암나사 가공기술-#3

[공명근(Mountain Ghost)]

* 특집 *
암사나 가공기술

이 기사는 일본 大河出版 발간 [ツ－ルエンジニア]지 1999년 11월호에서 전재한 내용입니다.

소성 변형 이용한 고능률 태핑
-칩없이 안정된 정밀도의 암나사를 고속으로 얻을 수 있는-

소성 변형에 의해서 암나사를 전조(轉造) 가공(롤 태핑)하는 착상 자체는 반세기 이상 거슬러 올라간다. 또 일본에서의 롤 태핑의 역사도 30년 이상이 되지만 [절삭 탭에 비교하여 애벌(예비)구멍의 관리가 엄격하다] [피가공재가 한정된다] 등의 이유로 보급이 진행되지 않은 시기가 있었다. 그러나 최근에 롤 탭에 의해 암나사를 전조 가공하는 방법이 급속히 확대되고 있다.
이것은 피가공재나 가공 조건에 대응한 [여러 가지 롤 탭이 개발되었다]는 것이나 고강성, 고정밀도의 가공기가 등장함으로써 암나사 전조 가공을 하는데 있어서 중요점이 되는 [애벌구멍 지름의 관리를 안정하게 할 수 있게 되었다]는 것이 큰 요인이다.

1. 롤 태핑과 그 이점

<그림 1>은 롤 탭과 절삭 타입인 탭의 가공방법 차이를 가리킨 모식도이다.
절삭 탭 가공에서는 내경 치수로 가공된 애벌구멍을 탭의 절삭날로 절삭 나사산을 형성한다. 또 절취된 부분은 칩으로 배출된다.
한편, 롤 탭 가공에서는 나사 유효지름의 근사 치수로 가공된 애벌구멍에 탭을 비틀어 넣음으로써 골부를 밀어넣고 내경부를 솟아 올리는 소성 변형으로 나사산을 성형해 간다. 그래서 칩이 발생하지 않는다는 큰 특징이 있다.
그리고 롤 탭에는 절삭 탭과 비교해서 다음과 같은 우월성이 있다.
① 칩이 나오지 않기 때문에 칩 처리가 필요없고 칩에 의한 트러블이 없다.
② 소성가공이기 때문에 암나사 유효지름의 분산이 적고 안정된 정밀도를 얻을 수 있다.
③ 미끄럼 접촉을 하면서 나사를 성형하기 때문에 암나사 플랭크면의 완성이 양호하다.
④ 소성가공이기 때문에 파이버 플로(鍛流線)가 끊기지 않아서 암나사 강도가 크다.
⑤ 칩 배출용인 홈이 필요없고 센터 높이가 크기 때문에 탭의 절손 강도도 커진다.
⑥ 고속가공이 가능하며 장수명이다.

2. 롤 탭의 사용방법

<그림 2>는 롤 탭의 기본적인 사용 안내를 가리킨다. 일반적으로 롤 탭은 애벌구멍 지름이 간단히 설정되지 않아서 사용방법이 어렵다고 하지만 다음과 같은 순서로 검토를 진행함으로써 확실한 성과를 얻을 수 있다고 생각한다.
① 롤 탭 가공에 적합한 전연성을 가지는 피가공재인가를 확인한다.
② 피가공재의 종류, 통과·정지의 나사 형상, 절삭 속도·가공유제 등의 가공조건, 가공되는 암나사 정밀도 등에서 잠정적으로 최량하다고 생각되는 롤 탭의 종류, 정밀도, 챔퍼를 선정한다.
③ 잠정적으로 선정한 탭으로 시험가공을 하여 탭의 정밀도가 가공 암나사 정밀도에 적합한가를 확인한다.
가공후의 암나사가 통과 나사 플러그 게이지에서 NG인 경우는 정밀도가 1~2등급 큰 탭을 재선정하여 시험가공을 한다.
반대로 가공 후의 암나사가 정지 나사?플러그 게이지에서 NG인 경우는 정밀도가 1~2등급 낮은 탭을 재선정하여 시험가공한다.
또한 이 시점에서 애벌구멍이 너무 작아서 암나사의 쥐어뜯기는 문제가 발생하지 않도록 애벌구멍 지름은 약간 크게 할 필요가 있다.
④ 통과 정지 나사 플러그 게이지가 OK되는 정밀도의 탭이 확정하였으면 그 탭을 사용하여 암나사 내경 치수의 조정으로 이행한다.
가공 후의 내경이 <사진 1>처럼 솟아오르기가 부족한 경우, 정지 내경 플러그 게이지가 NG가 되므로 애벌구멍 지름을 약간 작게 재설정한다.
반대로 가공후의 내경이 <사진 2>처럼 과다하게 솟아오른 겨우는 통과 내경 플러그 게이지가 NG로 되므로 애벌구멍 지름을 약간 크게 재설정한다.
애벌구멍의 재설정으로 적정한 애벌구멍 지름이 확정하면 <사진 3>처럼 통과 정지 내경 플러그 게이지가 모두 OK되는 양호한 나사 형상을 얻는다.
⑤ 최종적으로 통과 정지의 나사 플러그 게이지와 통과 정지의 내경 플러그 게이지에서 OK를 얻으면 모든 검토는 완료한다.
또한 애벌구멍 지름의 분산은 암나사 내경 공차인 1/3 이내로 억제하는 것이 좋다.

3. 롤 탭의 종류와 용도

현재, 여러 가지 롤 탭이 피가공재의 종류와 사용 목적에 맞추어서 개발되고 있다. 양호한 암나사를 가공하여 장수명을 얻기 위해는 가공 조건이나 가공 목적에 합치한 최적한 롤 탭을 선정하여 사용하여야 한다.
<표 1>은 롤 탭 실리즈의 체계를 가리킨 것이지만 크게 [범용] [스탠다드] [퍼포먼스] [하이퍼포먼스]의 4체계로 나누인다.

(1) 범용 롤 탭 [R-Y]

R-Y는 JIS 6H급 정도의 범용 암나사 가공을 목적으로한 롤 탭이다. 범용 암나사란 [특별한 부하 강도를 요구하지 않는 암나사] [특별한 나사 유효지름 공차나 내경 공차를 요구하지 않는 암나사] 등 일반적인 단순 설치용(간이적) 암나사로 정의하고 있다.

(2) 스탠다드 롤 탭 [N-RS] [N-RZ]

일반적으로 사용되는 롤 탭인데 알루미늄 합금이나 아연합금 등의 비철금속의 가공에 최적한 시방인 [비철금속용 롤 탭; N-RS]와 SPC재, 연가, 합금강 등의 스틸가공에 최적한 시방인 [스틸용 롤 탭 ; N-RZ]가 있다.
또 N-RS, N-RZ에는 롱 섕크 타입도 준비되어 넓은 용도에 대응이 가능하다.

(3) 퍼포먼스 롤 탭 [R-V]

용착방지와 내마모성 향상을 위하여 TiN 코팅을 한 롤 탭인데 고속가공이나 장수명 가공을 목적한 가공에 적합하다.

(4) 하이 퍼포먼스 롤 탭 시리즈

더한 고속가공이나 장수명을 목적으로 개발된 롤 탭 시리즈가 [HP-RZ]이며 M6 이하의 치수에서는 SPC 등의 박판 철판에 무급유로 가공할 수 있는 [OL-RZ]가 있다.

4. 고능률 태핑용 롤 탭

최근 고능률 태핑용 롤 탭으로서 시장의 주목을 받고 있는 탭에 전술한 하이퍼모먼스 롤 탭이 있다.
종래의 롤 탭은 피가공재가 알루미늄합금으로 대표되는 비철금속이나 비교적 전연성이 좋은 저탄소 등에 한정되었지만 최근에는 스테인리스강이나 고탄소강, 그리고 경도가 25HRC를 넘는 조질강(調質鋼)에 대한 나사 가공의 요구가 나왔다.
또 고강성 고정밀도인 기계의 출현으로 종래의 수배인 고속 고능률 태핑에 대응하는 롤 탭이나 이제까지 가공이 어려웠던 굵은 지름 나사 가공에 대응하는 롤 탭의 요구도 강해지고 있다.
이러한 요구에 응한 롤 탭이 <사진 4>에 가리킨 하이퍼포먼스 롤 탭 [HP-RZ]다.

(1) 하이퍼포먼스 롤 탭의 특징

하이퍼포먼스 롤 탭은 광범위한 피가공재에 대응되고 그리고 고속가공이나 드라이 세미드라이 가공에서도 안정된 태핑을 할 수 있게 탭의 나사부는 마찰 저항을 가급적 경감하여 소성가공을 쉽게 할 수 있는 독특한 凸부 형상을 채택하고 있다.
또 탭의 재질은 고바나듐 고코발트의 분말 하이스를 사용하고 또 3000HV의 경도를 가지고 마찰 계수가 낮은 코팅을 한 내마모성의 향상을 도모하고 있다.
① 저탄소강이나 스테인리스강에서 25~ 30HRC 정도의 합금강까지 광범위한 스틸재에 태핑이 가능.
② 아연강판이나 저탄소강에서는 50m/min 이상의 고속 태핑이 가능.
③ 불수용성 유제는 물론, 수용성 유제나 액체 방울 떨어지기(滴下) 미스트 등의 세미드라이 가공에서도 안정된 태핑이 가능.
④ 암나사의 완성면도 양호하고 과혹한 조건 하에서도 장수명이다.

(2) 하이퍼포먼스 롤 탭의 가공 사례

<표 2>는 하이퍼포먼스 롤 탭의 가공 사례를 가리킨 것이다. 용착이 발생하기 쉬운 스테인리스강의 가공에서도 대폭적인 수명 연장이 가능하다. 또 비철금속인 알루미늄재에서는 암나사 플랭크면의 면 거칠성이 향상하여 내경에 자주 발생하는 가시 플래시 문제도 해소되고 있다.
그리고 종래 롤 탭에서는 곤란하였던 비교적 굳은 (25~30HRC 정도) 스틸재나 M30 이사인 나사 치수에 대한 가공도 가능하게 하고 있다.

(3) 오일레스 롤 탭 [OL-RZ]

하이퍼모먼스 롤 탭 시리즈에는 HP-RZ 외에 <사진 5>에 가리킨 오일레스 롤 탭 [OL-RZ]가 있다. 지구 환경문제, 작업 환경문제, 또 세정 공정의 폐지나 간소화 등 문제 때문에 드라이 세미드라이 가공의 요구가 높아지고 있다.
오일레스 롤 탭은 가공 지름이 M6 이하로 피가공재는 버링(burring) 가공된 박판 철판이나 비교적 가공 길이가 짧은 스틸재에 한정되지만 이것들을 무급유 조건 하에서 태핑할 수 있게 개발된 것이다.
<표 3>은 오일레스 롤 탭의 가공 사례를 가리킨 것이지만 완전 드라이 가공에서도 수명이 길고 양산 가공 라인에서도 사용이 가능하다. 또 오일레스 롤 탭은 드라이 가공용으로 개발된 탭이지만 가공유제를 적하 미스트 등으로 약간 공급하는 세미드라이 조건하에서는 대폭적인 수명 연장을 할 수 있다.

( 자료를 받아온 원본 사이트에 사진이 없어서 사진을 등록못했습니다)