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[샌드빅 코로만트와 함께하는 밀링공구 따라잡기 ②] 밀링 이론(하)

*본고는 MFG 콘텐츠를 온라인 기사로 재발행한 것입니다.
원본은 MFG(구 Manufacturing) 2012년 7월호 기사를 통해 확인하실 수 있습니다.

취재처에 가면 밀링 가공 현장을 확인할 기회가 있다. 책으로 배울 때와는 다르게 붉게 달아 오른 칩이 사방으로 튄다. 연기도 피어오른다. 이 기자는 배운 내용을 확인한다고 얼굴을 바투 들이대고 밀링 장비며 공구, 인서트를 살펴보게 된다. 가공 모습을 촬영하기 위해 작업자에게 한 번 더 가공해 달라고 부탁하자 컨트롤러에 데이터를 입력하는 모습이 눈에 들어온다. 소재와 형상에 따라 달라지긴 하지만 경험상 이송량과 회전 속도를 파악하고 있기 때문에 간단하게 입력 값을 조절하면 가공이 가능하단다. 이번에 확실하게 밀링 이론을 마스터하면 도전해볼 수 있지 않을까?


인서트의 선택 및 적용방법

절삭날과 인서트 형상은 금속 절삭 칩 형성과 공구 수명에 매우 중요한 요소입니다. 인서트는 초경합금으로 이루어져 있으며 압축력에 대한 저항성이 크고 소성 변형 없이 고온에서도 작업이 가능합니다. 적절한 지지가 이루어진다면 깨지지 않고 높은 절삭 부하도 견딜 수 있습니다.
※ 인서트 하나가 소재(강)를 1mm의 두께 8mm 폭으로 절삭한 다고 할 때 주어지는 절삭부하는 약 17000N으로 승용차의 무게와 맞먹습니다.

평면 밀링 가공을 위한 인서트

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절삭날 형상

절삭날 형상에서는 상면각(γ)과 절삭날 각(β)이 중요합니다. 밀링 인서트 형상 설계는 경, 중 또는 고강성 조건에서의 작업을 위해 개발되었습니다.

● L(경) 형상에는 더욱 포지티브하지만 약한 날이 적용됩니다.(큰 γ,작은 β)
● H(고) 형상에는 더욱 강하지만 덜 포지티브한 날이 적용됩니다. (작은 γ,큰 β)

절삭날 형상은 절삭 공정의 여러 매개 변수에 영향을 줍니다. 강한 절삭날을 통한 인서트는 높은 하중에서 효과적일 수 있지만, 더 높은 절삭 부하, 출력 소비, 발열을 유발합니다.
※ 소재 최적화 형상은 ISO 분류 문자로 표시됩니다.(주철의 경 우, KL, KM, KH)

가공조건

복잡한 형상의 경우 인서트의 진입과 탈출 시 충격이 있으므로 가공 조건이 나빠집니다. 단순한 형상은 이와 반대로 양호한 가공 조건을 가집니다.1207s2

재종 차트 구조

화살표를 따라 위쪽에 위치할수록 경도가 높고 아래로 향할수록 인성이 높습니다. 인성이 높을 경우 인서트에 칩이 달라붙어 파손의 우려가 있으므로 인성이 더 중요한 고려사항입니다.1207s3

적용유형

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절삭날 형상

ISO P, M, K 전용 재종 – 가공물 재질과 적용 유형에 따른 형상 및 재종 선택

1207s5– 강의 전면 및 상면 마모와 소성 변형

1207s6-스테인리스강의 구성인선과 노치 마모

1207s7-주철의 전면 마모 소성 변형

밀링 공구의 선택

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밀링에서 양호한 표면조도 확보하기

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● 생산성과 표면조도의 확보를 위해 가공물 접촉 부분이 넓은 와이퍼 인서트를 사용합니다.
● 와이퍼 인서트를 다른 인서트 아래에 세팅합니다.
● 이송을 평행 랜드의 60%까지 제한하십시오.


커터 선택 및 날 적용 방법

작업에 가장 적절한 유효 절삭날 수 Zc를 선택할 때, 절삭날 간 거리(피치) 또한 중요한 고려 대상입니다. 일반적으로 균등한 피치지만 절삭날의 크기와 수에 따라 비균등 피치 버전을 사용할 수도 있습니다. 비균등 피치를 사용하면 가공 폭이 넓거나 긴 오버행일 때 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

평면 밀링 커터
평면 밀링 커터

절삭날 수를 늘려서 절삭날에 추가적인 열을 발생시키지 않으면서 동일한 절삭 속도와 날 당 이송을 유지하며 테이블 이송을 증가시킬 수 있지만 날 수 증가로 인해 칩 배출 공간이 줄어들고 장비 출력에도 제한이 있어 용도에 알맞은 커터 피치를 선택해야 합니다.

커터 피치 선택

1207s11코오스 피치 – L

날 수가 작은 비균등 피치 커터

● 최저 수준의 절삭 부하로 불안정한 작업 시 최고의 선택
● 제한된 출력
● 긴 오버행에서 유리
● 작은 기계/제한된 동력에서 사용

크로스 피치 – M

날 수가 중간 수준인 균등 또는 비균등 피치 커터

● 안정적인 조건에서 황삭을 위한 최고의 선택
● 높은 생산성
● 혼합 생산에 적합
● 가장 기본적인 선택

엑스트라 크로스 피치 – H

인서트 수가 최대인 균등 피치 커터

● 낮은 ae로 높은 생산성을 확보하기 위한 최고의 선택
● 안정된 조건
● 짧은 칩핑, 내열 재질
● 소재 특성상 인서트 마모량이 큰 주철, 내열재질에 사용

밀링 생산성

밀링 생산성은 칩 제거율 Q로 정의될 때 여러 가지 방법으로 최적화될 수 있습니다. 용도에 맞는 적절한 공구의 선택도 중요하지만, 절삭 매개 변수의 선택도 중요합니다.

Q=vf × ap × ae/1000(cm3/min), vf =fz × n × zn (mm/min)

  1. 평면 밀링 – 높은 절삭 속도vc
    CBN(질화붕소화합물)이나 세라믹 인서트로 알루미늄 또는 주철 가공 시 1000m/min 이상의 절삭 속도를 사용할 수 있어 높은 테이블 이송vf  가능–고속 가공(HSM)
  2.  원주 밀링 – 높은 절삭 속도vc 및 이송fz
    절삭깊이ae가 얇을 때, 절삭 시간이 짧으므로 날 온도가 낮아져 속도 상승 가능. 최대 칩 두께hex가 낮기 때문에 이송 fz도 증가
  3. 프로파일 밀링 – 높은 스핀들 속도n
    볼 노즈 엔드밀을 사용한 정삭이나 초정삭 프로파일링 작업에 고속 가공 사용
  4. 작은 절입각 및 고이송 평면 가공
    절입각이 작은 커터 사용 시 가공 폭이 작을 때 칩이 얇아지기 때문에 이송이 증가
  5. 고강성밀링 – 깊은 절삭 깊이 가공
    직경이 큰 대형 인서트의 경우 절삭 속도는 보통이지만 절삭 깊이와 날 당 이송이 크고 가공 폭도 커지므로 생산성이 높아짐.
  6. 와이퍼 인서트 사상
    정삭 작업 시 이송이 낮아야 하지만 와이퍼 인서트를 사용하면 표면 조도를 유지하며 이송이 두세 배 증가.
  7. 평면 밀링 – 엑스트라 크로스 피치 커터
    회주철과 같이 짧은 칩 소재의 밀링 시 높은 테이블 이송 가능. 절삭 속도가 낮은 HRSA의 경우 다중 절삭날 가공으로 높은 테이블 이송 가능

가볍고 빠른 기술은 낮은 절삭 부하와 열을 통해 가공 속도와 테이블 이송을 높임으로 가능합니다.

절입각과 절삭 부하

인서트의 주요 절삭날과 가공물 표면 사이의 각도를 말하며 칩 두께, 절삭 부하, 공구 수명은 모두 절입각에 의해 영향을 받습니다. 절입각을 감소시키면 날 당 이송에 대한 칩 두께가 감소하고 절삭날의 많은 부분이 절삭에 참여하게 만듭니다.
● 절입각이 작을수록 반경방향 압력이 줄어들고 절삭날이 보호됩니다.
● 절입각이 감소할 때 축 방향 부하는 더 높아지고, 가공물에 대한 압력이 상승합니다.
● 경험적인 데이터에 따라 복합적인 조건을 고려하여 절입각을 조절할 수 있습니다.

90° 커터
● 사각 직각 밀링에 적용(90° 형태 필요)
● 이송 방향 반경 방향 부하 유발
● 가공 중인 표면이 높은 축 압력에 노출되지 않기 때문에 약하거나 얇은 가공물 가공에 사용
● hex = fz (ae >50% × Dc 인경우)1207s12

45° 커터
● 일반적인 범용 밀링에 적용
● 균형 잡힌 부하 유발 – 긴 오버행 밀링 시 진동 감소 효과
● 얇은 칩 형성으로 높은 생산성
● fz = 1.41 × hex(절입각 보정)1207s13
원형 인서트 커터
● 효율적인 황삭과 일반적 절삭에 모두 적용
● 코너 반경은 강한 절삭날 제공
● 칩을 얇아지게 만들어 티타늄 및 내열합금에 적합
● hex = ap 에 따라 결정1207s14

60°-75° 커터

● 특수 목적 평면 밀링 커터
● 45° 커터에 비해 축 방향 부하가 더 낮음
● 90° 커터에 비해 날 강도가 더 높음1207s15

10° 커터

● 고이송 및 플런지 밀링 커터
● 얕은 절삭 깊이에서 높은 테이블 이송
● 축 방향 절삭 부하가 진동 성향을 제한
● 공구 오버행이 길 때 사용1207s16

최대 칩 두께

최대 칩 두께는 생산적인 밀링 과정에서 가장 중요한 매개 변수입니다.
효과적인 절삭은 사용 중인 밀링 커터와 일치하는 칩 두께 값이 유지될 때에만 가능합니다.

● hex 값이 너무 낮을 경우 성능 저하와 생산성 저하의 원인이 되며 공구 수명과 칩 형성에도 부정적인 영향을 미칩니다.
● 높은 hex 값은 절삭날에 과부하가 걸려 파손을 일으키게 됩니다.

칩이 얇아지면 다음과 같은 상황에서 날 당 이송량을 높일 수 있습니다.

  1. 90° 이하의 절입각으로 직선 날 커터 사용
  2. 얇은 절삭 깊이에서 원형 인서트나 큰 반경 인서트 사용
  3. 작은 반경에서 원주 밀링 시

예) 직선 날 인서트의 경우 최대 칩 두께가 0.1이고 절입각이 45°이면 이송 추천 사항은
fz = hex × kr = 1.4×0.1 = 0.14mm/날

인서트 날 당 이송 추천 값은 해당 공구 자료를 참조

절입각에 따른 이송 보정

밀링 가공에서는 절입각에 따라 칩 두께가 달라지므로 이에 대한 날 당 이송 값에 대한 보정이 필요합니다.1207s171207s18

*이송 추천 값은 보정계수를 적용한 값으로 카달로그에서 확인 가능합니다.
*가공 재질과 환경에 따라 달라질 수 있습니다.


절삭 조건 계산

평면 밀링 예제1207s19

스핀들 속도  주어진 값 : vc = 225m/min1207s20

테이블 이송  주어진 값 : n = 575rpm1207s21

금속제거율  주어진값 : vf = 600mm/min1207s22

정격 동력 소비  주어진 값 : 소재 ISO P CMC 02.11207s23

● 소재별 비절삭 저항 값은 카달로그에서 확인할 수 있습니다.
● 위의 계산은 대략적인 산출값이며 1mm의 평균 칩 두께에 대해 유효합니다. 더욱 정확한 동력 소비 값을 구하기 위해선 비절삭 저항 값kc을 적절히 계산해야 합니다.


 밀링 적용 조건 검토

동적용량

● 동적 용량과 장비 강도를 확인하여 필요한 커터 직경을 처리할 수 있는지 확인합니다.
● 장비의 파워 토크 그래프에 절삭 조건을 대입해 검토합니다.

오버행

● 스핀들에서 가장 짧은 공구 오버행으로 가공합니다.
● 진동을 줄이기 위한 적절한 절입각과 커터 피치를 적용합니다.

올바른 이송

● 좁은 가공물을 가공할 때나 빈 공간 위로 밀링 가공을 수행할 때는 인서트가 충분히 맞물리도록 가공합니다.
● 권장 최대 칩 두께의 사용으로 올바른 절삭 수행이 이루어지도록 이송량을 조절합니다.

절삭방향

가능하면 언제나 하향 밀링을 사용하십시오

인서트의 형상 선택

부드러운 절삭 수행과 가장 낮은 동력 소비를 위해 가능하면 언제나 포지티브 형상 교환형 인서트를 사용하십시오.

절입각

가장 적합한 절입각을 사용하십시오.

커터

● 가공물 폭을 고려하여 올바른 직경을 선택하십시오.
● 가공물 진입 시 올바른 위치로 이동해 주십시오.

절삭유

필요한 경우에만 절삭유를 사용하십시오. 건식 가공이 일반적입니다.

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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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