밀링 작업에서 기계적 부하 제어하기
이것은 금속 절삭 공구에 영향을 미치는 부하의 특성, 효과 및 제어를 조사하는 시리즈의 두 번째 기사입니다. 첫 번째 기사에서는 기본 개념과 선반 가공에서 공구 형상, 이송 속도 및 기계적 부하 간의 관계에 중점을 두었습니다. 이번 기사에서는 밀링의 기계적 부하에 대한 커터 위치 및 공구 경로(툴 패스)의 영향을 분석합니다. 선반 가공은 한 날 공구에 일정한 기계적 부하를 일으키지만 밀링은 여러 절삭 날이 빠르게 변화하는 간헐적 부하를 받습니다. 따라서 밀링 가공이 성공적이려면 밀링 가공 고유의 다양한 선택과 고려해야 할 사항이 있습니다.이것은 금속 절삭 공구에 영향을 미치는 부하의 특성, 효과 및 제어를 조사하는 시리즈의 두 번째 기사입니다. 첫 번째 기사에서는 기본 개념과 선반 가공에서 공구 형상, 이송 속도 및 기계적 부하 간의 관계에 중점을 두었습니다. 이번 기사에서는 밀링의 기계적 부하에 대한 커터 위치 및 공구 경로(툴 패스)의 영향을 분석합니다. 선반 가공은 한 날 공구에 일정한 기계적 부하를 일으키지만 밀링은 여러 절삭 날이 빠르게 변화하는 간헐적 부하를 받습니다. 따라서 밀링 가공이 성공적이려면 밀링 가공 고유의 다양한 선택과 고려해야 할 사항이 있습니다.
밀링 작업을 계획하는 첫 번째이자 가장 기본적인 단계는 밀링 커터와 절삭 인서트 또는 부품에서 원하는 형상으로 가공하도록 설계된 절삭 날을 선택하는 것입니다. 공구 제조사는 페이스 밀, 엔드밀, 디스크 밀 및 기타 커터 제품군을 보유하여 거의 대부분의 부품 형상을 황삭 및 정삭 가공할 수 있도록 해 줍니다.
어떤 커터를 사용하건, 작동 중에 절삭 날이 반복적으로 가공물 소재에 진입과 진출을 반복합니다. 밀링 날(인선)의 절삭 부하는 소재 진입 전에는 0에서, 절삭 중 피크 값까지 올라가고, 소재 진출시 다시 0으로 낮아집니다. 여기서 목표는 밀링 공정의 간헐적 부하를 완화하여 공구 수명, 생산성 및 공정 신뢰성을 극대화하는 것입니다. 커터 포지셔닝(위치), 진입 및 진출 전략, 칩 두께 제어는 목표 달성으로 이어지는 핵심 요소입니다.
밀링에서 절삭 공구에 가해지는 부하는 주로 커터와 절삭 날(인선)이 가공물에 진입하는 방식에 따라 결정됩니다. 재래식(컨벤셔널) 밀링 또는 ‘상향’ 밀링에서 커터는 가공물 이송 방향과 반대(밀어내는 방향)로 회전합니다. ‘하향’ 밀링에서 커터는 이송과 같은 방향(맞물리는 방향, 당기는 방향)으로 회전합니다.
결과적으로 재래식 상향 밀링에서는 절삭 날이 최소 칩 두께로 가공물에 진입하고 최대 칩 두께로 진출합니다. 반대로, 하향 밀링의 절삭 날은 ‘최대 칩 두께’로 가공물에 진입하고 칩 두께가 0으로 감소하면서 진출합니다. 두 작업 모두 테이퍼 모양의 칩이 발생합니다.
대부분의 경우, 공구 제조사는 상향 밀링 진입부의 얇은 칩 두께로 인해 발생하는 마찰을 최소화하기 위하여 하향 밀링을 권장합니다. 하향 밀링에서 최대 칩 두께로 가공물에 진입하면 칩으로의 열 전달도 촉진되어 가공물과 공구를 모두 보호할 수 있습니다. 칩은 커터 이송 방향의 뒤쪽으로 배출되므로 칩이 재절삭될 위험도 최소화됩니다.
그러나 경우에 따라 재래식 상향 밀링이 더 나은 경우도 있습니다. 구형 수동 장비에서 하향 밀링 방식으로 페이스 밀링(평면 밀링)을 하게 되면 하향력(다운포스)이 발생하여 백래시를 유발할 수 있습니다. 커터가 가공물을 위로 당기는 상향 밀링은 안정성이 떨어지는 장비, 특히 고부하 가공에서 더 나은 선택일 수 있습니다. 상향 밀링은 표면이 거칠거나 벽이 얇은 가공물을 밀링할 때에도 효과적일 수 있으며, 가공물 소재에 점진적으로 진입하면 깨지기 쉬운 초경질 절삭 공구 소재를 충격 손상으로부터 보호할 수 있습니다. 한편으로는, 상향 밀링의 얕은 진입 특성으로 인해 발생하는 과도한 마찰과 열은 공구에 악영향을 미칠 수 있습니다. 공구 날(인선)에 가해지는 힘이 고르지 않으면 인선 치핑이 발생하고 인장 응력이 증가할 수 있습니다. 칩이 커터 앞으로 떨어져서 다시 절삭될 수 있기 때문에 표면 조도도 저하될 수 있습니다.
하향 밀링에서는 절삭 공구의 최대 두께 진입은 공구에 높은 기계적 하중을 가하지만 대부분의 절삭 공구 소재(재종)에는 큰 문제가 되지 않습니다. 초경(카바이드), 세라믹 및 고속도강(HSS)을 비롯한 현대의 공구 소재들은 압축 강도가 우수한 분말 기반 제품입니다.
커터 포지셔닝(위치) 및 공구 진입 전략에 대해 논의할 때 가공 기술자는 커터를 가공물 중심선의 한쪽 또는 반대쪽으로 치우치게 배치하는 것이 항상 선호된다는 점을 유의해야 합니다. 센터(가운데) 포지셔닝은 상향 밀링과 하향 밀링의 부하가 혼합되어 불안정한 가공과 진동을 유발할 수 있습니다.
또한 커터가 가공물을 빠져나가는(진출) 방법은 들어가는(진입) 방법 못지않게 중요합니다. 실험 결과는 출구에서 커터의 위치와 절삭 공구 날 수명 사이의 명확한 관계를 보여줍니다. 출구가 너무 갑작스럽거나 고르지 않으면 절삭 날에 치핑이 생기거나 부서집니다. 반면에 주의를 기울여 공구 진출 전략을 결정하면 공구 수명이 최대 10배 증가할 수 있습니다. 임계값은 출구 각도(밀링 커터 반경 선과 절삭 날의 출구점 사이의 각도)입니다. 출구 각도는 네거티브(커터 반경 선 위) 또는 포지티브(반경 선 아래)일 수 있습니다. 공구 인선 진출 파손은 출구 각도가 약 -30도에서 +30도 사이일 때 발생 가능성이 더 높습니다(그림 3/3 이미지 참조). 이러한 진출 위험 영역은 커터의 중심선을 기준으로 대략 커터 직경의 절반입니다.
밀링 커터 날에 가해지는 부하의 간헐적 특성을 개선하는 또 다른 방법은 한 번에 가공물과 맞물리는 절삭 날의 수를 최대화하는 것입니다. 더 작은 직경(DC), 세목 피치(많은 날 수, Z) 및 더 큰 반경 방향 절삭 폭(Ae)을 적용하면 동시에 더 많은 날이 가공물과 접촉하고 절삭 부하가 더 고르게 분산됩니다.
밀링 가공에서 생성된 칩의 두께는 절삭 부하, 절삭 온도, 공구 수명, 칩 형성 및 배출에 큰 영향을 미칩니다. 칩이 너무 두꺼우면 절삭 날에 치핑이 생기거나 부서질 수 있는 무거운 부하가 생성됩니다. 칩이 너무 얇으면 절삭 날의 더 작은 영역에서 절삭이 발생하고 마찰 증가로 인한 열이 절삭 날을 빠르게 마모시킵니다.
칩 두께는 유효 절삭날에 수직으로 측정됩니다. 앞서 이야기 한 바와 같이, 밀링에서 생성된 칩은 절삭 날이 가공물을 가로질러 지나감에 따라 계속해서 두께가 바뀝니다. 프로그래밍 목적으로, 공구 제조사는 ‘평균 칩 두께’ 라는 개념을 활용합니다. 평균 칩 두께란 칩의 가장 두꺼운 치수와 가장 얇은 치수 간의 평균을 말합니다. 공구 제조사는 최대 공구 수명과 생산성을 달성할 수 있도록 각 칩브레이커 형상에 대한 평균 칩 두께 데이터를 제공합니다.
가공 기술자는 공구 제조사가 제공하는 권장 평균 칩 두께 데이터에 기반하여 날 당 이송을 결정하는 것이 좋습니다. 커터의 반경 방향 맞물림(절삭 폭, Ae), 커터의 직경(DC), 커터 위치 및 절삭 날 진입 각도(KAPR)는 올바른 날 당 이송을 결정하는 요소입니다. 반경 방향 맞물림 비율(절삭 폭 비율)이란 반경 방향 절삭 폭(Ae) 대 밀링 커터 직경(DC)의 비율입니다. 커터의 반경 방향 맞물림 비율이 클수록 원하는 칩 두께를 생성하기 위한 이송 속도는 상대적으로 낮습니다. 마찬가지로 커터 맞물림 비율이 작을수록 동일한 칩 두께를 얻으려면 이송 속도가 더 높아져야 합니다. 커터의 절삭 날 진입각(KAPR)도 칩 두께와 날 당 이송 계산에 영향을 줍니다. 날 당 이송이 동일하다고 가정할 때, 커터 절입각(KAPR)이 90도일 때 칩이 제일 두꺼우며, 절입각이 낮아질수록 칩이 얇아집니다. 반대로 칩 두께를 동일하게 맞추려면 커터의 절입각이 낮을수록 날 당 이송은 더 높여야 합니다.
날카로운 절삭 날(또는 칩브레이커)은 절삭 부하가 낮지만 호닝이나 챔퍼 처리 된 인선보다 취약합니다. 치핑 및 파손을 방지하려면 절삭 날에 가해지는 기계적 부하를 제한해야 하므로, 날카로운 칩브레이커를 적용할 때는 평균 칩 두께를 더 작게 결정하는 것이 좋습니다. 이 경우 사용하는 칩브레이커 형상에 따라 정확한 평균 칩 두께가 결정되며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
작업자는 밀링 공구에 가해지는 간헐적인 응력을 제어하기 위해 일반적인 밀링 가공에서 이러한 원칙과 방법을 활용할 수 있습니다. 그러나 가공물에 대한 요구 사항이 점점 더 복잡해짐에 따라 단순히 코너를 밀링하는 수준에서도 권장 평균 칩 두께를 정확히 유지하기 위해 이송 속도를 계속 변경하는 프로그래밍을 수기로 작성하는 것은 사실상 불가능합니다. 매우 복잡한 5축 밀링을 포함하여 이러한 경우 CAM 소프트웨어 및 고급 CNC 장비 제조업체는 트로코이드 밀링 및 코너 필링과 같은 기술은 물론 다이나믹 밀링, Volumill(볼류밀) 또는 Adaptive Clearing(어댑티브 클리어링)와 같은 공구 맞물림 비율을 지속적으로 유지하는 툴 패스 프로그램을 개발했습니다. 이러한 소프트웨어 및 기계 제어의 발전은 절삭 공구에 대한 간헐적 밀링 공정의 영향을 제어하기 위한 공구 진입, 진출 및 칩 두께 관리의 첨단 발전을 나타냅니다.
제조업체는 100년 이상 밀링 장비과 공구를 사용하여 수많은 부품을 많은 양과 최고의 품질로 생산해 왔습니다. 그동안 기본 밀링 방법은 그대로 유지되었습니다. 즉, 가공물에 회전하는 커터를 사용하여 표면을 가공하는 것입니다. 공정의 간헐적 절삭 특성도 동일하게 유지되었습니다.
밀링 장비과 밀링 공구들은 믿을 수 없을 정도로 발전했지만, 많은 경우 사용자가 이러한 기술 발전을 충분히 활용하지 못하고 있습니다. 밀링에서 발생하는 가공물과 공구의 고유한 상호 작용을 인식하고 공정과 관련된 간헐적인 응력을 완화하기 위한 작업을 함으로써 제조업체는 최대 생산성, 품질 및 공구 수명이라는 어려워 보이는 세 가지 목표를 모두 달성할 수 있습니다.
