절삭 가공

[전설]

절삭 가공 일반

1. 절삭 가공 개요

1.1 절삭 가공 개요

어떤 의미에서 현대의 설계자들은 과거에 비해 자기가 설계한 제품을 현실화시키는데 많은 혜택을 누리고 있다고 할 수 있다.

18세기말 James Watt는 증기 기관 설계 후 실지 제품으로 현실화시키는데 20년이 넘는 기간이 소요되었다.

당시의 절삭 가공 기술 수준 문제가 그렇게 장기간이 소요되도록 한 가장 큰 요인들 중 하나였다고 할 수 있다.

그동안의 생산 기술, 특히 절삭 가공 분야에서의 발전은 설계 단계부터 실지 제품으로 현실화하기까지의 신제품 개발 기간을 획기적으로 단축시키는데 큰 기여를 했다.

반면에 경쟁 심화로 제품의 성능과 기능 외에도 가장 경제적이고 효율적으로 원재료를 제품으로 변환하기 위한 노력이 더욱 절실해졌다고 할 수 있다.

1.1.1 절삭가공 구분

절삭가공은 소재로부터 불필요한 부분을 제거해, 원하는 치수의 형상 및 표면 성질을 얻는 가공법을 말한다.

일반적으로 절삭 가공은 피삭재보다 경도가 높은, 즉 피삭재보다 단단한 공구와 피삭재와의 상대 운동을 통해 소재에 국부적으로 발생한 큰 전단 변형으로 피삭재를 조금씩 파단시켜 제거하는 가공이다.

이때 제거되어 나오는 피삭재 부스러기를 칩(Chip)이라고 한다.

협의의 절삭 가공은 날을 가진 공구에 의한 가공법을 의미하며, 광의의 절삭 가공에는 연삭 입자를 이용한 가공법과 전기적 에너지, 화학적 에너지, 열 에너지 등을 이용한 가공법이 포함된다.

넓은 의미의 절삭 가공은 아래와 같이 구분할 수 있다.

구분	가공법 종류	비고
공구에 의한 가공	- 선삭(Turning), - 밀링(Milling) - 구멍 가공 (드릴링, 보오링, 리이밍) - 평삭 (Planing) - 기어 가공 - 브로우치 가공 (Broaching) - 기타 톱가공 등
고정 입자에 의한 가공	- 연삭(Grinding) - 호오닝 (Honing)과 수퍼 피니싱 (Super Finishing) - 기타 벨트 연마, 디스크 샌딩 등
유리 입자에 의한 가공	- 랩핑(Lapping), - 액체 호오닝(Liquid Honing) - 샌드 블라스트 (Sand Blasting) - 초음파 가공 (Ultrasonic Machining) - 기타 바렐 연마, 버핑 등
기타 특수 가공	- 열 에너지를 이용한 가공 - 전해 응용 가공 - 화학적 가공법 (Chemical Machining)

1.1.2 절삭가공과 원가

제조 원가를 낮추기 위해서는 제품 설계 단계에서부터 원가 절감을 위한 노력이 필요하다.

단, 제조 원가와 품질은 단순히 절삭 가공에만 국한된 내용은 아니라고 할 수 있지만, 여기서는 절삭 가공 위주로 이야기하기로 한다.

절삭 가공은 다른 가공법에 비해 칫수 및 형상 정도, 가공면의 거칠기 등에서 뛰어나지만, 비용이 많이 소요되는 가공법이므로 원가 절감을 위한 노력이 더욱 필요한 분야라고 할 수 있다.

1) 제품 설계 단계

제품 설계 단계에서 이미 제조 원가가 어느 정도 결정이 되므로, 제조를 고려한 설계는 아주 중요하다고 할 수 있다.

원가 절감을 위해서는 가공 정도와 우수한 표면 성질이 요구되는 부분에만 절삭 가공을 적용하도록 하고, 가능한 한 비용이 적게 소요되는 가공법을 적용할 수 있도록 제품 설계 단계에서 사전에 충분한 검토와 협의가 필요하다.

예를 들면 아래와 같은 사항들이 될 수 있다.

- 가공 표면적을 줄이는 설계

- 가공 공정수를 줄일 수 있도록 형상 단순화

- 구멍은 관통시키는 것이 유리 (막힌 구멍일 경우 드릴 자국 허용).

- 공차는 가능한 한 크게 하고, 기하공차 시스템(GD & T) 적용

- 홈 등은 가능한 한 외경 부품에 가공 (내경보다 외경 가공이 쉬움)

- 가급적 보유 기존 설비 이용이 가능하도록 설계 (신규 설비 투자 필요시 투자 타당성 및 개발 소요

기간 검토 선행)

2) 공정 설계 단계

마찬가지로 공정 설계 단계에서도 품질, 제조 원가 등을 고려한 공정이 될 수 있도록 사전에 충분한 검토와 협의가 필요하다.

가공 방법, 가공 장비, 가공 순서, 절삭 공구 및 절삭 조건 등의 결정은 품질과 제조 원가를 크게 좌우한다.

제품 설치 시간 단축을 위한 자동화 여부, 또는 전용 라인을 만들어야 될 경우 자동화 수준의 결정 등도 마찬가지로 제조 원가에 큰 영향을 미치므로, 월 평균 생산량, 투자비 등을 고려하여 신중하게 결정할 필요가 있다.

본론에 있는 용어 설명과 일부 중복되는 부분이 있더라도, 일반적으로 많이 사용되는 용어는 포함시켜 설명하기로 한다.

1.2.1 기계 가공 관련 용어

1) 형상 가공

주로 엔드밀(볼 엔드밀 또는 필렛 엔드밀)의 R 부위을 이용한 곡면 가공을 말하며, 곡면 모방 가공(Copy Milling)도 이 범주에 포함시킬 수 있다.

2) 윤곽(Profile) 가공

윤곽 가공은 EDM Wire Cutter를 이용하는 방법 등 여러가지 방법이 있을 수 있으나, 일반적으로 엔드밀의 옆날을 이용한 윤곽면 가공을 말한다.

3) 펜슬(Pencil) 가공

형상 가공시 곡면과 곡면의 경계선에서 공구에 갑자기 큰 절삭 부하가 걸리는 것을 방지하기 위해, 각 곡면 경계선 부위의 여유 소재를 윤곽 가공 전에 제거해 주기 위한 가공으로, 엔드밀의 바닥날과 옆날을 동시에 이용하는 곡면 가공의 성격을 가진다.

단, 공구의 경로가 곡선이라는 점에서 홈가공(Slotting)과는 구분한다.

4) 밀링 가공

회전하는 밀링 커터의 바닥날이나 옆날을 이용한 가공 작업을 지칭한다.

단, 엔드밀을 이용한 밀링 가공은 윤곽 및 형상 가공으로 별도 구분한다.

5) 픽 피드(Peak Feed), 또는 피치(Pitch)

형상 가공시 공구 경로 사이 간격을 말한다. 원하는 표면 조도, 사용하는 공구 직경 등에 따라 결정한다.

6) 커습 높이(Cusp Height), 또는 스캘럽 높이(Scallop Height)

형상 가공시 공구 경로 사이 간격(피치)에 의해 생기는 조개 껍질 형상의 최고점과 최저점의 높이차를 말한다. 공구 직경과 픽 피드량, 가공면의 기울기 등에 의해 결정되며 수평인 가공면을 볼엔드밀로 가공할 경우 아래 식으로 계산된다.

F = SQRT(4DH)

단, H: Cusp Height, D: 볼엔드밀 직경, F: 픽피드 량

예) 직경 20mm 볼엔드밀, 커습 높이 0.002mm로 곡면 가공할 경우 피치는 ?

F = SQRT(4*20*0.002) = 0.4 (mm)

7) 가공 단계(Machining Stages)

장비 테이블 또는 베드 상에 설치된 공작물의 위치를 바꾸지 않고 한번에 연속하여 가공할 수 있는 단위 공정을 지칭한다.

8) 단위 절삭 공정(UMO: Unit Machining Operations)

공구 교환이나 클램프 변경 없이 진행 할 수 있는 단위 공정을 말하며, 각 가공 단계는 한개 이상의 단위 절삭 공정으로 구성된다.

1.2.2 공작 기계 및 자동화 관련 용어

1) 고속 가공기

고속 가공은 절삭 속도(공구와 피삭재 접촉부에서의 상대 속도)를 기준으로 구분하는게 바람직하나, 공작 기계 자체를 절삭 속도 기준으로 구분할 수는 없으므로, 편의상 주축 회전수를 기준으로 구분하기로 한다.

- 고속 가공기 : 6,000 rpm 이상 ~ 12,000 rpm 미만

- 초고속 가공기 : 12,000 rpm 이상

2) 공작기계의 베드와 테이블

일반적으로 바닥에 고정되어 움직이지 않는 경우 베드(Bed), 움직이는 경우 테이블(Table)이라고 한다.

이외에, 기계 가동 중에 공작물 탈착를 할 수 있도록 하기 위해 교환이 가능한 2개 이상의 테이블을 가지고 있는 장비에서는 테이블을 팔레트(Pallet)이라는 용어로 호칭한다.

예) 테이블 : 플라노 밀러(Plano-Miller) 타입 장비

베드 : 갠트리(Gantry) 타입 장비

팔레트 : 자동 팔레트 교환 장치(APC : Automatic Pallet Changer) 부착 MCT

3) DNC (Distrbuted NC)

중앙 통제 컴퓨터에 등록되어 있는 파트 프로그램 정보에 따라 거기에 네트워크로 연결되어 있는 NC 공작 기계를 제어하는 것을 말한다.

과거, 컴퓨터가 아주 고가이던 시절, 컴퓨터 한 대에 여러대의 NC 공작기계를 연결하여 사용하던 DNC (Direct NC)와는 다른 개념이며, 일반적으로 FMS 또는 CIM 등 자동화 시스템에 적용된다.

4) FMC (Flexible Manufacturing Cell)와 FMS (Flexible Manufacturing System)

좁은 의미의 제조 시스템에 대한 자동화를 의미하며 1대 이상의 가공 설비와 자동 운송 시스템 등을 서로 연결시켜 제어하는 시스템을 말한다.

단, 유연(Flexible) 제조 시스템으로 다품종 혼류 생산이 가능한 시스템을 의미하며, 전용 라인과는 성격이 다르다.

NC 가공 설비와 관련 시스템으로 구성된 시스템이 대부분이지만 다른 공정에 적용되는 경우도 많다.

자동차 산업에서는 도장, 차체 용접이나 조립 라인, 엔진 부품 가공이나 조립 공정 등에 혼류 생산이 가능한 유연 제조 시스템이 일찍부터 적용이 되었다.

최근에는 특별한 경우 외에는 Batch Size가 항상 '1'인 금형 가공 분야에도 적용이 증가하고 있다.

일반적으로 시스템을 구성하는 가공 설비의 수가 적고 시스템 전체를 관리하는 중앙 통제 시스템이 없는 소형 시스템을 FMC로, 상대적으로 구성하는 가공 설비의 수가 많고 시스템 전체를 관리하는 중앙 통제 시스템이 있는 복잡한 시스템을 FMS로 구분할 수 있다.

5) CIM (Computer Integrated Manufacturing)과 FA (Factory Automation)

넓은 의미의 제조 시스템(공장)에 대한 자동화를 의미하며 제조 시스템의 각 구성 요소(생산관리, 공구관리, 생산기술, 자재관리. 영업 등) 들을 통합하여 운영하는 시스템을 말한다.

FA는 공장 자동화, CIM은 컴퓨터를 이용한 공장 통합 관리를 의미하지만, 명확한 구분은 어렵고 보통 같은 의미로 사용된다.

다만, 용어 자체의 의미로 볼 때, FA는 하드웨어, CIM은 소프트웨어의 성격이 강하다고 할 수 있지만, 자동화에 컴퓨터의 활용은 거의 필수적이라고 할 수 있으므로 CIM으로 통칭해도 큰 무리는 없다.

절삭 가공 분류

2.1 공구에 의한 가공 1
2.1.1 선삭 (Turning)

선반 가공은 회전하는 공작물을 돌지 않는 공구가 이송하며 불필요한 부분을 깍아내는 가공이다.

따라서 공작물의 축방향에 직각인 단면 형상은 특별한 경우를 제외하고는 항상 원형이다.

선반 가공은 외경 가공, 내경 가공, 나사 가공, 홈 가공, 절단 가공 등으로 구분된다.

선반 가공시 이송률은 일반적으로 주축 1회전당 공구 이동거리(mm/rev)로 지정한다.

뒤의 NC 선반 가공과 어느 정도 중복이 되므로 자세한 설명은 생략한다.

2.1.2 밀링 (Milling)

밀링 가공은 고정되어 있는 공작물을 회전하는 공구가 이송하며 불필요한 부분을 깍아내는 가공이다.

밀링 가공시 이송률은 일반적으로 분당 공구 이동거리(mm/min)로 지정한다.

밀링 장비 크기는 보통 아래표와 갈이 최대 행정으로 구분한다.

단위 : inch

호칭 번호	1	2	3	4	5	6
최대 행정(stroke)	22	28	34	42	50	60

뒤의 MCT 가공과 어느 정도 중복이 되므로 자세한 설명은 생략한다.

2.1.3 구멍 가공 (드릴링, 보오링, 리이밍 : Drilling, Boring, Reaming)

공구를 이용한 구멍 가공 방법은 드릴링, 보링, 리이밍으로 구분할 수 있다.

1) 드릴링

보오링과 리이밍은 이미 뚫려있는 구멍을 확공하는 가공인데 비해 드릴링은 일반적으로 구멍이 없는 상태에서 구멍을 가공하는 방법이다.

드릴링 작업은 레이디얼 드릴, 탁상 드릴, 건 드릴 등 전용 기계에서도 수행되지만, 선반, 밀링 등 일반 공작 기계 작업에서도 큰 비중을 차지하는 가공이다.

2) 보오링

보링은 이미 뚫려있는 구멍을 정밀 공차로 확공하는 가공이다.

일반적으로 보오링 장비(Boring Machine)는 일반 공작 기계에 비해 정밀도가 높고 강성이 크며, 미세 이송이 가능한 구조로 되어 있으며, 수평형과 수직형으로 구분된다.

수직형은 대형으로 제작되는 경우가 많으며, 특히 측정기 수준의 높은 정밀도로 제작된 수직형 보오링 기계를 지그 보오링(Jig Borer)이라고 한다.

3) 리이밍

리이밍도 보링과 마찬가지로 이미 뚫려있는 구멍을 정밀 공차로 다듬질하는 가공이다.

리이밍 작업은 일반적으로 별도의 전용 기계가 아닌 일반 공작기계에서 수행된다.

뒤의 '가공 작업별 공구 분류' 절에서 자세히 설명이 되므로 여기서는 생략한다.

2.1.4 평삭 (Planing)

평삭은 바이트와 공작물의 상대 직선 운동으로 면을 가공하는 작업으로, 쉐이퍼(Shaper), 플레이너(Planer), 슬로터(Slotter) 등의 장비를 사용한 가공을 말한다.

밀링 가공과 유사하지만, 직선 운동을 이용한 가공이라는 점에서 차이가 있다.

1) 쉐이퍼(Shaper)

바이트가 직선 절삭 운동을 하고, 공작물이 직선 이송 운동을 하는 형태의 가공으로, 주로 소형 공작물에 적용된다.

2) 플레이너(Planer)

공작물이 설치된 테이블이 직선 절삭 운동을 하고, 바이트가 직선 이송 운동을 하는 형태의 가공으로, 주로 대형 공작물에 적용된다.

주로, 공작 기계의 베드, 칼럼 등의 표면 가공에 이용된다.

100m/분 수준의 고속 절삭이 가능한 장비도 있지만, 유사한 형태의 밀링 장비인 플라노 밀러(Plano-miller) 등의 장비를 이용한 밀링 가공에 비해서는 작업 능률이 떨어진다.

3) 슬로터(Slotter)

상하 방향으로 직선 운동을 하는 램에 공구를 부착하여, 공작물의 수직면을 가공한다.

주로, 내면 키이홈 가공 등에 사용된다.

2.1.5 기어 가공

기어 가공 방법은 절삭에 의한 방법 외에도 주조, 성형, 전조 등 여러 가지가 있으나 여기서는 절삭 가공 방법에 대해서만 설명하기로 한다.

일반적인 기어 절삭 가공 방법은 아래와 같이 구분할 수 있다.

구분		설명	비고
형판 모방 가공		- 셰이퍼 등의 테이블에 기어 윤곽 형상으로 만든 형판과 기어 소재를 설치하고 모방 가공 - 가공 정도는 낮지만, 다른 방법으로는 가공이 어려운 경우 에 주로 적용
총형 공구 이용		- 총형 공구를 이용해 1피치씩 회전시키며 차례로 절삭 - 총형 바이트 또는 총형 밀링 공구 이용
창성 기어 절삭	호브	- 회전하는 호브를 이용한 기어 창성 가공 - 비교적 정도가 높은 기어를 능률적으로 생산 가능 - 단치차나 내치차 가공 불가
	랙형 공구	- 수개의 이를 가진 랙형의 공구를 이용한 기어 창성 가공 - 비교적 정밀한 기어를 가공할 수 있으나 생산성 낮음 - 헬리컬 기어 가공은 용이하나 내치차 가공은 불가	형삭법
	피니언형 공구	- 피니언형 공구를 이용한 기어 창성 가공 - 기어 셰이퍼를 사용해 능률적인 가공이 가능 - 주로 자동차 공업 등 대량 생산이 필요한 분야에 적용 - 단치차, 내치차, 헬리컬 기어 등 가공 가능	형삭법

주기) 1. 기타 브로우치형 공구를 이용한 기어 절삭 가공이 있으나 브로우칭의 범주로 볼 수

있으므로 여기서는 생략함.

2. 베벨 기어는 일반 다른 기어와 제작 방법이 좀 다르므로 따로 구분해 설명함.

1) 형판 모방 가공

셰이퍼(Shaper) 등의 테이블 위에 치형 곡선 윤곽을 가진 형판(Template)과 가공할 기어 소재를 설치하고 바이트로 형판을 따라 모방 가공하는 방법이다.

정도가 높은 치형을 절삭하기 어렵고, 이를 한 개씩 차례로 절삭해야 되므로 생산 능률도 별로 높지 않다.

주로, 다른 방법으로 가공하기 어려운 기어 제작에 이용된다.

2) 총형 공구에 의한 치형 절삭

기어 이 한 개의 치형 홈 윤곽 형상을 가진 총형 밀링 커터(Formed Milling Cutter)나 총형 바이트 등 총형 공구를 사용하여 가공할 기어 소재를 한 피치씩 회전시키며 차례로 절삭을 한다.

① 총형 밀링 커터를 이용한 가공 (밀링 가공)

일반 밀링 장비에서 총형 밀링 커터(Formed Milling Cutter)를 이용해 기어를 가공하는 방법을 말한다.

창성법에 비해 정도와 능률 면에서 부족하지만, 특별한 기계를 필요로 하지 않는 장점이 있어, 극소수의 기어를 제작하는 경우나 사이클로이드 기어 제작 등에 사용된다.

② 총형 바이트를 이용한 가공 (셰이퍼, 플레이너)

셰이퍼, 플레이너에서 총형 바이트를 이용해 기어를 가공하는 방법을 말한다.

일반 기어보다는 대형 기어나 대형 내치차의 제작에 주로 적용된다.

3) 창성법 (Generating Gearing)

창성법에 의한 기어 절삭은 피니언 커터(Pinion Cutter), 또는 랙형 커터(Rack Cutter)를 사용하는 형삭법(Gear Shaping)과 회전하는 호브(Hob)를 사용하는 호빙법으로 구분할 수 있다.

총형 공구를 이용하는 방법에 비해 정도와 능률 면에서 훨씬 우수해, 고급 기어 가공은 거의 모두 창성법에 의해 제작된다.

① 호브에 의한 가공

호브는 외경에 치형 곡선 윤곽으로 된 나선홈을 가진 회전 공구를 말한다.

즉, 원통에 치형 곡선 윤곽 형태의 외경 나사를 판 형태의 공구라고 할 수 있으며, 나선홈의 위치는 호브가 1회전할 때 1줄 나사이면 1피치만큼, 2줄 나사이면 2피치만큼 이동한다.

인볼루우트 치형일 경우 호브의 단면 형상은 직선형의 랙과 동일 형상이다.

따라서, 호브가 회전 운동을 하고, 기어 소재가 호브와 이론적인 맞물림 운동을 할 수 있도록 회전 운동을 하면 기어가 가공된다.

즉, 호브는 무한히 긴 랙에 해당한다고 할 수 있다.

이 상태에서 호브를 기어 축방향으로 직선 이송시켜 폭의 전장을 가공한다.

랙형 공구 사용시처럼 기어 이를 한 개 가공할 때마다 원위치로 되돌릴 필요가 없으므로 능률적인 기어 가공이 가능하다.

또한, 한날의 치형 오차나 피치 오차가 가공한 소재의 치형에 미치는 영향이 피니언 커터에 비하면 훨씬 작아 정도가 우수한 기어를 만들 수 있으므로 일반적으로 많이 사용되는 방식이다.

평치차, 헬리컬 기어, 웜 기어 등의 제작에 주로 이용되며, 응용 범위가 넓다.

단, 단치차나 내치차는 가공할 수 없는 단점이 있다.

◆ 호브

호브 재질은 보통 몰리브덴계 고속도강이나 초경 합금이 사용되며, 티타늄 화합물(Ti N, TiC 등)을 코팅하여 사용하는 경우가 많다.

호브 축방향의 홈은 보통 나선형으로 제작되지만, 한줄 나사 호브인 경우는 일반적으로 직선홈(straight gash)으로 제작된다.

절삭날은 보통 상면 경사각 없이 제작되지만, 경사각이 있는 상태로 제작되는 경우도 있다.

일반적으로, 기어의 정삭 가공에는 한줄나사 호브가 사용되며, 거친 절삭에는 여러줄 나사 호브가 사용된다.

여러줄 나사 호브는 줄 수가 많을수록 가공 시간을 단축시킬 수 있다.

② 랙형 공구에 의한 가공

수개의 이를 가진 랙형의 공구와 가공할 기어 소재가 각각의 피치선과 피치원이 구름 접촉으로 운동을 전달하는 랙과 피니언과 동일한 직선 왕복 운동을 하며 인볼루우트 치형을 창성하는 가공을 말한다.

랙 커터의 잇수를 무한히 많게 할 수는 없으므로, 보통은 1개의 이를 창성할 때마다 랙 커터를 시작점으로 되돌려 보내고 다음 이를 절삭하는 방식을 사용한다.

◆ 랙형 공구를 이용하는 기어 셰이퍼 구분

- Maag 사 방식

이 방식의 기어 셰이퍼는 랙의 직선 운동은 소재 쪽에서 행하고, 랙형 커터는 절삭 운동만을 행하는 구조로 되어 있다.

즉, 랙형 커터는 왕복 직선 운동만 하고, 기어 소재가 회전 운동과 직선 운동을 한다.

커터의 날이 직선만으로 되어 있고, 기어의 이를 한 개마다 되돌려가며 가공하므로 커터 오차 보정이 어느 정도 가능해 비교적 정도가 높은 장점이 있으나, 생산 능률이 낮고 내치차 절삭이 불가능하다.

헬리컬 기어는 비교적 용이하게 가공이 가능하다.

- 선더랜드 사 방식

랙 커터의 왕복 및 전후 직선 운동과 기어 소재의 회전 운동으로 기어를 창성하는 방식이다.

더블 헬리컬 기어를 가공할 수 있다.

◆ 랙형 공구에 의한 가공시의 언더컷

랙형 공구에 의한 가공시 언더컷(under-cut) 방지를 위해서는 가공할 기어의 최소 잇수를 아래 기준 이상으로 할 필요가 있다.

<랙형 공구에 의한 가공 가능한 기어 잇수 기준>

압력각	가공할 기어 잇수 기준	비고
14.5°	Z ≥ 32	Z : 가공할 기어 잇수
20°	Z ≥ 17

③ 피니언형 공구에 의한 가공

미국의 펠로우스(Fellows) 사에서 발전시킨 방법으로 전용 장비인 기어 셰이퍼(Gear Shaping M/C)에서 피니언 커터를 사용해 기어를 가공한다.

절삭 행정에서는 공구와 소재의 회전 운동이 없고, 복귀 행정에서 창성 운동이 이루어지는 구조로 되어 있으며, 절삭은 보통 3회 정도로 나누어 행해진다.

단치차(Stepped Gear), 내치차, 헬리컬 기어 등의 가공이 가능하다.

능률적인 생산이 가능해 주로 대량 생산에 적용된다.

◆ 내치차 가공시의 언더컷

잇수가 적은 내치차 가공시는 언더컷(under-cut)이 생길 수 있으므로, 피니언 커터의 잇수를 아래 기준에 따라 조정할 필요가 있다.

<내치차(평치차) 기어 가공 피니언 커터 잇수 기준>

압력각	피니언 커터 잇수 기준	비고
14.5°	Zc ≤ Z - 32.1	Z : 가공할 내치차 잇수 Zc : 피니언 커터 잇수
20°	Zc ≤ Z - 17.6

◆ 헬리컬 기어 가공

헬리컬 기어 절삭시는 헬리컬 피니언 커터를 사용하고, 절삭 행정에서 직선 운동과 동시에 회전 운동을 해야 된다.

따라서, 임의의 나선각 헬리컬 기어의 가공은 불가능하며, 보통 15°와 32°로 제한된다.

2개의 커터를 교대로 사용하여 더블 헬리컬 기어를 가공하는 기어 셰이퍼도 있다.

◆ 피니언 커터

피니언 커터는 보통 고속도강으로 제작되며, 경사각은 5° 정도로 한다.

모듈이 같은 기어는 하나의 피니언 커터로 가공이 가능한 장점이 있으나, 공구의 피치 오차나 치형 오차가 그대로 가공한 기어에 반영되므로 공구를 정밀하게 제작할 필요가 있다.

4) 베벨 기어(Bevel Gear) 절삭

베벨 기어는 선단으로 갈수록 치형 형상이 작아지므로 일반 평치차와는 가공 방법이 약간 다르다.

베벨 기어의 가공 방법도 일반 기어와 유사하며, 아래와 같이 구분할 수 있다

구분		설명	비고
형판 모방 가공		- 형판과 바이트를 이용한 모방 가공 - 바이트가 형판상의 1점과 정점을 잇는 직선을 왕복
총형 공구로 밀링 가공		- 정도가 높은 기어 제작 불가 - 소형 베벨 기어, 양산성이 불필요한 경우 적용
창성 기어 절삭	글리이슨식 Gleason	- 관치차를 이용한 베벨 기어 창성 - 원주에 많은 날이 있는 원판형의 회전 공구로 가공 - 스파이럴 베벨 기어는 링 모양 공구 이용
	라이넥커식 Reinecker	- 원추와 강철띠로 베벨 기어 창성
	클링게른베르그식 Klingeinberg	- 원추형 공구를 이용한 스파이럴 베벨 기어 창성
	기타	- 하이덴라이히(Heidenreich) 식 - 빌그램(Bilgram) 식

◆ 글리이슨식 베벨 기어 창성법

베벨 기어 제작에는 글리이슨식 베벨 기어 창성법이 가장 많이 사용된다.

이 방법에서는 베벨기어의 원추면을 평면으로 전개한 형상의 관치차(Crown Gear)를 이용해 베벨기어를 창성한다.

베벨기어와 관치차의 관계는 평기어와 랙의 상관 관계와 유사한 개념이라고 할 수 있다.

단, 랙의 각 단면은 서로 평행하지만, 관치차는 한점에 모인다.

즉, 관치차와 정점 사이에 가공할 기어 소재를 두면, 바로 베벨 기어 치형을 분할할 수 있다.

① 스트레이트 베벨 기어

스트레이트 베벨 기어는 원판 모양의 회전 공구를 이용하는 기어 절삭기(Gleason Conifix Straight Bevel Gear Generator)로 가공한다.

② 스파이럴 베벨 기어

스파이럴 베벨 기어는 링 형상의 공구를 이용하며, 글리이슨식 스파이럴 베벨 기어 절삭기(Gleason Spiral Bevel Gear Generator)로 가공한다.

링형 공구의 자전과 공전으로 공구날의 궤적은 회전중인 가상 관치차의 하나의 이의 형상을 나타낸다.

기어 소재가 이 가상 관치차와 이론적으로 맞물리도록 회전시키면 원호 모양의 기어 윤곽을 가진 베벨 기어가 창성된다.

이가 1개 창성될 때마다 공구와 기어 소재를 처음 위치로 복귀시키고 다음 이를 창성한다.

이 방식을 이용해 하이포이드(Hypoid) 기어의 치형 절삭이 가능하다.

2.1 공구에 의한 가공 2

5) 기어 정밀 다듬질 가공

기어의 정밀 다듬질 가공 방법에는 연삭, 랩핑, 셰이빙, 호닝 등이 있다.

셰이빙 외의 다듬질 가공은 공구에 의한 가공이 아니지만 편의상 여기서 같이 설명하도록 한다.

① 연삭

고속 회전을 하거나 큰 하중을 받는 기어, 또는 정밀 기계에 사용되는 기어는 일반적으로 표면 경화 처리 후 담금질 변형 제거를 위해 연삭 다듬질을 한다.

기어 연삭 방법은 보통 아래와 같이 구분할 수 있다.

◆ 총형 숫돌을 사용한 연삭

다이아몬드 드레서로 트루잉(Trueing)한 기어 홈 윤곽 형상의 총형 연삭 숫돌을 사용하여 연삭하는 방법을 말한다.

단, 가공할 기어 규격이 바뀔 때마다 연삭 숫돌을 새로 트루잉해야 되고, 숫돌 마모에 따라 치형 곡선에 오차가 생기는 단점이 있어 일반적인 기어에는 별로 적용되지 않는다.

사이클로이드 등 비인볼루우트 치형 기어, 내치차 등 특수 기어의 연삭에 주로 사용된다.

CNC 연삭기는 연삭 숫돌의 트루잉과 드레싱을 CNC 제어에 의해 고정도로 할 수 있어, 기어 정밀 연삭이 가능하다.

◆ 랙형 숫돌을 사용한 연삭

랙 커터를 이용한 기어 절삭과 마찬가지로 랙의 치형에 해당하는 윤곽의 연삭 숫돌로 인볼루우트 치형을 창성한다.

가상 랙의 피치선과 연삭할 기어의 피치내 윤곽면이 구름 접촉하는 것처럼 상대운동을 하고, 동시에 연삭 숫돌이 기어 중심선 축 방향으로도 기어 폭만큼 왕복운동하며, 기어 윤곽면을 연삭한다.

기어 홈 연삭은 하나씩 순차적으로 하며, 일반적으로 건식으로 사용된다.

랙형 숫돌을 사용한 연삭 방식은 연삭 숫돌의 형상이나 배치, 연삭할 기어와의 상대 운동 방식에 따라 크게 아래의 2가지로 구분한다.

a) 마그 (Maag) 방식

연삭할 기어의 피치원과 같은 직경의 원판(구름 원판 : Rolling Block)과 그것에 걸린 강으로 된 띠의 가상 구름 접촉을 이용하여 기어 윤곽면을 창성 연삭하는 방법이다.

구름 원판과 동축상에 연삭할 기어를 고정시킨 상태에서 구름 원판을 좌우로 이동시키면 그에 따라 기어도 회전과 동시에 좌우로 움직여 기어 윤곽면을 창성할 수 있다.

가상 랙을 이루는 한쌍의 벨형 연삭 숫돌로 기어 중심축 방향으로 기어의 폭만큼 왕복 운동시켜, 기어 윤곽면을 연삭하며, 일반적으로 건식으로 사용된다.

연삭할 기어와 연삭 숫돌의 배치는 아래의 3가지 형태가 사용된다.

구분	설 명	비고
15° 연삭법	가장 일반적인 형태로 다품종 소량 생산이나, 직경이 큰 기어의 연삭에 주로 사용된다.	보통 연삭
0° 연삭법	창성 스트로우크가 짧고 치형 수정이 가능 주로 대량 생산에 사용
K- 연삭법	0° 연삭보다도 창성 스트로우크가 짧고 대량 생산에 적합

또 다른 Maag 기어 연삭기의 특징은 연삭 숫돌 드레싱 메카니즘이라고 할 수 있다.

약 6초에 1회씩 0.001mm 씩 동시에 한쌍의 숫돌을 드레싱하고, 드레싱한 양만큼 숫돌을 앞으로 이동시켜 숫돌이 기어 윤곽과 접촉하는 위치를 항상 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

b) Niles 또는 Pratt & Whitney 방식

연삭 숫돌의 단면 형상을 랙 기어 윤곽 형상과 동일하게 성형하고, 그 숫돌로 기어 연삭을 하는 방식이다.

이 방식의 대표적인 기어 연삭기로는 Deutche Niles사와 Pratt & Whitney사의 기어 연삭기가 있다.

연삭 숫돌의 피치선 운동 방향과 연삭할 기어의 원주 방향 운동 방향이 랙과 기어의 맞물림 운동과 동일한 관계를 유지할 수 있도록 하기 위해, 마스터 웜과 마스터 웜휠을 이용한다.

마그 방식에 비해 절삭량을 크게 할 수 있고, 구름 원판을 사용하지 않아도 되므로 준비 교체 시간을 줄일 수 있으며, 폭이 넓은 기어에도 적용이 쉬워 다품종 소량 생산에 적합한 방식이다.

단, 구조상 연마 숫돌 축의 돌출이 불가피해, 연삭 저항에 의한 변형 등으로 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.

일반적으로 습식으로 사용한다.

◆ 호브형 숫돌을 사용한 연삭

호브처럼 창성 작용을 하는 워엄 형상의 연삭 숫돌을 사용해 연속적으로 기어 연삭을 하는 방법이다.

랙형 연삭 숫돌을 사용하는 방식이 치형을 한 개씩 순차적으로 연삭하는데 비해, 연속적으로 연삭하므로 능률적인 기어 연삭이 가능하다.

이 방식의 대표적인 기어 연삭기로는 Reishauer 사의 기어 연삭기가 있으며, 일반적으로 습식으로 사용된다.

◆ 베벨 기어의 창성 연삭

대표적인 하이포이드 베벨 기어의 창성 연삭기로는 미국 Gleason사의 하이포이드 기어 연삭기가 있다.

같은 회사에서 제작하는 하이포이드 베벨 기어 절삭기의 기어 절삭 공구 대신 유사 형태의 관 모양 연삭 숫돌을 사용하는 구조로 되어 있으며, 기어와 연삭 숫돌의 상대 운동에 의해 이를 한 개씩 순차적으로 연삭한다.

단, 연삭시 숫돌과 연삭되는 기어의 접촉 상태가 복잡해 버어닝(Burning)이 일어나기 쉬우므로 보통 습식으로 사용된다.

② 기어의 랩핑

랩제가 첨가된 절삭액 속에서 기어를 맞물림 회전시켜 기어 면을 랩핑하는 방법이다.

구조가 간단한 기계로 작업이 가능하고 작업도 단순하지만, 치형 곡선이 망가질 위험이 있고, 잔류 랩제에 의해 사용중 마모가 증가할 우려도 있다.

연삭이 어려운 내접 기어, 스큐우 베벨 기어, 피치가 작은 기어 등에 주로 적용된다.

기어의 랩핑 방법은 아래의 두가지로 구분할 수 있다.

a) 랩으로 전용 랩 기어를 사용

주철이나 연질 재료로 만든 랩 기어와 다듬질할 기어를 맞물림 회전시켜 랩핑하는 방법이다.

단, 랩 기어가 마모되면 치형이 부정확해지므로 주기적으로 교환해 주어야 된다.

일반적인 평기어, 헬리컬 기어 등 대부분의 기어에 적용된다.

b) 두 개의 기어를 맞물려 서로를 랩핑

별도의 랩 기어를 사용하지 않고 두 개의 기어를 맞물림 회전시켜 서로를 랩핑하도록 하는 방법이다.

주로, 베벨 기어, 스큐우 베벨 기어, 하이포이드 기어 등 연삭이 어려운 기어에 적용된다.

③ 기어 셰이빙 (Gear Shaving)

기어 셰이빙은 정확한 치형으로 제작된 셰이빙 커터와 기어를 맞물림 회전시켜 치형 정밀도의 개선, 치형 수정, 기어 윤곽면 표면 상태를 개선하는 가공 방법이다.

보통 습식으로 사용되며, 대량 생산에 적합한 방식이다.

표면에서 극히 미소한 양만 깍아내게 되므로, 연삭한 기어와 비슷할 정도의 표면 상태를 얻을 수 있고, 정확한 치형의 성능이 우수한 기어를 만들 수 있다.

◆ 기어 셰이빙의 종류

기어 셰이빙은 셰이빙 커터와 가공할 기어의 상대 이송 운동 방식에 따라 아래와 같이 구분할 수 있다.

구분	설명	비고
Conventional Shaving	셰이빙 커터를 맞물림 회전 운동과 동시에 기어 축 방향으로 왕복 이송 운동 시키는 방식으로, 다른 방법에 비해 가공시간이 길어지는 단점이 있다.
Tangential Shaving	가공할 기어의 접선 방향으로 셰이빙 커터를 왕복운동시켜 가공하는 방법으로 커터 날의 마모가 균일하고 수명이 긴 장점이 있다.
Diagonal Shaving	가공할 기어를 축 방향과 일정 각도 방향으로 이송하면서 셰이빙하는 방법으로, 작은 이송 운동으로 많은 양을 절삭할 수 있어 작업 능률이 높다.
Plunge-cut Shaving	기어 반경 방향 이송 운동 만으로 셰이빙하는 방법으로 가공 시간이 매우 짧은 장점이 있다(개당 약 수십초 정도). 공구 수명이 길고 치형 정밀도도 우수하다.	커터 폭이 기어 폭보다 커야 됨
Parallel Axis Shaving	가공할 기어의 축과 커터의 축을 평행으로 하고, 맞물림 회전과 동시에 고속도로 축방향 왕복 운동을 하며 가공하는 방식이다. 주로 내접 기어나 단붙이 기어의 셰이빙에 적용된다.
Rack Shaving	랙을 셰이빙 커터로 사용하는 방식으로 이송운동이 불필요해 작업이 단순한 장점이 있으나, 대형 기어에는 적용이 어렵고 능률도 높지 않아 별로 사용되지 않는다.
Crown Shaving	기어는 약간 마모된 상태에서 오히려 원활하게 작동된다. 크라운 셰이빙은 약간 마모되었을 때의 형상(중앙부가 약간 튀어나온 형상)으로 미리 만들어 주는 방식이다. 위의 셰이빙 방식들에 모두 적용이 가능하며, 예를 들면 약간의 요동을 주는 등의 방법으로 크라우닝을 실시한다.

◆ 셰이빙 커터

일반적으로 정밀도 0~1급으로 하고, 기어 윤곽면에 세레이션(Serration) 형태의 절삭날이 있으며, 고속도강으로 제작된다.

④ 기어의 호오닝

셰이빙 커터 대신에 유사한 형상의 레지노이드 숫돌을 사용하여, 셰이빙과 유사한 방법으로 기어 윤곽면을 다듬질하는 방법을 말한다.

단, 셰이빙의 경우처럼 치형 수정 효과는 기대하기 어려우며, 주로 작동중의 소음을 줄이기 위한 목적으로 사용된다.

대형 기어의 경우에는 호브형의 숫돌을 사용하는 경우도 있다.

2.1.6 브로우치 가공 (Broaching)

브로우칭은 다수의 날이 순차적으로 배열된 공구(broach)로 공작물 표면을 세게 누른 상태에서 1회 통과시켜 브로우치의 단면 형상대로 공작물을 가공하는 방법이다.

호환성이 요구되는 정밀도가 높은 제품을 1회에 가공할 수 있으며, 복잡한 형상의 제품에도 적용이 용이하다.

단, 브로우치의 제작에 많은 비용이 소요되므로 주로 대량 생산에 적용된다.

1) 브로우치의 종류

브로우치는 분류 기준에 따라 아래와 같이 여러 가지로 분류할 수 있다.

분류 기준	종류	특성	비고
구동 방법	인발식	- 브로우치를 끌어 당겨 가공하는 방식 - 길이가 길고 많은 날이 있는 형태	가장 일반적인 방식
	압입식	- 브로우치를 뒤에서 밀어 넣어 가공하는 방식 - 길이가 짧고 날 수가 적어 강성이 큰 형태	보통 2회 이상으로 가공 브로우치 제작 용이
	회전식	- 원판형 브로우치의 측면 날로 회전하며 가공 - 무부하 복귀운동이 불필요해 작업 능률 우수	표면 가공에 적용 효율적인 가공 가능
가공면 위치	내면	- 구멍 내면 가공 - 구멍 내벽에 의해 안내되므로 안내를 위한 별도의 특별한 장치 불필요	복잡한 단면 형상 구멍도 고정도로 쉽게 가공
	표면	- 평면 또는 곡면으로 된 공작물 외면 가공 - 강성이 높은 안내면 필요
	외면	- 공작물의 전체 외주 가공(예 ; 기어 전체이) - 보통 브로우치를 여러개로 분할 제작하고 조립하여 사용
구조	일체형	- 브로우치 전체를 일체로 제작	Solid Broach
	조립형	- 브로우치를 분할해 제작하고 조립해 사용 - 외면 브로우치에 주로 적용	Combined Broach
	심은날	- 분리된 절삭날을 본체에 부착 사용	Inserted Type Broach
기능	단능형	- 절삭 또는 소성 변형(버니싱) 중 한가지 기능 만을 가진 브로우치	예) 버니싱용 브로우치
	복합형	- 위의 두가지 기능이 복합된 브로우치 - 앞부분의 절삭날로 절삭후 맨 뒤의 둥근 날로 버니싱
가공량	거친 절삭용		아래 '절삭 깊이' 참조
	다듬질 절삭용
	버니싱용

2) 브로우치의 구조

일반 브로우치를 구성하고 있는 부분은 아래 4가지로 구분할 수 있다.

구분	설명	특기 사항
생크(shank)	기계에 브로우치를 장착하기 위한 부분 인발식에서는 주로 코터(Cotter) 사용
안내부	브로우치를 안내할 수 있도록 전가공면보다 약간 작은 칫수(0.02~0.05 mm)의 동일 단면 형상으로 한 부위	가공 구멍 길이보다 길게 함
절삭부	실지로 절삭을 행하는 날 부위 - 각 절삭날당 절삭량을 일정하게 해야 됨.
평행부	절삭부에서 절삭한 면의 치수 정밀도와 면 조도 개선을 위해 설치된 동일 칫수의 평행한 수개의 날 부위

◆ 절삭날의 피치

절삭날의 피치는 거친 절삭용에서는 칩 배출을 위해 크게 할 필요가 있으며, 다듬질용은 작게한다.

또, 유동형 칩이 나오는 재료보다 주철, 청동 등과 같이 열단형이나 전단형 칩이 나오는 재료에서 피치를 더 크게 할 필요가 있다.

단, 거친 절삭용에서도 가공시 최소 2~3개의 절삭날이 동시에 절삭을 행하도록 할 필요가 있으며, 보통 아래 식을 기준으로 결정한다.

피치 = 1.75 * SQRT(공작물 길이) (mm)

◆ 절삭 깊이

브로우치 가공에서 절삭 깊이는 각 절삭날 한 개당 절삭 깊이를 의미한다.

절삭 깊이가 너무 작으면 절삭날이 가공물에 파고 들기 힘들게 되어 여유면 마찰로 인한 마모로 수명이 단축된다.

반면에 너무 크면 다듬질면의 조도가 나빠지고, 진동이 생길 우려도 증가하므로, 적정한 수준에서 결정할 필요가 있다.

일반적으로 적용되는 절삭 깊이는 아래 표와 같다.

구분		절삭 깊이	비고
거친 절삭	대형	0.1 ~ 0.2 mm
	중소형	0.01 ~ 0.08 mm
다듬질 절삭		0.02 mm 이하
버니싱		0 ~ 0.003 mm

◆ 절삭날 형상

- 경사각

클수록 절삭성이 좋아지고 다듬질면도 양호해지지만, 너무 커지면 절삭날의 강성이 약해져 변형으로 인한 진동 등의 문제로 수명이 짧아진다.

브로우치는 일반적으로 제작 비용이 아주 고가인 공구인 점을 고려해 수명 연장을 위해 다른 공구에 비해 경사각을 약간 작게 한다.

- 여유각

브로우치 가공에서 여유각이 절삭성에 미치는 영향은 아주 작다.

되도록 여유각을 작게 해 절삭날의 수명을 길게 하는 것이 유리하다.

- 랜드(Land)부

랜드부의 주 설치 목적은 재연삭시 칫수 변화를 줄이기 위한 것이다.

그러므로, 재연삭 칫수 변화가 크게 문제가 되지 않는 거친 절삭을 하는 절삭날일수록 작게 하며, 일반적으로 하나의 브로우치 내에서도 랜드 폭은 다르게 적용한다.

◆ 절삭날 경사각

표면 브로우치나 각형 내면 브로우치는 일반적으로 절삭날이 순차적으로 공작물과 접촉하도록 해 진동을 줄이고 절삭성을 개선할 수 있도록, 절삭날을 축방향에 대해 직각으로 하지 않고 경사지게 하는 경우가 많다.

절삭날 경사각(Inclination Angle)은 한 개의 절삭날 전체가 공작물 내부로 들어갔을 때, 다음 절삭날이 공작물과 접촉을 하고 있도록 해야 된다.

예) 각형 내면 브로우치의 경우 절삭날 경사각 계산

: Tan(절삭날 경사각) > (피치 / 공작물 폭)

◆ 칩 브레이커 (Chip Breaker)

브로우치 가공에서는 보통 폭이 넓은 칩이 발생하게 되므로, 칩을 잘게 잘라 칩 배출을 용이하게 할 수 있도록 절삭날에 칩 브레이커를 만들어 준다.

보통 간격 10~15 mm, 폭 0.5~2 mm, 깊이 0.5~1 mm 정도로 하며, 인접하고 있는 절삭날과 엇갈리게 한다 (한칸씩 걸러 동일 위치).

최종 다듬질면 손상을 막기 위해 맨 뒤의 5~8개의 절삭날에는 칩 브레이커를 만들지 않는다.

◆ 버니싱용 브로우치

버니싱용 브로우치는 버니싱 전용의 단능형과 다듬질 절삭날 뒤에 버니싱날이 있는 복합형의 2가지 종류가 있다.

버니싱용 브로우치의 날당 다듬질 여유는 0.02 mm 이내, 전체 버니싱 여유는 0.15 mm 이내로 한다.

버니싱날은 다듬질면 표면조도를 위해 랩핑해 사용한다.

◆ 회전 브로우치

원판의 측면에 날이 있는 밀링 커터와 비슷한 형태의 브로우치를 말한다.

1회전하는 동안에 거친 절삭과 다듬질 절삭을 완료한다.

절삭량이 크고, 정도가 높으며 다듬질면의 조도도 우수하고, 작업 능률이 높은 장점이 있다.

3) 브로우칭 머신

브로우칭 머신의 구동은 보통 유압식이나 나사와 너트에 의한 기계식이 사용된다.

용량은 최대 인장력(톤 : ton)과 브로우치를 붙이는 슬라이드의 행정 길이로 표시한다.

브로우칭 머신은 아래와 같이 구분할 수 있다.

분류 기준	구분	설 명	비고
브로우치 설치방향	수평형	브로우치가 수평으로 설치 - 내면 가공용 장비를 표면 가공에도 사용 가능 - 행정 길이에 제한이 없어, 아주 긴 제품도 가공 가능
	수직형	브로우치가 수직으로 설치 - 기계 설치 면적이 작아도 됨 - 자중으로 인한 처짐이 없어 정밀도 우수
용도	내면	내면 가공용(Internal Broaching Machine)
	표면	표면 가공용(Surface Broaching Machine)
동시 설치 브로우치 수	단축형	한 개의 브로우치만 설치
	다축형	작업 능률 향상을 위해 여러개의 브로우치 사용 - 여러개의 공작물 동시 가공 또는 작업중 공작물 교체
작업방식	인발	인발식 브로우치 사용 장비
	압입	압입식 브로우치 사용 장비
	연속	다수의 공작물을 연속적으로 가공하는 장비로 주로 표면 브로우칭 장비에 적용
	회전	회전식 브로우치 사용 장비

4) 브로우치의 재연마

일반적으로 브로우치는 공작물 500~2500개 정도를 가공하면 재연마가 필요하다.

브로우치는 평행부의 절삭날이 없어질 때까지 계속 재연마 사용이 가능하다.

2.1.7 기타 공구에 의한 가공

1) 톱 가공

톱으로 금속을 절단하는 방법은 아래의 3가지로 구분할 수 있다.

구분	설명	비고
기계 활톱 Hack Sawing M/C	- 톱날의 왕복 운동으로 절단 - 보통 날끝만 담금질 경화한 고속도강제 톱날 사용 - 얇은 재료는 피치가 작은 톱날 사용
기계 둥근톱 Circular Sawing M/C	- 톱날의 회전 운동으로 절단 - 원판의 외주에 톱날이 있는 둥근 톱 사용
기계 띠톱 Band Sawing M/C	- 띠톱의 직선 운동으로 절단 - 형판 등의 윤곽 절단등에 적용 - 띠톱 맞대기 용접 및 용접부 연삭 다듬질 장치 부착

2.2 고정 입자에 의한 가공

고정 입자를 이용한 가공은 연마 숫돌, 연마포(Abrasive Cloth:KS L6002) 등을 이용한 가공을 말하며, 연삭, 호오닝, 수퍼피니싱 등의 가공법이 있다.
일반적으로 고정 입자를 이용한 가공은 미세한 칩이 발생하므로 분진에 대한 대책을 필요로 한다.

2.2.1 연삭 (Grinding)

고속으로 회전하는 연삭 숫돌로 공작물 표면을 가공하는 방법이다.
연삭 숫돌은 뒤의 "절삭 공구 재료" 에서 설명이 되므로 자세한 설명은 생략한다.
연마기는 숫돌과 공작물의 상대 이송 운동 형태에 따라 아래와 같이 구분할 수 있다.

1) 원통 연삭 (Cylindrical Grinding)

원통형 공작물의 외경 연삭 작업을 말한다.
일반적으로 원통 연삭기는 공작물의 회전 이송 운동과 중심선 방향의 직선 이송 운동이 조합된 형태로 사용되는데, 중심선 방향 이송 운동의 형태에 따라 아래의 4가지 형태로 구분할 수 있다.

① 공작물이 중심선 방향 이송 운동 : Traverse Grinding

가장 일반적으로 사용되는 방법이다.
보통, 공작물이 회전하면서 테이블이 좌우로 이송하는 구조로 되어 있으며, 공작물 직경 방향으로 테이블이 미세하게 이송하면서 절삭 깊이 조절을 할 수 있도록 되어 있다.

② 연마 숫돌이 중심선 방향 이송 운동 : Traverse Grinding

숫돌 축이 좌우로 이송하며 공작물 외경을 연삭하는 방법이다.
가공물이 크거나 길 경우, 운동 부분의 중량을 줄일 수 있는 장점이 있으며, 대부분의 대형 원통 연삭기는 이 방식을 사용한다.

③ 중심선 방향 이송 운동 없이 숫돌이 공작물 반경 방향 이송 운동 : Plunge Grinding

폭이 넓은 연삭 숫돌을 좌우 이송 운동 없이 바로 공작물 반경 방향으로 이송시켜 공작물 외경을 연삭하는 방법이다.
연삭 정밀도는 Traverse Grinding에 비해 떨어지지만, 단위 시간당 소재 제거율이 크고, 기계 구조를 단순하게 할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 연삭에 필요한 동력이 상대적으로 크므로, 연삭기가 좀 더 튼튼해야 된다.
윤곽 형상을 가진 숫돌을 사용하면 단이 있거나 곡면 형상을 가진 공작물의 외경 연삭도 가능하다.

◆ 치수 자동 제어 장치

일반적으로 균일한 제품을 대량 생산할 경우, 원통 연삭기에 치수 자동 제어 장치를 부착해 사용한다.
측정 장치로는 주로 공기 마이크로미터나 차동 변압기를 응용한 전기 마이크로미터가 사용된다.

◆ 방진구

공작물이 길 경우 연삭시의 배분력으로 중앙부 칫수가 커져 배럴 모양이 될 수 있다.
이의 방지를 위해 방진구를 사용하는데, 주로 포올(Pawl)이 경질 목재나 베이클라이트로 된 고정 방진구(Steady Rest)가 사용된다.

2) 내경 연삭

마찬가지로 보통 공작물의 회전 이송 운동과 중심선 방향의 직선 이송 운동이 조합된 형태의 구조로 되어 있다.
일반적으로 원통 연마에 비해 작은 직경의 연삭 숫돌을 사용하게 되므로 회전수가 빨라야 되고, 정밀 공차로 가공하기 어렵다.
경우에 따라, 선반 또는 원통 연마기에 내경 연삭 헤드를 부착해 사용할 수도 있으나, 정밀 연삭을 위해서는 전용 내경 연삭기를 사용하는 것이 좋다.

숫돌 축의 운동 방법에 따라 아래의 2가지 형태로 구분된다.

① 공작물이 회전

주축의 척에 공작물을 물려 회전시키고, 숫돌 축이 좌우 방향 이송과 공작물 반경 방향(절삭 깊이 방향) 이송을 하게 된다.

② 공작물이 회전하지 않고 숫돌이 유성 운동

비교적 대형의 공작물이나, 척에 장착하기 어려운 형상의 공작물에 적용하며, 숫돌이 공작물 내경부에서 회전(자전)하면서 동시에 공작물 내벽을 따라 공전하는 유성운동(Planetary Motion)을 한다.

◆ CNC 내경 연삭기

CNC 내경 연삭기는 일반적으로 CNC 선반의 공구대(Tool Post)가 내경 연삭 헤드로 바뀐 형태로 되어 있다.
CNC에 의해 연삭 헤드 경로가 제어되므로 Traverse Grinding과 Plunge Grinding이 모두 가능하다는 장점이 있다.
즉, 숫돌에 비해 폭이 좁은 내경 단차부는 플런지 연삭을 하고, 폭이 넓은 부위는 왕복 운동(Reciprocating)으로 연삭할 수 있다.
또한, 드레싱 경로도 CNC로 제어할 수 있어, 테이퍼나 곡면 형상 윤곽의 드레싱도 용이하다.

◆ 지그 그라인더

숫돌 축의 유성운동으로 내경 또는 단면 형상이 원이 아닌 내부 윤곽면의 연삭을 할 수 있으며, 대부분 수직형으로 제작된다.

경우에 따라 외경의 연삭도 가능하다.

◆ 내경 연삭 헤드 (Internal Grinding Head)

내경 연삭기나 선반에 장착하여 사용하는 고속 회전 연삭 헤드를 말한다.
고속 회전을 하고 정밀도가 요구되므로, 온도 상승과 진동이 작아야 된다.

◆ 치수 자동 제어 장치

내경 연삭 칫수의 자동 측정 장치로는 코르크(Cork) 게이지 등이 사용된다.

◆ 공작물 고정

일반적으로 척이 사용된다.
보통 단동척이나 연동척이 사용되지만, 공작물이 얇아 척킹 압력에 의한 변형이 문제가 될 경우 콜릿 척이 사용된다.

3) 평면 연삭

평면의 연삭에는 주로 숫돌의 원주면을 이용하지만, 단면을 사용하는 경우도 있으며, 공작물의 이송 운동도 일반적으로 직선 운동이지만, 원통 운동으로 하는 경우도 있다.
평면 연삭 작업은 크게 아래의 5가지 형태로 구분할 수 있다.

① 평형 숫돌의 원주면으로 연삭 - 테이블 왕복형

고정도로 가공이 가능하지만, 절삭 깊이와 이송률을 크게 할 수 없어, 비교적 소형 공작물의 정밀 연삭에 사용된다.

② 평형 숫돌의 원주면으로 연삭 - 테이블 회전형

기계를 비교적 소형으로 단순하게 만들 수 있지만, 테이블 중앙부와 바깥쪽에서 공작물 속도가 달라져 연삭면이 균일하지 않고 정밀도가 떨어진다는 단점이 있어, 주로 거친 연삭 작업에 사용된다.
연삭 작업시 가급적 테이블 중앙부는 사용하지 않는 것이 좋다.

③ 컵형 숫돌의 단면으로 연삭 - 테이블 왕복형

공작물과 숫돌의 접촉 면적이 크고, 그에 따라 단위시간당 연삭량을 크게 할 수 있으며, 숫돌 축의 돌출 길이를 짧게 할 수 있어 강성 면에서 원주면을 이용한 연삭에 비해 유리하다.

④ 컵형 숫돌의 단면으로 연삭 - 테이블 회전형

위와 유사한 특성을 가진다.

⑤ 평형 숫돌의 단면으로 연삭 - 수평축

작업과 기계가 단순하고, 비교적 정밀도를 요구하지 않는 공작물의 평면 연삭에 사용된다.

대량 생산에 적용하기 위해, 2개의 평형 숫돌 사이에 공작물을 통과시키는 방법을 사용하는 경우도 있다.

4) 무심 연마 (Centerless Grinding)

연삭 숫돌과 조정 숫돌(Regulating Wheel) 사이에 공작물을 넣고, 받침판(work rest blade)으로 지지하여 공작물 외경을 연삭하는 연삭 가공을 말한다.

연삭 방법은 조정 숫돌을 이용해 공작물의 축방향 이송 운동을 하도록 하는 Through Feed 법과, 축방향 이송 운동이 없는 In Feed 법으로 크게 구분한다.

이외에 End Feed 법과 Tangential Feed 법이 있다.
원통 형상 뿐 아니라 테이퍼부, 단이 있는 부분 등을 경제적으로 대량 생산할 수 있으며, 센터가 필요하지 않고, 자동화가 용이하며, 연삭 여유를 작게할 수 있다는 장점이 있다.

5) 기타

기타 제지나 인쇄용 롤러 연삭을 위한 롤러 연삭기, 크랭크축 연삭기, 캠 연삭기 등이 있다.

2.2.2 호오닝 (Honing)과 수퍼 피니싱 (Super Finishing)

연마 숫돌을 이용한 가공법은 크게 두가지 형태로 구분할 수 있다.

그 하나는 정도, 다듬질면을 중시하면서, 동시에 제거 능률을 높일 수 있는 연삭 가공이다.

단, 이를 위해 절삭 속도를 높일 수 밖에 없으므로, 연삭열로 인한 가공 변질층의 발생이 불가피하고, 다듬질면의 내마모성이 저하된다.

또한 고속 회전에 따른 어느 정도의 진동은 불가피하므로, 얻을 수 있는 다듬질면 거칠기에도 한계가 있다.
다른 한가지는 절삭 속도를 줄이는 대신 접촉 면적을 크게 한 가공법으로 호오닝이나 수퍼피니싱 등의 가공법이 대표적이다.

절삭 속도가 빠르지 않으므로 가공 변질층이 작고 내마모성과 윤활성이 우수하며, 표면거칠기도 연삭 가공보다 나은 다듬질면을 고능률로 얻을 수 있다.

또한, 고속 회전을 하는 연마기처럼 고정도의 공작기계를 필요로 하지 않는다는 장점도 있다.
단, 제거 능률이 떨어지므로 연삭이나 절삭 가공의 후처리에만 주로 적용된다.

1) 호오닝 (Honing)

호울더 원주 상에 여러개의 직사각형 단면으로 된 긴 막대 모양의 숫돌을 방사상으로 붙인 호온을 회전 운동과 동시에 축방향 왕복 직선 운동시켜, 구멍 내면을 다듬질하는 가공 방법이다.

주로 보오링, 리머 가공 또는 연삭한 구멍의 원통도와 표면 거칠기 개선을 목적으로 사용된다.
얻을 수 있는 표면거칠기는 보통 1~4 μm 수준이지만, 0.2 μm 수준까지도 가능하다.

숫돌에 접촉 압력을 주는 방법으로는 주로 유압이나 스프링이 사용된다.
보통 중삭시 10~30 kg/cm² , 정삭시 7~15 kg/cm² 수준으로 한다.

축방향 직선운동으로 인한 드레싱 작용으로, 숫돌 표면이 항상 예리한 상태로 유지되며, 공작물과 넓은 면에서 접촉하므로 절삭 능률도 좋은 편이다.

가공 무늬는 가공으로 생긴 선이 2방향으로 교차하는 크로스 해치형이 된다는 특징이 있다.

내연기관 실린더의 경우, 일반 연삭 가공 다듬질면은 가공 무늬가 피스톤 운동 방향과 직각인 원주 방향이 되므로 마모가 빠르게 진행된다.

반면에 호오닝 가공면은 가공 무늬가 피스톤 운동 방향과 각도를 이루므로 윤활유의 침투가 용이하며, 가공 변질층도 작아 내마모성이 연삭면에 비해 훨씬 우수하다.
일반적으로 호오닝 가공 여유는 0.005~0.025 mm 수준이지만, 경우에 따라 0.5 mm 정도까지 절삭하는 경우도 있다.
원주 방향 절삭 속도는 공작물의 재질에 따라 약간 차이가 있지만, 일반적으로 15~60 m/min 수준으로 한다 (주철 : 18∼60 m/min, 강 : 15∼45 m/min).
왕복 직선 운동 속도는 원주 방향 속도의 1/2~1/5 수준으로 하며, 이 경우 가공 무늬의 교차각은 약 10°~30°가 된다.

숫돌의 길이는 가공할 구멍 깊이의 절반보다 약간 작게 하고, 왕복 직선 운동의 양 끝에서는 숫돌 길이의 약 1/4 만큼씩 더 밖으로 나오도록 한다 (Over-run).

연삭 숫돌은 연삭 가공시와 유사한 기준으로 선정한다.

결합제는 일반적으로 비트리파이드를 사용하지만, 연한 비철 금속에는 레지노이드를 사용하는 경우도 있다.
호오닝유는 칩의 세척과 냉각을 위해 다량으로 사용하는데, 일반적으로 등유나 경유에 동물성 유지를 섞거나, 유황을 첨가해 사용한다.

호온을 정확히 구멍 중심에 위치시키기는 아주 어려우므로 유니버어설 커플링을 이용한 부동식(Floating) 호온을 사용하거나, 공작물이 수평면 상에서 자유롭게 움직일 수 있도록 한 상태에서 가공해야 된다.

이에 따라 호오닝 가공의 정도는 호오닝 머신보다 호오닝 헤드의 정도에 크게 좌우된다.
호오닝 머신(Honing Machine)은 일반적으로 수직형이 사용되지만, 포신 등 구멍이 긴 공작물 가공을 위해 수평으로 제작되는 경우도 있으며, 거친 다듬질용과 고운 다듬질용 축을 별도의 축으로 만든 2축식이나 자동 측정 장치를 적용한 호오닝 머신도 사용된다.

이외에 외경이나 평면 다듬질에 호오닝을 적용하는 경우도 있다.

2) 수퍼 피니싱 (Super-Finishing)

1930년대에 미국 크라이슬러(Chrysler) 자동차에서 베어링 레이스면의 능률적인 다듬질을 위해 개발되었으며, 입도가 고운 비교적 연한 숫돌을 회전 이송 운동을 하는 공작물 표면에 대고 비교적 약하게 누른 상태에서 숫돌이 진동하면서 공작물의 표면을 다듬질하는 방법이다.
작동 원리는 왕복 직선 운동이 고속, 소행정의 진동으로 바뀌었다는 점 외에는 호오닝과 거의 유사하다.

가공에 의한 변질층이 아주 얕고, 방향성이 없는 경면에 가까운 우수한 표면을 비교적 단시간에 얻을 수 있는 장점이 있으며, 마찰 부분에 수퍼 피니싱 처리를 하면, 마찰 계수가 감소하고 윤활 성능이 우수해지며, 내마모성도 개선된다.

단, 전가공면의 기하학적 형상이 부정확할 경우 수퍼 피니싱 만으로는 교정하는데 한계가 있다는 단점이 있다.

보통 외경 다듬질에 적용되지만 내경이나 평면에도 적용할 수 있으며,주로 게이지, 로울러 베어링의 로울러나 레이스, 축의 저어널 부분 등의 정밀 다듬질에 이용된다.

숫돌 결합제는 주로 비트리파이드(V) 본드가 사용하지만, 경우에 따라 실리케이트(S), 일래스틱, 베이클라이트(B), 셸락(E) 본드 등도 사용한다.

숫돌은 주로 정사각형 또는 직사각형 단면의 각 숫돌을 사용하고, 공작물 크기에 따라 크기를 선택하는데, 너무 클 경우 가공면에 가공액의 침투가 어려워지므로 너무 큰 숫돌을 사용해야 될 경우에는 좀 더 작은 크기의 숫돌을 여러개 사용하는 것이 유리하다.

숫돌 압력은 0.5~5.0 kg/cm² 의 범위 내에서 전가공 상태, 공작물 경도, 숫돌 결합도, 운동 조건 등을 고려하여 결정한다.

가공액은 보통 경유에 스핀들유나 머신유 등을 10~30 % 혼합한 액이 사용된다.

숫돌의 진폭은 보통 1~4 mm 정도로 하고, 공작물의 주속과 숫돌의 진동수는 일반적으로 입자 궤적과 공작물 원주 방향이 이루는 교차각이 30~60°, 입자의 평균 절삭 속도가 5~30 m/min 이 되도록 설정한다.

대량 생산 공정에 적용시 전용 수퍼 피니싱 머신을 사용하는 경우도 있으나, 보통은 수퍼 피니싱 유닛을 선반 등에 붙여서 사용하는 경우가 많다.

2.2.3 기타 고정 입자에 의한 가공

기타 고정 입자에 의한 가공에는 벨트 연마, 디스크 샌딩 등이 있다.

1) 벨트 연마 (Abrasive Belt Grinding, Polishing)

벨트 연마는 벨트 형태의 연마포(Abrasive Belt)를 풀리 위로 고속으로 움직이게 한 상태에서 공작물을 대고 눌러 다듬질하는 가공 방법이다.

비교적 단시간에 평활하고 우수한 다듬질면을 얻을 수 있으며, 탄력이 있는 벨트를 사용하므로 곡면의 다듬질도 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다.

반면에 버핑과 마찬가지로 정밀도가 요구되는 부분에는 적용이 곤란한 단점이 있다.

주로 주조나 단조 또는 용접 부품의 거친 표면 부분, 또는 도장할 면의 전처리 다듬질 등 별로 정밀도가 요구되지 않는 부분에 적용된다.

벨트 연삭기는 수작업용, 평면 다듬질용, 센터리스 연삭용, 대형 공작물용 등 목적과 형식에 따라 여러 가지 종류가 있으며, 대량 생산용으로는 거친 연삭부터 다듬질 연삭까지 한번에 수행할 수 있도록, 여러개의 연삭 스테이션을 가진 다두형 벨트 연삭기도 사용된다.

보통은 건식으로 작업하지만, 절삭유제를 사용하면 작업 능률을 높일 수 있으며, 다듬질면도 개선되고 벨트의 수명도 길어진다.

2) 디스크 샌딩

디스크 샌딩은 원판 모양의 연마포를 고속 회전 시켜 공작물의 표면을 다듬질하는 방법이다.

뒤의 "수작업 공구"에서 설명이 되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

보통 경질 입자를 적당한 액체와 혼합하여 사용하며, 공작물의 표면에서 극히 미량의 칩을 깍아내어 표면 거칠기를 개선하는데 사용하는 가공법이다.

대표적인 가공 방법으로는 랩핑, 액체 호오닝, 초음파 가공, 바렐 연마 등이 있다.

2.3.1 랩핑 (Lapping)

경질 입자와 랩핑유를 혼합한 랩제(Lapping Compound)를 랩과 공작물 사이에 넣고, 랩을 누른 상태에서 왕복 운동시켜 공작물 표면을 다듬질하는 방법이다.

랩제가 공작물 표면에서 극히 미량의 칩을 깍아내거나, 단단하고 취성이 있는 재료에서는 공작물의 미소 파쇄를 일으켜 가공을 하게 된다.

절삭량이 극히 작아, 전가공에서 형상, 칫수 정도를 맞추어 놓은 상태에서 랩핑 가공을 적용하는 것이 일반적이다.

주로 블록 게이지나 길이 측정기의 측정면 다듬질 등, 칫수 정도보다는 다듬질 면의 거칠기 개선에 사용된다.

사용하는 저립은 입도가 고운 A 또는 C 입자, 산화 크롬, 산화철, 다이아몬드 등이 사용된다.

일반적으로 입도 #240~#1000 정도의 고운 입자가 사용된다.

산화 크롬이나 산화철의 경우는 예리한 모서리가 있는 결정형의 입자가 주로 사용되며, 입자 크기는 더욱 작게 할 수 있으며, 산화철 0.3~1㎛, 산화 크롬 1~1.5㎛ 수준도 가능하다.

1) 랩제

랩제는 공작물 재질이나 요구 표면 거칠기에 따라 적당한 것을 선택한다.

- 비교적 연한 금속, 유리, 수정 등 : C 입자, 산화철

- 강 : A 또는 WA 입자

- 정밀 다듬질 : 산화 크롬

2) 랩핑액 (Lapping Fluid)

랩핑액은 강이나 주철 등의 공작물에는 경유 등의 석유류를 사용하고, 유리, 수정 등에는 물을 사용하는 것이 일반적이다.

그외에 올리브유 등을 사용하는 경우도 있으며, 보통 점성이 작은 기름이 유리하다.

랩핑액과 저립은 보통 같은 양으로 혼합한다.

3) 랩의 재질

랩은 보통 공작물보다 경도가 낮은 재료를 사용한다.

- 강의 랩핑 : 일반적으로 주철 (경우에 따라 연강, 동, 납도 사용)

- 황동의 랩핑 : 황동, 납, 목재 등

랩으로 사용하는 주철은 연질이고 조직이 미세하며, 기공이 없는 오래된 것이 좋으며, 목재는 나이테가 명확하게 나타나지 않는 균질의 박달나무 등이 사용된다.

4) 랩핑 가공의 분류

랩핑 가공은 랩제의 사용 방법에 따라 습식과 건식으로 구분된다.

습식 랩핑은 많은 양의 랩제를 사용하고, 비교적 고압력, 고속도로 작업하며, 주로 거친 랩핑에 적용된다.

다듬질면은 미세하고 불규칙한 자국이 남아 순한 광택이 난다.

건식 랩핑은 랩제를 랩에 고르게 누른 후 충분히 닦아내고 랩에 파묻힌 저립 만으로 랩핑 작업을 하는 것을 말하며, 보통은 습식 랩핑 후에 한다.

절삭량은 극히 미소하며, 다듬질면은 아주 뛰어난 광택이 있는 면이 된다.

이외에 극히 미세한 랩제에 의한 습식 랩핑으로 거울면 같은 다듬질면을 얻을 수 있는 경면 랩핑도 사용된다.

랩핑 가공 여유는 매우 작아, 거친 습식 랩핑에서도 0.01~0.02 mm 정도로 한다.

5) 랩핑 작업

랩핑 작업시 압력을 높이면 단위시간당 절삭량이 증가하다, 어느 한계 이상으로 올라가면 오히려 감소했다 다시 증가하는 경향이 나타난다.

일반적으로, 파쇄된 입자의 크기가 고른 A 입자의 경우는 이 현상이 뚜렷하지만, C 입자의 경우는 뚜렷하게 나타나지는 않는다.

실지 랩핑 작업시 압력은 습식 랩핑일 경우 보통 0.5㎏/㎠ 정도로 하는데 너무 높으면 랩제가 밀려나와 건식 랩핑이 될 수 있다

건식의 경우는 강의 경우는 1.0~1.5㎏/㎠, 주철은 이보다 약간 낮은 압력에서 작업한다.

랩핑 속도는 크게 중요하지 않다.

습식일 경우 랩제가 비산하지 않을 정도로 적당한 속도에서 작업하고, 건식일 경우는 다듬질면이 열 때문에 변질될 수 있으므로 50∼80 m/min 정도로 한다.

랩핑 작업은 핸드 랩핑과 랩핑 마신을 이용하는 머신 랩핑으로 구분된다.

핸드 랩핑은 평면의 랩핑, 또는 선반이나 드릴링 머신 등의 회전 운동을 이용하여 원통형 단면 공작물의 외경이나 내경을 손잡이가 달린 다양한 형태의 핸드랩으로 랩핑하는 것을 말한다.

습식법의 경우는 여분의 랩제가 밀려 들어갈 수 있도록 교차하는 사선 방향 홈을 만들어 두는 것이 일반적이다.

랩핑 머신은 일반적으로 상하 2개의 원형 랩을 가진 구조로 되어 있다.

원형 랩 사이에 호울더에 끼운 공작물을 설치하고 적당한 압력을 가하면서 한쪽 랩을 회전시키고 그 사이에 랩제를 공급하면서 작업을 하게 되는데, 랩의 속도가 반경 방향에 따라 다르므로, 균일하게 가공이 될 수 있도록 하기 위해 공작물이 공전과 자전을 동시에 하도록 한 형태로 제작되는 경우가 많다.

2.3.2 액체 호오닝 (Liquid Honing)

고운 경질 입자와 방청제를 첨가한 물을 혼합해 압축 공기로 노즐로부터 공작물 표면에 분사하여 다듬질하는 방법이다.

무광택의 배껍질 모양의 면을 얻을 수 있으며, 치수 정밀도보다는 표면 상태 개선을 목적으로 사용된다.

복잡한 형상의 부품에도 적용이 용이하고, 입자의 피닝(Peening) 작용으로 공작물의 표면을 가공 경화시켜 피로 강도와 내마모성이 증가하는 부수적인 효과가 있다.

반면에 연삭입자가 가공물 표면에 파묻혀 마모를 촉진할 수 있으며, 가공면의 정밀도가 그리 높지 않다는 단점이 있다.

가공량은 0.01mm 이하로 아주 작고, 압축 공기압 5.5~6.5 kg/cm² , 노즐과 공작물 간 거리 60~80 mm, 분사각 40°~50°, 분사속도 300∼1000 m/초 정도에서 작업하는 것이 일반적이다.

저립은 입도 #80∼#3000 정도의 C 입자, 규사 등이 사용된다.

2.3.3 샌드 블라스트 (Sand Blasting)

규사 등 모래를 분사시키거나, 고속 회전하는 임펠러로 공작물 표면에 투사하여 산화물 스케일이나 녹 등을 제거하는 방법이다.

주물 스케일 제거에 주로 사용되지만, 소재의 표면 처리나 다듬질에도 사용된다.

단, 모래가 공작물과 충돌시 미세하게 부서지므로 절삭량이 비교적 적고, 모래 소모량이 많아지며, 미세한 모래 입자가 작업자의 건강을 해칠 수 있다는 단점이 있다.

이와 유사한 가공법으로 그리트 블라스팅과 쇼트 피이닝이 있다.

1) 그리트 블라스팅(Grit Blasting)

샌드 블라스트와 유사한 가공법으로, 모래 대신 칠드 주철의 구를 파쇄하여 만든 예리한 날을 가진 소립(그리트 : Grit)을 사용하여 블라스팅의 효과를 증대시킨 가공법이다.

모래 사용시의 단점을 많이 줄일 수 있으며, 기존의 샌드 블라스트 기계에 모래 대신 그대로 그리트를 사용하는 경우도 있다.

2) 쇼트 피이닝 (Shot Peening)

쇼트 피이닝은 절삭 가공으로 볼 수는 없지만, 편의상 같이 설명하기로 한다.

직경 0.5~1.0 mm 정도의 쇼트(Shot)를 공작물 표면에 투사하여 그 충격력으로 소성 변형된 미소 요철을 표면에 만드는 가공법이다.

표면 결정 조직이 미세화되고, 표면에서 약 0.2~0.7 mm 깊이까지 가공 경화되므로 열처리를 하지 않고 표면만을 경화시킬 수 있으며, 약 70~90 kg/cm² 수준의 큰 압축 잔류 응력이 공작물 내부에 발생하여 피로 한도가 약 1.5~2 배 증가한다.

균일한 품질의 표면을 얻기 위해서는 쇼트의 크기도 균일해야 된다.

쇼트는 압축 공기 또는 회전하는 블레이드에 의한 원심력을 이용하여 약 15~80 m/초 의 속도로 분사시킨다.

◆ 쇼트 (Shot)

쇼트 재질은 주로 철계 재료가 사용되지만, 동이나 유리를 사용하는 경우도 있다.

철제 쇼트에는 칠드 주철, 가단 주철, 주강, 커트 와이어 쇼트 등이 있다.

- 칠드 주철 쇼트(Chilled Shot)

용탕을 물속에 부어 급냉 경화시킨 쇼트를 말하며, 비커스 경도 800~900 정도로 경도가 높고 작업 능률도 좋지만, 취성이 있는 단점이 있다.

취성 문제 개선을 위해 열처리로 경도를 낮추거나, 가단 주철, 주강 등을 사용하기도 한다.

- 커트 와이어 쇼트(Cut Wire Shot)

강선을 절단해 만든 쇼트로 인성이 있어 수명이 길다(칠드 주철 쇼트의 수십배).

2.3.4 초음파 가공 (Ultrasonic Machining)

초음파 진동을 하는 초음파 공구와 공작물 사이에 경질 입자가 혼합돤 가공액을 넣고, 초음파 진동으로 경질 입자를 공작물에 충돌시켜 가공하는 방법이다.

고주파 발생 장치로 10∼40 KHz의 진동을 발생시켜 이것을 Exponential Hone으로 진폭을 확대하여 공구에 진동을 전달한다.

주로, 다른 방법으로는 가공이 곤란한 게르마늄, 실리콘 등 반도체 재료 또는 수정, 유리, 사파이어 등 단단하고 깨지기 쉬운 재료의 가공에 사용되며, 막힌구멍이나 홈, 불규칙한 형상의 가공도 가능한 장점이 있다.

지립은 Al₂O₃, SiC, CBN, 탄화 붕소(Boron Carbide), 다이아몬드 분말 등이 사용되며, 입도는 #100 ~ # 1000 수준으로 한다.

가공액은 물, 기름, 석유 등이 사용된다.

공구 재료는 스프링 강, SUS304, 텅스텐 강, 피아노 선재, 모넬 메탈(Monel Metal) 등이 사용된다.

공작물과 공구간의 압력은 200~300 g/mm² 정도로 하며, 가공면의 정도는 2.5μ 정도이다.

2.3.5 기타

기타 유리 입자에 의한 가공 방법으로는 바렐 연마(Barrel Finishing), 버핑(Buffing) 등이 있다.

1) 바렐 연마 (Barrel Finishing)

회전 또는 진동하는 통 속에 공작물, 미디어(Media : 숫돌 등 연삭재), 공작액, 컴파운드를 넣고 서로 충돌시켜 공작물의 날카로운 모서리나 표면의 스케일을 제거하고, 매끈한 면을 만드는 가공 방법을 말한다.

공작물을 집어 넣는 통을 Barrel이라 하며, Barrel 내부는 보통 고무 등으로 라이닝(Lining) 한다.

금속 재료뿐 아니라 베이클라이트 등 비금속 재료에도 광범위하게 사용이 가능하고, 동시에 다수의 제품을 동일 상태로 다듬질할 수 있어 대량 생산에 적합하고, 다듬질 작업중에는 작업자가 불필요해 경제적이다.

◆ 미디어 (Media)

공작물 재질이나 다듬질 정도에 따라 금속괴, 숫돌괴, 연삭 입자, 인조 또는 천연 석괴, 석영, 모래, 나무, 가죽, 톱밥 등 여러 가지 종류의 미디어가 사용된다.

예를 들어 거친 다듬질에는 숫돌괴, 연삭입자 등을 사용하고, 광택 다듬질에는 나무, 가죽, 톱밥 등을 사용하며, 아크릴이나 비닐 수지의 경우에는 얼음을 사용하는 경우도 있다.

형상은 구형, 원추형, 원통형, 달걀형, 핀형 등 여러 가지로 제작되며, 몇가지 형태를 조합해서 사용하는 경우가 많다.

◆ 텀블링 (Tumbling)

배럴 가공과 유사한 형태의 가공법으로, 표면 스케일 제거 등을 목적으로 한 가공 방법을 말한다.

표면 조도나 정밀도 개선을 목적으로 하는 가공이 아니므로, 배럴 연마에 비해 다듬질면 상태나 정도 면에서 차이가 많다.

2) 버핑 (Buffing)

직물(Cloth), 가죽, 고무, 펠트 등으로 된 부드러운 회전 원반(Buffing Wheel)에 연삭 입자를 고정 또는 반고정 부착시킨 상태에서 고속 회전시키고, 여기에 공작물을 밀어붙여 아주 작은 양의 금속을 제거함으로써 가공면을 다듬질하는 가공 방법이다.

칫수 정밀도는 기대하기 어렵지만, 간단한 설비로 쉽게 광택이 있는 매끈한 면을 만들 수 있어, 도금한 제품의 광택내기 등에 주로 사용된다.

◆ 버핑 작업의 구분

버핑 작업은 보통 거친연마 (Polishing), 중간연마 (Cutting Down), 다듬질연마 (Coloring)의 3단계로 구분하는데, 좁은 의미의 버핑은 중간연마와 다듬질연마 만을 지칭한다.

거친연마 (Polishing)는 #300 이하의 거친 연삭입자가 부착된 연마 펠트(Abrasive Felt)에 의한 거친 연삭 가공을 말하며, 버핑 전가공으로 따로 구분하기도 한다.

◆ 버프 연마제 (Buffing Compound)

일반적으로 거친 다듬질용 연삭 입자는 버프 바깥쪽에 아교로 고정시켜 사용하지만,그밖의 버핑 작업에서는 연삭입자를 유지 등과 혼합해 봉 모양으로 만든 버프 연마제(Buffing Compound)를 버프에 칠해서 사용한다.

◆ 버핑 머신 (Buffing Lathe)

버핑 머신은 형태와 구조에 따라 보통 아래와 같이 구분할 수 있다.

- 축에 버프를 고정시켜 회전만 시켜주는 간단한 형태

- 자동 이송되는 공작물 고정 테이블이 있는 형태

- 센터리스 작업이 가능한 형태

2.4.1 특수 가공(Unconventional Non-traditional Process) 개요

특수 가공은 절삭 공구, 고정 입자 또는 유리 입자를 이용한 절삭 가공과 달리, 열, 화학 또는 운동 에너지 등 실체가 없는 공구를 이용한 가공을 밀한다.

이런 특수 가공법은 일반 절삭 가공으로는 능률적인 가공이 어려운 피삭재나 난해한 형상의 부품 가공을 위해 개발된 경우가 대부분이다.

일반적으로 취성이 있는 고경도 재료에도 적용이 가능하고, 미세 가공이 가능한 특징을 가지고 있다.

이용 에너지의 형태와 발생시키는 방법에 따라 아래와 같이 구분한다.

구분		설명	비고
열에너지	방전 가공	아아크 방전에 의한 열로 공작물을 녹여서 공구 전극 형상을 공작물에 전사하는 가공법
	와이어컷 방전가공	CNC로 경로가 제어되는 와이어와 공작물 사이의 아아크 방전에 의한 열로 공작물을 녹여서 가공
	전자빔 가공	전자빔을 공작물 위에 집속 조사해 국부적으로 발생하는 고열로 공작물을 가공
	레이저 가공	레이저광을 공작물 위에 집속 조사해 국부적으로 발생하는 고열로 공작물을 가공
	기타	플라즈마가공, 마이크로파 가공 등
전기화학적에너지	전해 폴리싱	전해액 속에 공작물을 넣고 전기를 통해, 전기화학적으로 미세한 돌기를 석출시켜 광택면을 얻는 가공법
	전해 가공	전해 폴리싱의 전기화학적 반응을 보다 크게 하기 위해 기계적 작용을 추가한 가공법 내열강, 초경합금, 고장력강 등과 같이 일반 절삭 가공으로는 가공하기 어려운 공작물 가공
	전해 연마	연삭 가공과 전해 가공을 조합한 형태의 가공
	전해 호오닝	숫돌 호울더와 공작물 사이에 전해 전류를 흐르게 한 상태에서 호오닝 가공
	전해 랩핑	전해 가공와 일반 랩핑을 조합한 형태의 가공
화학 에너지	화학 절삭	부식액 중에 가공물을 침지하거나 부식액을 가공물의 해당 부위에 분사해 금속을 제거하는 가공
	화학 연마	일정한 온도의 강산, 약 알칼리 용액에 가공물을 단시간 담근 후 세척하여 광택을 얻는 가공법
운동 에너지	고속 액체 분사	액체를 고압으로 가압하고, 아주 작은 구멍의 노즐을 통해 초고속으로 공작물에 분출시켜, 그 충돌 압력으로 가공하는 방법

2.4.2 열 에너지를 이용한 가공

열 에너지를 이용한 가공은 열 에너지를 발생시키는 방법에 따라 여러가지로 구분된다.

1) 방전 가공 (Electro-discharge Machining : EDM)

전극과 공작물 사이에 아아크 방전을 발생시키고, 그 때 발생하는 열로 공작물을 녹여서 가공하는 방법을 말한다.

등유, 순수 등 절연액 속에서 전극과 공작물 간격을 0.02~0.05 mm 정도로 유지한 상태에서, 60 ~ 150V 정도의 직류 전압을 연결해 초당 10³ ~ 10⁶ 회 정도로 단속시키면 펄스성의 과도 아아크 방전이 직경 수백㎛ 범위 내에서 발생한다.

이 아아크 방전으로 발생한 열로 공작물은 국부적으로 용융, 기화하는 동시에, 방전시의 충격으로 용융 부분이 비산한다.

이런 작용이 계속되도록 공구 전극을 이송시켜, 공구 전극 형상을 공작물에 전사하는 가공법이 방전 가공이다.

공작물은 반드시 전도체라야 되는 단점이 있지만, 경도나 취성 등에 관계없이 가공이 가능하므로, 초경 합금, 금형강, 내열 합금 등의 가공이나, 금형 가공에 주로 적용된다.

◆ 방전 가공기

방전 가공기는 방전을 위한 펄스 전원 회로, 공구 전극, 여과 장치가 부착된 절연액 순환 장치, 전극 이송 서보 기구, 전극과 공작물 위치결정 및 고정을 위한 설치 기구 등으로 구성된다.

이외에 수치제어장치, 자동 전극 교환 장치 등이 추가로 부착되는 경우도 있다.

방전 가공기의 규격은 설치 가능 최대 공작물 크기 및 중량, 전원 용량(KW) 등으로 표시한다.

◆ 전극

가공 전극 재질은 공작물이나 가공 특성에 따라 선택한다.

공작물, 가공 특성	전극 재질	비고
펀칭, 인발 금형 등 관통형	황동, 은텅스텐, 동텅스텐 등
다이캐스팅, 형단조 금형 등 비관통형	그래파이트, 아연합금, 동 등
정밀 구멍 가공	황동, 동, 동그래파이트, 은텅스텐 등
절단 작업	탄소강판
연마용	주철, 황동, 그래파이트 등

전극은 제작 비용이 전체 금형 제작 비용에서 차지하는 비중이 아주 크고, 금형의 품질에 직접적인 영향을 미치므로 재질 선택이나 제작 방법에 신중해야 된다.

2) 전자 빔 가공 (Electron Beam Machining : EBM)

전자를 진공 중에서 80~150 kV 로 가속하고, 전자 렌즈로 공작물 위에 집속 조사해 국부적으로 발생하는 고열로 공작물을 녹이고 증발시켜 가공하는 방법을 말한다.

① 주요 특징

- 가공물의 기계적 성질에 관계없이 고경도 재료도 가공이 가능해, 다이아몬드 등에도 적용 가능

- 직경 1㎛ 정도의 극히 미소한 부분에도 에너지 집중이 가능해 미세 가공 가능

- 전자 빔을 주사하여 복잡한 형상의 가공도 가능

- 제거 가공 외에 용접(Electron Beam Welding), 증착 장치의 열원 등으로도 사용 가능

3) 레이저 가공

레이저(LASER : Light Amplification Stimulated Emission of Radiation)도 일반적으로 전자빔과 마찬가지로 제거 가공 외에 용접, 열처리 등에 적용이 가능하다.

◆ 레이저광의 특징

레이저는 인공 광선으로 자연광과 비교하면 다음과 같은 특징이 있다.

특성	설명	비고
지향성 Directivity	빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 직진
단색성 Monochromaticity	단일주파수의 단일광
간섭성 Coherence	위상이 균일해 약간의 장애물에만 부딪혀도 바로 간섭을 일으킴
에너지 집중/고휘도성 Brightness	에너지 밀도가 높아 철판도 절단 가능

◆ 레이저광의 구분

레이저 가공에 사용되는 레이저는 발진 물질과 모우드에 따라 아래와 같이 구분할 수 있다.

일반적으로 금속 가공에는 Nd-YAG와 CO₂ 레이저가 주로 이용된다.

분류 기준	구분		설명	비고
발진 물질 (주1)	고체 레이저	루비	- 파장 0.96㎛ - Cr2O3를 포함한 Al2O3의 결정체
		Nd-YAG (주2)	- 파장 1.06㎛ - 펄스 발진과 연속 발진 모두 가능 - 대형으로 만들기 어려운 단점
		Nd-유리	- 파장 1.06㎛
	기체 레이저	CO2 (주3)	- 파장 10.6㎛의 적외선 레이저 - 발진 효율이 높다. - 연속 발진에서 출력은 수십kW까지 가능
		He-Ne (주4)	- 파장 0.6328㎛ 의 붉은색 가시 광선 - 출력이 작다 (0.5mW ~ 100mW).
		Ar	- 파장 0.49㎛
발진 모우드	연속 발진
	펄스 발진

주 1) 이외에 액체 , 반도체 Laser 등이 있으나 금속 가공에는 별로 이용되지 않으므로 제외함.

2) Nd-YAG : Neodium 이온이 첨가된, 석류석(Garnet) 결정구조로 된 이트륨(Yttrium)과

알루미늄(Aluminum)의 산화물(Y₃Al₅O₁₂)을 말하며, Neodium이 실질적인 레이저 작동을 함.

3) 일반 레이저는 투입된 에너지의 약 1% 만이 레이저광으로 변환되지만, CO₂ 레이저는

약 15%까지도 레이저광으로 변환이 가능하다.

4) 헬륨은 네온을 여기시키기 쉽게 들뜨게 하는 매개 물질로 작용하며, 실제의 발진은

네온 가스에서 이루어진다.

4) 기타

플라즈마 가공, 마이크로파 가공 등

2.4.3 전해 응용 가공

전기 도금과는 반대로 공작물을 양극으로 한 상태에서, 적당한 용액 중에 넣어 통전하면 양극의 용출 작용에 의하여 공작물 표면이 미세하게 깍여나가게 된다.

전해 응용 가공은 이런 현상을 응용한 것으로 아래와 같은 가공법 들이 있다.

1) 전해 폴리싱 (Electrolytic Polishing)

전해 폴리싱은 공작물을 양극으로 한 상태에서 전해액 속에 넣고 전기를 통해, 공작물의 거칠게 튀어 나온 부분을 용출작용으로 제거함으로써 평활한 면으로 다듬는 가공법이다.

주로, 스테인리스 강, 구리, 알루미늄 및 그 합금 등의 다듬질에 적용된다.

전해액은 황산, 인산 등 점성이 있는 액체가 사용되며, 점성을 높이기 위해 글리세린, 젤라틴, 한천 등을 첨가하기도 한다.

가공 변질층이 없으며, 선재나 박판의 연마가 가능하고, 연질 금속의 경면 다듬질이 용이하며, 여러개의 공작물을 동시에 가공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 가공면은 금속 산화물이 부착하여 내부식성이 강해진다.

반면에, 연마량이 작아 깊은 흠집은 제거되지 않으며, 모서리가 둥글게 되고, 불순물이 많은 주철이나 대형 공작물에는 적용할 수 없는 단점이 있다.

2) 전해 가공 (Electro-chemical Machining : ECM)

전해 가공은 전해 연마의 전기 화학적 반응을 보다 크게 하기 위해 기계적 작용을 추가하여, 내열강, 초경합금, 고장력강 등과 같이 일반 절삭 가공으로는 가공하기 어려운 공작물의 구멍 뚫기, 형조각 등의 가공을 하는 방법이디.

방전 가공과 유사하지만, 공작액이 절연액이 아닌 전해액이고, 사용 전류가 직류라는 점 등이 다르다.

수십 m/분 의 속도로 흐르는 알칼리성의 전해액(소금, 또는 질산염 용액) 속에서, 가공물을 양극, 가공할 형상으로 만든 공구를 음극으로 하고, 공구를 가공물과 간격 0.02~0.7 mm 정도를 유지하면서 계속 이송시켜, 가공물을 공구 형상대로 전사 한다.

금속 재료의 전기화학적 용해에는 그 진행을 방해하는 양극 생성물인 금속 산화물막이 생기는데 이를 흐르는 전해액으로 제거하면서 가공하므로 능률적인 가공이 가능하다.

직류 전압 5~20V 수준으로 하며, 단위 시간당 가공량은 30~170 kg/min 정도이다.

가공 능률은 공작물의 경도와는 무관하며, 표면 조도는 1~20 μ Rmax, 가공 정도는 0.1~0.3mm 수준까지 얻을 수 있다.

전해 가공의 주요 특징은 다음과 같다.

- 경도가 크고 인성이 큰 재료에도 적용이 가능하다.

- 복잡한 3차원 형상도 공구 자국이나 버(burr) 없이 쉽게 가공할 수 있다.

- 열이나 힘의 작용이 없으므로 금속적인 결함이 생기지 않는다.

- 공구인 음극의 소모가 거의 없다.

전극은 주로 강 또는 동을 사용하며, 경면(Mirror Surface)으로 가공해 사용한다.

3) 전해 연마 (Electro Chemical Grinding : ECG)

연삭 가공과 전해 가공을 조합한 형태의 가공을 말한다.

즉, 연마 숫돌을 음극, 공작물을 양극으로 한 상태에서 연삭 작업을 수행한다고 생각하면 된다.

이 방법은 전해 작용에서 생긴 산화막을 기계적으로 제거하는데 주목적이 있으며, 가공물 다듬질량의 대부분은 전해 작용에 의한다.

가공 능률은 일반 연삭 가공에 비해 4~10배 이상이 되며, 가공면은 일반 연삭면과 달리 광택이 없다.

전극 원판으로는 메탈 본드를 사용한 다이아몬드 숫돌, 금속 표면에 다이아몬드를 전착한 원판 등이 주로 사용된다.

초경 공구의 연삭에 주로 사용하며, 연마 숫돌의 마모가 매우 작아 유리하다.

4) 전해 호오닝

호오닝 머신을 그대로 사용하고, 추가로 숫돌 호울더와 공작물 사이에 전해 전류를 흐르게 한 상태에서 가공하는 것을 말한다.

알루미나계 등의 비전도성의 숫돌로 양극성 물질을 제거하면서 작업하게 되므로, 일반 호오닝 작업에 비해 단위 시간당 절삭량이 증가하고 숫돌의 마모도 감소한다.

호온의 구조상 공작물과 숫돌 호울더 사이의 간격이 넓어질 수밖에 없으므로, 극간 전압은 10~15 V 정도로 약간 크게 한다.

5) 전해 랩핑

전해 가공와 일반 랩핑을 조합한 형태로, 랩을 음극, 공작물을 양극으로 한 상태에서 랩핑 작업을 하는 것을 말한다.

비전도성 랩을 사용하는 경우에는 랩면에 전극을 파묻은 형태로 랩을 제작해 사용한다.

2.4.4 화학적 가공 (Chemical Machining)

대부분의 재료는 화학적으로 용해 및 부식시킬 수 있으며, 이런 현상을 이용한 가공법을 화학적 가공법이라 하고, 복잡한 형상, 가공면이 넓고 기계적 부하를 피해야 하는 경우 및 기계적인 지지가 어려운 공작물 등의 가공에 이용된다.

오래 전부터 녹을 제거하는 산세정, 공예에서의 부식(Etching) 및 금속표면의 광휘침지 등에 화학적 특수 가공법이 적용되었으나, 최근에는 단순하게 표면처리에 국한하지 않고 재료의 제거를 목적으로 하는 가공에도 많이 사용되고 있다.

과거에는 정도가 그다지 높지 않은 부분에 이용되었으나, 현재는 기계나 전기적으로 가공할 수 없는 재료의 정밀가공에도 많이 이용된다.

예를 들면, 정밀도가 높은 자의 눈금, 진공관 격자, 반도체 등이다.

1) 화학 절삭 가공 (Chemical Milling)

화학 절삭 가공은 교반되는 부식액 중에 가공물을 침지하거나 부식액을 가공물의 해당 부위에 분사하므로써 금속을 제거하는 가공이다.

주로, 다른 가공법으로는 가공이 어려운 아주 얇은 판이나 복잡한 형상의 오려 내기나 파내기에 적용한다.

기계적 부하가 없고 비교적 복잡한 형상도 쉽게 가공이 가능하며, 두께가 아주 얇은 항공기 스킨 등의 성형후 면삭 가공 등에도 적용이 가능하다.

단, 조대 결정립 조직을 가진 부분은 화학 절삭 가공면의 표면거칠기가 좋지 않은 단점이 있다.

부식액으로는 HNO3, NaOH, H2SO4 등을 가공재료에 적당한 배율로 혼합하여 사용한다.

가공을 필요로 하지 않는 부위는 마스컨트(Maskant : Neoporene, Vinyl, Wax 등)로 마스킹(Masking)하여 보호한다.

보통은, 전 부위를 마스킹한 후 가공할 부위의 마스컨트를 오려내 제거하는 방법을 사용한다.

1차 가공후 다시 마스컨트를 오려내고 2차 가공을 하는 방식으로 2단 이상의 단차면 가공도 가능하다.

2) 화학 연마 (Chemical Polishing)

화학연마는 일정한 온도의 강산, 약 알칼리 용액에 가공물을 단시간 담근 후 세척하여 광택을 얻는 방법이다.

화학 연마법을 많이 이용하고 있는 금속에는 동합금, 아연, 알루미늄 합금 등이 있다.

동합금의 화학연마는 인산 7ℓ, 질산 3ℓ, 초산 0.5 ~ 0.7ℓ의 혼합액 40 °C에서 행한다.

아연 및 카드뮴(Cadmium) 도금한 면을 연마하기 위해서는 0.5 ~ 0.7% 질산에 담그면 광택도 나고 내식성이 향상된다.

알루미늄의 화학연마는 순도가 높은 것은 순가성 soda, 가성 alkali, 인산, 황산으로 화학연마 할 수 있고, 순도가 낮은 aluminium 합금은 인산 1ℓ, 질산 0.5ℓ, 액온 110 ~ 120 °C, 시간 10분 또는 불소산 1 ~ 5%, 질산 5%, 시간 1 ~ 5 분의 조건에서 행한다.

2.4.5 운동 에너지를 이용한 가공

액체 또는 유리 입자의 운동 에너지를 이용한 가공법을 말한다.

단, 유리 입자를 이용하는 초음파 가공은 유리 입자를 이용한 가공에 포함시켰으므로, 여기서는 순수 액체의 운동 에너지를 이용한 특수 가공에 대해서만 설명하기로 한다.

1) 고속 액체 분사 가공 (High Speed Water Jet Cutting)

액체(주로 물 사용)를 2,000~10,000 ㎏/㎠ 정도의 아주 고압으로 가압하고, 아주 작은 구멍(0.1~1.0 mm)의 노즐을 통해 수백~수천 m/초 수준의 초고속으로 공작물에 분출시켜, 그 충돌 압력으로 가공하는 방법을 말한다.

금속, 플라스틱, 목재, 천, 암석 등 다양한 재료의 천공이나 절단에 적용된다.

단, 두꺼운 재료의 천공이나 절단시, 가공면의 표면 상태는 그다지 좋지 않다.

3.1 칩의 형성

3.1.1 칩의 형태와 종류

칩의 형태는 공작물 재질, 공구 경사각, 절삭 깊이, 절삭 속도, 절삭유제 등에 영향을 받는다.

일반적으로 칩이 공작물에서 분리되는 형태는 아래의 3가지로 구분한다 (Rosenhain, Sturney).

① 유동형 칩 (Flow Type Chip)

공구경사면을 따라 연속적으로 발생하는 형태의 칩을 말한다.

전단면(칩에 전단응력이 발생하는 면)은 거의 평면에 가까우며, 전단면 아래 부분에서는 결정 조직 변화가 거의 없고, 전단면에서 극히 심한 변형을 받게 된다.

칩은 전단면에서 변형된 후에 공구 경사면을 따라 이동하고, 공구 경사면과의 마찰로 약간 변형하는 외에는 거의 변형 없이 공구로부터 떨어져 나간다.

절삭저항과 절삭온도의 변동이 극히 적고, 가공면이 양호하므로 가능하면 유동형 칩을 발생하도록 절삭조건을 선정할 필요가 있다.

보통 연성재료를 경사각이 큰 공구로 절삭깊이를 작게하고 고속 절삭할 때 발생한다.

② 전단형 칩 (Shear Type Chip)

유동형과 열단형의 중간 형태로 공구의 진행에 따라 공작물이 압축되면서 변형되고, 어느 한계에 이르면 전단을 일으켜 칩이 분리된다.

유동형에서는 슬립현상이 균일하게 진행되는데 비해 전단형은 주기성을 갖고 변하며, 변형이 최대가 될 때 전단면에서 칩이 파단된다.

열단형보다는 절삭저항 및 절삭온도의 변화가 적고 가공면도 대체로 양호하나, 때에 따라 공구 날끝에서 공작물 내부로 향한 균열이 생기므로 가공면 거칠기가 나빠진다.

보통 어느 정도 취성이 있는 재료인 4-6 황동, 화이트 메탈 등의 절삭에서 잘 발생하지만, 경우에 따라 탄소강과 같이 유동형 칩이 잘 생기는 재료의 절삭에서도 절삭깊이가 크고 경사각이 작으면 발생할 수 있다.

③ 열단형 칩 (Tear Type Chip)

유동형과 전단형과는 달리 공구의 진행에 따라 공구 전방의 공작물이 강하게 압축되어 날끝부터 전방으로 균열이 생기고, 이어서 진행 방향 앞쪽의 어느 면에 전단이 일어나서 칩이 분리된다.

즉, 열단형 칩은 균열과 전단의 두 작용에 의하여 생긴다고 볼 수 있다.

주로 공작물의 점성으로 인하여 칩이 공구 경사면에 눌러붙어 유동하지 않기 때문에 발생한다.

균열과 파단이 반복적으로 진행되기 때문에 전단형보다 절삭저항의 변동폭이 훨씬 커져서 진동이 심하고 또 가공면에 균열의 흔적이 남기 때문에 표면 가공 상태도 매우 불량하다.

또한, 가공면에 잔류응력이 커서 시간의 경과에 따라 가공면이 변형할 수 있기 때문에 정밀 가공에는 여러 관점에서 부적합한 형상의 칩이다.

주로 순철, 순수 알루미늄, 순동 등과 같이 연성이 매우 큰 재료를 절삭할 때 공구 경사면과의 마찰이 심하여 칩이 응착하기 쉬운 조건에서 발생한다.

특히 여린 재료에서는 이 균열이 공구 날끝부터 공작물 표면까지 순간적으로 발생하게 되는데, 이것을 열단형과 구분하여 균열형 칩(Crack type chip)이라고 부르기도 한다.

일종의 취성 파괴로 볼 수 있으며, 전단형의 특별한 예로 볼 수도 있다.

균열의 흔적이 가공면에 남게 되므로 가공면이 거칠며, 보통 주철 등의 절삭에서 발생하기 쉽다.

이 균열은 공구 상면 경사각이 작으면 수평에서 상방향으로 생기지만, 경사각이 크면 균열이 하방향으로 생겨 가공면에 요철이 생기고 절삭저항도 심하게 변동한다.

실제에 있어서 칩의 형태는 명확하게 구분하기 어려운 중간형 및 복합형이 많이 발생하며, 피삭재의 고유한 성질에 의해 형태가 정해지는 경우가 많지만, 절삭조건이나 절삭유제 등으로 어느 정도 유동형에 접근시키는 것이 가능하다.

가장 이상적인 칩 처리 형태는 유동형 칩을 발생시키고, 그 칩을 칩 브레이커로 절단하는 것이라고 할 수 있다.

◆ 이외에 Ernst 의 분류에 따라 칩의 형태를 아래와 같이 3종으로 구분하기도 한다.

① 불연속형 (Discontinuous Chip)

② 연속형이며 구성인선 없는 형 (Continuous Chip Without Built-up Edge)

③ 연속형이며 구성인선 있는 형 (Continuous Chip With Built-up Edge)

3.1.2 구성 인선 (Built-up Edge)

연강, 스테인리스 강, 알루미늄 등 유연한 재료를 절삭할 때, 절삭날에 매우 단단한 물질이 부착해 가공면에 흠이 생기는 경우가 있다.

F. Schwerd는 고속 현미경 사진으로 이를 분석해 칩의 일부가 날에 부착해 이것이 실질적인 절삭을 행하고 있음을 밝혔다 (1931) .

이것을 구성인선이라 부르며, 주기적으로 발생, 성장, 분열, 탈락 의 과정을 반복한다.

주기는 매우 짧아 1/10~1/200 초 정도이고, 절삭속도가 빨라지면 감소하며, 어느 속도 이상이 되면 발생하지 않는다 (연강의 경우 약 120~150 m/min).

황삭에서 안정된 구성인선은 공구날을 보호하여 공구 수명을 연장시키는 경우가 있지만, 일반적으로 구성 인선은 가공면을 거칠게 하고 공구 수명을 단축시키는 등 절삭에 악영향을 미친다.

1) 구성인선 방지 대책

- 공구 경사각 (Rake Angle)을 크게 한다.

- 절삭속도를 빠르게 한다.

- 윤활 기능이 뛰어난 비수용성 절삭유제를 사용하여 칩과 공구 경사면간의 마찰을 줄인다.

- 칩과 친화성이 낮은 세라믹, 서멧 등의 공구 재료를 사용한다.

- 절삭 깊이를 작게하고, 이송 속도를 빠르게 한다.

- 공작물을 가열하여 온도를 높인 상태에서 가공한다.

3.2 절삭 저항과 기계 가공 동력

3.2.1 개요

피삭성은 피삭재의 깍기 쉬운 정도라고 할 수 있으며, 일반적으로 절삭 저항의 크기에 따라 결정된다.

금속 재료의 피삭성은 일반적으로 그 금속의 현미경 조직과 경도에 영향을 받지만, 보통 현미경 조직보다 경도에 대한 정보가 얻기 쉬우므로 경도가 절삭 속도 결정을 위한 일반적인 기준으로 활용된다.

단, 경도가 유사하더라도, 현미경 조직이 다르면 피삭성에 차이가 있을 수 있으므로 유의할 필요가 있다.

예를 들어, 세밀한 펄라이트 조직과 템퍼링한 마르텐사이트 조직은 경도는 유사하지만 현미경 조직은 다르며 피삭성에도 차이가 있다.

또한, 동일한 재료라도 피삭성에 차이가 있는 경우도 있다.

예를 들어, 열간 압연 또는 단조된 강재의 경우, 내부보다 외부의 경도가 높고, 입자 배열 방향(Grain Direction)에 따라서도 피삭성에 차이가 있으며, 주물의 표면 스케일부는 내부에 비해 절삭이 훨씬 어렵다.

3.2.2 절삭 저항 (Cutting Resistance)

절삭은 공구와 피삭재의 상대 운동으로 피삭재가 탄성변형, 소성변형을 거쳐 칩의 형태로 제거하는 과정이며, 이 과정에서 공작물로부터 공구에 작용하는 힘을 절삭 저항이라 한다.

피삭재의 기계적 성질로부터 이론적으로 절삭 저항을 구하기 위한 연구는 많이 행해지고 있으나, 아직 정설로 인정받을 수 있는 완전한 이론 개발은 되어 있지 않다.

절삭 저항의 크기는 피삭재의 재질 뿐 아니라, 공구의 기하학적 형상, 절삭유제 등에 따라서도 달라진다.

1) 절삭 저항의 구분

외경 선삭 가공 기준시, 절삭 저항은 다음과 같이 3개의 분력으로 구분할 수 있다.

① 주분력 (Principal Cutting Force : F1)

회전축과 직각 방향의 분력,즉 절삭 방향의 분력으로 주 절삭 저항이 된다.

일반적으로 절삭 속도는 이 방향 속도를 의미하며, 전체 절삭 에너지의 약 99%가 주분력을 극복하고 절삭 가공을 수행하는데 소요된다.

② 이송력 (Feed Force : F2)

회전 중심축과 평행한 방향의 분력, 즉 이송 방향의 분력이다.

이송 속도, 공구 형상 등에 따라 차이가 있지만 주분력의 약 10~20 % 정도의 크기가 된다.

이송 속도는 절삭 속도에 비해 상대적으로 느리므로, 전체 절삭 에너지의 약 1% 정도만이 이송에 사용된다.

③ 배분력 (Radial Force : F3)

가공면에 대하여 반경 방향 분력, 즉 절삭 깊이 방향의 분력이다.

공구 형상, 절삭 조건 등에 따라 차이가 있지만 주분력의 약 20% 정도 크기가 된다.

반경 방향으로는 공구 움직임이 없으므로 소비 에너지는 없다.

2) 공구의 기하학적 형상에 따른 영향

공구의 기하학적 형상은 절삭 저항 뿐만 아니라, 칩의 형상,크기,발생 상태 등에도 영향을 미친다.

특히, 공구의 윗면 경사각(Back Rake Angle)과 측면 경사각(Side Rake Angle)은 절삭 깊이가 아주 작은 경절삭이 아닐 경우 절삭저항, 전단각, 칩의 형태를 결정하는 주요 인자가 된다.

일반적으로 절삭 저항은 Side Rake Angle이 1° 커질 때마다 약 1%씩 감소한다.

경사각이 작아지면 절삭저항, 절삭동력, 마찰 등이 커지고 결과적으로 두껍고 불규칙한 고온의 칩이 발생한다.

이런 면에서 경사각은 클수록 유리하지만, 커질수록 날끝 강도가 약해지는 단점이 있다.

중절삭, 단속 절삭에 견딜 수 있도록 날끝 강도를 강화할 필요가 있거나, 경도가 높고 깨지기 쉬운 세라믹등의 공구 재료에서는 음의 값(Negative Rake Angle)으로 사용하는 경우가 많다.

3) 절삭 저항의 측정

절삭 저항의 측정법은 이미 1900년경부터 주축 구동 모터에 걸리는 부하를 측정하는 방법이 사용되었다.

요즘은, 전자 기술의 발달과 새로운 검출 소자의 개발로 공구 동력계(Tool Dynamometer)가 절삭 저항의 측정에 주로 사용되고 있다.

현재 실용화되어 있는 대부분의 공구동력계는 변형 게이지(Strain Gauge)나 압전 소자(수정 등)를 검출기로 사용한다.

각 절삭 분력을 측정할 수 있도록 여러개의 검출기가 조합되어 사용된다.

3.2.3 기계 가공 동력

기계 가공 동력은 일반적으로 아래의 식으로 계산된다.

Hpm = Hpc / E

= MRR * Fc / E

위의 식에서 각 기호의 의미는 아래와 같다.

Hpm : 기계 동력 (주축 모터에 걸리는 부하 동력 )

Hpc : 실지 절삭에 소요되는 동력 (절삭 동력 = MRR * Fc)

MRR (Material Removal Rate) : 단위시간당 절삭량

Fc : 단위 절삭량당 소요 동력 (피삭재 재질 및 가공 특성에 따라 정해짐)

E : 공작 기계 효율 계수

1) 공작 기계 효율 계수 (E)

공작기계 주축의 동력 전달 효율로 볼 수 있으며, 동력 전달 방식에 따라 결정된다.

동력 전달 방식	효율 계수(E)	비 고
주축 직접 연결 구동	0.9
벨트 구동	0.85	2중 연결시 : 0.85 * 0.85 ≒ 0.7
기어 구동	0.75
Oil 유압 구동	0.6~0.9

2) 단위 절삭량당 소요 동력 (Fc)

단위 시간당 절삭량이 1cm³/sec 일 때 소요되는 단위 동력(Kw 또는 마력으로 표시)으로 피삭재 재질, 작업 종류, 절삭유제, 상면 경사각, 칩 브레이커 형상 등에 영향을 받는다.

◆ 피삭재 재질에 따른 계수

어느 특정 피삭재를 기준으로 한 값에 대한 상대값으로 표시한다.

단, 어떤 재료를 기준으로 하느냐에 따라 차이가 있으므로 상대적인 가공 난이도로 보면 된다.

아래 표는 HB 350 수준의 강 재료를 기준으로 한 값에 대한 상대값이다.

피삭재	재질 계수	비 고
알루미늄 합금	0.25	HB 350 강 기준 상대값
순동	0.9
황동	0.5
주철	0.4

◆ 작업 종류에 따른 계수

절삭 가공 작업 종류에 따른 가공 난이도 계수를 말한다.

작업 종류		계수	비고
선삭	정삭	1.1
	황삭	1.3
	중절삭	1.6~2
밀링	엔드밀	1.1
	정면 밀링	1.1~1.25
	중절삭	1.3~1.6
드릴	일반	1.3
	난삭재	1.5

3.2.4 고속 가공의 영향

고속 가공에서는 절삭 속도의 증가에 따라 보다 높은 절삭 온도가 되며 높은 전단 변형으로 인하여 발생하는 단열 전단(Adiabatic Shear)현상으로 피삭재가 국부적으로 연화(Softening)되어 전단 강도가 상온에서보다 훨씬 작아지며, 고온 고압으로 인하여 국부적으로 피삭재가 유체 거동(Hydrodynamic Behavior)하는 양상을 보이게 된다.

그 결과, 칩의 유동이 보다 원활해지고, 절삭 저항이 감소하며, 그로 인한 절삭력의 감소로 공구의 휨이 작아져 정밀 가공과 얇은 부품의 가공이 가능하게 된다.

또한 가공 변질층의 두께가 얇아져 표면 품질이 향상되고, 절삭력의 감소로 인한 전단각의 증가로 칩의 배출속도가 절삭속도보다 크게 되어 칩의 배출이 원활하게 되고 버(Burr)의 발생이 억제된다.

1) 고속 가공의 적용

고속 가공의 적용 목적은 가공의 효율성을 추구하는 고능률 가공과 가공표면의 정밀성을 추구하는 고품위 가공으로 구분할 수 있다.

고능률 가공은 가공속도와 함께 이송을 증가시킴으로써 재료 제거율을 극대화시켜 가공 시간을 단축시키는 것을 말한다.

반면에, 고품위 가공은 고속 가공과 함께 공구 경로의 간격 (Peak Feed 또는 Pitch)이나 이송률을 감소시킴으로써 최종 표면에 남는 커습 높이 (Cusp Height)를 최소화시켜 표면거칠기를 좋게 하는 것을 의미한다.

2) 모멘텀 효과 (Momentum Effects)

절삭 속도가 빨라질수록 달라지는 것 중의 하나가 모멘텀 효과에 의한 영향이다.

모멘텀 효과는 저속 가공에서는 큰 영향이 없지만, 고속 가공에서는 무시할 수 없는 크기가 된다.

D'ALEMBERT 힘으로 불리는 모멘텀력은 전단면에서 칩의 모멘텀을 바꾸기 위한 힘이다.

모멘텀력의 크기는 다음과 같다

Fm = pbtV * Vs

위의 식에서 각 기호의 의미는 아래와 같다.

V : 절삭 속도

Vs : 전단속도 (Shear Velocity : 칩 배출 속도로 보면 됨)

p : 밀도

btV : 단위 시간당 제거되는 칩의 부피

윗식에서 전단속도 Vs는 전단각 'a' 와 경사각 'ψ'를 이용하여 아래와 같이 나타낼 수 있다.

Vs = V * (cos (a) / cos (ψ-a))

이 관계식을 이용하여 모멘텀력을 표현하면 아래와 같다.

Fm = p * ( (V² * bt) * cos (a) / cos (ψ-a))

다시 모멘텀력에 의한 단위체적당 모멘텀 에너지를 계산하면 아래와 같다.

Um = Fm * Vs / Vbt = p * V² * (cos (a) / cos (ψ-a))²

위의 식들에서 보는 것처럼 모멘텀력과 모멘텀 에너지의 크기는 가공속도의 제곱에 비례한다.

저속가공에서는 영향이 무시될 수 있는 작은 크기지만, 고속가공에서는 매우 큰 값을 갖게 된다.

예를 들어, 절삭 속도 10,000 m/min 에서는 모멘텀 에너지가 절삭에너지의 10% 정도지만, 30,000 m/min의 절삭 속도에서는 절삭에너지와 거의 같은 크기가 된다.

그러므로 고속 가공에서는 비 절삭에너지(Specific Energy)에 모멘텀 에너지가 더해진 에너지가 가공에 소요된다.

즉, 고속가공에서는 절삭 저항은 작아지지만, 절삭 가공에 소요되는 에너지는 더욱 커진다.

3.3. 절삭 온도

3.3.1 절삭열의 발생

절삭가공에서는 여러가지 원인에 의해 열이 발생된다.

실지로 통상적인 속도의 절삭 속도에서는 절삭에 소요된 에너지의 거의 대부분이 열로 변환된다.

전단면에서의 소성 변형, 칩과 공구 경사면의 마찰, 공구 여유면과 가공면과의 마찰 등이 절삭열을 발생시키는 대표적인 요인이라고 할 수 있다.

이런 절삭가공에서 발생한 열은 60% 이상이 칩으로 빠져나간다.

절삭속도가 빨라질수록 칩으로 빠져나가는 절삭열의 비중은 커지며, 고속 가공에서는 그 비중이 90% 이상이 된다.

나머지 절삭열이 공구와 공작물의 온도를 상승시키게 되며, 비율은 보통 일반적인 절삭속도에서 공구 약 10% , 공작물 약 30% 정도이다.

일반적으로 절삭열은 공구의 경도 저하로 인한 공구 마모 속도 증가, 공작물의 열팽창으로 인한 가공 칫수 정도 저하 등 절삭 가공에 나쁜 영향을 미친다.

특히, 절삭온도가 높아지면 공구 수명은 급속하게 짧아진다.

3.3.2 절삭온도에 영향을 미치는 인자

1) 절삭 속도

일반적으로 절삭 속도가 빨라지면 절삭 온도도 상승하며, 그로 인한 공구의 고온 경도 저하 문제로 공구 재료에 따라 최대 사용 가능 절삭 속도는 크게 제약을 받는다.

예를 들어, 고속도강 공구의 경우 철계 피삭재 가공시, 절삭 속도 25 m/min 이상의 조건에서는 사용이 어렵다.

◆ Saloman의 가설

독일의 Carl Saloman은 1931년 절삭속도와 절삭온도의 관계에 대해 아래과 같은 가설을 제시했다.

① 절삭속도가 증가함에 따라 절삭공구의 온도와 마모는 어떤 특정값에 도달할 때까지 증가한다.

② 그리고, 그 특정 영역을 지나면 절삭 속도가 증가함에 따라 절삭 온도와 공구 마모는 감소한다.

Saloman의 이 가설은 어느 임계 절삭 속도 이후에는 절삭 속도가 증가할수록 공구의 온도가 감소하므로 공구의 마모도 감소한다는 것을 의미하며, 고속 가공에 대한 이론적 근거로 활용되어 왔다.

그러나, 현재는 이 가설이 실지 고속 가공에서 그대로 적용되지 않는다는 실험 결과나 논문이 많이 발표되고 있어 정설로 인정받지 못하고 있다.

예를 들어, 알루미늄 합금을 고속으로 가공할 수 있는 것을 Saloman의 가설이 옳기 때문이 아니라, 알루미늄 합금의 용융 온도가 절삭 공구의 마모가 심각하지 않은 온도 영역 이하이기 때문이라는 주장 등이다.

즉, 가공속도가 증가함에 따라 절삭온도는 증가하여 피삭재의 용융 온도에 접근하게 되며, 그 이상의 절삭속도에서는 절삭온도가 증가하지 않으므로, 상대적으로 단위 공구 마모량에 대한 가공량이 증가하게 된다는 것이다.

실지로 알루미늄 합금 가공의 경우, 알루미늄의 용융 온도인 657℃에서는 고속도강의 경우도 어느 정도 경도가 유지되므로, 공작 기계가 견딜 수만 있다면 고속도강 공구로도 절삭 속도를 거의 무한대로 하는 것이 가능하며, 알루미늄 합금에 대해서는 고속 절삭이 오래전부터 적용되어 왔다.

반면에 용융온도가 높은 피삭재의 경우에는 고온에서의 공구 마모 문제로 고속 가공 적용이 어렵다.

예를 들어, 철계 재료의 경우 일반 고속도강이나 초경 공구로는 고속 가공이 불가능하며, 고속 가공을 위해서는 철계 재료의 용융온도 부근에서도 어느 수준의 경도가 유지될 수 있는 CBN 공구 등을 적용해야 된다.

- CBN은 1000℃ 에서도 HB200 정도의 경도가 유지됨.

2) 피삭재의 경도

일반적으로 피삭재의 경도가 높을수록 절삭온도는 높아진다.

즉, 단단할수록 절삭온도가 높아지고, 절삭가공도 그만큼 어려워진다.

실지 절삭온도는 피삭재의 경도 뿐 아니라 현미경 조직 등 피삭재의 다른 특성에도 영향을 받지만, 보통은 경도에 대한 정보가 얻기 쉬우므로, 피삭재의 경도가 절삭 온도 예측을 위한 기준으로 활용된다

예를 들어 절삭속도 30 m/min 일 경우, 피삭재 경도가 'HB 250'에서 'HB 400'로 높아지면 절삭온도는 500 ℃에서 650℃ 정도로 상승한다.

3) 공구 경사각 (Rake Angle)

일반적으로 공구 경사각이 커지면, 절삭온도가 내려가고 절삭 가공이 쉬워진다.

예를 들어, 공구 경사각 5° 에서 절삭온도가 600 ℃ 였다면, 경사각이 25° 로 커지면 절삭온도는 400℃ 정도로 내려간다.

단, 공구 경사각이 커질수록 공구 인선이 약해지므로, 피삭재 재질, 작업 특성 등에 따라 결정할 필요가 있다.

4) 이송 속도

일반적으로 이송속도가 빨라지면, 절삭온도도 올라간다.

예를 들어 절삭속도 100 m/min 일 경우, 이송속도 0.05 mm/회전에서 절삭온도가 600 ℃ 였다면, 이송속도가 0.4mm/회전으로 빨라지면 절삭온도는 1000 ℃ 정도로 올라간다.

단, 이송률은 표면 거칠기와도 관계가 있으므로 요구 표면 조도, 절삭 속도 등에 따라 결정할 필요가 있다.

5) 절삭 깊이

일반적으로 절삭 깊이가 커지면, 절삭온도도 올라가지만, 어느 한계 이상으로 절삭 깊이가 커지면 절삭 온도 상승이 둔화된다.

공구 마모 측면에서 보면, 단위시간당 절삭량(MRR)을 크게 하기 위해서는 절삭 속도나 이송률에 비해 절삭 깊이를 크게하는 것이 유리하다.

6) 절삭유제

절삭유제의 1차 기능은 냉각 작용과 윤활 작용이며, 두 기능 모두 절삭 온도를 낮추는데 기여를 한다.

저속 영역에서는 냉각 효과가 별로 없으며, 수용성 절삭유제가 비수용성에 비해 절삭 온도를 낮추는데 더 유리하다.

단, 고속 영역의 단속 절삭에서는 열 충격으로 인한 공구 피로 파괴 문제로 사용에 제한을 받는다.

3.4 공구 수명

3.4.1 개요

각 작업 조건에 따라 공구 수명에 대한 기준은 다르게 적용할 필요가 있으므로, 공구 수명을 한마디로 명확하게 정의하는 것은 간단하지 않다.

다만, 일반적으로 새 공구로 가공을 시작한 후 만족스러운 제품을 가공할 수 없게 되었을 때까지를 공구 수명이라고 할 수 있다.

예를 들면, 정삭 작업에서는 표면거칠기나 가공 정밀도 문제가 없을 때까지, 황삭 작업에서는 공구가 파손되기 전까지를 공구 수명으로 볼 수 있으며, 경우에 따라 공구 재연마 사용 횟수를 늘리기 위해, 공구 수명을 약간 짧게 관리할 필요도 있다.

일반적으로 다른 조건이 동일하다면 공구 수명은 절삭속도, 이송률, 절삭깊이의 순서로 영향을 받는다.

3.4.2 테일러의 공구 수명식

공구 수명 판정 기준에 관계없이, 일반적으로 다른 모든 조건이 동일하다면 절삭 속도 증가에 따라 공구 수명은 급격하게 감소된다.

Taylor는 1907년 공구 수명과 절삭 속도가 아래 식과 같은 관계를 가짐을 밝혔다.

V Tⁿ = C_t

V : 절삭 속도 (m/min)

T : 공구 수명(분)

C_t : 피삭재와 공구 재질, 절삭 깊이, 이송률, 절삭유제 등에 따른 정수

n : 피삭재와 공구 재질 등에 따른 정수(일반적인 절삭에서 1/5~1/10 수준)

윗식에서 보는 것처럼 생산성을 올리기 위해 절삭속도를 올리면, 공구 수명이 급속하게 줄어들게 되므로 공구비용과 공구 교체 시간이 증가한다.

요구 사이클 타임 등의 문제로 불가피한 경우도 있지만, 제조 원가를 최소한으로 할 수 있는 경제적 절삭 속도를 찾아 적용하는 노력이 필요하다.

적절한 공구 재료의 선정, 절삭 조건의 결정은 생산성이나 제조 원가에 큰 영향을 미친다.

3.4.3 공구 손상의 분류

공구 손상은 마찰이나 충격, 진동 등 기계적 원인에 의한 마모와 열적, 화학적 작용에 의한 마모로 구분할 수 있으나, 실지 마모는 여러 가지 요인이 복합적으로 작용하여 발생하게 된다.

정상 마모의 대표적인 형태는 여유면 마모(Flank Wear)와 크레이터 마모(Crater Wear) 두가지로 구분할 수 있으며, 일반적으로 여유면 마모는 기계적 원인, 크레이터 마모는 열적, 화학적 작용의 영향을 더 많이 받는다.

1) 열적, 화학적 작용으로 인한 마모의 구분

- 열확산 : 고온으로 인한 열진동에 의해 공구와 피삭재의 구성 성분이 서로 혼합되는 현상

- 용착 : 피삭재가 재결정 온도 이상으로 가열되어 공구면에 응착

- 압착 :재결정 온도 이하의 피삭재가 절삭시의 높은 압력으로 공구면에 응착

- 화학적 반응에 의한 마모 : 고온에서 공구재, 피삭재, 절삭유제(특히, 극압첨가제)의 화학적 반응

산화, 유,염화유의 부식 작용 등으로 마모 증대

- 전기 화학적인 마모 : 고온에서 공구재, 피삭재 중의 불순물로 인해 발생한 기전력으로 화학 반응

이 촉진되어 마모 속도 증가

- 기타 열 피로(Thermal Fatigue), 열 균열(Thermal Crack) 등

2) 공구 마모 형태별 구분

① 여유면 마모 (Flank Wear)

공구 여유면 랜드부에 생기는 마모를 말한다.

대표적인 정상 마모의 형태로 육안으로 쉽게 관찰이 가능해 일반적으로 공구 교환 시기에 대한 판단 기준으로 사용된다.

예) ANSI B94.55M-1985 Specification for Tool Life Testing with Single-Point Tools

- 공구 여유면 마모로 공구 수명 정의

경우에 따라 다르지만 일반적으로 마모 폭이 정삭시 0.1~0.2 mm, 황삭시 0.5~1.0 mm 정도면 교환해 주는게 좋다 (아래 '공구 수명 판정 기준' 참조).

여유각(Relief 또는 Clearance Angle)이 클수록, 즉 공구 날끝이 날카로울수록, 여유면 마모 속도를 줄일 수 있으나, 날끝 강도가 약해져 파손 위험이 증가한다.

고경도 피삭재, 중절삭, 취성이 있는 고경도 공구 재료일 경우 작은 각으로 하고, 연한 피삭재, 경절삭, 인성이 우수한 공구 재료일 경우 큰 각으로(날카롭게) 하는 것이 좋다.

예) 공구 재료와 피삭재에 따른 여유각 적용 예

공구 재료	피삭재	여유각	비 고
고속도강	일반 피삭재	8°~12°	일반강, 주철
	고경도 피삭재	6°~8°
	연한 피삭재	12°~16°	구리, 알루미늄 합금, 페라이트계 가단주철 등
초경	일반 피삭재	5°~10°
	고경도 피삭재	5°~7°
	연한 피삭재	8°~14°

- 특히 스테인리스강 등 질긴 재질일 경우 표면거칠기 개선을 위해 크게 할 필요가 있다.

② 크레이터 마모 (Crater Wear)

절삭날 윗 경사면(Rake)에 생기는 분화구 형태의 마모를 밀한다.

보통 피삭재가 Crater 하단부에 용착되어 마모 상태 파악이 어려운 경우가 많다.

불가피한 정상 마모의 형태로 볼 수 있으나, Crater 성장 속도가 너무 빠를 경우 절삭 조건 등을 변경할 필요가 있다.

③ 칩핑 (Chipping :날끝 미세 결손)

기계적 충격으로 날끝이 미세하게 이빨 빠진 형태로 파손되는 경우를 말한다.

취성이 있는 고경도 공구로 단속 절삭할 경우 주로 발생한다.

칩핑 방지를 위해서는 상면 경사각을 음의 값으로 하는 것이 유리하다.

예를 들어 초경 엔드밀을 고속도강 엔드밀의 형상과 같이 상면 경사각을 양의 값으로 제작해 사용하면 고속가공시 칩핑이 발생하기 쉽다.

일반적으로 양의 상면 경사각은 공구인선을 예리하게 하며 절삭성이 좋아지고 절삭저항이 낮아지게 되어 절삭열의 발생도 억제할 수 있다.

그러나, 초경합금은 고속도강에 비해 경도, 내열성에서는 우수하지만 인성이 낮기 때문에 고속도강 엔드밀의 형상을 그대로 초경 엔드밀에 적용하면 고속 가공시 칩핑이 발생하기 쉽다.

따라서, 고속 가공용 초경 엔드밀은 상면 경사각을 음의 값으로 제작하여 공구인선의 강성을 증가시켜야 칩핑의 발생을 억제할 수 있다.

그러나, 상면 경사각을 음으로 하면 절삭성이 나빠지므로, 절삭성의 향상을 위하여 보통 비틀림각(Helix Angle)을 증가시키는 등의 방법을 같이 사용한다.

④ 결손 (Scratching)

칩핑보다 약간 큰 형태로 날끝이 파손되는 경우를 말한다.

⑤ 파손

절삭날 전체의 파손을 말한다.

⑥ 박리 또는 분리 (Cracking)

공구의 표피가 벗겨지는 형태로 떨어져 나가는 것을 말한다.

⑦ 소성변형 (Deformation)

절삭시의 고온으로 날끝이 소성변형을 일으키는 것을 말한다.

⑧ 균열

열 충격 등으로 공구에 금이 가는 것을 말한다.

⑨ 완전손상

공구가 완전 손상되는 것을 말하며, 공작물이나, 공구 호울더까지 같이 손상될 수 있으므로 가능한 발생하지 않도록 할 필요가 있다.

3.4.4 공구 수명 판정 기준

공구가 어느 수준 이상으로 마모되면 절삭 저항이 증가하고 가공 정도 및 표면 거칠기가 저하되며 절삭 온도도 상승하는 등 절삭 가공에 나쁜 영향을 미치므로, 공구 교체 시기 결정을 위한 공구 수명 관리는 아주 중요하다.

특히, FMS 등 무인화된 자동화 라인은 가공 상태를 감시하는 작업자가 없는 경우가 많아 공구 수명 관리가 필수적이라고 할 수 있다.

1) 공구 수명 판정 방법

공구 교체 시기 판단을 위한 공구 수명 판정 방법은 여러 가지가 있다.

각 공장별로 처한 상황에 따라 적합한 방법을 찾아 현실적인 기준을 정하고 적용할 필요가 있다.

한 공장 내에서도 장비별, 공정별로 다르게 적용할 필요도 있으며, 작업 조건에도 많은 영향을 받게 되므로 작업 표준화와 병행해서 검토하는 것이 유리하다.

① 사용 시간 또는 가공 개수

일반적으로 무인 자동화 라인에 적용하기 용이한 공구 수명 판정 기준이라고 할 수 있다.

단, 사용 조건에 따라 공구 수명이 영향을 받게 되므로, 충분한 사전 공구 수명 조사가 선행되어야 한다.

정삭 여유 등 절삭 조건, 공구 재료 및 공구의 기하학적 형상, 절삭유제 등도 공구 수명에 큰 영향을 미치므로 공구 수명 조사와 함께 제조 원가를 고려한 최적의 조건을 찾는 노력도 병행할 필요가 있다.

② 절삭 동력 (주축 모터 부하 또는 공구 동력계)

공구 마모가 진행되면 일반적으로 절삭 저항이 커지고, 주축 모터에 걸리는 부하도 증가한다.

물론, 공구가 완전히 파손되어 공회전 상태가 되면 주축 부하는 급격하게 감소한다.

보통은 새 공구를 설치한 상태에서 가공 개시부터의 시간 경과에 따른 주축 모터 부하 변화를 CNC에 기억시켜 두고, 다음 제품부터는 기억된 주축 모터 부하 전류와의 차이값으로 공구 마모 상태를 감시하도록 하는 방법을 사용한다.

예를 들면 기억된 주축 모터 부하 전류값과 몇 % 이상 차이가 날 경우(이 기준은 사전에 설정), 공구 이상으로 판단하도록 하는 등의 방법이다.

단, 절삭 깊이가 아주 작은 정삭 등의 경우, 주축 모터 부하 변동이 작아 적용이 어렵고, 가공량이 일정치 않은 주물이나 단조품의 표피 제거 가공시 등도 적용이 어렵다.

주축 모터 부하 대신, 압전 소자나 변형 게이지(Strain Gauge)로 절삭 저항을 직접 측정할 수 있도록 한 공구 동력계(Tool Dynamometer)를 사용하는 경우도 많이 실용화되고 있다.

③ 다듬질면 상태

공작물의 표면 상태를 육안으로 보고 공구 상태를 판단하는 방법이다.

작업자가 가공 상태를 계속 감시할 수 있는 범용 장비 작업 등의 경우에 적용할 수 있다.

④ 마모량

일반적으로 육안으로 쉽게 관찰이 가능한 여유면 마모량을 공구 교환 시기에 대한 판단 기준으로 사용한다.

다만, 공구 마모는 정상적인 사용조건에서 일정한 속도로 증가하는 경향을 보이지만, 저속에서는 약간 다른 형태로 마모가 진행될 수 있으므로 마모 정도를 공구 교체 시기 판단 기준으로 활용시 신중하게 결정할 필요가 있다.

예를 들어, 고속도강 드릴 사용시 어느 정도 마모가 진행된 상태에서 오랫동안 더 이상 마모가 진행되지 않는 상태가 지속되는 경우가 많다.

또한, 공구 마모량을 공구 교환 시기에 대한 판단 기준으로 사용할 경우, 재연마 사용 가능 횟수 등도 같이 고려해야 된다.

예를 들면, 정삭 엔드밀의 경우 공구비 절감을 위해 재연마 사용 가능 횟수를 최대한 늘릴 필요가 있으며, 이를 위해 재연삭량을 0.02mm로 관리한다면, 그에 따른 여유면 마모 허용 기준을 정해주어야 된다.

⑤ 공작물 치수 변화

공작물의 치수 변화로 공구 상태를 판단하는 방법이다.

일반적으로 작업자가 가공 작업중 공작물의 치수를 쉽게 직접 측정할 수 있는 경우에 적용한다.

예를 들면, 한계 게이지를 이용한 나사의 측정, 또는 실린더 게이지를 이용한 리이머나 보링바 가공 구멍 등이 될 수 있다.

무인 자동화 라인의 경우는 공작 기계에 자동 측정 기능 등을 부착해 측정하거나, 시스템 구성 장비에 3차원 측정기(Coordinate Measuring Machine)를 포함시키는 등의 방법을 사용한다.

⑥ 진동

절삭 가공시의 진동이나 소리로 공구 상태를 판단하는 방법이다.

일반적으로 작업자가 가공 상태를 감시할 수 있는 경우는 경험이나 감각을 이용한다.

근래에는 무인 자동화에 적용하기 위해 가공중 발생하는 초음파(Acoustic)로 가공 상태를 감시하는 방법도 시도되고 있다.

⑦ 공구 파손

공구가 파손될 때까지를 공구 수명으로 하는 방법이다.

단, 공구가 파손될 때까지 사용할 경우 공구 파손시 공작물이 손상될 수 있고, 공구 호울더도 같이 파손될 수 있으므로 파손 전에 교체해 줄 수 있도록 하는 방법을 찾아 적용하는 것이 좋다.

2) 공구 손상 기준

공구 손상에 대한 기준은 일반적으로 여유면 마모량과 크레이터 마모량이 사용된다.

- ISO와 JIS의 공구 손상 판정 기준 단위 : mm

구 분	ISO		JIS		비 고
여유면 마모 폭 (VB)	고속도강	완전 파손	정밀 경절삭	VB=0.2
	초경 균일마모	VB=0.3	특수강 절삭	VB=0.4
	초경 불균일 마모	VBmax=0.5	주철, 강	VB=0.7
			보통주철, 황삭	VB=1 ~ 2.5
경사면 마모 깊이 (KT)	초경공구	KT=0.06+0.3F	KT=0.05 ~ 0.1

3.5 절삭 조건

일반적으로 절삭 조건이라고 하면 절삭속도, 이송률, 절삭 깊이의 세가지 항목을 말한다.

3.5.1 절삭 속도

일반적으로 절삭 속도는 공구와 공작물이 접촉하고 있는 점에서의 상대 속도를 말한다.

절삭 온도는 절삭 속도에 직접적인 영향을 받게 되므로, 피삭재 재질, 공구 재료, 작업 특성 등에 따라 절삭 속도를 결정할 필요가 있다.

절삭속도가 'V', 공작물 직경이 'D'인 선삭 가공의 경우, 주축 회전수 'N'은 아래 식으로 계산할 수 있다.

N = 1000V / πD

또는, 주축 회전수와 공작물 직경값으로 절삭 속도를 계산하면 아래식이 된다.

V = πDN / 1000

예1) 외경 100 mm인 공작물(SM45C)의 외경을 초경 공구로 황삭시 필요 주축 회전수는 ?

- 절삭 속도 120 m/min 으로 계산

- N = 1000 * 120 / (3.14 * 100) = 382 (rpm : rev/min)

공구가 회전하는 밀링 가공이나, 드릴 가공에서는 공작물 직경 대신 공구 직경값을 사용해 같은 방법으로 계산할 수 있다.

예2) 지름 35 mm 고속도강 드릴로 SM45C 재질 공작물에 구멍 가공시 필요한 주축 회전수는 ?

- 절삭 속도 25 m/min 으로 계산

- N = 1000 * 25 / (3.14 * 35) = 227 (rpm)

3.5.2 이송률

공구가 이동하는 속도를 말한다.

단위는 공작물이 회전하는 선삭에서는 공작물 일회전당 이동거리(mm/rev), 공구가 회전하는 밀링 가공에서는 분당 이동거리(mm/min)를 사용하는 것이 일반적이다.

이송률은 표면 거칠기에 직접적인 영향을 미치므로 요구 표면 조도에 따라 제약을 받는다.

예를 들어 인선 반경 'R'인 공구로 선삭 가공시, 커습 높이(Cusp Height 또는 Scallop Height) 'H'로 가공할 경우, 주축 1회전당 이송률 'Frev'는 아래 식으로 계산할 수 있다 (상대적으로 값이 작은 'H'의 제곱은 무시하고 계산한 식임).

Frev = SQRT (8RH)

주축 회전수가 'N'이라면, 분당 이동거리로 표현한 이송률 'Fmin'은 윗식의 'Frev'에 회전수 'N'을 곱한 값이 된다.

Fmin = Frev * N

예) 인서트 인선 반경 0.8 mm, 주축 회전수 1000 rpm, 커습 높이 0.005 mm로 할 경우 이송률은 ?

- Frev = SQRT (8*0.8*0.005) = 0.18 (mm/rev)

- Fmin = N * Frev = 1000 * 0.18 = 180 (mm/min)

밀링 가공에서도 공구의 날수만 추가로 곱해 주면 유사한 방법으로 계산할 수 있다.

윗식에서 보는 것처럼 절삭 속도가 빠를수록, 공구의 날수가 많을수록 이송률을 빠르게 할 수 있다.

3.5.3 절삭 깊이

절삭 깊이가 공구 마모에 미치는 영향은 절삭 속도에 비해 상대적으로 크지 않다.

생산성을 올리기 위해서는 절삭 깊이를 가능한 크게 하는 것이 좋지만 공구 강성, 절삭 저항 등의 문제로 제약을 받는다.

예를 들어, 인서트를 이용한 선삭 가공에서는 보통 절삭 깊이를 인서트 폭의 1/3 이내로 해야 된다.

[장곡]

방대한 자료군요. 감사히 보겠습니다.

[정여산]

감사해요