이 기사는 일본 大河出版 발행 [ツ-ルエンジニア]지 1999년11월호에서 전재한 내용입니다.
플래넷 탭에 의한 암나사 가공
-동일한 공구로 호칭이 다른 나사나 바른 나사,
왼나사도 애벌구멍 바닥 가득히 나사 절삭할 수 있다-
伊藤 實朗
오 에스 지
암나사 가공 방법으로서 먼저 머리에 떠오르는 것이 탭에 의한 가공이다. 탭은 엔드밀 등의 프라이스 공구에 비하면 염가이고 사용법도 간단하기 때문에 널리 사용되고 있다. 물론, 탭도 시대의 용구에 맞추어서 장수명화, 고속화, 복합공구화하고 있다.
그러나 탭 가공에서는 탭의 챔퍼부가 암나사의 불완전 산으로 남기 때문에 애벌 구멍 가득히 나사 절삭을 할 수 없거나 M100이라는 대구경의 암나사 가공에서는 주축에 큰 토크가 걸리기 때문에 대형 설비가 필요하다. 또 탭에서는 챔퍼부의 길이나 홈 경사각 등의 시방 변경으로는 해결할 수 없는 과제가 있는 것도 사실이다.
이러한 문제를 해결하는 것이 당사의 암나사 절삭 프라이스 공구 [플래넷 탭 시리즈]다.
1. 가공의 원리
애벌구멍의 축과 평행으로 설치된 플래넷 탭은 자전운동과 공전운동을 하여서 절삭한다. 1공전 동안에 1리드분 공구를 축방향으로 보내면 암나사가 완성한다. <그림 1>에서 처럼 1공전으로 날 길이분의 암나사 절삭이 된다. 자전과 공전으로 절삭하는 모습이 혹성(PLANET : 플래넷)의 움직임과 닮았다는 것에서 상품명을 [플래넷 탭]으로 하였다.
이 플래넷 탭을 사용하는 경우는 동시 3축 제어의 헬리컬 보간이 되는 NC기능 붙이 MC(머시닝 센터), 암나사 가공 전용의 NC프로그램이 필요하다. 또 NC 프로그램을 변경하면 플래넷 탭과 같은 피치로 호칭이 다른 나사나 바른 나사, 왼 나사를 가공할 수가 있다.
2. 플래넷 탭 암나사 가공의 특징
(1) 암나사의 불완전 산이 적다
암나사를 애벌구멍 가득히 가공하고 싶다는 요청은 많고 그때는 탭의 챔퍼부 길이를 짧게 한 탭을 사용한다. 그러나 챔퍼부가 짧으면 피삭재에의 챔퍼가 나쁘고 쥐어뜯기기 쉽고 가공면도 좋지 않다. 또 칩의 형상이 나쁘고 칩이 물려들어 공구의 수명이 안정되지 않을 때가 있다.
이와 같은 트러블이 다발할 때나 피삭성이 나쁜 피삭재에 애벌구멍 가득히 나사절삭을 할 때는 암나사의 불완전 산이 1피치 미만으로 가공할 수 있는 플래넷 탭을 권장한다.
(2) 소출력에 의한 나사절삭이 가능
프래넷 탭의 1날 당 절삭은 탭보다도 작고 단속 절삭이 되다. 따라서 대구경 암나사 가공에서도 필용한 토크는 탭보다 작고 비교적 소출력인 기계에서도 가공할 수 있다.
(3) 가공면이 양호하고 트러블이 적다
암나사의 가공면은 탭 가공에 비하여 양호하다. 나사산이 크면 탭에서는 쥐어뜯기기 쉽지만 플래넷 탭에서는 이러한 일의 발생은 적다. 또 칩은 가늘게 분단되므로 칩의 물려들기, 감기기라는 트러블은 발생하지 않는다.
3. 플래넷 탭의 종류
(1) 스트레이트 홈 플래넷 탭
일반적으로 <사진 1>에서와 같은 스트레이트 홈의 플래넷 탭이 사용되고 있다. 스트레이트 홈은 사용자측에서의 재연삭이 용이하고 공구비를 낮게 억제할 수 있다. 그러나 암나사 절삭시, 공구에는 단속적으로 부하가 걸려서 고속절삭을 하면 큰 절삭음이 발생하거나 암나사의 절삭면에 금이 가거나 하는 일이 있다. 또 80mm를 넘는 긴 나사절삭에는 부하가 커서 적당치 않다.
(2) 스파이럴 홈 플래넷 탭
스파이럴 홈의 플래넷 탭을 <사진 2>에 가리킨다. 스파이럴 홈의 비틀림각은 15~30°가 일반적이다. 스트레이트 홈에서는 한번에 같은 홈의 날이 공작물에 닿고 있었다. 그러나 스파이럴 홈에서는 같은 홈의 날이 한번에 닿는 일은 없다. 따라서 스트레이트 홈보다도 플래넷 탭에 걸리는 부하가 분산되어 변동이 적다.
스파이럴 홈의 특성에 따른 효과로는 ① 고속 절삭시 금이 가거나 진동음이 나는 것에 대한 대책이 가능, ② 긴나사 절삭을 할 수 있다는 두가지를 생각할 수 있다. 또 고속 가공이나 암나사의 가공 품위에서는 스파이럴 홈쪽이 우수하지만 사용자측에서의 재연삭이 어려워진다.
(3) 스로어웨이식 플래넷 탭
<사진 3>에 스로어웨이식 플래넷 탭을 가리킨다. 이 플래넷 탭의 선단에 설치되는 팁은 여러 종류의 나사나 피치에 대응할 수 있는 것이 준비되었다. 홀더가 있으면 필요한 팁을 사기만 하면 여러 종류의 피치로 나사를 가공할 수 있다.
특징으로는 날 길이가 짧고 날 수가 적다는 것을 들 수 있지만 날 길이는 당사의 HY-PRO P시리즈에서 30mm가 가장 길다. 날 길이가 짧으면 절삭중에 공구에 걸리는 부하가 적어서 암나사가 테이퍼되기가 어렵다는 장점이 있다.
날 수는 1매 날, 많아도 2매 날이 대부분이다. 날 수가 적으면 가공시간이 늦어질 듯 하지만 걱정없다. <표 1>은 초경 플래넷 탭과 스로어웨이식 플래넷 탭의 가공 조건표다.
스로어웨이식 플래넷 탭은 초경 스트레이트 홈 플래넷 탭보다 절삭 속도나 1매 날당 이송을 높일 수 있다. 결과적으로는 가공시간은 거의 같아진다.
(4) 드릴붙이 플래넷 탭
<사진 4>에서와 같이 스파이럴 홈 플래넷 탭의 선단에 드릴을 붙인 것이 드릴붙이 플래넷 탭 [슈퍼 플래넷 탭]이다. 선단의 드릴로 애벌구멍을 뚫은 후, 암나사를 프라이스 가공을 한다. 애벌구멍을 가공하였을 때 출입구쪽 모떼기 가공도 할 수 있어서 천공, 모떼기, 나사절삭의 3공정을 1개의 공구로 가공할 수 있다. 공구 갯수의 삭감이나 가공시간의 단축을 노린 공구다.
또한 이 탭은 나사 절삭 길이나 피삭재 등에 제약이 많다. 채택하는 경우는 한번 공구 메이커와 상담하기 바란다.
4. 플래넷 탭 채택 시의 주의점
플래넷 탭에 의한 암나사 가공을 검토하고 있는 대부분의 사람이 탭에서의 전환이라고 생각한다. 그래서 플래넷 탭을 채택하는 경우의 검토 사항을 약간 설명한다.
(1) 가공기와 툴링
전술한 것처럼 3축 동시 제어에서 헤리컬 보간을 할 수 있는 NC가 탑재된 MC여야 한다. 또 툴링이나 공작물의 클램프 방법도 포함해서 가급적 강성이 높은 가공기를 권장하고 싶다.
기계 강성이 적으면 암나사가 테이퍼로 되거나 금이 가거나 한다. 어렵게 새로 가공기를 구입하여도 가공시간이 늘어나거나 공구 수명을 희생해야 하는 경우도 생각할 수 있다.
툴링은 가급적 굵고 짧은 밀링 척을 권장하고 싶다. 이것도 암나사의 테이퍼나 금가는 것을 방지하기 위해서다.
(2) 가공 시간
<그림 2>는 탭으로 가공한 경우와 나사절삭 프라이스로 가공한 경우의 가공시간을 비교한 것이다. 탭 가공쪽이 빠른다는 것을 알 수 있다. 최근에는 가공기에 싱크로 기능이 붙어 있는 것은 당연한 것이 되어 있으므로 가공 시간에서는 탭쪽이 유리한 것은 말할 나위 없다.
참고로 다음은 플래넷 탭에 의한 가공시간 T의 간이적인 계산식을 가리킨다. 탭에 의한 가공시간과 한번 비교하기 바란다. 사전에 가공시간을 조사해 두면 가공 조건을 정하기 쉬워진다.
T=(D-d)π= Dπ [min]
f f·Z·N
여기서 D : 가공 지름[mm]
f : 이송 [mm/tooth]
d : 공구 지름 [mm]
Z : 날 수
N : 회전수 [min-1]
이식은 암나사를 헤리컬 절삭 1회로 1구멍 가공하는 가공시간의 산출식이다. 축의 가감속은 없는 것으로 계산한 것이다. 이 계산 결과를 1.5배하면 실제 가공시간에 가까워진다.
(3) 재연삭
홈의 재연삭에서는 ① 레이크 날형으로 할 것, ② 신품과 동일한 경사각으로 할 것의 두 가지를 지키기 바란다. 이것을 지키지 않으면 가공한 암나사의 각도가 틀려지거나 깨끗한 산형이 되지 않는 일이 있다. 특히 스파이럴 홈의 재연삭에서는 노하우가 필요하다. 구입처의 공구 메이커나 전문 재연삭업자에게 재연삭을 의뢰하는 것은 무리라고 생각한다.
5. 절삭 사례
(1) 절삭 사례 1 = 사내 절삭 사례
<그림 3>에 SUS304의 절삭시험 사례를 가리킨다. 가공구멍 수와 유효지름의 변화를 보면 1,200구멍 가공한 시점에서 유효 지름이 40㎛ 작아진 것을 볼 수 있다.
이 테스트에서는 암나사의 유효지름이 기중 유효지름 + 100㎛인 곳에서 가공을 시작하였기 때문에 1,200구멍 가공에서도 JIS 2급의 암나사 공차에서 벗어나지는 않았다. 만약 기준 유효지름 + 30㎛의 치수에서 가공을 시작하였다면 JIS 2급의 암나사 공차에서 벗어난다. 실제에는 가공기의 기계적 요인도 조사하여 암나사의 유효지름을 얼마부터 가공하는가를 정하기 바란다. 예를 들면 기계적 요인으로 암나사의 유효지름이 분산되는 듯 하면 암나사 유효지름의 공차의 중앙 부근에 설정한다.
여기서 암나사의 유효지름의 측정방법에 대하여 소개한다. 일반적으로 사용되는 통과 정지의 나사 게이지에서는 규격내에 암나사 유효지름이 되어 있는가, 어떤가를 확인할 수 밖에 없다. 그러나 스텝 게이지를 사용하면 더욱 높은 정밀도로 암나사의 유효 지름을 측정할 수 있다. 예를 들면 20㎛ 간격의 스탭게이지를 사용하면 20㎛의 정밀도로 암나사의 유효지름을 측정할 수 있다.
(2) 절삭 사례 2 = 관용 테이퍼 암나사의 가공
탭으로 관용 테이퍼 암나사를 가공하면 <사진 5>와 같은 스톱 마크가 암나사의 절삭면에 생긴다. 이 스톱마크는 탭의 시방 변경이나 가공 조건의 변경으로는 지울 수 없다.
이 암나사 내경을 측정해 보면 진원도는 0.1mm로 다각 형상으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이것으로는 관용 테이퍼 나사를 파이프의 접합에 사용할 때 유체가 이음매에서 새어나오는 것이 아닌가 주저하게 된다. 그러나 플래넷 탭으로 가공하면 스톱 마크는 없어지며 진원도는 0.011mm로 향상한다.
(3) 절삭 사례 3 = 홀더와 절삭 조건의 관계
생산성을 높이기 위하여 가공시간을 짧게 하기 위해서는 플래넷 탭의 경우, 절삭속도와 1날당 이송으로 가공기 축의 이송이 산출되어 가공시간이 결정된다. 이송을 빨리 하여 가공 시간을 짧게 하였을때 홀더 형상의 차이가 암나사의 가공 품질에 어떻게 영향하는가를 조사한 것이 <표 2>다.
홀더 A는 돌출 길이 135mm, 지름 Φ32mm, 홀더 B는 돌출 길이 90mm, 지름 Φ50mm로 홀더 B쪽이 굵고 짧다.
공구는 드릴붙이 플래넷 탭(M10×1.5-2D)을 사용하였다. 드릴붙이 플래넷 탭에서는 애벌구멍 가공시의 가공 조건도 조사하여야 하지만 이번에는 암나사 가공의 비교만으로 한다.
홀더 A에서는 50m/min의 절삭속도로 문제없이 시공되었지만 절삭 속도를 100m/min으로 하였더니 암나사의 절삭면에 금이 생겼다. 홀더B는 절삭 속도 150m/min으로 가공하여도 암나사의 절삭면은 양호하다. 이와 같이 홀더의 형상이 암나사의 가공 품질에 크게 영향을 미친다.
6. 최근의 경향과 전망
최근 스파이럴 홈의 플래넷 탭에 대한 수요가 증가하고 있다. 생산성이나 암나사의 품질뿐 아니라 [스트레이트 홈에서 고속가공하였을 때 큰 절삭음이 작업 위생 상 좋지 않아서 절삭음을 줄이고 싶다] 등 요망에 대하여 스파이럴 홈의 플래넷 탭은 효과가 있다.
또 단속 절삭을 하는 엔드밀 등의 프라이스 공구에서는 드라이 가공이 진전하고 있다. 동일한 가공을 하는 플래넷 탭에서도 앞으로는 드라이 가공의 요망이 증가하리라고 생각한다. 필자도 플래넷 탭이 환경 문제의 해결에 일역을 다할 것을 기대한다.
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플래넷 탭은 탭에 비해서 사용법이 중요해 지고 있다. 본문 중에서도 툴링이나 가공 조건의 설정이 암나사의 가공 품위에 큰 영향이 있는 예를 소개하였다. 그러나 잘 사용하면 탭으로 가공할 수 없었던 암나사의 품질을 얻을 수 있는 것은 틀림없다.
[최근, 납품처의 품질 검사가 엄격해졌다]고 고민하고 있는 유저도 있으리라고 생각한다. 이러할 때 꼭 플래넷 탭을 시험해 보기 바란다.