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[샌드빅 코로만트와 함께하는 선삭공구 따라잡기 ①] 이론편

*본고는 MFG 콘텐츠를 온라인 기사로 재발행한 것입니다. 원본은 MFG(구 Manufacturing) 2012년 2월호 기사를 통해 확인하실 수 있습니다.

기계가공에 문외한인 MFG 기자가 직접 선삭 이론을 공부하며 전문가의 지도를 받아 실습까지 도전할 수 있을까? 가공물을 회전시키고 공구를 이송해 일정한 형상을 만들어내는 선삭의 기초 이론부터 절단과 나사가공의 특성, 실제 가공 시의 유의점까지 초보 입문자의 시점에서 자세히 살펴보고, 해당 분야 독자들의 이해를 돕는다. 일명 ‘샌드빅 코로만트와 함께하는 선삭공구 따라잡기’ 시리즈, 그 첫 번째 주제는 ‘선삭공구-이론편’이다.

프롤로그

선삭 Turning

선삭은 가공물의 회전 운동과 공구의 이송 운동이 결합된 가공 방식입니다. 물레를 돌려 도자기를 빚는 것과 비교한다면 쉽게 이해할 수 있습니다. 찰흙은 가공물, 손을 공구라고 할 때 힘을 가해 찰흙의 형상을 만드는 것처럼 선삭은 공구를 이용해 가공물을 깎아 형상을 만듭니다. 공구의 이송운동은 가공물의 축을 따라 수행되는데 가공물의 끝에서 중심을 향해 움직이기도 합니다. 곡선 표면을 만들기 위해 축 방향과 반경 방향이 결합된 움직임을 보이기도 합니다.

세 가지 일반적인 선삭 가공
세 가지 일반적인 선삭 가공
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 선삭가공 용어정리!

Vc =표면/절삭 속도(m/min)
절삭되는 가공물 직경의 원주가 절삭날을 통과할 때의 속도입니다.

Vc = 절삭속도(m/min)
Dm = 가공직경(mm)
n = 스핀들 속도(rpm)
원주, c =  ×Dm (mm)
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선삭가공 용어정리!

절삭 속도는 가공물의 직경에 따라 달라집니다. 직경이 클수록 빠른 속도로 회전하게 됩니다.
절삭 속도는 가공물의 직경에 따라 달라집니다. 직경이 클수록 빠른 속도로 회전하게 됩니다.
선삭가공 용어정리!

n = 스핀들 속도(rpm) 가공물이 특정 분당 회전수 특정 스핀들 속도로 선반에서 회전합니다.
n = 스핀들 속도(rpm)
가공물이 특정 분당 회전수 특정 스핀들 속도로 선반에서 회전합니다.
선삭가공 용어정리!

fn = 절삭이송(mm/r) 날이 한 번 회전할 때 이동하는 거리입니다. 가공표면의 품질을 결정하고 칩형성의 범위를 결정하는 주요 값입니다.
fn = 절삭이송(mm/r)
날이 한 번 회전할 때 이동하는 거리입니다. 가공표면의 품질을 결정하고 칩형성의 범위를 결정하는 주요 값입니다.
선삭가공 용어정리!

Ap = 절삭깊이(mm) 가공물의 절삭되지 않은 직경과 절삭된 직경 간 거리의 절반입니다. 항상 공구의 이송 방향으로 측정됩니다.
Ap = 절삭깊이(mm)
가공물의 절삭되지 않은 직경과 절삭된 직경 간 거리의 절반입니다. 항상 공구의 이송 방향으로 측정됩니다.
선삭가공 용어정리!

La = 유효절삭날 길이 절삭날 길이는 절삭깊이 및 절입각에 따라 달라집니다.
La = 유효절삭날 길이
절삭날 길이는 절삭깊이 및 절입각에 따라 달라집니다.
선삭가공 용어정리!

절입각 Kr -홀더 팁 시트와 선택한 인서트 모양에 따라 결정됩니다.
절입각 Kr
-홀더 팁 시트와 선택한 인서트 모양에 따라 결정됩니다.
선삭가공 용어정리!

경사각 경사각 람다는 인서트가 공구 홀더에 장착되는 각도입니다. 인서트가 공구 홀더에 장착되면 인서트의 형상과 공구 홀더의 경사각이 절삭날에 의해 절삭되는 절삭 각도를 결정하게 됩니다. 상면각 상면각은 절입하고 있는 절삭날에 대하여 측정합니다. 인서트의 상면각은 일반적으로 +이며, 여유면은 변경, 챔퍼 혹은 랜드로 형성됩니다. 공구의 강성, 동력 소모, 공구의 사상 정도, 진동 경향과 칩 형성에 영향을 미칩니다,
경사각(아래)
경사각은 인서트가 공구 홀더에 장착되는 각도입니다. 인서트가 공구 홀더에 장착되면 인서트의 형상과 공구 홀더의 경사각이 절삭날에 의해 절삭되는 절삭 각도를 결정하게 됩니다.
상면각(위)
상면각은 절입하고 있는 절삭날에 대하여 측정합니다. 인서트의 상면각은 일반적으로 +이며, 여유면은 변경, 챔퍼 혹은 랜드로 형성됩니다. 공구의 강성, 동력 소모, 공구의 사상 정도, 진동 경향과 칩 형성에 영향을 미칩니다.
선삭가공 용어정리!

 

최대 칩 두께 hex -절입각이 감소하면 이송률에 비례해 감소합니다.
최대 칩 두께 hex
-절입각이 감소하면 이송률에 비례해 감소합니다.
선삭가공 용어정리!

네거티브 스타일 기본모양 절삭날의 교차 단면에서 웨지 각도가 90도. 양면 사용 가능. 날 강성. 포지티브 스타일 웨지 각도가 90도 미만. 한 면만 사용 가능. 낮은 절삭 부하.
네거티브 스타일(-)
기본모양 절삭날의 교차 단면에서 웨지 각도가 90도. 양면 사용 가능. 날 강성.
포지티브 스타일(+)
웨지 각도가 90도 미만, 한 면만 사용 가능. 낮은 절삭 부하.
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선삭가공과 인서트의 이해

절삭조건의 변수가 공구 수명에 미치는 영향
절삭조건의 변수가 공구 수명에 미치는 영향

칩 형성

절삭 후 칩 브레이킹(절삭된 가공물이 떨어져나가는 것) 패턴에는 세 가지가 있습니다.

칩 형성

인서트의 선택

인서트는 가공물을 절삭하는 역할을 합니다. 뛰어난 칩 컨트롤을 달성하기 위해서는 올바른 인서트 크기, 모양, 형상 및 인서트 노즈 반경을 선택하는 것이 중요합니다.

인서트 재질로는 고속도강, 초경합금, 서멧, 세라믹, CBN, 다이아몬드가 사용됩니다.
인서트 재질로는 고속도강, 초경합금, 서멧, 세라믹, CBN, 다이아몬드가 사용됩니다.

또한 인서트의 요건으로, 먼저 인서트는 고온 고압 환경에서 칩을 형성하고, 갑작스러운 열변화에 대한 내성이 있어야 합니다. 두 번째로 전면 마모와 소성 변형, 깨짐 현상 역시 방지할 수 있을 정도로 단단합니다. 마지막으로 가공물의 재질과 화학적으로 반응하면 안 되며 산화와 확산이 방지되도록 화학적으로 안정되어야 합니다.

인서트 모양 선택

인서트 모양과 포인트 각도는 다양합니다. 공구에 유구되는 절입각 접근성을 고려해서 선택해야 하며 인서트의 강성과 안정성을 확보하기 위해 가능한 큰 포인트 각도를 적용해야 합니다.

‘도끼 VS 면도날’ 포인트 각도가 크면 클수록 절삭날의 강성이 더해지고 포인트 각도가 작으면 작을수록 공구에 대한 접근성이 좋아진다. 도끼날이 강하게 땔감을 쪼개는 것처럼 높은 이송률과 속도를 보이지만 높은 절삭부하와 진동이 있다. 포인트 각도가 큰 인서트라면 각도가 작은 인서트는 면도날에 비유할수 있다. 접근성이 뛰어나 세밀한 절삭이 가능하고 진동과 절삭 부하가 낮지만 강도가 약하다
‘도끼 VS 면도날’ 포인트 각도가 크면 클수록 절삭날의 강성이 더해지고 포인트 각도가 작으면 작을수록 공구에 대한 접근성이 좋아진다. 도끼날이 강하게 땔감을 쪼개는 것처럼 높은 이송률과 속도를 보이지만 높은 절삭부하와 진동이 있다. 포인트 각도가 큰 인서트라면 각도가 작은 인서트는 면도날에 비유할수 있다. 접근성이 뛰어나 세밀한 절삭이 가능하고 진동과 절삭 부하가 낮지만 강도가 약하다

노즈 반경 선택

작은 노즈 반경과 큰 노즈 반경의 효과에는 차이가 있습니다. 작은 노즈 반경은 얇은 깊이의 절삭에 사용되며 반경 방향 절삭 부하를 최소로 유지할 수 있습니다. 반면, 큰노즈 반경의 장점은 절삭날이 강해지고 절삭날에 가해지는 압력이 균일해져 표면질감이 개선 됩니다.

노즈 반경 절삭 깊이가 얕으면 진동이 강해지고 절삭 깊이가 깊어지면 진동이 약해진다?! 일반적으로 가공물과 공구의 접촉면이 작을 때 진동이 약하고 접촉면이 클 때 진동이 강해진다고 생각할 수 있다. 하지만 선삭 공구에선 오히려 절삭 깊이가 깊어 노즈 반경의 접촉면이 클 때 진동이 감소한다. 이는 노즈 반경 방향의 절삭 부하가 강해지기 때문이다. 가공물의 회전 운동방향과 공구의 이송 방향이 직각을 이루고 있어 강한 절삭 부하가 진동을 막아준다.
노즈 반경 절삭 깊이가 얕으면 진동이 강해지고 절삭 깊이가 깊어지면 진동이 약해진다?!
일반적으로 가공물과 공구의 접촉면이 작을 때 진동이 약하고 접촉면이 클 때 진동이 강해진다고 생각할 수 있다.
하지만 선삭 공구에선 오히려 절삭 깊이가 깊어 노즈 반경의 접촉면이 클 때 진동이 감소한다. 이는 노즈 반경 방향의 절삭 부하가 강해지기 때문이다. 가공물의 회전 운동방향과 공구의 이송 방향이 직각을 이루고 있어 강한 절삭 부하가 진동을 막는다.

절삭 깊이 TIP!

절삭 깊이 TIP!

절삭 깊이는 진동에 영향을 줌으로 노즈반경의 2/3 이상이어야 합니다.

와이퍼 인서트의 사용

와이퍼 인서트란 가공 형상의 품질 향상을 위해 노즈 반경에 평면부를 더한 인서트를 말합니다. 와이퍼를 사용하면 인서트와 가공물의 접촉표면이 길어집니다. 공구의 이송 속도를 높이거나 표면 조도를 높이는 역할을 합니다. 접촉표면이 길어지면 절삭부하가 증가해 불안정한 가공물의 가공 시 와이퍼 인서트가 진동에 더욱 민감하게 됩니다.

와이퍼 사용 TIP!

와이퍼 사용 TIP!

  1. 와이퍼를 사용할 때 이송이 두 배이면 이송이 보통인 기존 형상만큼 양호한 평면이 생성된다.
  2. 와이퍼를 사용할 때 이송이 동일하면 기존 형상에 비해 표면이 두 배 개선됩니다.

선삭의 세 가지 주요 적용 분야

선삭의 세 가지 주요 적용 분야

인서트 스타일과 홀더, 클램핑의 선택

일반적으로 낮은 절삭 부하와 내경 선삭에서는 포지티브 인서트를 사용해야 합니다. 네거티브 인서트는 공구 홀더에서 기울기가 음의 값이어야 하기 때문에 가공물에 접하는 여유각을 제공하는 반면, 포지티브 인서트는 이 여유를 가지고 있습니다(여유각은 인서트의 전면과 가공물의 수직 축 간 각도입니다).

인서트 스타일과 홀더, 클램핑의 선택 인서트 스타일과 홀더, 클램핑의 선택

일반 가이드라인 TIP!

일반 가이드라인 TIP!

  1. 인서트 및 공구 홀더 클램핑은 선삭 안정성에 필수적인 요소입니다.
  2. 공구 홀더 유형은 인서트의 절입각, 모양 및 크기에 의해 결정됩니다.
  3. 공구 홀더 시스템의 선택은 주로 작업 유형을 기준으로 합니다.
  4. 네거티브 인서트와 포지티브 인서트의 선택이 중요합니다.

주요 적용 분야 – 외경 선삭의 경우

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외경 선삭의 경우
외경 선삭의 경우

1. 축 방향 선삭/평면 가공 – 가장 일반적으로 사용되는 선삭 가공
 – 마름모형 C 스타일(80) 인서트가 자주 사용됩니다.
 – 일반적으로 절입각이 95도와 93도인 홀더가 사용됩니다.
 – C 스타일 인서트의 대체 모양으로는 D 스타일(55도), W 스타일(80도) 및 T 스타일(60도)이 있습니다.

 2. 프로파일링다목적성과 접근성이 결정 요인
 – 유효 절입각(Kr)을 고려해야 합니다.
 -가장 일반적으로 사용되는 절입각은 22도-27도 사이의 인 카피 각도를 제공하는 93도입니다.
 -자주 사용되는 인서트 모양은 D 스타일(55도), V 스타일(35도) 및 T 스타일(60도)입니다.

 3. 평면가공 – 공구가 중심 방향으로 이송
 – 중심 방향으로 이송 시 점진적으로 변하는 절삭속도에 유의해야 합니다.
 – 일반적으로 75도 및 95도/91도의 절입각이 사용됩니다.
 – C 스타일(80도), S 스타일(90도) 및 T 스타일(60도) 인서트가 자주 사용됩니다.

 4. 플런징 – 얇은 홈을 생성하거나 넓히기 위한 방법
 – 원형 인서트는 반경 방향 이송과 축 방향 이송 모두에 사용될 수 있기 때문에 플런지 선삭에 매우 적합합니다.
 – 일반적으로 원형 인서트를 위한 중립 90도 홀더가 사용됩니다.

주요 적용 분야 – 내경 선삭의 경우

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내경 선삭의 경우
내경 선삭의 경우

 

1. 축 방향 선삭/평면 가공 – 가장 일반적으로 사용되는 내경 선삭 가공
 – 마름모형 C 스타일(80) 인서트가 자주 사용됩니다.
 – 일반적으로 절입각이 95도와 93도인 보링 바가 사용됩니다.
 – D 스타일(55), W 스타일(80) T 스타일(60) 인서트 모양이 자주 사용됩니다.

 2. 프로파일링다목적성과 접근성이 결정 요인
 – 유효 절입각(Kr)을 고려해야 합니다.
 – 일반적으로 22-27도 사이의 인 카피 각도를 허용하는 절입각 93도인 바가 사용됩니다.
 – D 스타일(55), V 스타일(35) T 스타일(60) 인서트가 자주 사용됩니다.

 3. 축 방향 선삭기존 홀을 넓히기 위한 보링 가공
 – 90도에 가까운 절입각이 권장됩니다.
 – 가능한 작은 오버행을 사용하십시오.
 – C 스타일(80), S 스타일(35) T 스타일(60) 인서트가 자주 사용됩니다.

 4 .역방향 보링이송이 역방향인 보링 가공입니다
 – 선삭 직각이 90도 미만일 때 사용합니다.
 – 일반적으로 절입각이 93도인 보링 바와 D 스타일(55) 인서트가 사용됩니다.

에필로그

공작기계는 금속을 깎거나 연마하기 위한 기계이다. 공작기계 산업은 산업구조의 고도화와 제조업 경쟁력 강화를 위한 핵심 산업으로 산업의 경쟁력과 기술력을 보여주는 척도로 여겨진다. 베어링과 주축등 엔지니어링을 기본으로 하고 있지만, 서보모터, 제어기 등의 전자 기술이 복합된 메카트로닉스 기술이기도 하고 IT 기술의 발전에 따라 제품 성능이나 모델변화, 다양한 시스템 기능을 활용한 융합장비가 공산업이기도 하다.
선삭가공을 통해 기계부품을 만들고, 그 부품으로 기계를 만들고, 기계로 제품을 생산한다는 것을 생각해보면 제조업에서의 기본 중의 기본이기도 하다. 그래서 공작기계는 ‘기계를 만드는 기계(Mother Machine)’라고 불린다. 이 기사를 통해 선삭 가공에 대해 이해하는 것이 제조업의 기본 분야를 이해하는 밑바탕이 될 수 있을 것이다.

샌드빅 코로만트

샌드빅 코로만트는 선삭 및 밀링, 드릴링 및 머시닝 센터와 복합가공기를 위한 모듈러 시스템을 주력으로 생산하고 있으며, 전세계의 고객에 대한 기술 및 사용 서비스를 위해 60개국의 지사와 30개국에 걸쳐 있는 생산공장 및 19개의 트레이닝 센터를 운영하고 있습니다.

샌드빅 코로만트 생산성 센터로 문의하시면 다양한 절삭 가공 교육의 기회를 만날수 있습니다.(080-092-0909, coromant.korea@sandvik.com)