절삭 이론 - 절삭 저항과 기계 가공 동력

[박권우 대리]

 3.2 절삭 저항과 기계 가공 동력

 

 

	3.2.1 개요
	3.2.2 절삭 저항 (Cutting Resistance)
	3.2.3 기계 가공 동력
	3.2.4 고속 가공의 영향

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.