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[샌드빅 코로만트와 함께하는 밀링공구 따라잡기 ①] 밀링 이론(상)

*본고는 MFG 콘텐츠를 온라인 기사로 재발행한 것입니다.
원본은 MFG( Manufacturing) 2012 6월호 기사를 통해 확인하실  있습니다.

드디어 선삭 가공을 마무리했다. 실습까지 마무리한 이 기자는 이제 꽤 전문적인 지식을 갖추고 취재에 임할 수 있게 됐다. 백 번 듣는 것보다는 한 번 보는게 낫고, 한 번 보는 것보다 직접 해보는게 뼈가 되고 살이 된다. 이제 공구와 관련된 내용은 전화를 통해 듣기만 해도 척척 이해하고 질문까지 할 수 있게 되었다. 하지만 선삭은 기본 중의 기본. 이제 기계 가공은 아무래도 밀링 가공이 대세. 새로운 마음으로 교육장을 찾은 이 기자를 기다리는 사람이 있었다.sm

밀링 가공

선삭 가공은 공작물이 회전하고 절삭공구가 움직이면서 가공이 일어나는데 비해 밀링 가공은 절삭 공구가 회전하는 동시에 공작물이 움직이면서 가공이 이루어진다는 것이 다릅니다. 일반적으로 원형 형상의 가공물을 가공할 때는 선삭을 사용하고 평면 및 윤곽 표면을 가공할 때는 밀링을 사용한다고 하지만 다축 장비에서는 가공 방법을 선택할 수 있어 선삭으로 가공하던 홀, 동공, 표면, 그리고 나사 등을 가공할 수도 있습니다. 밀링 가공은 거의 모든 방향으로 프로그램된 이송 운동을 수행하는 다중날 절삭 공구에 의해 이루어지며 교환형 인서트와 솔리드 초경 기술을 통해 생산성과 품질이 향상되고 있습니다.

기존의 밀링 방법

수동으로 작동하거나 기계적으로 작동하는 3축 장비를 활용해 평면, 직각 그리고 슬롯을 가공하는 경우가 많았습니다.

수직 밀링 장비
수직 밀링 장비

고급 밀링 방법

오늘날 장비는 지속적으로 발전하고 있습니다. 현재의 터닝센터에는 드리븐 공구를 통한 밀링 기능이 있고, 머시닝센터에는 선삭 기능이 있습니다. CAM의 발전으로 5축 장비가 증가하고 있으며 그 이상의 다축 장비도 개발되고 있습니다. 커터의 재질과 가공 기술이 발전하면서 다양한 활용이 가능하기 때문입니다.

최신 4-5축 머시닝센터 또는 복합가공기
최신 4-5축 머시닝센터 또는 복합가공기

 

시스템 개요

  • 평면 밀링
  • 직각 밀링
  • 프로파일링
  • 슬롯 밀링
  • 나사 밀링
  • 기타 방법
  • 밀링 개요

일반적인 사용을 위한 커터

sm3(왼쪽) 절입각이 45 ̊인 범용 평면 밀링 커터 – 고이송, 면조도 강화
(가운데) 까다로운 조건을 위해 원형 인서트가 사용된 평면 밀링 커터 – 황삭
(오른쪽) 평면 밀링 경가공을 위한 평면 및 직각 밀링 커터 – 범, 얇은 판, 불안정한 제품의 경우. 이송 속도가 낮음.

전용 커터

sm4고이송 평면 밀링 – 10 ̊ 인서트의 경우 낮은 깊이를 빠르게 이송

sm5고강성 평면 밀링

일반적인 사용을 위한 커터

sm6(왼쪽) 직각 밀링 가공에 사용하는 측면 및 평면 밀링 커터
(가운데) 고강성 평면 및 직각 밀링 커터
(오른쪽) 경가공 평면 및 직각 밀링 커터

엔드밀 및 롱에지 커터

sm7(왼쪽) 인서트 교환형 엔드밀
(가운데 왼쪽) 솔리드 초경 엔드밀
(가운데 오른쪽) 교환형 솔리드 초경 헤드가 사용된 엔드밀
(오른쪽) 롱에지 밀링 커터

전용 커터

sm8깊은 직각 밀링

sm9직각 밀링 커터를 사용한 엣지 가공

일반적인 사용을 위한 커터 – 황삭

sm10(왼쪽) 원형 인서트 엔드밀
(오른쪽) 원형 인서트 커터

일반적인 사용을 위한 커터 – 사상

sm11(왼쪽) 솔리드 초경 볼 노즈 엔드밀
(오른쪽) 교환형 솔리드 초경 헤드가 사용된 엔드밀

 

슬롯 밀링이란? 직각 커터의 개념, 얇은 깊이에서 사용

일반적인 사용을 위한 커터 – 반경방향 슬롯 밀링

sm12(왼쪽) 내경 얇은 홈 및 슬롯 가공 엔드밀
(가운데 아래) 외경 얇은 홈 및 슬롯 가공 커터
(가운데 위) 홈 및 절단 가공 슬롯 커터
(오른쪽) 측면 및 평면 슬롯 밀링 커터

일반적인 사용을 위한 커터 – 축 방향 슬롯 밀링

sm13(왼쪽) 솔리드 초경 엔드밀
(가운데 왼쪽) 교체형 솔리드 초경 헤드가 사용된 엔드밀
(가운데 오른쪽) 인서트 교환형 엔드밀
(오른쪽) 롱에지 밀링 커터

sm14(위) 솔리드 초경 엔드밀
(아래) 인서트 교환형 엔드밀

sm15인서트 교환형 커터

sm16sm17턴 밀링 – 선반+밀링

sm18sm19sm20블레이드 밀링

밀링 가공 개요
밀링 가공 개요

밀링 작업 방향

하향 밀링 – 선호되는 방법

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  • 하향 밀링에서는 인서트가 깊게 들어가 칩 두께가 점점 얇아지면서 절삭이 이루어집니다.
  • 이로 인해 절삭 과정에서 일어나는 열과 압력의 부하 증가를 방지합니다.
  • 하향 밀링을 사용하면 버니싱(burnishing) 효과를 방지할 수 있고 열과 가공 경화 성향을 최소화할 수 있습니다.

상향 밀링

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  • 가공물의 이송 방향과 커터의 회전 방향이 반대로 움직이면서 절삭이 이루어집니다.
  • 절삭 과정에서 칩 두께가 증가하면서 절삭이 이루어집니다.
  • 인서트와 가공물 사이의 열과 응력이 발생하고 칩 배출 시 인서트에 충격이 있습니다.
  • 초경의 특성상 내압성을 가지고 있으나 충격에는 약하므로 인서트 수명이 단축됩니다.

 

커터 직경 및 위치

일반적으로 밀링 커터 직경은 가용 장비의 동력을 고려해서 가공물 폭을 기준으로 선택합니다.

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  • 커터 직경은 절삭폭보다  20~50% 커야 합니다.
  • 2/3 규칙 : 160mm 커터를 사용한다고 했을 때 절삭이 이루어지는 부분은 2/3(100mm)로 두고 절삭 바깥 부분은 1/3(50mm)로 둡니다.
  • 밀링 커터를 중심 밖으로 이동하면 더 일정하고 유리한 절삭 부하를 얻을 수 있습니다.

 

커터 위치를 통한 칩 형성

절삭 날은 반경 방향으로 절삭 입구, 절삭 중 원호, 절삭 출구의 세 가지 단계를 거쳐 가공물을 절삭합니다. 각 방법에 따라 절삭량과 인서트에 가해지는 압력이 다르므로 이를 고려하여 설정해야 합니다.

(ae =75%xDc,Dc =커터직경,ae =가공폭)

커터 중심선이 가공물의 가운데 위치하는 경우

절삭량이 많고 절삭 속도가 빠르나 가장 많은 부하가 걸립니다.sm25

  • 절삭량이 많고 절삭 속도가 빠르나 가장 많은 부하가 걸립니다.
  • 인서트가 가공물에 진입하는 순간과 마주치는 순간 충격을 받습니다.

권장 커터 위치

sm26커터 중심선이 가공물 폭의 안쪽에 있습니다.(ae>75% Dc)

  • 가장 유리한 절삭 조건 및 최적화된 커터 직경의 사용
  • 인서트의 절삭 진입 시 면으로 마찰하여 충격을 줄이고 절삭 과정에서 추가로 충격을 흡수합니다.
  • 인서트가 점진적으로 절삭 부위를 벗어납니다.

대체 커터 위치

sm27커터 중심선이 가공물 폭의 바깥쪽에 있습니다. (ae<25% Dc)

  • 인서트 절삭 진입 시 각도가 양의 값입니다.
  • 인서트의 가장 바깥쪽 팁이 진입 시의 충격을 흡수하고 공구가 점차적으로 부하를 흡수합니다.

비권장 커터 위치

sm28커터의 중심선이 가공물의 가장자리와 일치합니다.  (ae=50% Dc)

  • 일반적으로 가장 많이 사용하는 위치입니다.(1/2이므로 동력 계산이 쉽기 때문)
  • 인서트 절삭 진입 시 충격 부하가 매우 높아 권장되지 않습니다.

 

여러 가지 밀링의 최적화 방법

원형 인서트가 사용된 커터

장점

  • 강력한 밀링 커터
  • 평면 밀링과 프로파일링에서 유연
  • 고성능 다목적 커터

단점

  • 원형 인서트의 경우 안정된 장비가 필요

45 ̊ 평면 밀링 커터

장점

  • 평면 밀링을 위한 일반적인 선택
  • 균형 잡힌 반경 방향 및 축 방향 절삭 부하
  • 부드러운 절삭 진입

단점

  • 최대 절삭 깊이가 6~10mm로 한정

90 ̊ 직각 평면 밀링 커터

장점

  • 뛰어난 다목적성
  • 깊은 절삭 깊이
  • 낮은 축 방향 절삭 부하(얇은 가공물에 유리)
  • 절삭날이 네 개인 경절삭 인서트

단점

  • 날당 이송(fz)과 최대 칩 두께(hex)가 같으므로 날당 이송이 상대적으로 낮음

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용어정리

스핀들 속도, 절삭 속도 및 커터 직경

sm2-3rpm 단위로 표시되는 스핀들 속도(n)는 스핀들에 있는 밀링 공구의 분당 회전수입니 다. 절삭 속도(vc)는 가공물을 가공하는 절삭날의 표면 속도를 가르키며 이는 실제로 가공이 일어나는 커터의 유효 절삭 속도(ve)와 구분합니다. 지정된 커터 직경(Dc)은 절삭 속도 vc 또는 ve의 기본인 유효 절삭 직경(De)을 갖습니다.

 

용어정리

테이블 이송, 날 수 및 스핀들 속도의 관계

sm2-4테이블 이송, 장비 이송 또는 이송 속도라고 부르는 분당 이송은(vf mm/min) 은 날당 이송과 커터 날 수와 관련해 시간 단위 당 거리로 측정된 값입니다. 공구의 가용 커터 날 수(zn)는 테이블 이송을 결정하는데 사용합 니다. 공구의 유효 커터 날 수(zc)는 절삭에 사용된 유효 날 수를 말합니다. mm/min 단위로 표시 되는 회전당 이송(fz은 이송 계산에 사용되는 값 입니다. 커터의 정삭 성능을 결정하는데도 사용합니다.

이송 동영상 보기

용어정리

절삭 깊이

sm2-5축 방향 절삭 깊이(ap , mm)는 공구가 가공물 표면의 금속을 제거한 깊이입니다. 이는 가공되지 않은 표면 아래로 설정된 거리입니다. 반경 방향 절삭 폭(ae,mm)은 커터 직경에 따라 절삭된 가공물의 폭입니다. 이는 가공되는 표면을 가로지른 거리이거나, 공구 직경이 더 작을 경우 공구에 의해 커버되는 거리입니다.

용어정리

정격 동력, 토크 및 비절삭 저항

sm2-6정격 동력(Pc)은 절삭 수행을 위해 장비가 절삭날에 제공할 수 있어야 하는 동력입니 다. 절삭날을 선택할 때는 장비 효율을 고려해야 합니다. 토크(Mc)는 절삭 수행 중 공구에 의해 제공되는 토크 값입니다. 장비에 의해 제공될 수 있어야 합니다. 비절삭 저항값(kc)은 N/mm2 단위로 표시되는 가공 대상 소재의 물성치입니다. 각 소 재마다 그 정도가 다르며 관련 값은 샌드빅 코로만트의 종합 카달로그와 기술 가이드에서 확인할 수 있습니다.

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sm2-7
밀링 커터의 종류

파워-토크 그래프와 계산기

현장에서 가공할 때 모터 동력을 모르고 있는 경우가 많다. 늘 해오던 작업을 하는 것이고 경험이 쌓이게 되면 별다른 계산 없이도 알게 된다고 생각하기 때문이다. 과부하가 걸리면 기계가 작동하지 않으면 수정하면서 작업을 한다. 하지만 ‘파워-토크 그래프’를 이해하게 되면 간단하게 문제를 해결할 수 있다. 계산기도 이용할 수 있으니까 이용법을 알아두는 것도 좋다.

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밀링 장비에는 그 장비의 성능을 나타내는 회전수와 토크의 상관관계를 나타내는 정보가 있습니다. 작업 시에는 계산된 데이터를 위와 같은 ‘Speed-torque diagram’ 그래프에 대입하여 가공 가능 여부를 판단하게 됩니다.

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위의 사이트를 방문하면 기술 가이드라인 페이지의 계산 소프트웨어를 활용할 수 있습니다. 장비 데이터를 입력하면 샌드빅 코로만트의 평면 및 직각 밀링 공구의 출력 및 토크 수치를 확인할 수 있으며 가공 조건을 입력해 확인할 수 있습니다. 미터식 버전과 인치식 버전을 제공합니다.

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커터와 공구의 종류를 입력하고 절삭 조건을 입력할 수 있습니다. 가공 장비의 사양도 입력할 수 있습니다.

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가공 장비의 정격 파워-토크 그래프를 확인할 수 있습니다. 입력한 정보의 결과는 점으로 나타납니다. 그래프의 안쪽에 점이 위치할 경우 가공이 가능함을 확인할 수 있습니다.

밀링 가공 계획 시 주의점

가공에서 무엇보다 우선시 되는 것은 소재의 특성입니다. 소재의 재질은 가공성이나 칩 형성을 결정합니다. 경도, 합금 요소에 따른 특성도 가공에 영향을 미치게 됩니다. 가공물의 형상이나 요구되는 공차, 수량을 고려하여 적합한 장비를 선정하는 것도 소재 선택의 영향을 받습니다. 가용 동력이나 안정성을 고려해 장비를 선택한 뒤에는 소재에 적합한 커터와 인서트를 선택합니다.

가공에 적합한 절삭날과 피치를 선택하는 것은 생산성과 안정성 모두에 영향을 미칩니다. 가공의 성격에 따라서 인서트 형상도 달라지게 되므로 유의해야 합니다. 경가공, 중가공, 고강성 가공에 걸맞은 형상을 선택하는 법과 밀링 공구 선택의 자세한 내용은 다음 시간에 알아보도록 하겠습니다.

가공이 이루어진 뒤에는 인서트의 마모 정도와 가공물의 표면 조도를 확인하여 절삭 조건을 조절해야 합니다. 인서트 손상, 진동에 의해 문제가 발생할 수 있으며 이에 대한 적절한 대책을 마련해야 합니다.


에필로그

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밀링의 적용 범위는 광범위하다. 사용되는 공구의 종류가 다양한 데다가 가공물이 고정된 테이블의 이송과 주축의 공구의 회전이 동시에 일어나기 때문에 절입각에 대한 이송량도 결정할 필요가 있다. 현장에서는 경험에 의해 무리없이 진행하는 경우가 많다고 하지만 가공에 대한 경험이 거의 없는 이 기자에겐 그마저도 어려운 일. 공구에 대한 추천 데이터와 계산기 등을 활용할 수 있다는 것은 다행이었지만 원리와 기초 지식을 쌓는 일은 중요하다는 것을 깨달았다. 다음 달에는 밀링에서의 공구 선택과 절삭 조건의 계산을 살펴 볼 계획이다.

 

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.
(080-092-0909, coromant.korea@sandvik.com)

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