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[샌드빅 코로만트와 함께하는 드릴링 따라잡기①] 드릴링 이론(상)

*본고는 MFG 콘텐츠를 온라인 기사로 재발행한 것입니다.
원본은 MFG(구 Manufacturing) 2012년 8월호 기사를 통해 확인하실 수 있습니다. 

이 기자의 좌충우돌 공구 따라잡기 시리즈는 매뉴팩처링의 대표 연재 기사다. 기초 선삭 이론부터 초심자의 시각에 맞춰 구성된 내용은 전문 분야가 아닌 독자라도 쉽게 이해할 수 있는데다가 시각적인 이미지와 사진 활용도 눈에 잘 들어온다는 평이다. 독자의 호응도를 확인할 수 있는 것은 독자 퀴즈. 매회 70여 명의 독자가 문제에 대한 응답을 보내온다. 그 외 SNS나 독자 엽서에서의 호응도 좋은 편. 가공 시의 어려움에 대한 독자 제보도 시작했다. 이 기자에게 독자의 성원은 든든한 지원이면서 은근한 부담인 것도 사실이다.

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드릴링

드릴링은 구멍을 만드는 데 있어 가장 생산성이 높은 가공 방법입니다. 드릴은 항상 가공물 속에 있기 때문에 가공 모습이 보이지 않으며, 가공 시 발생하는 열과 칩을 제어하는 데 어려움이 있습니다. 홀의 품질, 공구 수명, 제품의 신뢰성을 위해 칩 배출은 필수적인 요소가 됩니다.
구멍의 크기나 깊이에 따라 SHD(짧은 홀 가공), DHD(깊은 홀 가공), Boring or Milling으로 구분합니다.  가공에 따라 알맞은 공구와 가공 방법을 선택할 필요가 있습니다.

  • 가장 일반적인 홀

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  • 일반적인 네 가지 드릴링 방법1208s2
  • 최대 홀 깊이

홀 깊이에 따라 공구 선택이 결정됩니다. 최대 홀 깊이는 홀 직경 DC 및 홀 깊이(l4)의 함수입니다. (최대 홀 깊이 l4=3×DC)

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드릴 가공은 높은 압력이 주어지는 가공입니다. 공구의 길이가 길어질수록 가공 조건이 불안해질 수밖에 없기 때문에 최대한 짧은 공구를 사용하는 것이 중요합니다. 일반적으로 가공 직경의 세 배 정도의 깊이까지는 가공이 용이하나 그 이상이 되면 가공이 어려워지며 20배 이상이 될 경우 전용 장비가 필요하게 됩니다. 가공 깊이 이외에도 가공물의 재질이나 홀 품질과 관련하여 드릴의 형상이나 가공 방법을 달리 적용하게 됩니다.1208s9

 

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용어정리

절삭속도

드릴링에서는 가공 직경Dc에 따라 회전수와 이송량이 달라집니다. 절삭 속도 Vc는 마모량을 좌우하는 요소이며 이송 속도 Vf는 드릴링의 생산성과 밀접한 관련이 있습니다.

1208s31208s41208s5 1208s6

 

용어정리

회전당 이송

이송력,출력,토크에 영향을 주는 회전당 이송은 날당 이송 fz의 2배로 계산하는 것이 맞으나 드릴 가공에서는 일반적으로 날 당 이송량을 고려하지 않고 제품 추천치를 따르게 됩니다.

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용어정리

소모 동력

50Ф 이하의 드릴에서는 문제가 되는 일이 없지만 부하량을 고려하여 공구를 선택하 는 것이 기본입니다. 인서트 형보다 솔리드 형이 부하가 작으며 인서트의 상면각이 커지거나 드릴의 날 각도가 뾰족할수록 부하가 줄어듭니다. 1208s11

용어정리

토크 및 이송력 계산

50Ф 이상의 경우에는 계산할 필요성이 있음. 대개의 경우 공구별 추천치를 참고.

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드릴의 절삭 속도

  • 인서트 교환형 드릴의 절삭 속도1208s13
    • 인서트 교환형 드릴의 절삭 속도(Vc)는 원주의 100%에서 중심의 0으로 감소합니다.
    • 중심 인서트는 절삭 속도 0에서 최대 절삭 속도 Vc의 약 50% 범위에서 작동합니다. 원주 인서트는 최대 절삭 속도의 50%에서 100% 범위에서 작동합니다.
    • 중심 인서트와 원주 인서트의 재종은 각 위치의 특성에 걸맞게 세팅됩니다. 1208s15
  • 솔리드 및 브레이즈 초경 드릴의 절삭 속도1208s14
    • 중심에서 원주까지 두 개의 유효 절삭날
    • 두 개의 절삭날/rev : z = 21208s16

드릴의 형상

솔리드 초경 드릴(SCD) 대 고속도강 드릴(HSS)의 경우 형상이 중요한 역할을 담당합니다. 포인트 각도 및 치즐 날의 형상에 따라 다른 가공 특성을 보입니다. 여기서는 솔리드 초경 드릴의 경우를 살펴보겠습니다.

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(좌) 솔리드 초경 드릴 (우) HSS 드릴
  • 솔리드 초경 드릴
    • 초경 드릴에는 치즐 날이 없습니다.
    • 솔리드 초경 드릴에서 치즐 날이 제거되기 때문에 축 방향 절삭 부하가 크게 감소합니다.
    • 이로 인해 센터링 성능이 향상되고 그릴 지점의 중심에 가까운 칩이 절삭됩니다 따라서 센터링 드릴이 따로 필요하지 않습니다.
    • 최근에는 난삭재 가공이 늘어남에 따라 초경 드릴의 사용이 증가했으며 포인트 각도가 커지는 추세입니다.
  • HSS 드릴
    • 치즐 날 없음
    • 메인 절삭날이 중심 지점에 도달
    • 수명 연장 및 생산성 증대
    • 추력 및 토크 감소
    • 공차 향상

절삭 속도와 이송의 영향1208s18

  • 절삭 속도의 영향
    • 공구 수명을 결정하는 가장 큰 요소
    • 출력 및 토크에 영향
    • 속도가 높아지면서 온도가 상승하고, 드릴 외축에서 전면 마모가 증가합니다.
    • 침이 길게 나오는 소재나 저탄소강 같이 부드러운 소재에서는 절삭 속도가 높을 때 칩 제거 능률이 향상됩니다.
    • 절삭 속도(Vc)가 영향을 주는 요소
      • 공구 수명
      • 동력 소비
    • 절삭 속도가 너무 높을 때 일어날 수 있는 현상
      • 빠른 전면 마모
      • 소성 변형
      • 홀 품질 불량
      • 홀 공차 불량
    • 절삭 속도가 너무 낮을 때 일어날 수 있는 현상
      • 구성인선
      • 칩 배출 불량
      • 절삭 시간 증가
  • 회전당 이송의 영향
    • 칩 형성과 홀 품질에 영향을 줍니다.
    • 이송력, 출력, 토크에 영향을 줍니다.
    • 1차적인 가공 홀 조도에 영향
    • 가공 시 발생하는 기계적, 열적 응력에 영향
    • 높은 최전당 이송 시 일어날 수 있는 현상
      • 절삭 시간이 감소
      • 칩 브레이킹이 어려울 수 있음
    • 낮은 회전당 이송 시 일어날 수 있는 현상
      • 길고 얇아지는 칩
      • 품질 향상
      • 공구 마모 가속화
      • 절삭 시간 증가
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느린 절삭 속도에서는 드릴 파손의 위험이 있고 홀 품질이 저하됩니다. 생산성과 공구 수명, 홀 품질을 고려하여 적절한 속도와 이송을 선택할 필요가 있습니다.

드릴링에서의 냉각과 칩 배출

1208s20절삭 가공이 이루어지는 공구와 가공물 사이에는 높은 압력과 열이 발생합니다. 가공 시 발생하는 열은 대부분 칩을 통해 외부로 배출되게 되는데 진입 방향과 공구가 막혀있는 드릴링에서는 냉각과 칩 배출이 이슈가 됩니다.

부적절한 절삭 조건은 너무 짧거나 두꺼운 칩 및 편향과 진동을 초래하는 과도한 절삭력을 초래할 수 있습니다. 너무 긴 칩의 경우 구멍에 쌓여 표면조도를 떨어뜨리거나 칩 걸림을 일으켜 인서트 파손으로도 이어집니다. 드릴링 가공 시의 소리를 들어보면 칩 배출의 정도를 확인할 수 있는데 소리가 일정하게 나지 않고 끊어지면서 들리면 칩이 걸린것으로 볼 수 있습니다. 이럴 때는 이송력 또는 가공 출력, 조건을 확인해야 합니다.

고압 절삭유의 사용은 이러한 칩의 배출을 돕고 윤활과 냉각의 역할을 수행합니다.

드릴링 공구의 선택

여러 홀 가공 방법에 걸맞는 공구를 선택하게 됩니다. 기본적으로 구멍의 직경, 깊이, 품질(공차, 표면 조도, 진직도 등)에 따라 공구 선택이 이루어지며 가공물의 조건에 따라 영향을 받을 수 있습니다.

  • 드릴링 및 보링
    • 장점
      • 간단한 표준 공구
      • 상대적으로 유연한 활용
    • 단점
      • 두 개의 공구, 어댑터 및 기본 홀더 필요
      • 장비에서 두 개의 포트를 필요로 함1208s21
  • 스텝 드릴링
    • 장점
      • 간단한 주문 제작 공구
      • 가장 빠른 홀 가공 방법
    • 단점
      • 가공 부하가 커 안정성이 요구됨
      • 유연성이 떨어짐1208s22
  • 밀링, 헬리컬 보간
    • 장점
      • 유연한 사용
      • 낮은 절삭 부하
    • 단점
      • 가공 사이클 시간 증가1208s23

작은 가공 직경에서의 선택

  • 인서트 교환형 드릴비용이 낮고 다목적으로 활용이 가능. 인서트 교환은 비용에서 유리하지만 상대적으로 안정도가 낮기 때문에 중간 공차 요구 시 사용할 수 있습니다.1208s24
  • 솔리드 초경 드릴직경이 작고 정밀한 공차가 요구될 때 최고의 선택. 깊이가 상대적으로 짧으며 정밀한 공차가 필요할 때 유리합니다.1208s25
  • 브레이즈 초경 드릴직경이 크고 안정성이 떨어질 때 솔리드 초경 드릴의 대안. 강 재질의 드릴 바디가 인성을 제공하면서 안정적인 가공이 가능합니다.1208s26

큰 가공 직경에서의 선택

  • 대직경 드릴
    80mm 이상의 큰 직경에 사용1208s27
  • 트래파닝 드릴
    홀 직경이 크고 장비 동력이 제한적일 때 사용. 110mm 직경까지 적용 가능1208s28

적용 시 주요 고려사항

  • 공구 홀딩1208s29
    • 가능한 짧은 드릴과 오버행을 사용하여 안정성을 높여야 합니다.
    • 모듈러 공구, 유압 기계식, 유압식 홀딩 공구를 사용합니다.
  • 공구 런아웃1208s30
    • 드릴의 진출입 중심 오차를 최소화해야 합니다.
    • 런아웃이 0.01mm 벗어나면 공구 수명이 50% 감소하며, 가공 품질에도 영향을 미칩니다.
  • 칩 배출1208s31
    • 칩 형성 및 배출은 드릴링에서 가장 중요한 요소입니다.
    • 절삭 속도와 이송량을 조절하고 절삭유를 사용합니다.
  • 올바른 회전당 이송과 절삭 속도는 생산성과 공구 수명을 향상시킵니다. 드릴/가공물의 클램핑, 이송률, 장비 조건 및 칩 배출을 확인하세요.  마모 패턴을 확인하여 절삭 조건을 달리 조절합니다.1208s32 1208s33

독자 질문

Q. 엔겔코리아의 생산 기술부서 김병규입니다.

이제 무더운 여름이 되었군요. 더운 날씨에 기자님도 고생이 많으시죠?
본론으로 들어가서 제가 몇 가지 궁금한 점이 있어서 메일을 보내게 되었습니다. 혹시 드릴이나 탭과 같은 가공 싸이클에 관련되어서 직접적으로 다룰 계획이 있으시다면 Reamer 가공 시에 가공 진입속도에 약 2~4배의 값으로 복귀속도를 지정하는지 궁금합니다. 제가 쓰는 Sinumerik 840D 프로그램 내에는 특별한 Cycle이 지정되어 있습니다. 한 예로 복귀속도를 진입속도와 같게 구성한 프로그램을 활용할 경우 Reamer가 가공물에 끼거나 부러지는 경우가 발생되곤 합니다. 각각의 싸이클 가공에 관련된 내용을 다루어주셨으면 합니다. 저희 회사에서 가공되는 환경과 조건을 비교해보며 발전시켜보고 싶습니다.

A. 샌드빅 코로만트 이상국 차장의 답변

드릴링 공구를 통한 홀 가공에서 툴의 진입속도와 복귀 속도를 같게 하는 것이 가장 좋은 방법입니다. 하지만 최근에는 생산성 향상을 위 해 진입속도의 3~4배로 복귀하는 가공 사이클이 널리 쓰이고 있습니다. 기술발달에 따라서 그 이상의 속도를 적용하기도 합니다. 프로그래밍의 차이이며 가공 사이클을 단축하는 것이 주목적입니다. Reamer 가공에서 공차가 발생하거나 파손이 일어나는 경우 사이클 의 문제라기보다는 공구 런아웃이나 공구 상태, 칩 형성 조건을 확인 하는 것이 우선입니다.

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)

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