암나사 가공기술-#4

[공명근(Mountain Ghost)]

* 특집 *
암나사 가공기술

이 기산는 일본 大河出版발간 [ツ－ルエンジニア]지 1999년11월호에서 전재한 내용입니다.

주철 애벌가공 구멍의 태핑

- 엔드밀과 리머날을 가진 복합 절삭 탭으로 대응 -

최근에 철 알루미계 재료의 주조품에서는 그 구멍가공 코스트의 저감을 도모하기 위해 주조 프로세스에서 거친 치수의 구멍을 성형시킨 정밀 주조품이 많아지고 있다. <사진 1, 2>는 그 일례다.
이와 같은 구멍 형상은 주조 프로세스 상 문제 때문에 스트레이트 구멍을 형성하기가 어렵고 약간의 테이퍼가 붙은 구멍 형상이 되어 있다. 이와 같은 구멍을 [주철 애벌가공 구멍]이라고 한다.
이 주철 애벌가공 구멍은 전술한 바와 같이 거친 치수의 구멍 형상이어서 드릴이나 엔드밀 등의 타공 공구에 의해서 스트레이트의 탭 애벌구멍(예비구멍) 지름으로 완성하면 문제없이 태핑할 수 있다. 그러나 코스트 절감 등의 생력화가 진전하는 현재에는 주철 애벌가공 구멍 형상의 개선을 비롯하여 사용 공구인 탭의 형상 등에 대한 연구, 개발이 행해지고 있다.
여기서는 태핑에 있어서의 주철 애벌가공 구멍 형상의 방식이나 주철 애벌가공 구멍에 어떻게 태핑되는가, 탭 자체의 형상을 어떻게 하면 잘 태핑되는가 등에 대하여 설명한다.

1. 주철 애벌가공 구멍의 형상에 대하여

주철 애벌가공 구멍은 주조 프로세스상 문제 때문에 구멍 형상은 테이퍼상으로 되어 있으며 당연히 대구경측(입구측)과 소구경측(출구측)의 구멍 지름은 다르다. 주철 애벌가공 구멍 테이퍼는 양각(兩角) 1~2 정도의 것을 많이 볼 수 있지만 대부분의 주철 애벌가 공구멍이 탭으로 나사 절삭(태핑) 가공하는 경우의 애벌구멍 지름보다 작은 치수에 설정되어 있기 때문에 태핑 조건인 애벌구멍 지름을 드릴 등의 타공 공구로 완성하고 있다.
주철 애벌가공 구멍의 대구경측 치수는 일반의 태핑 조건인 애벌구멍 지름을 기준으로 설정하여서 주조하거나 애벌구멍 지름에 절삭 여유를 가미한 약간 작은 구경으로 설정하여서 탭의 부담을 경감시키고 있다.
<그림 1>은 태핑의 애벌구멍 지름과 주철애벌가공 구멍의 형상의 관계를 가리킨 것이다. 주철 애벌가공 구멍의 대구경측 치수를 애벌 구멍 지름으로 설정하거나 절삭 여유 0.1~0.3mm 정도를 붙인 약간 작은 치수로 설정하여서 기준으로 하는 것이 바람직하다.
일반적으로 태핑의 애벌구멍 지름은 JIS의 나사 애벌구멍 지름 계산식<그림 1의 식 1>으로 구할 수 있다. 예를 들면 JIS 2급의 내경으로 하면 애벌구멍 지름의 접촉률 80~85%의 범위가 되지만 그 때의 애벌구멍 지름을 주철 애벌가공 구멍의 대구경척 치수로 하였을 때는 주철 애벌가공구멍의 테이퍼에 의해서 소구경측 치수가 애벌구멍 지름의 접촉률 100%를 초과함으로써 JIS의 최소 내경의 규격외가 되어 JIS의 나사로서는 불합격이다.
JIS의 내경 등급에 의한 허용치수 내에 넣기 위해서는 <그림 1의 식 2>에서 주철 애벌가공구멍 테이퍼 θ를 1 미만으로 하거나 나사 절삭 길이 L을 작게 설정하면 주철 애벌가공 구멍한 그대로 암나사가 절삭되어도 규격 내에 있으므로 합격하리라고 생각한다. 이것은 태핑시의 진동, 또는 편심이 없다는 조건에서의 일이다.
일반적으로 주철 애벌 가공 구멍 테이퍼는 양각 1~2 정도가 많지만 탭 자체의 나사 절삭 길이의 한계는 접촉률 100%인 애벌구멍 지름 위치에서 어느 정도까지 유효나사가 확립되는가를 조사하면 <그림 2>처럼 된다.
암나사의 내경 최소 치수는 약 100%인 접촉률이 되기 때문에 주철 애벌가공 구멍의 소구경측 치수가 접촉률 100%를 넘는 시점에서의 나사절삭 길이를 1과 2의 2종류인 테이퍼로 그래프화한 것이다.
시판하는 탭은 2D 정도의 나사절삭 길이를 기준으로 설계되어 있지만 주철애벌가공 구멍인 경우는 최소 내경보다 작아지기 때문에 나사절삭 길이도 길게는 할 수 없다. 규정 길이의 나사 절삭 길이를 확보하기 위하여는 드릴 등에 의해 애벌구멍 가공을 할 수 밖에 없다. <그림 3>은 미터 나사산 모양을 참고로 암나사와 탭의 관계를 가리킨 것이다.
접촉률 100%인 내경은 기준 산형의 H/4인 트랜케이션에 상당한다. 그것에 대하여 탭측의 최대 허용 치수 H/6인 트랜케이션과의 클리어런스 A는 탭이 절손하지 않기 위한 간격이다. 주철 애벌가공 구멍 테이퍼에 의한 애벌 구멍 지름이 최소 내경보다 작아지는 것은 이 간격이 좁아지기 때문에 <사진 3>에서처럼 암나사 내경측 산정부는 클리어런스가 없는 상태가 되어 [쥐어뜯김] 현상을 일으키고 있다.
이와 같이 주철애벌가공 구멍의 형상에 있어서 태핑 조건에 맞지 않는 것은 태핑전에 애벌구멍 가공을 하여야 하는 것이 있다. 따라서 주철 애벌가공 구멍 형상과 애벌구멍 형상의 관계를 잘 고려할 필요성이 있다.

2. 주철 애벌가공 구멍의 태핑방법

주철 애벌가공 구멍의 태핑에 있어서 시판 탭으로 가공하는 경우는 주철 애벌가공 구멍 형상의 설정을 애벌구멍 지름에 근접하도록 하는 외에 조건에 맞지 않는 주철 애벌가공 구멍 형상인 경우는 드릴 등으로 주철 애벌가공 구멍을 태핑 조건에 맞는 애벌구멍 지름으로 완성할 필요가 있다.
이 두가지 방법으로 형상 설정하였을 때의 태핑 샘플을 사진에 가리킨다. <사진 4>는 주철 애벌가공 구멍을 직접 태핑하였을 때의 암나사, 또 <사진 5>는 주철 구멍을 드릴로 애벌 구멍 가공하여 태핑하였을 때의 암나사다.
여기서는 M4 0.7인 탭 애벌구멍 지름을 Φ3.36mm(접촉률 85%)를 기준으로 하여 주철애벌가공 구멍 형상의 대구경측 치수(입구측)를 Φ3.3mm(접촉률 90%)에 설정하고 소구경측 치수(출구측)는 Φ3.09mm(접촉률 120%)에서 주철 애벌가공 구멍 테이퍼는 약 1 30이라는 형상으로 되어 있다.
<사진 4>는 주철 애벌가공 구멍 형상인 채 태핑하였기 때문에 나사절삭 길이 6mm 정도부터 쥐어뜯기는 형상이 발생하고 있다.
이것은 주철애벌가공구멍의 형상에서 설명한 것처럼 나사 절삭 길이 6mm 시점에서의 구멍 지름이 Φ3.14mm(접촉률 113%)이며 접촉률이 100%를 넘은 구멍 지름에서는 나사산형의 내경측 클리어런스가 적어져 절삭량의 과대 및 칩 막힘에 의한 쥐어뜯기는 현상이 발생한 것으로 생각된다.
<사진 5>는 <사진 4>와 동일한 주철 애벌가공 구멍 형상인데 드릴로 스트레이트의 애벌 구멍 지름 Φ3.36mm(접촉률 85%)로 완성하여 태핑을 한 것이다. 이것은 통상의 애벌구멍 지름과 동일하기 때문에 태핑은 설정된 나사 절삭 길이까지 문제없이 형성할 수 있었다.
이 결과, 태핑에서 문제되는 애벌구멍 지름의 설정은 나사절삭 길이와 주철 애벌가공 구멍 테이퍼의 문제 때문에 어떤 한계 치수가 있다는 것을 알게 된다. 태핑으로 나사 가공하기 위한 한계 치수는 태핑 조건인 애벌구멍 지름의 설정을 접촉률 100%를 넘지 않게 주철 애벌가공 구멍 지름을 설정할 필요가 있다.
단 주철 애벌가공 구멍의 소구경측 치수를 접촉률이 100%를 너지 않는 치수 설정한 경우, 주철 애벌가공 구멍 테이퍼에서 대구경측 치수가 규정의 내경이 되지 않는 일도 있다. 즉 주철 애벌가공 구멍 테이퍼가 0에 가까운 설정이 되어서 주철애벌가공구멍의주조가 불가능해진다. 따라서 주철 애벌가공 구멍의 태핑전에 드릴에 의한 애벌구멍 가공의 다름질 공정이 필요해 진다.

3. 주철 애벌가공 구멍에 적합한 탭

이와 같이 시판 탭에서의 주철 애벌가공 구멍 태핑은 어느 정도의 제약하에서의 가공이며 제약을 넘는 것에 대하여는 암나사의 쥐어뜯기는 현상, 또는 탭의 절삭능력 과대에 따른 공구 절손 등이 문제되며 드릴 등에 의한 애벌구멍 가공을 어쩔 수 없이 1공정 증가시키고 있다. 그래서 주철 애벌가공 구멍을 그대로 태핑할 수 있는 탭에 대하여 생각해 본다.
타공 공구와 탭을 복합화시킴으로써 주철 애벌가공 구멍을 그대로 태핑한다는 단순한 발상에서 보면 드릴붙이 탭이나 리머붙이 탭이 복합절삭 탭으로서 시판되고 있다.
그렇지만 이 복합절삭 탭으로 주철 애벌가공 구멍의 태핑을 하기 위하여는 주철 애벌가공 구멍이 통과 구멍이어야 한다.
리머붙이 탭의 경우는 주철 애벌가공 구멍 특유의 버나 얇은 막 등을 절삭하는 능력이 없기 때문에 소구경측 산이 0.5~1산 깨진 것처럼 된다. 이와 같은 문제점에서 말하면 드릴붙이 탭이 좋지만 애벌구멍 가공을 하는 드릴 지름과 탭의 선단 지름에 치수차가 있기 때문에 드릴과 탭 사이에 [여유홈]을 만들게 된다. 이 여유홈 치수에 따라서 태핑 스트로크를 길게 설정할 필요성이 생긴다. 이와 같은 제약을 가진 복합절삭 탭에서 문제점을 검토해 보면 엔드밀 날의 형상이 주철 애벌가공 구멍의 태핑에 적합하게 된다. 엔드밀 날붙이 탭은 최근의 동향에서 시판 탭으로서 발표되고 있어서 새로운 것은 아니지만 주철 애벌가공 구멍 특유의 버, 얇은 막 등을 절삭, 제거하는 절삭날을 가지기 때문에 중(重)절삭에도 효과가 있다.
엔드밀 붙이 탭은 엔드밀의 날 길이를 짧게 설정함으로써 태핑·스트로크를 개선할 수 있지만 드릴붙이 탭과 동일하게 탭과의 사이에 여유홈이 붙어서 주철 애벌가공 구멍의 정지 구멍 등에서 유효나사 길이와 애벌구멍 여유의 설정을 생각해야 한다.

4. 주철 애벌가공 구멍용 탭의 개선

엔드밀 붙이 탭에 의해 주철 애벌가공 구멍 그대로의 상태에서 태핑이 가능해 지지만 주철 애벌가공 구멍의 통과 구멍 및 정지구멍을 가공하는데 문제점은 남는다. 그래서 탭 선단에 엔드밀 날을 부가한 2종류의 복합절삭 탭을 테스트 탭용으로 제작하여 테스트를 하였다. 즉 탭 선단에 엔드밀 날만을 부가한 [테스트 ①탭]과 테스트 ①탭의 나사산인 최초의 완전 산 위치에 리머날을 부가하여 리머 지름을 암나사 내경과 동일하게 설정한 [테스트 ②탭]이다.
테스트 ①탭, 테스트 ②탭 모두 태핑 조건은 동일하고 다음과 같다.
·탭 : M4 0.7
·주철 애벌가공 구멍 형상(테이퍼 1 )
대구경측 : Φ3.32mm(접촉률 90%)
소구경측 : Φ3.3mm(접촉률 105%)
·절삭 속도 : 20m/min
·이송 속도 : 0.7mm/rev(피치 이송)
·절삭유제 : 수용성(에머션 타입)
<사진 6>은 테스트 ①탭에서 태핑된 암나사다. 탭 선단면에 엔드밀 날을 부가함으로써 정지구멍의 구멍밑까지 태핑이 가능해 졌지만 암나사 내경에 테이퍼 형상이 남는다. 이것은 탭 선단의 엔드밀 날의 지름 치수가 암나사 내경의 최소 치수보다 작아져서 대구경측(입구측)에는 엔드밀 날이 닿지 않기 때문이다. 사진의 중앙에서 우측이 되어 비로소 엔드밀 날이 암나사 내경의 산정을 절삭하고 있다.
<사진 7>은 테스트 ②탭으로 태핑된 암나사다. 이 탭은 리머날 지름을 주철 애벌가공 구멍의 대구경측(입구측) 지름 치수 Φ3.32mm (접촉률 90%)에 대하여 Φ3.36mm(접촉률 85%)로 설정함으로써 엔드밀 날이 닿지 않는 부분을 리머날로 수정하고 있다.
이 실험에서 주철 애벌가공 구멍용 탭으로서 엔드밀 붙이 탭을 개선하여 가는 과정에서 [멀티 탭]이 개발, 제조화되었다(컷 사진).
멀티 탭은 이제까지의 엔드밀 붙이 탭과는 달리 엔드밀 날의 길이가 없어서 구멍밑까지 태핑이 가능하며 엔드밀 날로 가공할 수 없는 부분은 리머날(사이드날)로 가공한다는 2종류의 절삭날을 가진 복합절삭 탭이다.
<그림 4>는 멀티탭에 의한 주철애벌가공구멍의 태핑 개요를 가리킨 것이다. 탭 선단부의 엔드밀 날(엔드날)이 탭의 챔퍼 절삭날과 연동하여 주철 애벌가공 구멍 지름을 크게 하면서 나사산을 성형해 간다. 완전 나사산의 성형 직후에 리머날(사이드날)이 절삭을 시작하여 규격에 따라서 암나사가 완성하는 개요를 가리키고 있다.
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이상과 같이 주철 애벌가공 구멍용 멀티 탭이 개발되어 주철 애벌가공 구멍의 고효율 태핑이 가능해졌지만 주철 애벌가공 구멍에는 여러 가지 형상이 있으며 그것들에의 대응력이 필요하다. 따라서 멀티탭도 더욱 대응력있는 탭으로서 개선되어야 하리라고 생각한다.

*1. 주철 애벌가공 구멍: 다이캐스트 주조 등에서 금형에 코어 핀 등을 설치 워크에 태핑을 하기위한 애벌구멍가공으로 생긴구멍