝을 둔각으로 하여 강도를 증가시키거나 절삭 날을 파형으로 함으로써 채터(CHATTER)를 억제하는 형상이 연구되고 있다. 종전에는 절삭 공구재로써 고속도강이 주류를 이루고 있었다. 초경합금은 고속도강보다 뒤늦게 사용되었다. 따라서 초경합금 엔드밀은 고속도강 엔드밀의 형상을 이어받아 사용되어 왔다. 고속도강 엔드밀은 상면 경사각을 양(POSITIVE)으로 제작한다. 양의 상면 경사각은 공구인선을 예리하게 하며 절삭성이 좋아지고 절삭저항이 낮아지게 되어 절삭열의 발생도 억제할 수 있다. 초경합금은 고속도강에 비해 경도, 내열성에서는 우수하지만 인성이 낮기 때문에 이 형상을 그대로 초경합금에 사용하면 칩핑이 발생하기 쉽다. 고속가공용, 초경합금의 엔드밀은 상면 경사각이 음(NEGATIVE)의 값을 갖도록 하는 것이 유리하다. 일반적으로 절삭이론은 같은 2차원 절삭이론을 이용하여 설명된다. 공구인선의 강성이 증가하게 되어 치핑의 발생을 억제된다. 그러나 상면 경사각을 음으로 함으로써 절삭성이 나빠진다. 절삭성의 향상을 위하여 비틀림 각을 증가시킨다. 비틀림 각의 증가는 유효 경사각을 양의 방향으로 이동시키게 되어 절삭성을 향상시키게 된다. 비틀림 각이 커짐에 따라 칩의 배출이 용이하게 되어 칩에 의한 재 절삭의 감소, 표면품질이 향상된다. 경사각이 음의 값을 가지게 되면 공구인선의 강도가 중가하는 장정 이외의 공구의 밸런스가 좋아지는 장점이 있다. 경사각을 양으로 하면 그만큼 홈(FLUTE)의 깊이가 깊어지게 되므로 공구전체의 밸런스가 나빠진다. 그러므로 음의 경사각을 가지면 공구의 진동을 감소하게 된다. 또한 공구 전체의 강성이 증가하여 측면절삭시에도 공구의 휨이 적어지게 되어 가공정밀도가 향상되게 된다. 일반적으로 절삭날과 피삭재는 주기적으로 접촉하게 된다. 기계의 고유진동과 절삭에 의한 진동이 공진하게 되며 채터링 현상이 발생하게 된다. 채터링은 가공정밀도를 악화시키고 공구의 파손을 초래한다. 다듬질면이 양호한 고속 가공에서의 채터링은 가공면의 품질을 나쁘게 하고 고속 이송시의 공구가 파손되면 작업자에게 위험을 줄 수 있다. 따라서 고속가공용 엔드밀에서는 채터가 발생하지 않는 형상이 요구되어진다. 채터가 발생하지 않는 형상으로 부등 리드 엔드밀이 사용되고 있다. 무등 리드 엔드밀 이란 서로 이웃하는 절삭 날의 비틀림 각이 다른 각도이다. 같은 피치인 부분이 없게 되므로 절삭날과 피삭재의 접촉이 불규칙하게 되어 채터 발생이 억제된다. 채터의 발생을 줄이기 위하여 절삭날을 경사면에 따라 사인 곡선(SINE CURVE)의 형상을 적용한다. 일반적인 직선 형상의 절삭날을 가진 공구의 절삭시 절삭날의 방향이 같으므로 같은 방향으로 절삭력이 작용한다. 한편 사인곡선의 절삭날인 경우 절삭 날의 각 부분에서 같은 절삭력이 작용하지만 방향은 다른 각도로 분산되어 채터의 발생이 감소한다. 또한 경사면의 사인 곡선이 표면적으로 증대시키므로 방열효과가 높다. 채터가 잘 발생하지 않는다는 것은 고속가공에서도 유리하지만 중 절삭이 가능하다는 장점이 있다. 출처:나이스솔루션뱅크라고 되어있었습니다. |