이 기사는 일본 大河出版 발간 [ツ-ルエンジニア]지 1999년 11월호에서 전재한 내용입니다.
탭 가공의 기본
鈴木 由郞
不二越
암나사를 형성하는 탭 가공에서는 다른 공구에 비해 다음과 같은 특이한 점이 있다.
이송속도를 자유로 선정할 수 없다(탭의 피치와 회전수로 이송이 결정된다)
정전, 역전의 사이클이 필요한다
드릴, 주철 애벌가공, 펀치 등에 의한 애벌구멍(예비구멍) 가공이 필요하다
다수의 챔퍼날이 순차 나사를 형성하기 때문에 절삭 밸런스가 나쁘다
탭의 챔퍼부가 형성한 나사를 안내로 하여 탭이 자진(自進)한다.
이와 같은 특수성 때문에 트러블이 생기기 쉽고 일반적으로 탭 가공은 어렵다고 한다. 탭 가공에 있어서 트러블 요인은 탭의 형상, 칩, 애벌구멍, 가공조건이 주된 것이다.
그래서 탭의 종류와 그 특성을 이해하여서 이들 요인에 대한 체크를 충분히 함으로써 트러블을 미연에 방지하는 것이 중요하다. 여기서는 탭의 기본적인 특성과 사용방법의 포인트를 해설한다.
1. 탭의 종류와 특성
탭 형상의 차이에 따른 구분과 각각의 특징을 <그림 1>에 가리킨다. 탭 형상이 다르면 절삭 저항이나 칩이 나오는 방식도 크게 달라지므로 가공 구멍의 형태나 피삭재에 맞추어서 적정한 탭을 선정하여 구분해 사용하는 것이 적절한 방식이다.
(1) 탭 챔퍼부의 형상
암나사의 형성은 어느 탭이라도 선단의 챔퍼부에서 행하여지며 탭에 따라서 나사산이 형성되는 상태는 <그림 2>와 같다.
절삭탭에서는 나사부 선단의 테이퍼상으로 배치된 절삭날로 순차 절삭을 하여서 나사산이 형성되지만 절삭날의 폭은 선단측이 넓고 점차 좁아지기 때문에 칩의 폭이 모두 다르다. 또 챔퍼날만으로 절삭하므로 챔퍼 산수에 따라서 수명이 변화한다.
예를 들면 3홈의 핸드탭인 경우, 챔퍼 3산에서는 절삭날 수가 9지만 챔퍼 1.5산에서는 절삭날 수는 4.5가 되어 1날당 부하가 증가한다. 이 때문에 일반적으로 챔퍼 산수가 적어질수록 수명은 짧아진다. <그림 3>에 챔퍼 산수의 차이에 따른 수명차의 예를 든다.
스파이럴 탭은 2~3산, 스파이럴 포인트 탭은 4~5산이 표준적인 챔퍼 산수로서 채택되고 있지만 시판하는 표준품에서는 챔퍼 산수가 탭의 종류에 따라서 다르기 때문에 주의하여야 한다.
또 콜드 포밍탭의 챔퍼부는 테이퍼 나사와 동일하게 외경·유효지름·골의 지름이 연속적으로 커지고 있다. 이 때문에 재료가 나사산에 따르듯 솟아올라서 나사가 형성되는데 절삭탭과 동일하게 챔퍼부만으로 나사를 형성하므로 챔퍼 산수가 적으면 역시 수명이 짧아진다.
시판품에서는 챔퍼 산수 4산(P타입)과 2산(B타입)의 2종류가 표준으로 되어 있다.
(2) 탭의 절삭 저항
탭은 형상의 차이에 따라서 절삭 저항의 작용 방법이 <그림 4>와 같이 다르기 때문에 탭 홀더를 사용해서 나사가공을 하는 경우는 주의하여야 한다.
다음에 각 탭의 특성을 정리한다.
① 스파이럴 탭, 스파이럴 포인트 탭(건 탭).........비틀림 홈으로 함으로써 날이 잘 들고 절삭 토크가 작아지는 이점이 있다. 그러나 축방향에 힘이 작용하기(스러스트) 때문에 나사의 확대가 생기는 일이 있다.
비틀림 홈이기 때문에 나사 플랭크면과 홈 경사면이 예각(銳角)으로 교차하는 에지와 둔각으로 교차하는 에지가 생긴다. 스러스트는 예각측이 절삭날이 되어 나사산을 절삭하는 방향으로 작용하므로 가이드 역할을 할 탭의 완전 산이 나사산을 지나치게 절삭(과절삭)하기 쉽다.
그리고 탭 홀더는 축방향으로 플로팅하므로 스러스트에 의한 과절삭으로 나사산의 확대가 생기기 쉽다. 특히 탭의 진행 방향에 스르스트가 작용하는 바른 나사홈의 스파이럴 탭에서는 자진 작용에 의해서 <그림 5(a)>와 같은 과절삭에 의한 나사의 확대가 가일층 생기기 쉬워진다.
또 나사각이 큰 스파이럴 탭에서는 큰 음(마이너스)의 스러스트가 작용한다.
<그림 5(b)>는 과절삭을 방지하기 위하여 탭의 나사 플랭크면에 특수한 릴리프을 한 예다. 음의 릴리프면을 가지게 함으로써 버니시 효과(burnishing)가 나타나 나사면의 거칠성도 향상한다.
최근에는 주축의 회전과 이송이 동기하는 싱크로 기구붙이 NC 공작기계가 보급돼 드릴 홀더로 탭을 처킹하여 가공하는 리짓 태핑이 많아지고 있다. 리짓 태핑에서는 스러스트의 영향을 고려할 필요가 없고 탭 나사면의 릴리프를 크게 할 수 있기 때문에 탭 가공의 고속화도 가능하지만 리짓 태핑 전용의 탭을 사용할 필요가 있다.
② 핸드 탭............절삭 탭 중에서는 토크의 변동이 크고 최대 토크도 커진다. 그러나 스러스트가 거의 걸리지 않아서 탭의 나사 플랭크면에 용착하기 쉬운 알루미늄 등 재료의 가공에는 핸드 탭이 적합하다.
③ 콜드포밍 탭...........소성가공에서 암나사를 형성하기 때문에 토크는 절삭 탭의 약 2배로 커진다. 그러나 칩 배출을 위한 홈이 없어서 강성이 높고 작은 호칭 지름의 나사가공에서도 절손이 어렵다.
(3) 탭과 칩
탭의 칩은 피삭재나 탭의 종류에 따라서 형상이 다르며 배출되는 쪽도 다르다. 그리고 탭 가공에 있어서 트러블은 칩에 기인하는 일이 많아서 각각의 특성을 파악하여 대처하는일이 중요하다.
① 스파이럴 탭..........연속된 칩이 나오는 피삭재의 정지 구멍가공에 사용된다.
칩은 워크 상면에 배출되지만 칩이 컬하여서(말려서) 잘 늘어나기 때문에 칩 형상이나 배출성이 나쁘면 엉키기 쉬워진다. 또 칩의 선단이 워크 상면에 나오는 경우, 물려들어서 깨지거나 절손하는 일이 있다.
탭의 넥(neck)과 암나사의 틈에 물려들어 깨지거나 절손하거나 하는 일이 있지만 이에 대처하기 위하여 탭의 넥을 애벌구멍 지름에 가까운 굵기로 하여 칩이 물려드는 것을 방지하여 심공(深孔)가공에 있어서의 칩의 안내성을 높인 탭을 <사진 1>에 가리킨다. 이것은 스테인리스강처럼 칩이 늘어나기 쉽고 컬 지름이 커지는 재료에는 특히 유효하다.
② 스파이럴 포인트 탭.............칩이 탭의 진행 방향에 배출되므로 통과구멍의 가공에 사용된다. 칩이 물려들여진 절손 트러블이 적고 가장 안심하여 사용할 수 있는 탭이다.
그러나 챔퍼부에서 애벌구멍에 배출되는 칩은 막대 모양으로 엉키기 때문에 심공이 되면 애벌구멍의 측면에 칩이 걸리고 칩 막힘이 생기는 일이 있어서 주의하여야 한다.
칩의 수납 또는 통로로서의 홈이 필요없어서(얕은 기름홈이 있다) 절삭탭 중에서는 가장 강성이 있으며 수명도 연장된다.
③ 핸드 탭...............다축가공 등에서 연속한 칩끼리 엉킬 우려가 있는 경우에 사용되지만 탭의 홈내에 칩이 고인 상태에서 절삭하기 때문에 칩이 막히는데 따른 토크의 증대로 탭이 절손하는 일이 있다.
이 칩 막힘의 방지에는 오일 홀 탭이 유효하고 <그림 6>에 절삭유의 분출 방향을 제어할 수 있는 오일캡 붙이 탭을 가리킨다. 칩을 위쪽으로 강제 배출하는 것과 함께 절삭유가 절삭날에 직접 뿌려지기 때문에 마모의 진행도 억제되어 수명이 현저히 늘어난다. 또 정지 구멍에서는 오일 캡을 떼어서 사용할 수도 있다.
2. 탭의 애벌구멍
탭의 애벌구멍 지름은 허용되는 범위에서 가급적 크게 하는 것이 포인트다. 이것에 의해서 탭의 작업량이 적어지기 때문에 탭의 수명이 연장되는 것과 함께 태핑시의 트러블도 감소한다.
(1) 절삭 탭의 애벌구멍
탭의 애벌구멍 지름은 접촉률을 기준으로 하여서 다음 식으로 구할 수 있다.
애벌구멍 지름=숫나사의 외경 기준 치수-2H1×(접촉률)/100
H1 : 기준의 접촉률 높이(JIS 미터 나사, 유니파이 보통 나사인 경우는 H1=0.541266×피치)
간이적으로 [나사의 호칭 외경-피치]의 지름인 드릴을 사용하여서 애벌구멍을 가공하고도 있지만 이것으로는 접촉률이 90% 이상이 되는 일도 있으며 탭의 부담이 커서 수명이 짧아진다.
ISO에 준거한 JIS 미터 나사에서는 끼워맞춤 길이에 의해 등급이 선택된다.
JIS B 0209, JIS B0211에 규정되어 있는 미터 나사의 허용 한계 치수 및 공차는 JIS B 0215 [미터 나사 공차방식]에 규정된 끼워맞춤 길이 [N]을 적용한 것으로 접촉률은 75~85%(호칭에 따라 다르다) 이상이 되어 있다.
끼워맞춤 길이의 구분[N]은 끼워맞춤 길이가 호칭 지름의 0.5~1.5배에 적용되어 있어서 1.5배를 넘는 끼워맞춤 길이에서는 끼워맞춤 길이의 구분은 [L]이 된다. 접촉률은 구분 [N]에 대하여 5% 전후 작아져 그 만큼 애벌 구멍 지름을 크게 할 수 있다.
한편, JIS B 1004 [나사 애벌 구멍 지름]에서는 접촉률 60%에서 애벌 구멍 지름이 규정되어 있지만 철강계 피삭재에서는 접촉률이 60%라도 암나사의 강도로서는 충분한 경우가 많다.
<그림 7>에서 처럼 접촉률 60%에서는 80%인 경우에 비하여 암나사 산의 단면적은 17.5% 감소하지만 제거하여야 하는 부분의 면적은 37.5%나 적어진다.
접촉률 60%로 하면 절삭 저항과 칩의 양이 대폭 적어지는 것과 동시에 애벌구멍 지름이 커지는 것 때문에 상대적으로 탭의 칩 포켓이 커져서 칩의 배출도 좋아지며 나사가공에 있어서의 트러블이 감소한다.
(2) 콜드 포밍 탭의 애벌구멍
콜드 포밍 탭에서는 애벌구멍 지름에 따라서 나사산의 솟아오른 형상이 달라진다. 그 때문에 적정한 애벌구멍 지름의 유지가 중요하고 85~90%의 접촉률을 목표로 한다.
재료의 소성 유도에 따라 나사산을 솟아오르듯 형성하므로 나사산의 꼭대기가 凹상이 되지만 애벌구멍 지름이 작아지면 <그림 8>처럼 나사산이 톱 롤링된 상태가 되어 탭의 수명이 극단으로 저하한다. 또 소성 유동한 재료가 벗겨져 말려드는 나쁜 상태도 발생한다.
(3) 탭 애벌구멍 가공의 주의점(애벌구멍의 가공 경화)
태핑은 드릴 등에 의한 애벌구멍 가공이 선행하는 가공이기 때문에 애벌구멍의 상태가 탭의 수명에 큰 영향을 미친다.
특히 가공 경화층이 있으면 틀러블의 요인이 된다.
애벌구멍 가공시의 가공 경화의 정도는 드릴의 절삭 조건에 따라서 다르다.
스테인리스강처럼 가공 경화하기 하기 쉬운 피삭재에서는 애벌구멍 표면 경도가 내부보다도 현저히 굳어지는 일은 자주 있지만 탄소강에서도 마모한 드릴로 애벌구멍 가공을 하였기 때문에 400HV를 초과한 가공 경화를 이르켜 탭의 수명이 극단으로 저하한 사례가 있다. 애벌구멍 가공에는 충분한 주의를 하여야 한다.
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여러 가지 형상의 탭이 시장에 나와 있지만 가공되는 재료, 애벌 구멍의 형상에 맞추어서 최적한 탭을 선정하기 위한 참고로 된다면 다행이다.