이 기사는 일본 大河出版 발간 [ツ-ルエンジニア]지 1999년11월호에서 전재한 내용입니다.
방전가공에 의한 나사 가공의 포인트
高井 邦生
전기가공기술 센터
나사를 가공하는 경우, 암나사면 MC나 태핑머신, 또 때로는 핸드 탭을 사용하게 된다. 숫나사 가공의 경우면 선반이나 체이서(빗형 바이트) 등이 있다. 어느 경우건 일반적으로 절삭가공에서 행해지는 것이며 방전가공기를 사용해서 하는 가공은 아니다. 그 이유는 기계가공이면 1개소당 수 십초에서 수 분으로 끝나는 것이 방전가공에서는 수 십분이나 가공 시간이 걸려 능률이 상당히 나쁜 가공방법이 되기 때문이다.
그러나 아무래도 기계가공으로는 대응할 수 없는 나사도 있다. 예를 들면 탭을 절삭하지 않고 열처리를 하거나 또는 초경합금에 직접 탭을 절삭하고 싶은 경우 등.
여기서는 이와 같은 경우를 전제로 방전가공에 의한 암나사 가공에 대해 검토한다.
1. 애벌 구멍 가공
일반적인 탭 가공의 순서는 다음과 같다.
·탭을 절삭하는 장소에 중심구멍 표시
·드릴로 애벌구멍(예비구멍)을 뚫는다
·모떼기를 하여 탭을 절삭
방전가공으로 나사를 가공하는 경우도 기본적인 순서는 동일하다. 먼저 애벌구멍을 뚫은 후 나사를 가공한다.
여기서 애벌구멍 지름은 당연히 나사의 크기나 종류에 따라서 결정되는 것인데 절삭 가공에 의한 나사가공에서 애벌구멍을 가공하는 경우는 일반적으로 나사에 대하여 미리 드릴의 사이즈가 정해져 있어 애벌구멍 지름을 얼마로 하면 좋은가 하는 것은 별로 마음쓰지 않는 것 같다.
방전가공에서 애벌 구멍을 만드는 경우는 목표 수치가 있는 것이 좋기 때문에 <표 1>에 드릴 지름과 애벌구멍 지름을 가리킨다.
애벌구멍이어서 특히 이 수치에 구애받을 필요는 없지만 암나사의 애벌구멍은 숫나사와의 접촉률 관계에서 정하여야 한다. 이것은 일반적인 나사 가공에서도 동일하고 나사의 사용 용도에 응하여 고려할 필요가 있다.
일반적으로 접촉률 70~80% 정도의 것이 많지만 진동이 많은 곳에 사용되는 경우는 이것보다도 크게 하는 쪽이 좋은 경우가 있다.
여기서 접촉률의 개념을 <그림 1>에 가리킨다.
D1=d-H1
여기서 D1 : 암나사의 내경
d : 숫나사의 외경
H1 : 산의 기준 높이
H1= 0.541266×P(피치)
H1이 기준 접촉 높이로 이때 접촉률 100%가 된다.
<그림 2>에 접촉률 100%와 50%일 때의 각각의 상태를 가리킨다.
나사의 강도는 나사산의 단면적에 비례하지만 접촉률 100% 일때의 단면적을 100으로 하였을 때 접촉률 50%일 때의 단면적은 그림에서 알 수 있듯이 접촉률에 비례해서 작아지지 않는 것을 알 수 있다.
따라서 허용되는 한, 애벌구멍 지름은 큰 쪽이 좋다. 또 일반적인 나사면 접촉률 50~ 60%로도 충분히 사용할 수 있다.
이것은 방전가공과 같이 능률이 나쁜 (가공 속도가 늦다) 가공방법인 경우, 일반 탭 가공 이상으로 중요한 요소로 된다.
애벌구멍은 가급적 열처리 전, 또 소결 시에 앞서서 뚫어 두는 것이지만 불행하게도 이것이 없는 경우는 방전가공기를 사용하지 않을 수 없다. 그때는 방전가공 공정의 생력화가 나사 가공의 큰 포인트가 된다. 이것은 실제문제로서 나사를 가공하는 것보다도 애벌 구멍을 뚫는 쪽이 시간이 많이 걸리기 때문이다.
이 때문에 가급적 간단히 애벌구멍에 필요한 요소를 만족하는 구멍뚫는 연구를 하여야 한다.
(1) 통과 나사의 애벌구멍
결론부터 말하면 [고속 세공 방전가공기 + 와이어 컷 방전가공기]의 조합에 의한 가공이 제일이라고 생각한다.
물론, 소구경 나사면 세공 방전가공기만으로 애벌구멍은 완성된다. 단지 와이어 컷을 사용하면 퍼스트 컷만으로도 비교적 정밀도가 높은 구멍이 뚫리므로 빠듯빠듯하게 애벌구멍을 크게 할 수가 있다.
(2) 정지 나사의 애벌 구멍
바닥있는 가공이 되므로 후공정인 나사 가공을 위하여 충분히 깊게 가공해 두어야 한다. 그렇다고 방전가공의 경우는 1mm 깊게 하는 것만으로도 상당한 시간이 걸리므로 정면으로 순수한 원기둥 형상의 전극을 사용하여서 가공한다면 능률이 너무 나쁘다. 칩 배제가 나쁘고 가공 속도를 높일 수 없다.
그래서 이 경우는 코어레스 전극을 사용할 수 있다면 전극 회전을 사용해서 약간 요동을 걸면서 가공한다. 이것에 의해서 전극 소모의 편차를 방지하면서 가공할 수 있게 된다.
그러나 파이프형 전극인 경우는 <그림 3>과 같이 바닥면부가 크게 소모하므로 나사 깊이보다도 약간 깊게 가공하고 그후, 편탄한 다른 전극을 사용하여서 바닥면만을 수정 가공한다.
어느 경우이건 차공정의 나사 가공을 위하여 나사부 이외의 부분이 완전히 제거되는 것이 포인트다.
2. 나사 가공
방전 가공에 의한 가공에서는 나사의 형상을 한 전극을 회전하여 가공하는 방법과 동일하게 나사 전극을 요동하여서 가공하는 방법의 두가지를 생각할 수 있다.
(1) Z축, C축에 의한 회전 가공
이것은 일반의 탭 가공과 동일한 방법에서 C축과 Z축의 동작이 나사의 피치에 의해서 결정된다. 예를 들면 M6×1의 나사라면 C축의 1회전(360°)에 대하여 Z축이 1mm 이동하는 가공이 된다.
단 이 방법은 방전가공에서는 별로 좋은 방법이라고는 할 수 없다.
<그림 4>에서 알 수 있듯이 전극의 선단부에서 방전을 진행하게 되므로 가공 방향이 원주 방향이 되고 가공 깊이가 원주의 길이 방향이 된다. 즉 가공 깊이가 그림에 가리키는 나선의 길이로 되기 때문에 깊이(Z방향)가 얕아도 가공 길이가 길고 또 선단부의 방전 면적이 작아서 방전 효율이 낮다 (충분히 전류를 흘릴 수 없다). 또 가공 칩도 배출되기 어려워져서 가공시간이 걸리게 된다.
이 가공법에 의한 전극의 소모는 나사부 선단에 집중하게 되고 그 만큼 유효 깊이를 얻기 위하여 깊게 가공하여야 한다. 그리고 이 때의 전극 소모량이 어느 정도인가, 웬만큼 예상할 수가 없어서 유효 나사부가 어느 만큼 되어 있는지 알 수가 없다는 문제가 있다.
(2) Z축 고정에 의한 요동가공
<그림 5>에서 처럼 애벌구멍 지름보다 작은 지름의 나사 전극을 제작하여 이 나사 전극을 필요한 깊이까지 애벌구멍에 넣은 상태에서 가공한다. 여기서는 전극과 워크가 접촉하지 않는 애벌구멍이 뚫려 있어야 한다. 다음에 Z값을 고정한 상태에서 전극을 요동하여 용동량을 서서히 크게 하여 소정의 나사 치수까지 가공한다.
이 방법의 특징은 가공 방향이 나사 외주 방향이 되기 때문에 [가공 길이=(숫나사 외경-애벌 구멍지름)/2]가 된다. 즉 접촉률 100%인 가공에서도 가공 길이는 나사 피치의 약 54%가 된다.
또 나사 형상 전체를 한번에 가공할 수가 있어 이때 <그림 6>처럼 나사는 가공 방향에는 사다리형 형상을 한다.
이 때문에 요동량을 서서히 변화시킴으로써 거친 가공, 중다듬질 가공, 다듬질 가공에서 각각의 조건으로 가공할 수가 있어서 효율적으로 가공을 할 수 있는 이점이 있다.
이러한 것에서 방전가공에 의한 나사가공이라고 하면 이 Z축 고정에 의한 요동 가공법이 많이 사용된다. 그러나 이 방법은 가공 능률은 좋지만 다른 점에서 약간의 문제가 있다.
3. 문제점의 회피방법
다음에 이 요동가공법에 의한 문제점의 회피방법과 전극을 제작하는 데 있어서의 주의점을 설명한다.
이 가공법에서는 전극의 소모 부분이 전극 외경부가 되지만 소모가 크면 기준 산형의 ф d(숫나사 외경)보다도 암나사의 바닥부 지름이 작아져 버려 숫나사가 들어가지 않게 된다.
그래서 <그림 7>처럼 전극의 암나사 외경부를 애벌구멍 지름 D1보다도 작아지도록 형상을 시프트시켜서 만든다. 이때 전극은 일반적으로 선반으로 가공하므로 선단은 뾰죽한 형상이 된다.
<그림 7>에서 전극의 선단은 <그림 8>에서 기준 산형의 H선단부에 대응하고 있으므로 전극 소모가 제로(0)라면 선단에는 (H/8) 만큼 암나사와 숫나사 사이에 여유가 있게 된다.
H=0.5×P/tan30。≒0.866×P
H/8≒0.108×P
그러나 전극의 소모는 제로는 아니므로 소모한 결과의 형상은 평탄해지는 것은 아니다. 이 때문에 암나사의 바닥부가 숫나사 외경фd보다도 다소 커져도 숫나사가 들어가지 않게 된다.
물론, 전극의 요동량은 전술한 것처럼 H/8만큼 크게 하여야 한다. 즉
요동량 G(편측)=(숫나사 외경 фd-전극 외경)/2+0.1×P
예를 들면 M6×1의 나사를 외경Φ4.7mm인 전극으로 만든 경우의 요동량은
(6-4.7)/2-0.1×1=0.75mm
가 된다(방전 간격을 무시한 경우).
물론 가공 갯수가 적으면 이 소모량을 무시할 수 있지만 다수 가공인 겨우, 또 초경합금 처럼 대단히 소모가 많은 조건이 아니면 가공할 수 없는 경우 등에서는 이 전극 소모의 문제는 피해서 지나갈 수는 없다. 그래서 이 경우에는 소모하고 있지 않는 전극에서 형상의 소모한 부분을 완성할 필요가 있다.
통과나사라면 <그림 9(a)>와 같이 전극을 길게 제작하고 다듬질 가공일 때는 전극을 내려서 전극의 소모하고 있지 않는 부분을 사용하여서 가공한다. 물론 내리는 양은 피치의 정수배(整數倍)다.
정지나사인 경우에는 이 방법은 사용할 수 없어서 대책으로는 전극 소모량이 커지지 않도록 저소모의 조건에서 가공할 수 밖에 없다. 또 초경합금의 가공에서는 동·텅스텐 전극을 사용하여 소모를 억제한다. 이와 같은 방법으로 1개의 전극으로 완성되는 수로 가공을 멈추어 계속 전극을 교환해 간다. 단 아래에 전극이 아깝기 때문에 소모한 부분을 절단하여서 재이용하도록 한다.
또 전극의 제작에 있어서 <그림 9(b)>처럼 전극에 기준면을 설치하여 선반으로 나사 전극을 만들 때 나사의 스타트 위치가 항상 일정해지도록 만드는 방법이 있다. 그러나 이 가공방법에서는 아무래도 C축과 Z축을 사용한 회전 가공으로 되지 않을 수가 없어서 소구경 나사용인 전극 제작이 곤란하다.
끝으로 방전가공시는 통과나사라면 아래측에서 분류를 사용하고 정지나사일 때는 전극에 소구경 구멍을 뚫어 가공 칩의 배출이 좋은 상태로 유지하도록 하는 것도 포인트의 한가지다.
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현재는 표준적인 암나사라면 나사 전극이 시판되고 있으므로 방전 가공에 의한 나사가공도 별로 특수한 가공은 아니다. 그러나 방전가공으로 나사를 가공하는 것 자체가 특수한 것이라고 할 수 있겠다.