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[최적의 절삭 조건에 대한 가장 당연한 이야기①] 최적의 조건, 그 기준은?

매년, 매달, 매일, 매시간 제조 현장에서는 수많은 문제들이 발생한다. 본지가 지난 9월 실시한 설문 조사를 통해 접수 받은 문제들을 살펴보면 인력 관리나 자금 문제부터 시작해서 제품 개발의 어려움, 신소재 가공에 대한 정보 부족 등 분야도 내용도 다양하다. 하지만 진짜 문제는 업무 중에 맞닥뜨리는 어려움을 해결할 방법이 충분하지 않다는 것이다. 대다수의 설문 참여자들이 원활하지 않은 제조업 내 정보 공유 상황에 대해 아쉬움을 토로했다. 이에 MFG는 기회가 되는 대로 설문조사에서 접수한 문제들을 선별적으로나마 전문가들과 함께 해결해 보기로 했다. 그 첫번째 해결 분야는 바로 절삭 가공이다.

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절삭가공, 가장 기본에서부터

절삭가공이란 가공하고자 하는 소재보다 높은 경도의 공구를 활용해 불필요한 부분을 제거하여 원하는 크기나 형상으로 가공하는 방식을 말한다. 속도나 깊이 등 절삭 조건에 따라 생산성, 품질 등이 좌우되므로 최적의 절삭 조건을 설정하는 일은 절삭가공 공정에서 무엇보다 중요하다. 때문에 설문 참여자들이 작성한 다양한 문제들 중에서도 절삭 조건 설정과 관련된 문제들이 많았는데, 특이한 점은 어떤 어려운 가공에 대한 노하우를 묻는 질문보다 기본적인 팁이나 주의사항에 대한 요구가 많았다는 것이다. 절삭 조건은 가공 대상 소재 및 공구의 특성, 장비의 스펙과 가공 환경 등 다양한 요소를 고려하여 설정해야 한다. 물론 현장마다 상황이 다르기 때문에 비슷한 공정이라 하더라도 그 조건은 완전히 달라질 수 있다. 이 달 기사에서는 절삭 조건 설정을 비롯해 절삭 가공과 관련한 제조인들의 개별적인 문제를 본격적으로 살펴 보기 이전에 가장 당연한, 그러나 때로는 문제 해결의 실마리가 될 수 있는 기본적 사실부터 짚어 보기로 한다.

최적의 절삭 조건이란 무엇인지, 안정적으로 절삭 조건을 향상시키는 기본적인 방법은 무엇인지 알아봄과 동시에, 공구 수명을 결정하는 공구 마모의 성질을 분석하여 절삭 조건을 개선하는 기본적 방법까지. 누구나 알고 있지만 그럼에도 놓치기 쉬운 아주 기초적인 사실들을 다시 한 번 살펴보도록 하자.

최적의 가공 조건, 그 기준은 무엇일까?

MFG가 지난 설문조사를 통해 접수한 가공 관련 문제에서 큰 비중을 차지하고 있는 것 중 하나는 바로 절삭 조건 설정 문제였다. 절삭 속도나 이송, 절입 깊이 등을 얼마나 적절하게 설정하느냐에 따라 공구 수명이나 가공 품질, 생산성이 좌우된다. 그러나 절삭 조건을 설정하는 일이 쉽지만은 않다. 소재의 특성이나 공구, 장비, 공정, 가공 환경 등 다양한 요인을 고려해야하기 때문이다. 같은 소재를 가공하더라도 툴이나 공정에 따라 추천하는 절삭 조건이 천차만별이라는 말이다.

실제 이번 설문조사에서도 이야기된 문제이지만, 공구 제조사에서 제공하는 절삭 데이터를 현장에 그대로 적용할 수 없는 이유도 그 때문이다. 현장의 무수한 변수들이 이론과 실제의 차이를 만드는 것이다.

이처럼 공장마다, 또 공정마다 최적의 절삭 조건을 결정하는 데는 수많은 변수들이 복잡하게 얽혀 있지만 설정한 절삭 조건이 최선인지 아닌지를 판단하는 기준은 명확하다. 기업의 수익성을 향상시키는 절삭 조건이야말로 최적의 절삭 조건이라 할 수 있다.

절삭 조건 향상 = 수익성 향상

기업의 수익성을 향상시키는 방법은 가공물 당 생산 비용을 줄이는 것이다. 이 때 흔히 잘못 판단하는 것 중 하나는 공구 비용을 줄이기 위해 낮은 절삭 조건을 적용하려 한다는 점이다. 많은 작업자들은 절삭 조건을 낮추면 공구 수명이나 가공 품질이 향상될 것이라는 선입견을 가지고 있다. 피삭재의 재질마다 다르긴 하지만, 알루미늄과 같은 비철금속은 낮은 절삭 속도로 가공할 때 오히려 피삭재가 공구에 들러붙는 용착 현상이 발생하여 품질이나 공구 수명이 떨어지게 된다. 또 대부분의 경우 낮은 절삭 조건이 공구 수명을 연장시킨다 하더라도 그것이 생산 비용에 미치는 영향은 그리 크지 않다. 툴링 비용이 전체 생산 비용에서 고작 3~5%밖에 차지하지 못하고 있기 때문이다. 공구 수명을 50% 향상시키거나 공구 비용을 30%씩 줄여도 전체적으로는 1% 정도의 절감 효과밖에 볼 수 없다.

수익성을 향상시키려면 단순히 눈에 보이는 공구 비용에 얽매이기 보다 절삭 조건을 향상시키는 것이 월등히 유리하다. 절삭 조건 향상을 통한 시간당 생산량 증가가 장비 및 시설 운영비, 인건비 등 전체 가공 비용에서 상당 부분을 차지하는 고정 비용에 영향을 미치기 때문이다. 절삭 조건을 20% 정도 증가시키면 가공물 당 생산 비용을 10% 이상 절감시킬 수 있다고. 따라서 피삭재질, 공구, 장비 등 가공 환경이 허용하는 범위 안에서 최대의 절삭 조건을 적용하여 생산성을 극대화하는 것이 중요하다.

절삭 조건 향상을 통한 원가 절감 효과

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전체 생산 비용에서 툴링 비용이 차지하는 비용은 그다지 크지 않기 때문에 툴링 비용 절약에 집중하기보다 절삭 조건 향상을 통한 생산성 개선으로 고정 비용을 줄이는 것이 더 이익이 남는다. 다음의 표는 부품 당 가공 원가가 $10인 작업장에서 공구 비용을 낮췄을 때, 공구 수명을 연장 했을 때, 절삭 조건을 향상 했을 때의 부품 당 원가 비교. 절삭 조건 향상을 통한 절감 효과가 월등히 유리한 것을 알 수 있다.

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절삭깊이, 이송률 높이고 절삭속도 낮추고

  • 절삭 깊이, mm

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  • 이송률, mm/rev

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  • 절삭속도, m/min

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공구 수명에 가장 큰 영향을 미치는 것은 절삭 속도다.
절삭 속도를 높일수록 공구 수명은 급격히 줄어든다.

절삭 속도, 이송률, 그리고 절입 깊이는 생산성을 결정하는 주요 가공 매개 변수다. 절삭 속도를 빠르게 할수록, 이송률을 높일수록, 절입 깊이를 깊게 할수록 빠르게 작업을 수행할 수 있지만 이 절삭 조건들을 무조건 높이기만 한다고 해서 그것이 곧 생산성 극대화로 이어지는 것은 아니다. 위의 이미지는 주요 가공 매개 변수인 절삭 속도, 이송, 그리고 절삭 깊이에 따른 공구 수명의 차이를 보여주고 있다. 절삭 속도는 공구 수명에 가장 큰 영향을 미치는 요소다. 절삭 속도를 높일수록 공구 수명이 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있다. 이 경우 공구 비용의 상승은 물론이고, 잦은 공구 교환으로 인한 장비 비가동 시간이 길어져 생산성과 수익성이 떨어질 수밖에 없다. 일반적으로 생산성을 극대화하는 최상의 방법은 절삭 깊이나 이송률을 증가시키면서 절 삭 속도는 낮추는 것이다. 아래 표의 사례에서도 동일한 절삭 깊이에서 가장 높은 이송률과 가장 낮은 절삭 속도를 적용했을 때 가장 높은 생산성(칩 제거율)을 보인 것을 확인할 수 있다.

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도움 및 자료 제공

샌드빅 코로만트
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02.3397.6400

About 김솔 기자

다양한 취재 경험을 살려 여러분께 읽고 싶은 기사, 재미있는 기사 보여 드리겠습니다:)