Home / highlight / [절삭가공문제해결] 흔히 겪을 수 있는, 그러나 꼭 해결해야 할 문제

[절삭가공문제해결] 흔히 겪을 수 있는, 그러나 꼭 해결해야 할 문제

절삭 가공 분야 문제 해결 특집 그 마지막 기사다. 이번 기사에서는 금속 가공 현장에서 흔하게 발생할 수 있는 3가지 문제에 대한 해결 방법을 알아 보았다. 평소 칩 컨트롤 문제, 진동 문제, 절삭유 관리 문제를 가지고 있었다면 지금부터 소개하는 간단하고도 기본적인 이론적 노하우를 통해 각자의 개선 방법을 모색해보는 것은 어떨까? 

특집 기사는 끝나지만 문제 접수는 계속된다. MFG와 함께 해결하고 싶은 문제가 있다면 언제든 환영이다!

Q.탭 가공 중 칩 말림 현상으로 제품 불량이나 공구 파손 등의 문제가 발생합니다. 공구 측면에서 문제 해결 방법을 알려주세요.  -박*진 님

jasp5

탭 가공은 부품의 조립 및 체결을 위한 암나사를 만드는 작업이다. 나사 가공에서 흔히 일어나는 문제 중 하나가 바로 칩 말림(Chip Curling)이다. 칩 말림 현상은 제품 품질 저하, 공구 마모 및 파손 등 눈에 직접적으로 보이는 문제들을 발생시킬 뿐만 아니라, 공구나 가공물 등에 감긴 칩을 작업 중에 지속적으로 제거해줘야 하는 번거로움을 더한다. 작업 시간을 연장시켜 생산성도 떨어뜨린다.

칩 말림은 소재의 파단 연신율이 높을 때 칩이 잘 끊어지지 않으면서 발생하는 현상인데, 최근에는 제품 경량화 및 고성능화 이슈로 난삭재 사용도 활발해지면서 소재의 인성 및 강도에 따라 칩 컨트롤이 더욱 어려워지고 있는 추세다.

가공 중에 발생하는 문제는 복합적 원인에 의해 발생하는 것이 대부분이므로 해결 방법도 다각적으로 찾아보아야 하지만, 적절한 공구 선택만으로 가공 중 발생하는 문제 중의 약 30% 정도는 해결이 가능하다. 칩 말림 현상 역시 공구의 설계나 코팅 방식을 개선하여 칩 형상을 최적화함으로써 간단히 해결할 수 있는 경우가 있다.

적절한 탭을 선택하는 기본적인 기준

가공에 가장 적합한 공구를 선택하는 것은 기본 중의 기본이다. 절삭 공구 전문 기업인 발터는 탭을 크게 스트레이트 플루트 탭, 우측 나선형 탭, 나선형 포인트 탭, 좌측 나선형 탭의 네 가지로 분류하고 있다. 막힌 홀의 탭 가공에는 앞의 두 가지 타입을, 관통홀 탭 가공에는 뒤의 두 가지 타입을 사용하는 것이 일반적이다.

스트레이트 플루트 탭은 숏칩(short chip) 소재나 깊이가 낮은 홀의 나사 가공에 사용된다. 공구가 칩을 위쪽으로 배출하지 못하기 때문이다. 깎여 나온 칩이 바닥에 쌓이게 되며, 안전 유지 간격이 너무 좁을 경우에는

공구가 칩에 부딪혀 파손될 수도 있어 롱칩 소재나 깊은 홀 가공에 사용하기 부적절하다. 그러나 탭에서 축 방향으로 절삭유를 공급하면 칩이 이송 방향 반대로 배출되기 때문에 스트레이트 플루트 공구를 활용해 깊은 홀 탭 가공도 가능하다. 하지만 이 역시도 숏칩 소재라는 전제 하에 가능하다.

롱칩 소재의 막힌 홀 탭 가공에서 사용하는 우측 나선형 탭은 섕크 방향으로 칩을 배출한다. 가공 소재의 인성이 풍부할수록, 칩이 길게 발생할수록, 또 나사산의 깊이가 깊을수록 헬릭스 각이 큰 공구를 사용하는 것이 좋다. 헬릭스 각은 회전하는 공구의 회전력을 사용하여 칩을 뒤쪽으로 밀어주는 역할을 하기에 각도가 클수록 칩 배출력이 향상되기 때문이다. 나선형 포인트 탭은 칩을 앞쪽, 즉 이송 방향으로 배출하는 타입이다. 이 공구는 롱 칩 소재의 관통홀 탭 가공에 사용하는데, 나선형 포인트 탭을 통해 안전한 칩 배출이 보장되지 않는 가공에서는 좌측 나선형 탭을 사용하는 것이 좋다.

나선형 포인트 탭이나 좌측 나선형 탭과 같이 관통홀 가공용으로 사용되는 공구의 경우에는 막힌 홀 가공용 공구보다 챔퍼 여유각이 더 크다. 이러한 공구를 막힌 홀 가공에서 사용하게 되면 칩이 절단되지 않고 공구에 감기는 현상이 발생하게 된다. 이 때 챔퍼와 스레드 사이에 칩이 끼면서 챔퍼가 파손되거나, 더 심하면 탭이 파손될 수 있다. 이러한 가공 불안 요소 발생을 방지하기 위해선 홀 형태에 맞는 적절한 공구 타입을 선택하는 것이 무엇보다 중요하다.

jasp1
홀 형태에 따른 적절한 탭 선택 홀이 막혀 있는지 뚫려 있는지, 롱칩 소재인지 숏칩 소재인지에 따라 적합한 공구 타입을 선택하는 것은 칩 컨트롤의 기본이다.

가공 소재별 칩 말림 개선 방법은?

기본적인 공구 타입 외에도 가공 소재의 특성에 따라 따져봐야 할 것들이 많다. 불완전 나사 부위(또는 챔퍼)에서 칩이 타고 나가는 레이크 각, 칩 배출을 돕는 헬릭스 각, 소재 가공성 및 공차에 영향을 주는 측면 여유각의 스트레이트 플루트 탭 숏칩 소재의 막힌 홀 가공에서 사용한다.

각도, 칩 두께를 결정하는 챔퍼 형상, 탭 표면의 경도와 마찰계수가 결정되는 코팅 방식 등을 고루 살펴야 한다. 발터는 주요 소재별로 막힌 홀에서의 칩 처리 개선 방안을 다음과 같이 정리하고 있다.

Next Prev

ISO P(강)

부드러운 소재/ 높은 파단 연신율의 소재

•챔퍼부의 헬릭스 각도를 줄임(챔퍼부 외에 는40~50°의기본헬릭스각유지)
•레이크 각을 줄임(이 경우 나사 표면에 좋지 않은영향을끼칠수있음)
•절삭날 상면부에 네거티브 각의 챔퍼를 사 용하거나 절삭날의 라운딩을 키움(네거티 브각챔퍼를사용하면표면조도에나쁜 영향을끼칠수있음)
•레이크 면의 코팅 제거
•THL 코팅이나 브라이트/증기스팀 처리
•플루트수와챔퍼길이를줄여칩두께를 키움

단단한 소재/낮은 파단 연신율의 소재

•레이크 각 줄임
•헬릭스 각을 최대한 줄이고, 가능한 스트레이트 플루트 공구를 사용(챔퍼부의 헬릭스 각을 최대한 줄이고 챔퍼부 외에는 10~15°의 기본 각도 유지)
•절삭날 형상 라운딩을 키움
•레이크면 코팅 제거
•TiCN 코팅 사용

ISO M(스테인리스강)

높은 파단 연신율 소재

•헬릭스 각을 50°까지 키움
•WY80FC 재종, THL 코팅 또는 증기 처리 공구 사용
•절삭날 끝을 날카롭게 유지
•나사산이 짧거나 오일 절삭유를 사용할 경우 헬릭스 각이 작은 공구 사용

ISO K(주철) 또는
Si 함유량이 6~7% 이상인 알루미늄 합금

낮은파단연신율소재

•레이크 각을 줄임
•스트레이트 플루트 디자인 사용
•덕타일 주철의 경우 플루트 수를 줄일 것

알루미늄 단조 합금

부드러운 소재/높은 파단 연신율 소재

•절삭날을 날카롭게 유지
•플루트 수를 줄임
•논코팅 공구나 CrN, DLC 코팅 사용

Next Prev

발터는 위와 같은 소재별 개선책을 기초로 한 표준 공구 디자인 변경을 통해 스페셜 툴을 제작함으로써 고객들이 보다 효율적으로 칩 문제를 해결할 수 있게 지원하고 있다. 표준품으로 해결이 불가능한 칩 문제를 가진 경우에는 Walter Xpress 시스템을 통해 2, 3주 내에 원하는 대로 형상을 수정한 스페셜 툴을 공급 받을 수 있다.

Q. 절삭 가공 중 공구의 진동 최소화를 위한 방법은 무엇입니까? 방진 아버를 제외한 진동 문제 해결 방법이 있다면 알려주세요. -이*영,윤*웅님

자갈밭을 달리는 버스 안에서 화장을 한다고 생각해보자. 정신없이 몸이 흔들리는 와중에 꺼내든 립스틱이 입술에 매끄럽게 발릴 확률은 얼마나 될까? 거의 없다고 보면 된다. 가공 중에 발생하는 진동도 마찬가지다. 진동이 심할수록 가공 정밀도가 떨어지는 것은 물론, 공구의 급격한 마모나 파손을 발생시키는 등 가공 안정성도 저하된다. 진동 발생은 종종 절삭 속도나 이송, 절삭 깊이 등을 제한하기 때문에 생산성 역시 떨어질 수 있다. 가공 경쟁력을 향상시키기 위해선 이러한 진동 문제를 개선해야만 한다.  높은 강성에 진동 억제 기능까지 제공하는 좋은 장비로 설비를 교체하는 것은 문제 해결에 큰 도움이 되겠지만 비용적으로 부담스러운 방법이다. 때문에 공구 측면에서 문제를 해결할 수 있는 방법을 먼저 찾아보는 것이 현실적이다.

진동 문제 해결 위해 고려해야 할 사항들

진동을 줄일 수 있는 방법은 다양하다. 가장 먼저 고려해 볼 수 있는 사항은 공구 셋업이다. 공구 셋업이나 클램핑이 불안정할 경우 진동이 발생할 수 있기 때문에 보다 견고하게 공구를 고정시켜야 한다. 되도록 큰 직경의 공구를 짧은 오버행으로 사용하는 것도 진동을 줄일 수 있는 방법이다. 공구 자체의 강성을 높이는 것도 한 방법이다. 같은 조건에서도 스틸, 중금속, 초경 순으로 진동 감쇄에 효과적이다.

높은 절삭 부하는 진동을 일으키는 가장 큰 요인이다. 때문에 절삭 부하를 줄여줄 적절한 디자인의 공구를 선택하는 것도 중요하다. 포지티브한 형태, 날카로운 절삭날을 가진 인서트를 적용하거나 코팅 두께가 얇은 재종의 공구를 사용하는 것은 절삭 부하를 줄이는 방법이 될 수 있다. 또, 공구의 절입각이 클수록 반경 방향 절삭 부하가 증가하기 때문에 절입각이 작은 공구를 사용해야 진동 없이 최대 절삭 깊이에 도달할 수 있다. 공구의 노즈 반경(R)이 작아지면 공구의 절삭 부하가 줄어들고 소모 동력이나 토크도 감소하므로 이 역시도 진동을 줄이기에 유리한 방법이다.

jasp2
공구 절입각 최소화 절입각이 작을수록 절삭 부하가 줄어들어 진동 없이 최대 절입 깊이에 도달하기 유리하다.

절삭날이 적은 비균등 피치의 공구를 사용하는 것도 좋다. 일반적으로 생산성 향상을 위해 절삭날이 많은 공구를 사용하게 되지만, 절삭날이 많을수록 가공 부하 증가로 인한 진동 발생의 위험이 커지기 때문에 가능한 한 적은 절삭날을 사용하는 것이 좋다. 또, 진동이란 가공 부하로 인해 고주파가 일정한 파장으로 발생하여 일어나는 현상으로, 비균등 피치의 공구를 사용하면 파장이 불규칙하게 발생되어 진동 개선에 도움이 된다.

jasp3
비균등 피치 공구 사용 비균등 피치는 파장의 주기를 불규칙하게 만듦으로써 진동을 줄이는 효과를 낸다.

효과적인 방진 솔루션 Silent Tools

이처럼 다양한 요인들을 개선해도 진동이 발생하는 경우에는 진동 방지를 위한 전용 툴을 사용하는 것이 좋다. 샌드빅 코로만트의 Silent Tools는 대표적인 방진 공구 솔루션으로, 안정적인 중금속 소재의 공구 바디에 내장된 진동 방지 시스템을 활용해 진동을 최소화하도록 설계된 툴 어댑터다. 진동 방지 시스템은 고무 스프링 부품과 금속 링을 활용한 독자적 설계 구조로 구성되어 있으며, 성능 향상을 위해 오일도 내장했다. 진동이 발 생하면 내부의 진동 방지 시스템이 운동 에너지를 흡수하여 0.05초 가량의 짧은 시간 안에 진동을 잡아낸다.

silent Tools는 내부 방진 시스템을 통해 0.05초 가량의 짧은 시간 안에 진동을 잡아낸다.
silent Tools는 내부 방진 시스템을 통해 0.05초 가량의 짧은 시간 안에 진동을 잡아낸다.

Silent Tools를 활용할 경우 4×BD(바디 직경) 이상의 긴 오버행에서도 높은 생산성과 정밀도를 유지할 수 있다. 터닝, 밀링, 보링 등 다양한 공정에서 최대 14×BD 오버행까지 안정적인 가공을 지원하는 이 방진 툴은 짧은 오버행에서 활용하더라도 생산성과 표면 품질 향상 효과를 경험할 수 있게 해준다. 다양한 표준품 외에도 맞춤형 공구 제작이 필요한 제조 현장을 위해 엔지니어링 솔루션을 지원하고 있기 때문에 고객의 공정에 최적화된 Silent Tools 기술 기반 스페셜 공구를 공급 받는 것도 가능하다.

더욱이 주목할 것은 이 진동 방지 솔루션이 새로운 진화를 시작했다는 사실이다. 샌드빅은 CoroPlus라는 연결 플랫폼의 콘셉트 아래 Silent Tools+라는 디지털 툴을 제공한다. Silent Tools에 센서를 내장시켜 기계 및 가공 정보를 컴퓨터나 모바일 기기에서 실시간 으로 확인할 수 있게 해주는 솔루션이다. 작업자는 표면 품질, 진동, 댐핑 시스템의 온도, 배터리 상태, 절삭 기록 등을 대시보드에서 확인하고, 해당 데이터를 바탕으로 문제를 예측하거나 공정을 개선할 수도 있다. 바야흐로 진동 문제도 ‘스마트’하게 관리하는 시대가 시작된 것이다.

jasp6
4차 산업혁명에 발맞춘 디지털 솔루션 Silent Tools+

 

Q. 절삭유가 너무 빨리 부패합니다. 수용성 절삭유의 부패 문제 해결을 위한 팁을 알고 싶습니다. -김*훈 님

절삭유는절삭가공과떼려야뗄수없는주 요 가공 인자로, 윤활, 냉각, 칩 컨트롤 등 다 양한 기능을 통해 가공 생산성을 높여준다. 흔히들 사용하는 수용성 절삭유의 경우에는 사용후칩이나기타불순물분리과정을거 쳐 다시 탱크로 회수하고 재사용하길 반복하 다가더이상사용할수없는상태가되면폐 기하는 것이 일반적이다.

jasp7

절삭유 사용 중에 잘 나타나는 문제는 바로 빠른 부패 현상이다. 절삭유가 부패할수록 심 한 악취가 올라올 뿐만 아니라 절삭유의 기 능자체도떨어지게되어점점더사용이어 려워진다. 부패 관리만 잘하면 절삭유를 1년 이상 사용하는 것도 가능한데, 관리가 제대 로되지않으면한달도채못쓰고절삭유를 폐기하는일도충분히있을수있다.절삭유 사용 기한이 짧아진다는 것은 비용적인 손해 를의미하기도하지만,새로운절삭유로교체 할때마다장비가동중단시간이발생하면 서 전체적인 생산성 저하를 가져오는 요인으 로 작용할 수도 있다.

깨끗한 청소로 미생물 번식 막아야

많은 작업 현장에서 부패의 원인을 절삭유 자체에서 찾으려고 하지만, 사실 부패의 대부 분은 앞서도 말했듯이 잘못된 관리 문제에서 비롯된다. 그렇다면 절삭유 부패 문제를 해결할 수 있는 올바른 관리법은 무엇일까? 가장 기본적이고 중요한 관리는 바로 설비 청소다. 보통 한 번 사용한 절삭유를 다시 회수할 때 절삭유에 섞여든 칩만 제거하고 사용하는 경우가 많다. 그러나 이것은 설거지 안 한 그릇에 계속 밥을 담아 먹는 것과 같다는 것이 전문가의 설명이다. 절삭유를 부패시키는 주요인은 미생물인데, 절삭유 자체에 떠다니는 것은 전체의 2% 정도고 나머지 98%는 다 배관이나 장비 벽면에 붙어서 기생한다. 설비에 기생 중인 미생물을 완전히 제거하지 않으면 새 절삭유를 넣어도 금방 부패할 수밖에 없다. 흡입 장치, 필터, 칩 컨베이어, 절삭유 탱크 등의 주요 설비를 고압 세척기, 헝겊 등으로 깨끗이 청소해야 한다.

jasp8
미생물 발생은 절삭유를 부패시키는 주요 원인이다. 미생물 이 번식하기 힘든 환경을 만들어주면 절삭유의 수명을 연장 할수있다.

절삭유 관리도 당연히 중요하다. 절삭유에 섞여 들어온 칩, 기름, 기타 이물질은 미생물 번식에 유리한 환경을 만들어 줄 수 있기 때문에 적절하게 제거해줘야 할 필요가 있다. 오일 스키머, 칩 컨베이어 등을 활용하거나 다른 적절한 물리적 방법으로 정기적인 관리를 해야 한다. 또, 절삭유의 농도를 적정 수준으로 유지해주는 것도 부패를 방지하는 좋은 방법이다. 수용성 절삭유는 원액과 물을 섞어서 사용하는데, 이 때 원액의 비율은 5% 이상을 유지해야 한다. 농도가 이보다 옅어지게 될 경우에는 부패가 잘 일어나게 되는 것은 물론, 절삭유 기능도 떨어지게 된다.

부패를 막으려고 살균제를 쓰는 경우도 많다. 살균제를 넣은 순간에는 미생물이 완전히 제거되지만, 관리되지 않는 환경에서 다시 미생물이 생겨나는 것은 순식간이다. 때문에 설비나 절삭유에 대한 꾸준한 관리가 무엇보다 중요하다.

올바른 사용을 위한 블라자의 서비스 시스템

절삭유 전문 기업인 블라자스위스루브는 제조 현장에서 절삭유를 최적의 성능과 수명으로 사용할 수 있도록 도와주는 서비스를 지원하고 있다. ‘Service in the drum’이라는 이름의 이 서비스는 올바른 장비 청소 방법, 이상적인 절삭유의 희석 방법에 대한 교육부터 절삭유 희석에 사용되는 용수 품질 확인, 절삭유 모니터링 및 관리 계획 수립 등 다방면에서 블라자의 노하우를 제공한다. 현장 분석 및 컨설팅부터 시작해 맞춤형 제품 선택, 맞춤형 제품 관리, 재활용 및 폐유 처리까지 절삭유 사용 전 주기에 걸친 꼼꼼한 지원을 통해 더 효율적이고 효과적으로 절삭유를 사용할 수 있다.

도움주신 분

한국발터 강희성 부장
www.walter-tools.com
031.3376.6100

샌드빅 코로만트 정동환 차장
www.sandvik.coromant.com
02.3397.6400

블라자스위스루브코리아 김재관 팀장
www.blaser.com
02.785.7228

About 김솔 기자

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