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떨림 없는 완벽한 절삭 가공 프로세스를 위하여

잘 닦인 고속도로를 달릴 때와 울퉁불퉁한 비포장 도로를 달릴 때 타이어나 자동차에 미치는 악영향이라든가 승차감이라든가의 차이는 굳이 비교하지 않아도 모두가 알고 있는 사실이다. 절삭 가공도 마찬가지다. 가공 중 발생하는 떨림을 최소화할 수 있느냐 없느냐의 문제는 여러 측면에서 차이를 발생시킨다. 높은 생산성과 가공 품질을 유지하기 위해 흔들림 없이 가공할 수 있는 방법을 절삭 공구 전문 기업인 마팔하이테코가 설명한다.

가공 중 발생하는 절삭 공구의 채터링(Chattering, 진동)은 가공 품질을 떨어뜨리고, 공구 수명을 단축시킨다. 뿐만 아니라 공작기계의 스핀들에도 악영향을 끼친다. 때문에 불필요한 가공 중단 시간을 최소화하여 생산성을 향상시키고 높은 가공 품질을 유지하기 위해선 채터링 발생을 억제시켜야할 필요가 있다.

채터링은 공정 중 동적 불안정으로 인해 발생하게 되는데, 이러한 동적 불안정은 공구 외적인 요소들도 다양하게 작용할 수 있지만 공구 형상 및 성능의 불안 요소에 의해 발생하는 것이 일반적이다. 공구의 형상이 길고 가늘면 채터링이 잘 발생한다.

절삭 공구 전문 기업 마팔하이테코는 채터링의 원인과 개선 방안에 대해 광범위한 연구 개발을 통해 솔루션을 지원하고 있다. 가공 조건 최적화를 통한 절삭 부하 감소, 안정적인 공구 설계 및 제조, 스페셜 공구 형상 등 다양한 방법을 통해 가공 공정의 안정화를 추구하고 있다.

절삭력 감소를 위한 비균등 분할

채터링을 방지하기 위한 가장 기본적인 방법은 공구에 부등분할과 2중 헬릭스 각 구조를 적용하는 것이다. 2Z, 4Z의 절삭날을 가진 공구에서는 절삭날마다 절삭력이 중복으로 가해지기 때문에 진동에 가해지는 절삭력도 증가하게 된다. 진동에 의한 공구의 움직임은 𝑚𝑥+𝑐𝑥+𝑘𝑥=𝐹(𝑡)로 표현되고 외력은 𝐹(𝑡)= 𝐹0cos𝑤𝑡로 표현되는데, 부등분할이나 2중 헬릭스 각을 적용하게 되면 외력이 𝐹(𝑡)= 𝐹0cos(𝑤𝑡-∅)로 바뀌고 부등분할이나 2중 헬릭스 각에 의한 위상차 ∅만큼 절삭력의 작용점이 변경되어 전체적인 절삭력 감소 및 절삭력 변동폭이 감소된다. 이로써 공구의 진동이 줄어드는 것이다. 마팔하이테코에서는 공구별 최적의 부등분할 각도와 2중 헬릭스 각도에 대한 노하우를 바탕으로 다양한 솔루션을 제공하고 있다.

정분할 시 절삭력 형태(좌)와 부등분할 시 절삭력 형태(우).  부등분할 시 절삭력 최대값이 감소하고 절삭력 변동폭이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
정분할 시 절삭력 형태(좌)와 부등분할 시 절삭력 형태(우).
부등분할 시 절삭력 최대값이 감소하고 절삭력 변동폭이 작아지는 것을 확인할 수 있다.

Mega Speed Drill이나 Counter Sinking Tool의 경우, 부등분할 구조를 통해 가공 중 절삭력을 감소시켜 가공 품질을 향상시킬 수 있다. 더불어 Counter Sinking Tool은 절삭날이 일정한 절삭 부하를 유도하여 피삭재의 뜯김(Hooking)을 방지하므로, 가공 품질뿐만 아니라 공구 수명도 향상시킬 수 있다.

Counter Sinking Tool
Counter Sinking Tool
Mega Speed Drill
Mega Speed Drill

절삭량 많은 보링 공정 위한 스페셜 디자인

절삭량이 많은 보링 공정에서는 래디얼(Radial) 진동이 크게 발생하기 때문에 채터링 발생이 많아진다. 이 경우에는 부등분할 구조만으로 채터링을 해결하기 쉽지 않다. 이에 마팔은 스페셜 형상을 적용한 혁신적 인서트를 개발했는데, 그것이 바로 Tangential Insert다.

MAPAL 보링 툴
MAPAL 보링 툴
Specail Tangential Insert
Specail Tangential Insert

6개의 절삭날과 특수한 Land 형상이 절삭력을 분배하여 절삭 부하를 감소 시킴과 동시에, 절삭날의 가이드 역할을 하여 공구가 흔들리지 않도록 지지한다. Tangential Insert를 사용할 경우 단속 가공과 불균일한 형상 가공에서 채터링 발생을 확실하게 줄일 수 있다는 것이 관계자의 설명이다.

용접 구조의 보링 툴
용접 구조의 보링 툴

용접 구조를 채택한 보링 공구 역시 채터링을 최소화하는 솔루션이다. 공구의 가공부 돌출 길이가 길고 무거울 경우 진동에 취약해질 수밖에  없는데, 이러한 문제 개선을 위해 개발된 것이 용접 디자인의 공구다. 중앙의 중공 바디와 절삭날의 캐리어를 리브(Rib)로 연결한 공구로, 강성과 무게 비율을 최대한으로 유지할 수 있게 설계되었다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 절삭력과 발생 응력, 공구의 휨(Bending) 및 비틀림 진동을 계산해 설계했기 때문에 전체적으로 채터링의 위험을 최소화하고, 갑작스런 가공 중단 상황이 발생하더라도 가공 시스템 전체의 안정성을 보장한다. 전장이 매우 긴 보링 공구는 종종 동적 강성의 불규칙성으로 인해 더 큰 채터링이 발생할 수 있다. 이 경우에는 공구 바디의 강성을 보완하거나 진동 감쇠 시스템을 추가하여 채터링 발생을 방지할 수 있다. 마팔에서는 혁신적 진동 감쇄 시스템을 개발하여 채터링 감소 효과를 극대화하고 있다. 마팔하이테코는 위에서 언급한 절삭 공구 외에도 자체적으로 진동 흡수 기능을 내장하고 있는 유압척을 비롯한 다양한 솔루션을 통해 가공 중 채터링 발생을 억제하고, 가공 품질을 향상시킬 수 있도록 지원하고 있다.

About 김솔 기자

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