공작기계의 기본 운동과 절삭조건

 1. 공작기계의 기본 운동

 공작기계에서 가공물보다 경도(硬度)가 높은 절공구(cutting tool)를 가공물과 접촉시켜 칩을 발생시키면서, 필요한 형상과 치수로 제품을 가공한다. 

 절삭을 위해서는 절삭운동(cutting motion), 이송운동(feed motion), 위치조정운동(positioning motion)의 세 가지

기본운동을 한다.

 

 가. 절삭운동(cutting motion)

 절삭작용은 회전운동과 직선운동에 의하여 이루어지며, 칩이 흘러 나가는 반대방향으로 작용하는데, 이것을 주 운동(principal motion)이라 한다.

 공작기계에서 운전동력은 대부분 절삭운동에 사용된다.

 절삭운동은

① 절삭공구를 일정한 위치에 고정하고 가공물을 운동시키는 절삭운동으로 밀링, 플레이너 등이 있다.

② 가공물을 일정위치에 고정하고 공구를 운동시키는 절삭운동으로 세이퍼, 드릴링, 선반, 브로우칭 등이 있다.

 

 나. 이송운동(feed motion)

 선반에서 절삭작용을 살펴보면, 가공물이 회전할 때 왕복대(carriage) 윗부분에 설치된 바이트(bite)가 가공물의 길이방향 또는 가공물의 지름 방향으로 조금씩 이동된다.

 이렇게 절삭운동과 함께, 절삭위치를 바꾸는 운동이며 절삭공구나 가공물을 이송시키는데 이것을 이송운동이라 한다.

 일정한 이송을 하기 위하여 이송기구를 이용한다.

 단위는 회전운동을 하며 절삭할 때는 ㎜/rev, 직선운동을 하며 절삭할 때는 ㎜/min, 왕복운동을 하며 절삭할 때는 ㎜/stoke로 하며, 단순하게 이송(feed)으로 표시한다.

 일반적으로 이송운동은 다음과 같은 원칙이 있다.

① 1회 이송량은 절삭공구의 폭보다 작게 한다.

② 이송운동 방향은 절삭운동 방향과 직각으로 이루어지며, 가공면과 평행이나 직각으로 이루어진다.

③ 이송운동은 절삭운동과 일정한 관계가 있고 규칙적으로 진행한다.

 

 다. 위치조정운동(positioning motion)

 가공물과 절삭공구를 선정한 절삭조건으로 가공할 위치(가로방향, 세로방향, 절삭 깊이 등)의 조정을 의미한다.

① 기계의 운동중심과 가공물의 중심 또는 가공면의 상대 위치 거리를 조정한다.

② 이송을 시작하는 위치와 이송이 끝나는 위치를 조정한다.

③ 절삭 깊이와 이송위치를 조정하여, 필요한 부품으로 가공한다.

    일반적으로 이송장치와 보완장치를 겸하여 사용한다.

    절삭작용이 진행될 때는 위치조정운동을 하지 않는 것이 일반적이다.

 

 2. 절삭이론

 절삭(cutting)이란 가공물을 필요한 형상과 치수, 정밀도, 표면 거칠기, 기하학적 형상 등을 절삭공구를 이용하여 칩을

발생시켜, 경제적으로 가공하는 것을 의미한다.

 경제적인 절삭을 위하여 절삭과 관련된 절삭공구의 형상 및 각도, 절삭속도, 이송속도, 절삭 깊이(depth of cut), 

절삭공구의 재질, 절삭유체(cutting fluid), 절삭열, 가공물의 재질 등의  영향을 받게 된다.

 이렇게 절삭과 관련된 이론적 배경을 절삭이론이라 한다.

 

 가. 절삭이론의 의의

 절삭이론은 현장에서 제품을 가공할 때에 능률적(efficiency)이고, 합리적(rationality)으로 절삭하기 위한 이론으로서 항상

고려해야 할 매우 중요한 요소로서 의의를 갖는다

 절삭이론에서는 절삭기구, 절삭저항, 절삭온도, 표면 거칠기, 공구수명, 절삭공구 재질, 가공물의 피삭성, 진동, 절삭유제,

절삭열, 표면변질 층 등 기타 절삭에 관련된 여러 가지가 포함된다.

 

 나. 절삭조건(cutting condition)

 작업자가 공작기계를 조작하여 제품을 가공할 때, 단위시간에 가공되는 칩의 양에 관한 사항, 즉 절삭율(rate of metal removal)에 영향을 미치는 여러 종류의 요소들을 절삭조건(cutting condition)이라 한다.

 절삭공구의 재질 및 형상, 가공물의 재질, 절삭 속도, 절삭 깊이, 이송, 절삭 유제의 사용여부 등이 포함된다.

 

 (1) 절삭속도(cutting speed)

 절삭속도란 가공물과 절삭공구 사이에 발생하는 상대적인 속도이며, 단위 시간에 가공물이 인선(바이트의 날 끝)을

통과하는 거리(m)로 표시한다.

 절삭속도는 가공물 재질 및 지름, 절삭공구의 재질 및 형상, 절삭유제의 사용 유무에 따라 영향을 받는다.

 절삭속도는 가공물의 표면 거칠기, 절삭능률, 절삭공구의 수명에 많은 영향을 주는 인자로서 절삭조건에서 기본적인 변수이다.

 공작기계의 동력을 결정하기 위한 중요한 요소이며, 절삭속도는 절삭공구 및 가공물의 재질이 동일한 조건일 경우에

절삭 깊이와 이송의 관계를 고려하여 선정하는 것이 일반적인 방법이다.

 절삭속도가 증가하면 가공물의 표면 거칠기가 좋아지고 가공시간도 단축되지만 절삭공구와 가공물의 마찰력 증가로

인하여 절삭온도가 상승되어 절삭공구 수명이 단축된다.

 때문에 경제적 절삭속도(60~120 m/min)로 가공하는 것이 바람직하다.

 절삭속도를 실제로 범용기계에 적용할 때에는 절삭속도에 의해서 회전수를 계산하여 적용하게 된다.

 따라서 선반의 주축속도를 변환하는 회전수 중에서 849~1273 rpm 사이에 있는 회전수를 선정해야만 비로소 절삭속도가 적용된 것이다.

 그러나 범용 공작기계에서 부품을 가공할 때, 일일이 계산된 회전수를 선정하기는 곤란하기 때문에, 절삭속도에 의한

회전수를 근접하게 사용하는 것이 일반적인 방법이다.

 절삭속도와 회전수는 비례 관계에 있으나, 절삭속도와 회전수는 매우 다르기 때문에 유의하여야 한다.

 동일한 회전수에서 가공물 지름 D의 변화가 절삭속도에 미치는 영향을 살펴보면 지름이 커질수록 절삭속도는 커지고,

지름이 적어지면 느려진다.

 가공하는 재료의 기계적 성질을 절삭속도에 본질적인 영향을 준다.

 특히 가공재료의 인장강도 및 경도에 따라 크게 변한다. 강도 또는 경도가 커지면 절삭에 많은 힘이 필요하다.

 따라서 발생하는 절삭온도가 높아지고, 절삭공구의 마모량도 증대한다.

 이윤을 높이기 위한 경제적 절삭속도는, 최대 절삭량을 얻기 위한 절삭속도와 최저 가공비로 절삭할 수 있는 절삭속도로

구분한다.

 

 (2) 절삭 깊이(depth of cut)

 절삭 깊이는 절삭공구로 가공물을 절삭하는 깊이이며, 절삭공구의 형상에 관계없이 가공하는 방향에 수직으로 측정한다.

 단위는 mm로 표시하며, 선반가공에서는 절삭 깊이의 2배가 절삭된다.

 일반적으로 절삭 깊이가 커지면 절삭온도와 절삭저항의 상승으로 인해, 절삭공구의 수명이 감소한다.

 절삭 깊이가 매우 작을 경우(0.2 mm 이하)에는 비 절삭저항이 증가하는 치수효과(size effect) 현상 때문에 절삭정항이

증가하는 현상이 발생한다.

 

 (3) 절삭면적(cutting area)

 절삭면적은 절삭 깊이와 이송의 곱으로 표시하며, 절삭면적이 동일하여도 이송과 절삭 깊이의 변화에 따라 절삭저항은

변한다.

                                                F : 절삭면적 (㎟)

   F = s × t ㎟                           s : 이송 (㎜/rev)

                                                t : 절삭 깊이 (㎜)

 이송(feed)에 따라 칩의 두께가 변하고, 절삭 깊이(depth of cut)에 따라 칩의 폭이 변화한다.

 

 (4) 이송속도(feed speed)

 이송운동(feed motion)의 속도를 이송속도라 한다.

 절삭공구와 가공물 사이에서 가로방향(절삭방향에 대하여)의 상대운동 크기를 의미하며, 선반이나 드릴가공에서는 주측(spindle) 1회전당의 이송 ㎜/rev으로 표시하며, 평삭에서는 절삭공구 또는 가공물 1회 왕복마다의 이송 ㎜/stroke로 한다.

 밀링에서는 주로 ㎜/min를 적용하며, 경우에 따라서 ㎜/rev (커터 1회전에 대한 이송)으로도 표시한다.

   절삭율 Q (분방 절삭 저항)

               Q = v × s × t ㎠/min로 표시한다.

 

 (5) 절삭동력

 절삭에 필요한 동력은 절삭저항의 크기로 계산할 수 있다.

 공작기계의 전체 소비동력(total power consumption) N은 실제 절삭동력(effective cutting power) Ne와 이송에 소비되는 동력(feed power) Nf, 손실동력(loss power) Nℓ 로 표시 한다.

    즉, N = Ne + Nf + Nℓ이다.

 

 (6) 기계효율

 효율 는 공작기계의 능력을 비교할 수 있는 자료로서, 절삭효율과 시간효율로 나누어서 생각할 수 있다.

 기계효율은 공작기계의 구조, 구동장치, 가공방법, 마찰 등에 따라 변화량이 크다.

 

 다. 절삭저항(cutting resistance)

 가공물을 절삭할 때, 절삭공구는 가공물로부터 큰 저항을 받게 되는데 이때 힘을 절삭저항이라 한다.

 절삭저항의 크기는 절삭동력을 결정하는 매우 중요한 요소이다.

 절삭공구의 수명(tool life), 가공물의 표면 거칠기, 가공물의 피삭성을 선정하는 기준이 되기도 한다.

 절삭저항의 방향과 크기는 가공방법, 절삭조건, 가공물의 재질에 따라서 크게 변화한다. 가공재료의 기계적인 성질에서

이론적인 절삭저항 값을 구하기 위한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

 바이트로 가공물을 절삭할 때에 바이트가 받는 절삭저항의 크기와 방향은 가공물의 재질, 바이트의 형상, 절삭조건 등에 따라 절삭저항을 3차원적, 3개의 분력으로 나누어 생각할 수 있다.

 주 절삭운동 방향이며, 절삭방향에 평행한 주 분력(vertical component of cutting force), 이송방향에 평행한 이송분력(axial component of cutting force), 절삭 깊이 방향 배분력(radial component of cutting force)으로 나눌 수 있다.

 절삭저항 3 분력의 크기는 가공물의 재질, 절삭공구의 재질, 절삭조건, 냉각제의 사용 여부 등에 따라 다르지만,

저 탄소강재를 선반(lathe)에서 가공할 때, 주 분력이 가장 크고 중요하다.

 주 분력을 절삭저항이라고 부르기도 한다.

 각 분력의 크기는 대략 다음과 같다. ( 저 탄소강을 선반에서 절삭할 때)

 P1 : P2 : P3 = 10 : (1~2) : (2~4)

 경사각이 감소하거나 절삭면적이 증가하면 절삭저항은 커지고, 절삭속도가 증가하면 다소 일부 영역에서 다소 감소하는 경향이 있다.

 

 라. 가공변질 층

 절삭을 하면, 제품 가공면은 절삭공구에 의하여, 칩과 분리되면서 절삭면을 형성한다.

이러한 표피층은 열 변질의 섬유조직(fiber structure), 가공경화, 잔류 응력 등이 발생하여 모재와는 다른 성질을 가지게 되는데 이러한 표면의 조직을 가공변질 층(deformed layer)이라 한다. 가공변질 층은 결정 입자가 파쇄되어 미세화 되고,

표피에는 비결정질에 가까운 미결정(20~50 )으로 된다. 가공변질 층의 깊이는 표면에서 1㎜ 이하로, 절삭조건, 가공물의 조직, 경화능, 결정입자의 크기 등에 따라 변화하는 것으로 알려져 있으며, 가공변질 층은 마모, 부식에 대한 저항이 적다.

 칩은 전단면의 소성변형에 의하여 일정한 전단영역을 가지며, 절삭공구의 아래쪽 즉 제품의 가공면에 잔류변형 층이 

발생한다.

 도금을 하면 부착되는 속도가 느려 도금 층이 쉽게 벗겨지는 현상이 나타난다. 또한 섬유조직으로 되어 있기 때문에

마모(wear)와 부식(corrosion, etching) 저항이 방향에 따라 다르다.

 

 (1) 가공변질 층의 영향

 가공변질 층은 다듬질 면의 내마모성과 내 부식성을 현저하게 저하시키며, 제품의 피로강도, 내충격성, 경년변화에도 많은

영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

 특히 섬유 조직층은 가공경화로 인해 표면 경도는 높지만, 미세한 균열이 많은 취성 구조이다.

 국부적인 파손이 발생하기 쉽고, 피로강도와 내 충격성을 현저히 감속시키다.

 

 (2) 가공변질 층 깊이에 영향을 주는 요소

 가공변질 층에 영향을 미치는 인자로는 여러 가지가 있겠으나, 일반적으로 절삭각, 절삭온도, 절삭속도, 절삭 깊이, 이송, 절삭저항 등이다.

 이러한 요소들의 크기에 따라 가공변질 층의 깊이가 변화한다.

㉮ 절삭각 : 절삭 각이 커지면, 가공변질 층의 깊이도 증가한다.

    특히 절삭각이 90º 가까이 되면 가공변질 층의 깊이는 급격히 증가한다.

㉯ 절삭온도 : 절삭온도가 상승하면서 가공변질 층의 깊이는 얕아진다.

㉰ 절삭속도 : 절삭속도가 증가하면 가공변질 층의 깊이는, 비례하는 것처럼 얕아진다.

㉱ 절삭 깊이와 이송 : 절삭 깊이가 1.5㎜ 보다 커지면 가공변질 층의 깊이는 거의 변하지 않고, 1.5㎜ 이하에서는 변한다.

     이송이 증가하면 가공변질 증 변화는 급격히 상승한다.

 

 마. 버(거스러미)

 (1) 버(burr)의 형성

 절삭공구로 공작물을 절삭력에 의하여 가공하면, 가공된 모서리(edge) 부분에 버가 형성되며, 버는 가공 정밀도를

저해하는 요소가 된다.

 드릴가공 후에 발생하는 버는 필할 수 없는 요소이며, 버는 가공물의 재질, 절삭조건 등에 따라 많은 영향을 받는 것으로

알려져 있다.

제품의 정밀도를 저해하고, 제품의 상품가치를 떨어뜨리며, 가공시간을 지연시키는 버를 최소화하기 위한 연구가

활발하게 진행되고 있다.

 

 (2) 디버링(deburring)

 버의 제거(deburring)는 완성 부품의 정밀도 및 상품 가치를 향상시킨다.

 정밀가공에서 버의 최소화 및 적절한 디버링 기법이 요구된다. 일반적으로 중대형의 디버링 방법으로는 면취 가공, 줄(file)을 이용하는 방법 등이 있다.

 소형 부품을 디버링 하는 방법으로는

① 연마제를 이용한 배럴링(barreling) 방법으로 대량작업이 가능하며, 버를 제거하는 도중에 부품 상호 간에 충돌에 의해

     발생하는 표면 손상에 유의해야 한다.

② 화학 디버링(chemical barreling)은 화학 작용으로 버를 제거하는 방법이며, 환경오염과 인체의 안전성에 유의하여야

    한다.

③ 초음파를 이용한 디버링은 주로 얇은 박판에 블랭킹 할 때 발생하는 미세하고 약한 버를 제거하는 유용한 방법이다.

④ 자기 연마에 의한 디버링은 소형부품과 미디어(media)를 용기에 넣고, 회전시켜 부품 내외에 있는 버를 제거하는 방법 

     이다.

     복잡하고, 초소형 부품에 발생한 버를 제거하는 효율적인 방법이며 무게가 가볍고 비 자성체인 부품에 효과적이다.