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[샌드빅 코로만트와 함께하는 선삭공구 따라잡기 ➂] 나사가공편

*본고는 MFG 콘텐츠를 온라인 기사로 재발행한 것입니다. 원본은 MFG( Manufacturing) 2012 4월호 기사를 통해 확인하실 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. 일명샌드빅 코로만트와 함께하는 선삭공구 따라잡기시리즈, 세 번째 주제는선삭공구의 나사가공편이다.

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나사

나사는 기계식 커플링을 형성하여 암나사와 수나사를 단단히 결합 하는 용도로 사용됩니다. 플라스틱 용기의 입구는 몰딩(재료를 녹여 서 틀에 부어 가공)으로 만들어 집니다. 대량생산의 경우 고압 롤링작 업을 통해 나사를 만들 수 있습니다. 연삭(금속을 갈아서)을 통해 나사를 만들 수도 있습니다.

기계나 대형 선박의 부품에 주로 쓰이는 나사는 크기가 다양하고 용도가 특수화되어 있으므로 절삭 가공을 통해 제품을 만들어냅니다. 기계 부품에서 높은 압력을 받아 회전운동을 선형 운동으로, 선형 운 동을 회전운동으로 바꾸어 주는 기계식 장치에 쓰이는 부품의 경우 고강성이 요구되므로 절삭작업을 거치게 됩니다. 이뿐 아니라 가스나 기름파이프에서 요구되는 밀착 결합에도 정밀한 절삭작업이 필요합니다.

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나사가공 용어정리!

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Vc = 절삭 속도(m/min)
n = 스핀들 속도(rpm)
ap=총나사깊이(mm)
nap=패스 수

나사가공 용어정리!

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P=피치,mm또는 인치당 나사 수(t.p.i)
β=나사각도
d1 = 외부 소직경
D1 = 내부 소직경
d2 =외부피치직경
D2 =내부피치직경
d=외부대직경
D=내부대직경
φ=나사비틀림각

나사가공 용어정리!

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각 부의명칭
1 루트 : 나사 크레스트의 인접한 두 개의 플랭크를 연결하는 하단 표면. 나사골
2 플랭크 : 크레스트와 루트를 연결하는 나사 측면
3 크레스트 : 두개의 측면 또는 플랭크를 연결하는 상단 표면. 나사산

나사가공 용어정리!

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나사 안팎의 절삭 부하

  • 나사 가공에서 가장 높은 축 방향 절삭 부하는 공구의 입구 와 출구에서 발생합니다.
  • 과도한 절삭 조건은 불안정 한 인서트의 움직임을 유발할 수 있습니다.

나사가공 용어정리!

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기울기 설정용 심 선택표

가공물 직경과 나사 직경을 가로 세로로 대입하여 교차되는 지접의 심을 선택하면 간단히 문제가 해결된다. (자료출처 : 샌드빅코로만트 교육 자료집)

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 금속 절삭 나사 가공 방법

공구를 이용한 선삭가공으로 수나사를 가공할 수 있습니다. 다양한 전용 공구를 이용하면 암나사를 만들 수 있으며 직경 여하에 따라 밀링, 드릴 형식의 태핑으로 암나사를 가공할 수 있습니다.

 

나사가공의 포인트 첫 번째 – “여유를 위한 인서트 경사 설정”

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비틀림 각

일반 홈가공과 달리 사선으로 가공이 이루어지는 나사 가공은 나사의 직경과 피치에 의해 나사의 비틀림각(φ)이 달라집니다. 이럴 때 인서트와 공구 사이에 삽입되는 심을 교체함으로써 인서트의 플랭크 여유각을 조절할 수 있습니다. 비틀림각에 맞춰 인서트의 기울기를 조절해주지 않으면 공구가 파손되고 공작물을 훼손하게 되므로 각별히 주의해야 합니다. 경사각은 람다λ입니다. 가장 일반적인 경사각은 1 ̊로 공구홀더의 표준심입니다.

 

경사 설정을 위한 심 선택

심은 공구 홀더와 가공물이 접촉해 파손되는 것을 방지하기도 하지만 인서트의 기울기 각을 조절하는 중요한 역할을 합니다. 인서트와 홀더, 심에는 각각 맞물리는 홈이 있어 변형이 일어나지 않도록 단단히 고정 됩니다. 경사각의 경우 계산을 통해 세팅 때마다 경사각을 설정 해야 하는 것이 아니라 차트를참조하면 쉽게 구할 수 있습니다. 예를 들어 가공물 직경이 30mm 이고 나사 피치가 2mm인 경우 심의 경사는 1 ̊이므로 표준심으로 가공이 가능합니다. 경사각을 구하는 식은 다음과 같습니다.

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인서트의 선택

용도에 따라 다양한 인서트를 선택할 수 있습니다. 나사의 종류, 크기, 작업의 유형에 따라 알맞은 인서트를 사용해야 합니다.

1. 나사의 종류에 따른 인서트의 선택

나사의 용도에 따라 따라 알맞은 인서트를 선택합니다. 파이프에 사용되는 나사는 일반적인 나사산이 아니라 변형된 형태를 지니므로 이에 걸맞는 인 서트를 사용합니다. 2mm 이하의 피치가 적용되는 소형부품에는 또 다른 인서트를 사용하게 됩니다.

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# 나사는 산과 골의 모양에 따라 역할이 다릅니다. 삼각형 모양은 주로 물체를 결합 하는 데 사용하고, 사각형이나 사다리꼴은 큰 힘을 전달하는 프레스, 잭, 바이스 등 과 같은 기계에 사용합니다. 먼지나 모래가 들어가기 쉬운 곳은 둥근 모양의 나사산을 사용하기도 하며 피치가 작을수록 간격이 촘촘해지고 결합력이 강해집니다. 회전 방향에 따라 오른 나사와 왼나사로 분류하기도 합니다. 자동차의 향축 장치 등에 사용됩니다.
2. 나사의 크기에 따른 인서트의 선택

네 가지 인서트의 크기로는 11, 16, 22, 27mm가 있다.

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# 인치 나사와 미터 나사의 규격은 세계 2차 대전 이후 국제 표준화 사업을 통해 1962년 IOS 미터 나사로 발표 되었고 유니 파이 나사 역시 IOS 인치 나사로 완전한 호환성을 가지게 되었습니다.

나사가공의 포인트 두 번째 – “공정에 어울리는 인서트 유형의 선택”

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폴 프로파일 인서트 – 나사 가공의 생산성 증대 가능

한번에 루트와 크레스트를 모두 가공합니다. 피치를 제어할 수 있으므로 뛰어난 제어능력을 제공하지만 부하가 증가하므로 세팅에 주의해야 합니다.

  • 장점 : 가공 후 발행하는 버를 깎아내는 작업이 생략됨
  • 단점 : 각각의 인서트가 하나의 피치만 가공 가능

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V 프로파일 인서트 – 최소한의 공구 재고로 나사 가공 가능

인서트 하나로 다양한 피치를 가공할 수 있습니다. 나사 가공 전에 선삭 가공을 통해 크레스트를 생성하므로 높은 공차가 발생될 수 있지만 절삭부하를 감소시켜 진동을 억제합니다.

  • 장점 : 유연성
  • 단점 : 버형성유발

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멀티 포인트 인서트 – 대량 생산에서 생산적이고 경제적인 나사 가공 가능

한꺼번에 두 개의 골을 가공할 수 있으므로 패스 수가 줄어들어 필요한 인피드 수가 감소합니다. 하지만 공구 부하가 증가하므로 안정된 세팅이 요구됩니다.

  • 장점 : 인피드 수 감소로 생산성 증가
  • 단점 : 안정된 셋업 요구

 

인서트의 세 가지 형상

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다목적 형상 – 대부분의 작업에서 선택 가능

다양한 소재에서 뛰어난 칩 형성 능력 제공

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F 형상 – 날카로운 형상

점착성 고경도 재질에서 깔끔한 절삭 가능

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C 형상 – 칩 브레이킹 형상

저탄소, 저합금 및 가공이 손쉬운 스테인리스 강에 최적화된 형상

 

다양한 공구 홀더 솔루션

양과 기능에 따라 적용할 수 있는 다양한 홀더가 있습니다. 이를 적절히 활용하면 공구 교체 시간을 줄일 수 있고 이송간 간섭을 줄여 생산성을 높일 수 있습니다. 오버행과 칩 컨트롤을 고려하여 선택하게 됩니다.

 

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1 퀵체인지 커플링 : 홀더에서 헤드를 빠르게 교체할 수 있음  2 Coromant Capto 커플링 : 헤드를 고정하는 커플링 부분이 둥근 삼각형 모양인 제품. 결합 정밀 도를 높임.  3 보링바 : 내경 가공용 공구 홀더. 오버행이 길어지면 진동 방지 보링바 사용 4 생크 공구 : 외경가공용 공구 홀더 5Coromant Capto 커플링. 6 드롭헤드 : 공구 홀더의 헤드 부분이 꺾어져 있음  7 교환식 커팅 헤드.

 

나사가공의 포인트 세 번째 – “적절한 인피드 방법을 선택해 가공”

인피드 방법은 나사 가공 공정에 큰 영향을 미칩니다. 인피드 방법에 따라 나사의 칩 컨트롤이 달라지기 때문에 인서트의 마모 정도, 그에 따른 공구 수명을 결정하게 됩니다. 더 나아가 제품의 품질까지도 큰 영향을 받습니다. 나사가공은 한 번에 이루어지는 것이 아니라 몇 번의 패스 과정에서 점차적으로 가공이 이루어지게 됩니다. 패스 깊이가 깊어질수록 가공면이 넓어지게 되므로 부하가 증가하게 됩니다. 이를 고려하여 인피드 방법을 결정해야 합니다. 실제로 가공 기계, 인서트의 형상, 가공물의 재질, 피치 거리가 복합적으로 인피드 방법의 선택에 영향을 미칩니다.

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수정된 경사 인피드

● 현대 CNC 장비는 수정된 경사 인피드 방식의 프로그래밍이 가능
● 칩은 기존 선삭과 유사 – 쉽게 형성 및 유도
● 칩이 두꺼워지지만 인서트의 한쪽 면하고만 접촉
● 인서트에 전달되는 열이 한쪽으로 배출되어 열 감소
●  대부분의 나사 가공에서 최고의 선택

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C 형상 인서트

● 향상된 칩 컨트롤
● 향상된 표면
● C 형상 인서트는 수정된 경사 인서트에만 적합

 

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반경 방향 인피드(좌), 중량성 인피드(중), 프로그래밍 방법(우)

 

반경 방향 인피드

● 모든 수동 장비와 일반적인 CNC 프로그램에 의해 사용
● 가파른 “V” 칩 생성
● 균일한 인서트 마모가 일어나며 인서트 팁이 고온에 노출
● 인피드 깊이에 제한이 있음. 작은 피치에 적합
● 큰 피치에서 진동 및 칩 컨트롤 불량 발생 가능

 

중량성 인피드

● 일반적으로 큰 프로파일과 피치, 공구 수명이 나사 길이와 일치해야 하는 긴 나사가공 사이클과 함께 사용
● 피치가 계속되면서 공구 가공 위치를 좌우로 조절해가며 절삭 깊이를 증가시킴.
● 인서트의 좌우면을 골고루 사용하여 공구 수명이 늘어남
● 칩이 양방향으로 생성되어 제어가 어려움
●  복잡한 특수 프로그래밍이 필요

 

프로그래밍 방법 – 가공결과 개선 방법

패스당 깊이 감소 : 일정한 칩 부피, 가장 일반적인 방법
● 가장 깊은 패스는 첫 번째.
● 부하가 일정하며 균형 잡힌 칩 부피
● 실제 마지막 패스는 약 0.07mm
(샌드빅 코로만트의 인피드값 권장사항표를 참조하실 수 있습니다)

나사공구에 따른 문제해결 방법

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에필로그

매번 교육 자료로 공부할 때는 몰랐는데 직접 만져본 재료는 묵직하다. 자칫 잘못하면 이렇게 날카로운 부분에 손을 베인다. 이론으로 배웠던 기 술들이 실감나는 순간이었다. 원형의 가공물이 회전하고 날카로운 인서트가 금속의 표면에 접촉하는 순간 칩이 발생할 것이다. 다듬어지지 않은 절삭면에는 날카로운 버가 있어 이후 추가적인 사상 작업이 필요할지도 모른다. 무엇보다 이 재료가 단단한 쇳덩어리라는 것을 생각하니 새삼 선삭가공이 대단하게 느껴졌다. 이기자는 다음 시간에 디자인을 정하고 제품을 만드는 실습을 할 예정이다. 지금까지 배웠던 선삭, 절단, 홈, 나사가공은 물론 이론 시간에 서 할 수 없었던 재료의 선택도 고민하고, 장비와 가공 방법을 선택하고, 인서트를 정하고 가공 속도를 조절할  것이다. 물론 전문가의 도움이 있겠지만 묵직한 쇳덩어리를 생각하는 형상대로 만들 수 있을 것이라고 생각하니 기대가 크다.

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About the author

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

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