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[샌드빅 코로만트와 함께하는 선삭공구 따라잡기 Final] 선삭 가공 실습

*본고는 MFG 콘텐츠를 온라인 기사로 재발행한 것입니다.
원본은 MFG( Manufacturing) 2012 5월호 기사를 통해 확인하실  있습니다.

‘이런 일이라면 내가 걱실걱실 잘 하지.’ 4월에는 생산제조인의 축제, 심토스가 열렸다. 매뉴팩처링도 부스를 설치하고 취재를 진행하기로 결정. 각종 장비와 공구들을 직접 확인할 수 있겠다고 생각한 이기자는 룰루랄라 킨텍스로 향했다. 미리 생각한 취재거리와 만나고 싶은 취재원도 한가득. 10만 명의 관람객이 방문한다는데 얼마나 장관일까. 우리 잡지의 애독자가 알아보고 인사라도 하면 어쩌나. 하지만 이기자를 기다리고 있는 건 애독자가 아니라 독자를 기다리는 1만여 부의 잡지였으니….s120528

생산 계획 수립과정

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디자인 결정과 설계

제품 가공에 있어서 디자인은 가장 처음으로 고려해야 하는 매개 변수이다. 가공차원에서는 미적인 디자인이나 기능성보다 기하학적인 모양이 우선적으로 고려되어야 한다. 이기자는 선삭 가공을 통해 만들어 낼 수 있는 원형 가공물의 절단과 홈, 평면 홈 가공, 나사 가공과 프로파일링이 복합적으로 들어간 도안을 고안했다. 운동 시 세트 무게를 조절할 수 있도록 바벨 교환을 위한 커플링도 만들 생각이었다. 이기자는 실습 당일 도면 한 장을 들고 무작정 실습실로 향했다. 실습실에는 오늘의 가공을 도와줄 이상성 대리가 준비를 마치고 기다리고 있었다.

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이기자가 준비한 도안 1
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이기자가 준비한 도안 2

 

디자인 결정 시에 고려해야 할 점

“디자인은 단순한 아이디어 스케치가 아니니까 구체적인 치수나 형상이 주어져야 해요. 방망이 깎는 노인처럼 손으로 이리 깎고 저리 깎아서 만드는 게 아니라 정해진 치수대로 장비가 움직여서 깎아내는 거니까요. 필요에 따라서 정삭 가공을 통해 공차와 표면 상태를 조절하긴 하지만 눈 대중으로 깎는 것이 아니니까 장비 세팅이 필요해요. 이 기자님의 스케치를 도면으로 만들어야 겠네요. 이렇게 해서. 캐드 도면을 가지고 가공을 진행하도록 하죠.”

가공할 표면의 치수와 품질 요구사항 분석

작업유형(축 방향, 프로파일링, 평면가공 등)·외경, 내경·황삭, 중삭, 사상· 공구·경로·패스·공차·가공물의 수량

CAD 도면 1
CAD 도면 1
CAD 도면 2
CAD 도면 2

재료의 선택

“금속 절삭 산업에는 여러 가지 재질로 만들어진 수많은 가공물 설계가 존재합니다. 각 재질마다 고유한 특성이 있으며, 이러한 특성은 합금요소, 열처리, 경도 등에 의해 영향을 받습니다. 이는 절삭 공구의 형상, 재종 및 절삭 조건의 선택에 큰 영향을 줍니다. 이에 따라 ISO 표준을 기준으로 가공물 재질을 여섯 가지 주요 그룹으로 구분했고, 각 그룹은 가공성 측면에서 고유한 특성을 가집니다. 다양한 소재들 중에서도 오늘은 비교적 탄소 함량이 높고 가공이 수월한 S45C(JIS규격) 탄소강을 가공해보도록 하겠습니다.”

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ISO 소재 분류

ISO P(강) -강은 금속 절삭 분야에서 가장 큰 재질 그룹이며, 비합금강으로부터 주강, 페라이트계 및 마르텐사이트계 스테인리스강을 포함한 고합금 소재에 이르기까지 다양합니다. 가공성은 일반적으로 양호하지만, 재질 경도, 탄소 함량 등에 따라 큰 차이가 납니다.

ISO 소재 분류

ISO M(스테인리스강) – 스테인리스강은 최소 12%의 크롬을 포함한 합금 소재이고, 니켈이나 몰리브덴이 포함되기도 합니다. 페이이트계, 마르텐사이트계, 오스테나이트계, 오스테나이트-페아이트계(듀플렉스) 등 조건에 따라 여러 가지 형태로 구분됩니다. 공통점은 절삭날이 엄청난 열, 노치 마모 및 구성인선에 노출된다는 것입니다.

ISO 소재 분류

ISO K(주철) – 주철은 강과는 반대로 칩핑이 짧은 재질 유형입니다. 회주철(GCI)과 가단주철(MCI)은 가공이 상당히 쉬운 반면, 구상흑연주철(NCI), 강화흑연주철(GCI) 및 오스템퍼 구상흑연주철(ADI)은 가공이 어렵습니다. 모든 주철에는 절삭날에 대한 연마성이 강한 실리콘 초경(SIC)이 함유되어 있습니다.

ISO 소재 분류

ISO N(알루미늄) – 비철금속은 알루미늄, 구리, 황동 등 부드러운 금속 유형을 말합니다. 실리콘(Si) 함량이 13%인 알루미늄은 연마성이 매우 강합니다. 일반적으로 날이 날카로운 인서트의 경우 절삭속도가 빠르고 공구 수명이 깁니다.

ISO 소재 분류

ISO S(내열합금) – 내열합금에는 고합금철, 니켈, 코발트 및 티타늄 계열 재질이 포함됩니다. 이들 재질은 점착성이 있고 구성인선을 생성하며 가공 경화와 열이 발생합니다. IOS M 그룹과 매우 유사하지만, 절삭이 훨씬 어렵고 절삭날의 수명이 짧습니다.

ISO 소재 분류

ISO H(고경도강) – 이 그룹에는 경도 범위가 45-65HRc인 강과 400-600 HB인 칠드 주철이 포함됩니다. 이들 재질은 경도 때문에 가공이 어렵습니다. 또한 절삭 중에 열이 발생하며, 절삭날에 대한 연마성이 매우 강합니다.

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기계의 매개변수

s120524“오늘 사용할 기기는 단순 선삭 가공부터 복합가공까지 가능한 다양한 라인업을 갖춘 수평/수직형의 터닝 센터입니다. 특히 PUMA MX 시리즈는 선반과 머시닝센터 기능을 융합하여 한번의 척킹으로 선삭, 밀링 가공까지도 가능한 복합가공 터닝센터입니다. 메인 스핀들 의 경우 3,500rpm, 밀링 스핀들은 10,000rpm의 속도가 가능합니 다. 상부에는 24개의 공구가 장착되는 툴 매거진이 있고 하부 터렛에는 12개의 공구가 창작됩니다. 메인 스핀들에 가공물을 고정하고 회전시키면서 공구를 절삭하는데 실질적인 5축 가공도 가능합니다. 가공조건에 따라 절삭속도를 변경하면서 작업을 진행하도록 하겠습니다.”

장비 고려사항

-안정성, 동력, 토크(특히 대직경에서 중요)   -가공물 클램핑   – 공구 클램핑   – 공구 위치   – 공구 교환 시간/터쳇의 공구 수   -스핀들 속도(rpm) 한계, 바 이송 매거진   -서브 스핀들이나 테일 스톡의 이용 가능성   -가능한 모든 지지 사용   -간편한 프로그래밍   -절삭유 압력

가공 개요

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인서트의 선택

이기자는 실습에 앞서 배운 내용을 복기하며 공정에 어울리는 인서트를 미리 선정했다. 인서트의 상면각과 형상, 이송은 칩 형성 과정에서 중요한 역할을 한다. 보다 자세한 부분에 대해서는 기술자료집과 홈페이지를 참조하고 이상성 대리의 코치를 따랐다.

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공구 홀더와 클램핑의 선택

s120525“공구 가공 조건에 따라 알맞은 홀더를 선택해야 합니다. 공구를 장착하는 홀더와 클램핑 외에도 가공물을 고정하는 척도 중요합니다. 가장 유념해야 할 점은 진동입니다. 결합이 느슨할 경우 회전 시 일어나는 진동에 의해 가공물의 표면 조도가 떨어지기 마련이죠. 공구에도 무리가 가서 수명을 단축시킵니다. 소재와 공구가 충돌하지 않도록 하는 것도 중요합니다. 공구 길이와 소재의 길이, 가공 영역, 순서를 생각해서 클램핑을 선택하고 각각의 공구에 대한 옵셋 및 소재 원점을 세팅합니다. 내경 가공 시에 간섭이 일어나지 않는지도 주의해야 해요. 사소한 부주의가 위험을 초래할수 있습니다. 가공은 기계가 하지만 엔지니어가 가공 과정을 확인하면서 예기치 않은 돌발 상황에 대비해야 합니다.”

가공

이상성 대리의 도움을 받아 컨트롤러에 데이터를 입력했다. 각 기기마다 조작법이 다르기는 하지만 사용되는 공구 터렛과 가공물의 좌표, 회전수, 공구의 이송속도 등을 설정하면 터닝센터가 가공을 시작한다. 한 가지 공정을 마칠 때마다 가공 정도를 확인하고 가공 조건을 조정했다. 실제 가공 시엔 주어진 조건에 의해 발생하는 변수가 크기 때문이다.

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가공 진행 과정 ①

s12051샤프트 외경 선삭 클램핑 길이가 소재 직경의 3배 이상으로 진동이 발생. 양쪽에서 고정하여 가공

가공 진행 과정 ②

s12052샤프트 나사 챔버 프로파일링 가공 나사 결합을 수월하게 하기 위한 연결부 제공

가공 진행 과정 ③

s12053샤프트 외경 나사 가공 정해진 규격에 따라 지정된 인피드 깊이와 패스 수 적용

가공 진행 과정 ④

s12054덤벨 외경 황삭 가공량이 많으므로 네거티브 인서트 사용

가공 진행 과정 ⑤

s12056 s12055덤벨 내경 나사 가공 드릴로 구멍을 만든 후 내경 가공용 인서트를 사용하여 챔버를 만들고 나사 가공 진행. 내경 가공의 경우 절삭유를 사용하여 냉각 및 칩 배출 효과 기대

가공 진행 과정 ⑥

s12056덤벨 측면 홈 가공

가공 진행 과정 ⑦

s12057덤벨 절단 가공 중심의 2mm 앞에서 이송을 75% 줄여서 절단 진행(소재절단 시 인서트 충격 최소화)

가공 진행 과정 ⑧

s12058덤벨 평면 선삭 표면 조도 향상을 위해 평면 정삭 가공 진행

가공 진행 과정 ⑨

s12059덤벨 단면 홈 가공 외적인 미를 고려하여 Round형 인서트를 적용

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가공 시의 주요 문제 해결

 

1. 가공물 클램핑

– 클램핑이 안정적이지 않으면 칩 브레이킹이 불량해지고 인서트 파손이 일어날 수 있으며 가공물의 조도가 떨어지게 됩니다. 소재의 길이가 직경의 3배 이상일 때, 소재가 지나치게 짧을 때도 정확하게 물리지 않을 경우 진동이 일어나게 됩니다.
– 클램핑 압력을 높여 적용할 수도 있는데 무른 소재의 경우에는 변형이 일어날 수 있으므로 주의해야 합니다.
– 샤프트를 가공할 때 길이 때문에 진동이 발생하여 조도가 불량한 결과가 발생하여 반대편에서 홀 가공을 한 뒤 고정하여 샤프트 정삭을 진행했습니다.
– 덤벨을 절단한 후 가공할 때 너무 짧은 길이로 인해 척에 의한 클램핑이 균일하지 않아 발생하는 진동을 보정을 통해 감소시켰습니다.

 2. 이송률과 인서트의 교체

-공구의 이송 속도에 따라 생산성이 달라지게 됩니다. 물론 이송 속도를 빨리 하는 것이 생산성 향상을 가져 올 수 있겠지만 너무 빠를 경우 표면조도가 불량해지고 급격한 인서트 마모 및 파손을 일으킬 수 있습니다.
– 이송 속도를 0.4mm에서 0.2mm로 수정하고 인서트를 샤프한 형상으로 교체하여 가공을 진행했습니다.

3.기본적인가공시적용방법준수

-절단 시 중심부에서 이송률을 감소시켜 절단 시의 충격에 따른 인서트의 파손을 예방합니다.
-평면 홈 가공 시 직경에 맞는 곡선형 공구를 사용하고 나사 가공 시 심을 통해 기울기 각을 조절합니다.
– 가공 요소 별 추천 인서트와 절입량 절삭 속도를 준수합니다. 기술자료표와 인서트 박스의 추천 사양을 참조할 수 있습니다.

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완성된 아령
완성된 아령

완성품 평가

실습을 통해 가공한 제품은 샤프트와 덤벨을 조립하는 형상을 가지고 있다. 정해진 규격에 맞춰 공구를 이송시켜 가공을 마쳤지만 작업 환경에 따라 다양한 변수가 작용할 수 있기 때문에 공차가 맞는지 확인해  보았다. 금방 깎아낸 나사가 서로 맞물려 매끄럽게 돌아가 단단히 조립되는걸 보니 공차는 문제가  없는 모양이었다. 이 기자는 조립된 아령을 들어보고 그 든든한 무게에 만족한 표정을 지었다.하지만 이상성 대리는 아무래도 마음에 들지 않는 모양이다.

“개별 생산품으로 이렇게 실습용이라면 상관이 없지만 대량으로  만들어 상품으로 판매한다고 하면… 도저히 안되겠는데요. 아까 클램핑하다가 떨어뜨려서 여기 이렇게 찍힌 것도 있고. 진동을 보정하는 것도 그렇고 일일히 치수를 조정하며 제품을 깎고 위치를 보정하고. 시간과 비용을 생각하면 생산성이 현저히 떨어져요. 가공 순서나 공구 선택에 대해서도 미리 계획하지 않으면 안되겠습니다. 사용할 거란 걸 알았으면 강이 아니라 스테인리스를 선택하면 좋았을텐데. 어쨌든 처음 해보는거죠? 수고 많으셨어요.”

에필로그

실습이 끝났을 때는 어둑발이 내려 사위가 어두워진 후였다. 공구를 선정하고 가공 조건을 입력한 뒤 버튼을 누르면 처음부터 마지막까지 자동으로 가공이 이루어질 줄 알았던 이 기자. 평소 선삭 수업을 듣기는 해도 직접 가공 조건을 선택하고 문제 상황과 대처법을 지켜본 것은 처음이었다.

이 기자는 인서트의 선택이 어떻게 가공에 영향을 미치는지 이해할 수 있었다. 절삭 깊이와 이송률이 제품의 조도에 영향을 미치는 정도를, 선삭에서 칩 배출이 교재대로 이루어지지만은 않는다는 것을, 진동을 제어하는 것이 얼마나 까다로운 작업인지를, 척의 압력을 조절하는 방법이나 버니어 캘리퍼스를 이용해 제품을 측정하고 공구의 영점을 조절하는 방법도 배울 수 있었다. 실제로 기계에서 축이 어떻게 이동하는지도 볼 수 있었다.

뭐든지 뚝딱 해내면 된다고 생각하고 좌충우돌하며 선삭을 이해해 온 이 기자지만 아직 알지 못하는 것이 너무도 많다는 생각을 했다. 사진 촬영과 질문, 가공을 동시에 진행하고 아령을 완성한 뒤 다섯 시간이 훌쩍 지나있었다. 다리도 아프고 배도 고팠다. 그 와중에도 아령에서 매끄럽게 빛나는 금속성의 차가운 빛이 눈이 부셨다. 이 기자는 취재 노트를 덮고 손에 묻은 절삭유를 말끔히 닦아내고는 가방을 챙겨 들었다. 이상성 대리의 손을 마주 잡았다.

“정말 수고하셨어요.”

돌아서는 손에 들린 신문지로 싼 아령이 묵직했다. 쇳덩어리를 자르고 깎아서 만든 이 세상에서 단 하나밖에 없는 아령이었다.

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About the author

샌드빅 코로만트는 선삭  밀링드릴링  머시닝 센터와 복합가공기를 위한 모듈러 시스템을 주력으로 생산하고 있으며전세계의 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.
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