챕터 5. 절삭이론

챕터 5. 절삭이론

1. 절삭날의 개요

 (1) 절삭날에 의한 가공

  1) 단인공구에 의한 가공

     1. 선삭 : 바이트를 사용하는 가공법이며, 회전절삭운동과 직선이송운동을 조합하여 단면을 절삭하는 것

     2. 평삭 : 바이트를 사용하여 직선절삭운동과 직선이송운동을 조합하여 단면을 조합하는 가공법

  2) 다인공구에 의한 가공

     1. 밀링 : 원주에 많은 절삭날을 가진 공구를 회전절삭운동시키면서 가공물에는 직선운동을 시켜 평면은 절삭하는 것

     2. 드릴링 : 드릴을 사용하여 회전절삭운동과 회전중심방향에 직선적인 이송운동을 주면서 가공물에 구멍을 뚫는 것

     3. 보링 : 보링봉에 공구를 고정하고 이것으로 원통형의 내면을 넓히는 작업

 (2) 입자에 의한 가공

  1) 연삭숫돌을 사용한 가공

     1. 연삭 2. 호닝 3. 슈퍼피니싱

  2) 분말입자에 의한 가공

     1. 액체호닝 2. 래핑 3. 초음파가공

2. 칩의 종류와 형태

 (1) 유동형 칩(연속형칩)

     가장 이상적인 칩의 형태로서 일감이 깎여 나갈 때에 칩이 공구의 윗면을 원활하게 연속적으로 흘러나간다.

유동형 칩

     다음과 같은 경우에 생긴다.

     - 연성재료를 고속절삭할 때

     - 바이트의 윗면 경사각이 클 때

     - 절삭깊이가 작을 때

     - 유동성 있는 절삭제를 사용할 때

 (2) 전단형 칩

     면을 따라 전단이 생겨 칩이 분리된다.

전단형 칩

     다음과 같은 경우에 생긴다.

     - 연성재료를 저속절삭할 때

     - 바이트의 윗면 경사각이 작을 때

     - 절삭깊이가 클 때

 (3) 열단형 칩

     점성이 큰 재질을 작은 경사각의 공구로 절삭할 때에 생기기 쉬운 칩

열단형 칩

 (4) 균열형 칩

     주철과 같은 취성이 큰 재료를 저속으로 절삭할 때 순간적으로 공구의 날끝 앞에서 균열이 일어나며 이때 발생하는 칩

균열형 칩

3. 칩브레이커

     절삭가공에서 가장 바람직한 칩의 형태는 유동형 칩이지만 공작물 표면에 흠집을 낸다.

     따라서, 연질의 일감을 고속으로 절삭할 때에는 칩이 연속적으로 흘러나오게 되어 위험하므로 칩을 짧게 끊기 위해 사용.

4. 구성인선

 (1) 개요

     연강, 스테인리스강 및 알루미늄과 같은 연한 재료를 절삭할 때 절삭공구의 날끝에 매우 단단한 물질이 부착되고 이것 때문에 깎여진 면에도 그 흔적이 나타나는데 이것을 칩의 일부가 절삭력과 절삭열에 의한 고온, 고압으로 날끝에 녹아 붙거나 압착된 것

구성인선의 발생과정

 (2) 구성인선의 영향

     1. 발생, 성장, 분열, 탈락의 반복으로 공구에 진동을 일으킴.

     2. 빌트업에지가 탈락할 때 공구모재의 윗면을 뜯어매므로 마멸이 심함.

     3. 가공면이 거칠어짐

     4. 빌트업에지가 공구날 끝에 생겨 절삭깊이가 깊어지게 되어 가공치수가 작아짐.

     5. 절삭깊이가 커져 동력손실을 가져옴

     6. 치핑현상으로 공구수명이 단축된다.

     ※ 절삭공구 인선의 일부가 미세하게 탈락되는 현상을 치핑이라 한다.

 (3) 구성인선의 방지법

     1. 절삭깊이를 작게 한다.

     2. 경사각, 절삭속도를 크게한다.

     3. 절삭공구의 인선을 예리하게 한다.

     4. 윤활성이 좋은 절삭유를 사용

     5. 마찰계수가 적은 초경합금과 같은 절삭공구를 사용

    구성인선의 발생이 없어지는 절삭속도는 120m/mm이상이다.

5. 절삭저항

     절삭공구가 공작물을 절삭할 때 절삭공구는 공작물로부터 큰 저항을 받는데 이러한 저항을 절삭저항이라 한다.

 (1) 절삭저항의 3분력

     - 주분력(Fc) : 공구의 절삭방향 즉, 접선방향으로 작용

     - 배분력(Ft) : 절삭깊이방향으로 작용

     - 횡분력(이송분력, Fs) : 이송방향으로 작용

     절삭저항력에 영향을 미치는 요소

     - 경질재료일수록 저항력 증가

     - 절삭속도가 빨라질수록 저항력이 감소

     - 공구각 90경사각이 클수록 저항력이 감소

     - 절삭면적이 클수록 저항력 증가

 (2) 절삭역학

  1) 절삭속도 

     1. 공작물과 절삭공구사이에서 발생하는 상대적인 속도

     2. 절삭속도가 클수록 표면거칠기는 좋아지고 절삭시간단축 되지만, 절삭온도가 높아지고, 공구의 수명이 떨어진다.

절삭속도 식

   2) 이송속도

     이송은 일감의 매회전마다 바이트가 길이방향으로 이동되는 거리이며, 단위는 회전당 이송(mm/rev)으로 나타낸다.

절삭면적과 절삭량

  3) 가공면의 표면거칠기

     표면거칠기는 절삭속도, 절삭제, 바이트의 형상, 크기, 이송, 절삭깊이, 공작물의 재질 등에 따라 영향을 받는다.

표면거칠기의 최대 높이

  4) 절삭동력

     절삭에 필요한 동력은 절삭저항의 크기로 계산할 수 있으며 공작기계의 전소비동력(N)은 다음과 같이 구할 수 있다.

전소비동력

     이송동력과 손실동력은 매우 작은 값이기 때문에 대부분 절삭동력(Np)만 계산

  5) 피삭성

     공작물재료를 절삭할 때의 난이 정도를 나타낸 것으로 피삭성이 좋은 재료란 다음과 같다.

     - 공구의 마모가 적고 높은 절삭속도로 절삭할 수 있을것

     - 절삭저항이 적고 절삭온도가 낮을 것

     - 절삭가공면이 양호할 것

     - 칩이 길게 이어지지 않고 처리가 쉬울 것

6. 절삭온도

 (1) 절삭열의 발생

     절삭을 할 때 공급되는 에너지의 대부분은 열로 변화되는데 이때 발생된 대부분의 열은 칩으로 전달되고 일부는 절삭공구와 공작물에

    전달되는데 이때의 온도를 절삭온도라 한다.

 (2) 절삭온도와 절삭조건의 관계

     1. 절삭온도의 증가는 공구의 마멸을 촉진시켜 공구수명이 감소한다.

     2. 절삭속도가 작으면 절삭온도가 높다. 절삭속도가 매우 크면 절삭온도는 오히려 떨어진다.

     3. 절삭온도의 증가는 공구를 연화시킨다.

     4. 절삭가공시 발생되는 경사면상의 온도는 노즈부분에서 약간 떨어진 위치에서 최고온점이다.

 (3) 절삭온도의 측정방법

  1) 칩의 색깔에 의한 측정

  2) 열량계에 의한 측정

  3) 열전대에 의한 측정

  4) 시온도료에 의한 측정

  5) 가공물과 공구간 열전대 접촉에 의한 측정

  6) 복사고온계에 의한 측정

  7) Pbs 광전지를 이용한 측정

7. 공구마멸과 수명

 (1) 공구마멸의 원인과 종류

  1) 공구마멸의 원인

     - 고온절삭열로 인한 마모로서 절삭속도가 빠른경우 공구의 날끝이 고온에서 연화되어 급격히 마모

     - 날끝의 결손에 의한 파손은 절삭저항력에 의하여 공구가 파손되는 것으로 경도가 높은 초경합금,

       다이아몬드공구 에서 발생되기 쉬움

  2) 공구마멸의 종류

     1. 크레이터마모 : 칩이 절삭공구의 경사면 위를 미끄러지면서 나갈 때 마철력에 의하여 경사면 일부가 오목하게 패이는 마모형태

     2. 플랭크마모: 공구의 플랭크면과 생성된 절삭면사이의 마찰에 의하여 플랭크면이 절삭방향에 평행하게 마모되는 현상

     3. 치핑(결손) : 공구날끝의 일부가 충격에 의하여 떨어져 나가는 것으로 순간적으로 발생

     4. 미소파괴 : 절삭공구를 연삭하면 숫돌입자에 의해 절삭날이 고르지 못하고 열기에 절삭저항력이 작용하게 되면 쉽게 마모됨

     5. 확산마모 : 공구와 가공물의 접촉부에는 고온, 고압상태에서 절삭열에 의한 열진동으로 공구 또는 가공물의

                     구성원자의 일부가 서로 확산된다>

     6. 용착마모(응착마모) : 순간적인 용착에 의한 마모

     7. 기계적마모: 절삭속도가 빨라지면 절삭온도가 높아지면서 공구날끝의 경도가 급격하게 감소되는 연화현상

     8. 표면피로마모(구름마모) : 윤활상태에서 장시간 구름이 진행되면 접촉표면이 피로하여 바늘구멍모양의 흠이 생기는 경우

     9. 고온소성마모 : 공구가 고온에서 심한 소성변형을 하여 인성부분이 무디어지는 것으로 주로 고속도강으로 고속절삭 할 때

                           생기기 쉬운 공구마모

 (2) 공구수명

  1) 공구수명의 계산 

     같은 공작물을 일정한 조건으로 절삭하기 시작하여 깎을 수 없게 되기까지의 총절삭시간을 분으로 나타낸 것.

    공구수명에 큰 공작물일수록 피삭성이 좋다.

테일어의 공구수명식

  2) 공구수명의 판정방법

     1. 가공면에 나타나는 광택이 있는 색조 또는 반점이 생길 때

     2. 공구인선의 마모가 일정량에 달했을 때

     3. 완성치수의 변화량이 일정량에 달했을 때

     4. 이송분력, 배분력이 급격히 증가할 때

     5. 주분력이 절삭을 시작했을 때와 비교하여 일정량이 증가할 때

8. 절삭유

 (1) 절삭유의 사용목적

     - 절삭공구와 칩사이의 마찰저항이 감소하고, 절삭열을 감소 시킨다.

     - 공구의 연화를 방지하고 공작물의 정밀도 저하를 방지함으로서 공구수명에 연장되며 절삭성능 향상

     - 칩을 제거하고, 공작물의 표면이 산화되는 것을 방지

 (2) 절삭유가 갖추어야 할 조건

     - 마찰계수가 작고, 유막의 내압력이 높아야한다.

     - 절삭액의 표면장력이 작고, 칩의 발생부까지 잘 침투할 수 있어야 한다.

     - 칩분리가 용이하여 회수가 쉬워야 한다.

     - 녹이 슬지 않아야 함.

     - 윤활성, 냉각성, 유동성이 좋아야 한다.

     - 화학적으로 안전하고, 위생상 안전해야 함.

     - 휘발성이 없고, 인화점이 높아야 한다.

 

9. 절삭공구

 (1) 절삭공구의 구비조건

     1. 가공재료보다 단단하고 인성이 있을 것.

     2. 고온에서도 경도가 감소되지 않을 것

     3. 내마멸성이 클 것.

     4. 공구의 제작이 용이하고 가격이 저렴할 것.

     5. 마찰계수가 작을 것.

 (2) 절삭공구의 종류

     탄소공구강, 합금공구강, 고속도강, 초경합금, 주조합금, 세라믹, 서멧, 다이아몬드, 입방정 질화붕소(CBN), 피복초경합금