CNC 공작기계 공구 선택 전문 가이드: 공구 수명과 생산성 최적화

CNC 공작기계 공구 선택 원칙

공구 수명은 절삭 조건과 밀접한 관련이 있습니다. 절삭 파라미터 수립 시 먼저 합리적인 공구 수명을 선택해야 하며, 최적화 목표에 따라 합리적인 공구 수명을 결정합니다. 일반적으로 최고 생산성 공구 수명과 최저 비용 공구 수명 두 가지로 나뉩니다. 전자는 단위 공정당 최소 노동시간 목표에 따라 결정되고, 후자는 공정 비용 최소화 목표에 따라 결정됩니다.

공구의 복잡성, 제조 및 연마 비용에 따라 공구 수명 선택 시 다음 사항을 고려할 수 있습니다. 복잡하고 고정밀 공구의 수명은 단일 날 공구보다 높아야 합니다. 기계 장착 인덱서블 공구는 공구 교환 시간이 짧아 절삭 성능을 충분히 발휘하고 생산 효율을 높이기 위해 공구 수명을 낮게 선택할 수 있으며, 일반적으로 15~30분입니다. 다중 공구 공작기계, 모듈러 공작기계, 자동화 가공 공작기계처럼 공구 설치, 교환, 조정이 복잡한 경우 공구 수명을 높게 선택하고 공구 신뢰성을 보장해야 합니다. 공장 내 특정 공정의 생산성이 전체 공장 생산성 증가를 제한할 때, 해당 공정의 공구 수명을 낮게 선택합니다. 특정 공정의 단위 시간당 비용이 상대적으로 클 때도 공구 수명을 낮게 선택합니다. 대형 부품 정삭 가공 시 최소 1패스 완료를 보장하고 절단 중 공구 교환을 피하기 위해, 부품 정밀도와 표면 거칠기에 따라 공구 수명을 결정해야 합니다. 일반 공작기계 가공 방식과 비교해 CNC 가공은 절삭 공구에 더 높은 요구를 합니다. 우수한 품질, 고정밀도뿐만 아니라 치수 안정성, 고내구성, 쉬운 설치와 조정이 필요하며, CNC 공작기계의 고효율 요구를 충족해야 합니다. CNC 공작기계에 선정되는 공구는 고속 절삭에 적합한 공구 재료(고속도강, 초미립 초경 등)를 채택하고 인덱서블 인서트를 사용하는 경우가 많습니다.

선삭용 CNC 공작기계 공구

일반적으로 사용되는 CNC 선삭 공구는 크게 성형 선삭 공구, 포인티드 선삭 공구, 아크 선삭 공구 세 가지로 나뉩니다. 성형 선삭 공구를 프로토타입 선삭 공구라고도 합니다. 가공 부품의 윤곽 형상이 전적으로 선삭 공구 날의 형상과 치수에 의해 결정됩니다. CNC 선삭 가공에서 일반적인 성형 선삭 공구로는 소형 R 아크 선삭 공구, 비직각 선삭 공구, 나사 공구 등이 있습니다. CNC 가공에서는 성형 선삭 공구를 가능한 한 적게 사용하거나 사용하지 않아야 합니다.

포인티드 선삭 공구는 직선 절삭날이 특징인 선삭 공구입니다. 이 유형의 공구 선단부는 직선 주절삭날과 부절삭날로 구성되며, 90° 내외경 선삭 공구, 좌우 면취 선삭 공구, 그루빙(절단) 선삭 공구, 소형 공구 선단을 가진 다양한 내외공 선삭 공구 등이 있습니다. 포인티드 선삭 공구의 기하학적 파라미터(주로 기하학적 각도) 선정 방법은 기본적으로 일반 선삭과 동일하지만, CNC 가공의 특성(가공 경로, 가공 간섭 등)을 충분히 고려하고 공구 선단 자체의 강도도 고려해야 합니다.

아크형 선삭 공구는 작은 원도나 선형 프로파일 오차를 가진 아크형 절삭날이 특징입니다. 아크형 선삭 공구의 아크 날 각 점이 공구 선단이 됩니다. 이에 따라 공구 위치점은 아크 위에 있지 않고 아크 중심에 위치합니다. 아크형 선삭 공구는 내외면 선삭에 사용할 수 있으며, 특히 다양한 매끄러운 연결(오목) 성형면 선삭에 적합합니다. 선삭 공구의 아크 반경 선정 시, 양점 선삭 공구 절삭날의 아크 반경이 부품 오목 윤곽의 최소 곡률 반경보다 작거나 같아야 가공 건조를 방지할 수 있습니다. 반경이 너무 작으면 제조가 어려울 뿐 아니라, 공구 선단 강도 약화나 공구 본체 방열 불량으로 공구가 손상될 수 있습니다.

밀링용 CNC 공작기계 공구

CNC 가공에서 평바닥 엔드밀은 평면 부품의 내외 윤곽 밀링과 평면 밀링에 흔히 사용됩니다. 관련 공구 파라미터의 경험적 데이터는 다음과 같습니다. 첫째, 밀링 커터 반경 RD는 부품 내윤곽면의 최소 곡률 반경 Rmin보다 작아야 하며, 일반적으로 RD = (0.8~0.9) Rmin입니다. 둘째, 부품 가공 높이 H < (1/4~1/6) RD로 공구의 충분한 강성을 보장해야 합니다. 셋째, 평바닥 엔드밀로 내홈 바닥을 밀링할 때 홈 바닥의 두 패스가 중첩되어야 하므로, 바닥 날 반경 Re = Rr, 즉 직경 d = 2Re = 2(Rr)입니다. 공구 반경을 Re = 0.95(Rr)로 취합니다. 일부 3차원 프로파일과 변경 경사각을 가진 윤곽 가공에는 볼 엔드밀, 링 밀링 커터, 드럼 밀링 커터, 테이퍼 밀링 커터, 디스크 밀링 커터 등이 흔히 사용됩니다.

대부분의 CNC 공작기계는 직렬화되고 표준화된 공구를 사용합니다. 인덱서블 기계 장착 외경 선삭 공구와 면취 선삭 공구 등의 공구 홀더와 공구 헤드에는 국가 표준과 직렬화된 모델이 있습니다. 머시닝 센터와 자동 공구 교환 공작기계의 공구 홀더도 직렬화되고 표준화되었습니다. 예를 들어 테이퍼 공구 시스템의 표준 코드는 TSG-JT, 직선 공구 시스템의 표준 코드는 DSG-JZ입니다. 또한 선정된 공구는 사용 전 공구 치수를 엄격히 측정해 정확한 데이터를 얻고, 작업자가 이 데이터를 데이터 시스템에 입력해 프로그램 호출로 가공 공정을 완료함으로써 합격 공작물을 가공합니다.

공구 위치점(Tool Point)

공구가 어느 위치에서 지정된 위치로 이동을 시작하는가? 따라서 프로그램 실행 시작 시 공작물 좌표계에서 공구가 이동을 시작하는 위치를 결정해야 합니다. 이 위치는 프로그램이 실행될 때 공작물에 대한 공구의 시작점입니다. 이를 프로그램 시작점 또는 기점이라고 합니다. 이 시작점은 일반적으로 공구 세팅으로 결정되므로 공구 세팅점이라고도 합니다. 프로그램 작성 시 공구 세팅점 위치를 올바르게 선택해야 합니다. 공구 세팅점 설정 원칙은 수치 처리를 용이하게 하고 프로그래밍을 단순화하며, 가공 중 정렬과 검사가 용이하고, 가공 오차가 작아야 합니다. 공구 세팅점은 가공 부품, 고정구, 또는 공작기계에 설정할 수 있습니다. 부품 가공 정밀도 향상을 위해 공구 세팅점은 가능한 한 부품의 설계 기준이나 공정 기준에 설정해야 합니다. 공작기계 실작업 시 수동 공구 세팅 조작으로 공구의 공구 위치점을 공구 세팅점에 일치시킬 수 있습니다. 즉, "공구 위치점"과 "공구 세팅점"의 일치입니다. "공구 위치점"은 공구의 위치 결정 기준점입니다. 선삭 공구의 공구 위치점은 공구 선단 또는 공구 선단 아크 중심입니다. 평바닥 엔드밀은 공구 축과 공구 바닥의 교점, 볼 엔드밀은 볼 중심, 드릴은 드릴 선단입니다. 수동 공구 세팅 조작은 정밀도가 낮고 효율이 낮습니다. 일부 공장에서는 광학 공구 세팅 현미경, 공구 세팅 기기, 자동 공구 세팅 장치 등을 사용해 공구 세팅 시간을 단축하고 정밀도를 높입니다. 가공 중 공구 교환이 필요할 때 공구 교환점을 지정해야 합니다. "공구 교환점"은 공구대가 회전해 공구를 교환할 때의 위치입니다. 공구 교환점은 공작물이나 고정구 외부에 위치해야 하며, 공구 교환 중 공작물과 기타 부품에 닿지 않아야 합니다.

가공 데이터(Machining Data)

NC 프로그래밍에서 프로그래머는 각 공정의 가공 데이터를 결정하고 명령 형태로 프로그램에 기록해야 합니다. 절삭 파라미터에는 스핀들 속도, 후가공 데이터, 이송 속도가 포함됩니다. 가공 방식에 따라 다른 절삭 파라미터를 선택해야 합니다. 가공 데이터 선정 원칙은 부품 가공 정밀도와 표면 거칠기 보장, 공구 절삭 성능 최대한 발휘, 합리적인 공구 내구성 보장, 공작기계 성능 최대한 발휘로 생산성 극대화와 비용 절감을 달성하는 것입니다.

1. 스핀들 속도 결정

스핀들 속도는 허용 절삭 속도와 공작물(또는 공구) 직경에 따라 선정해야 합니다. 계산 공식: n = 1000v / πD. 여기서 v는 절삭 속도(m/min), 공구 내구성에 의해 결정되며, n은 스핀들 속도(r/min), D는 공작물 직경 또는 공구 직경(mm)입니다. 계산된 스핀들 속도 n에 대해 공작기계가 보유한 속도 중 가장 가깝거나 같은 속도를 최종 선택합니다.

2. 이송 속도 결정

이송 속도는 CNC 공작기계 절삭 파라미터의 중요한 파라미터로, 주로 부품 가공 정밀도와 표면 거칠기 요구사항, 공구와 공작물 소재 물성에 따라 선정됩니다. 최대 이송 속도는 공작기계 강성과 이송 시스템 성능에 의해 제한됩니다. 이송 속도 결정 원칙: 공작물 품질 보장 하에서 생산 효율 향상을 위해 높은 이송 속도를 선택할 수 있습니다. 일반적으로 100~200mm/min 범위에서 선정하며, 절단, 깊은 구멍 가공, 고속도강 공구 사용 시 낮은 이송 속도(20~50mm/min)를 선택합니다. 가공 정밀도와 표면 거칠기 요구가 높을 때도 이송 속도를 작게 선택(20~50mm/min)합니다. 공구가 공주행할 때, 특히 장거리 "영점 복귀" 시에는 CNC 시스템 설정 최대 이송 속도를 적용할 수 있습니다.

3. 절삭 깊이 결정

절삭 깊이는 공작기계, 공작물, 절삭 공구의 강성에 의해 결정됩니다. 강성이 허용할 때 절삭 깊이는 공작물의 가공 여유량과 가능한 한 같게 해 패스 수를 줄이고 생산 효율을 높여야 합니다. 가공면 품질 보장을 위해 소량의 정삭 여유량(일반적으로 0.2~0.5mm)을 남길 수 있습니다. 요컨대, 가공 데이터의 구체적 값은 공작기계 성능, 관련 매뉴얼, 실제 경험을 바탕으로 유추해 결정해야 합니다.

동시에 스핀들 속도, 절삭 깊이, 이송 속도는 상호 적응해 최적의 절삭 파라미터를 형성할 수 있습니다.

가공 데이터는 공작기계 조정 전 반드시 결정해야 할 중요한 파라미터일 뿐만 아니라, 그 값의 합리성 여부가 가공 품질, 가공 효율, 생산 비용에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 소위 "합리적인" 가공 데이터란, 품질 보장 전제 하에 공구 절삭 성능과 공작기계 동적 성능(출력, 토크)을 충분히 활용해 높은 생산성과 낮은 가공 비용을 달성하는 가공 데이터를 말합니다.