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[최적의 절삭 조건에 대한 가장 당연한 이야기②] 공구 수명을 유지하려면?

공구 수명을 연장하기 위해 절삭 조건을 낮게 설정하면 시간 당 생산성이 떨어지게 된다. 그러나 아래의 도식이 보여주듯이 절삭 조건이 일정 수준 이상을 넘어가게 되면 공구 수명이 너무 짧아져 공구 교체 및 가공 중단으로 발생하는 손실이 커진다. 따라서 경제적인 절삭 조건과 최대 생산을 위한 절삭 조건 사이의 고효율 범위를 지키는 것이 중요한데, 어쨌거나 그 범위 안에서도 공구를 최대한 오래 사용할 수 있는 방법을 찾는다면 가공 효율이나 생산성 측면에서 더 좋은 결과를 얻을 수 있는 것은 당연한 이야기다. 비절삭 저항이 높아 늘 수명 이슈가 발생하는 스테인리스 스틸이나 내열합급강의 경우에는 공구 수명 개선 문제가 특히나 절실할 수 있다.

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최소 비용과 최대 생산 사이의 고효율 범위

공구 수명이 다했음을 판단하는 기준은 크게 두 가지다. 높은 열과 압력에 의해 공구가 허용치 이상으로 마모되거나 기계적 응력 과부하로 인해 공구가 파손되는 경우로, 대부분 공구 수명을 결정하는 것은 공구의 마모 정도다. 공구 수명을 연장시키기 위해서는 마모의 가장 큰 원인인 열 과부하를 잘 제어하는 것이 관건이다. 올바른 절삭 조건과 가공 경로 설정, 정확하고 풍부한 절삭유 공급, 최적의 재종과 형상으로 설계된 올바른 공구 선택 등 여러가지 요인들이 열 과부하를 제어하고 공구 수명을 늘릴 수 있게 해준다.

마모의 원인과 종류는 다양한데, 이러한 마모의 성질을 잘 관찰하면 마모를 일으키는 불안정 요소를 파악하고 절삭 조건을 최적화시킬 수 있다.

마모의 원인

마모의 원인은 크게 5가지다. 금속 가공에서 가장 일반적인 마모는 두 표면 사이에서 발생하는 마찰로 인한 마모로, 이를 마멸 마모라 한다. 가공물 재질 내에 높은 경도를 가진 성분 때문에 발생하게 되는데 다른 마모에 비해 공구 수명이 안정적이고 예측이 가능하다는 특징이 있다. 피삭재의 높은 경도 탓에 발생하게 되는 마모이므로 공구, 특히 절삭날의 경도가 높아질수록 마멸 마모에 대한 저항력이 높아지게 된다.

확산에 의한 마모는 작업물과 절삭물 사이에서 고온·고압에 의한 화학 반응이 일어남으로써 발생하는 마모를 말한다. 이 경우에 공구의 경도는 마모 개선에 도움이 되지 않고, 이런 화학적 반응에 견딜 수 있는 소재의 능력이 내마모성을 결정하게 된다. 확산에 의한 마모와 비슷하게 고온·고압에 따른 결과로 일어나지만, 절삭 깊이와 같은 위치에 있는 절삭 날에 산소가 닿으면서 마모가 일어나게 되는 것을 산화 마모라 한다. 산화 마모는 브라스팅 마모라고 불리는 깊은 톱날형 마모의 원인이 된다.

점착에 의한 마모는 절삭면을 미끄러져 나가야 할 칩이 낮은 절삭 온도 때문에 빠져나가지 못하고 공구에 용착되면서 절삭날의 형상을 바꾸는 형태로 일어난다. 이러한 마모는 대부분 가공 속도를 증가시켜 절삭 온도를 높이는 방식으로 개선할 수 있는데, 마찰 계수가 낮은 공구를 활용하거나 절삭유 활용을 최적화하는 것도 마모 현상 감소에 도움이 된다.

마지막으로 절삭 지점의 급격한 온도 변화에 따라 저항성이 낮은 소재에서는 크랙이 형성되기도 한다. 절삭날에서의 급격한 온도 및 부하 변화는 공구의 파손을 일으키는 원인이 되는데, 이런 종류의 마모는 윤활유가 불균일하게 냉각 작용을 할 경우 가속화된다.

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5가지의 마모 원인이 발생하는 지점

이런 마모엔 이렇게 대처하자

앞서 설명한 마모의 다양한 원인들로 인해 공구에서 확인할 수 있는 마모의 종류는 다음의 6가지다. 각각의 경우마다 마모를 줄일 수 있는 방법도 달라진다.

  • 여유면 마모
  • 크레이터 마모
  • 소성변형
  • 구성인선
  • 빗살무늬 크랙 형성
  • 칩핑

여유면 마모(측면 마모)

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절삭날의 여유면에서 일어나는 마모는 일반적으로 많이 볼 수 있는 마모 종류다. 경도 높은 가공물과의 마찰로 인한 마멸이 주원인이다. 여유면 마모가 비정상적으로 높아지면 마찰 때문에 사상 공정 후 표면이 거칠어지며, 기본 여유각이 인위적으로 줄어들고 절삭 온도가 높아지게 된다. 황삭 공정에서 이러한 마모 현상은 진동을 유발하고 더 높은 절삭 동력을 요구하며, 인서트의 파손을 유발한다.

개선 방법 만약 여유면 마모가 너무 빨리 진행된다면 공구의 절삭 등급에 비해 절삭 속도가 너무 높지 않은지 확인해야만 한다. 가공물이나 외피의 경도가 극도로 높으면 가공 중에 이런 마모의 원인이 되므로, 취성에 강하고 마모 저항성을 가지는 공구를 선택하면 문제를 예방할 수 있다.

크레이터 마모(상면 마모)

g2

크레이터 마모는 가공물에서 떨어져 나온 칩이 미끄러져 나가며 발생한 마찰력으로 인서트 상면에 국부적으로 오목하게 파이는 현상을 말한다. 높은 온도와 압력이 발생하는 곳에서 지속적으로 마모가 일어나게 되는데, 마모가 커지면 공구가 파손될 위험이 있다.

개선 방법 절삭 속도를 줄이거나 취성에 강한 공구 재종을 사용하는 것은 해결책이 될 수 있다. 또 조금 더 포지티브한 절삭날 형상을 적용할 경우 마모를 줄일 수 있다.

소성변형

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고온·고압으로 인해 인서트의 모재가 약화되면 절삭날이 변형된다. 이러한 변형에 의해 절삭날이 평평해 질수록 마찰열이 증가하며, 형상적인 변형이 커지고 칩 컨트롤이 어려워 진다.

개선 방법 높은 온도에서 높은 경도와 두꺼운 코팅으로 내열성을 확보한 절삭 재종을 선택하는 것이 중요하다. 절삭 속도와 이송률을 낮추는 것 역시 소성 변형을 예방할 수 있는 방법이다.

구성인선

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절삭 지점의 온도가 낮은 경우, 압력으로 인해 칩이 절삭날에 용착되면서 절삭날의 형상이 바뀌는 것이 구성인선이다. 이로 인해 인서트 상면 각도가 감소되기도 하고, 붙어있던 칩이 다시 떨어져 나갈 때 절삭날과 함께 떨어져 나가 공구에 손상을 입히기 도한다.

개선 방법 절삭 속도가 낮을 때 구성인선이 잘 형성되기 때문에 절삭 속도를 향상시키는 것이 효과적이다. 또 가공물 소재와 친화력이 낮은 재종, 포지티브한 형상, 대응 가능한 코팅 재종을 적용한 공구를 활용하는 것이 좋다.

빗살무늬 크랙 형성

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절삭날 온도가 고온에서 저온으로 급격하게 변함에 따른 응력 발생이 원인이 된다. 보통 절삭날의 수직 방향으로 여러 개의 균열이 나타나게 되는데, 절삭날과 가공물 사이에 접촉 시간이 짧고 긴 냉각 상태가 유지되는 단속 밀링 공정에서 많이 발생한다.

개선방법 절삭유 사용은 균열을 더 악화시키므로 주의하는 것이 좋고, 취성에 강한 공구를 사용하는 것 역시 크랙으로 인한 공구 파손을 예방하는데 효과적이다.

칩핑

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칩이 떨어져 나가면서 절삭날을 손상시키는 현상으로, 기계적 인장 응력의 과부하로 인해 발생하게 된다.

개선 방법 외부적 충격에서 버틸 수 있도록 인선의 강성이 높은 공구를 선택하는 것이 좋다. 초기 절삭각을 수정하고 이송률을 낮추는 등 가공의 안정성을 확보하려는 노력도 중요하다.

마모 관찰, 절삭 조건 최적화의 밑거름

절삭날의 마모가 한계치에 가까워지고 있음을 알 수 있게 해주는 몇 가지 신호들이 있다. 장비의 동력 소비 증가도 그 중 하나다. 이는 절삭 조건이 변화되었음을 의미하는 것으로, 절삭날의 마모 증가로 인한 인서트 교체가 필요할 수 있다. 정삭 작업 중에 표면 품질이 저하되는 것 역시 공구가 허용 가능한 마모 한계를 넘어선 것을 나타낼 수 있다. 특히 스테인리스 가공에서 심한 버 (burr)의 발생은 공구 수명이 다 되었음을 의미한다. 절삭 중에 끌리는 소리가 나거나 가공면 위에 마크가 생기거나 노이즈가 발생하는 등의 이상 현상 역시 모두 마모의 한계를 알리는 신호가 될 수 있다. 이 같은 신호가 발생하는지 정기적으로 검사하고 마모의 종류와 원인을 파악하는 것은 절삭 조건을 최적화하는 데 있어 훌륭한 밑거름이 될 수 있다. 예측 가능한 안정적인 가공 환경을 만들고, 갑작스러운 가공 중단 시간을 제거함으로써 가공 경제성도 향상시킬 수 있는 것이다.

도움 및 자료제공

샌드빅 코로만트
www.sandvik.coromant.com
02.3397.6400

한국발터
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한국야금
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02.521.4700

About 김솔 기자

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