가공성 이해: 정의, 중요성, 측정 기법

가공 제조 공정은 금속과 플라스틱을 절삭하는 다재다능하고 효과적인 수단입니다. 매우 미세한 디테일을 엄격한 공차로 만들 수 있으며, 프로토타입과 소량 부품 제작에 매우 비용 효율적입니다.

하지만 가공이 모든 재료에 똑같이 잘 작동하는 것은 아닙니다. 이 공정은 강력한 회전 절삭 공구를 사용해 재료의 일부를 제거하므로, 절삭 공구가 관통할 수 있을 만큼 재료가 충분히 부드러워야 합니다. 그렇지 않으면 공구 자체가 손상되고 부품 품질이 저하됩니다. 반면 너무 부드러우면 절삭 공구와 접촉 시 바람직하지 않은 방식으로 변형되어 뒤틀리고 비효과적인 부품이 됩니다.

절삭 공구로 금속을 자르기 쉬운 정도를 가공성이라고 합니다. 하지만 재료의 가공성을 결정하는 요소가 많기 때문에 이 특성을 정량화하기는 어렵습니다. 이 글에서는 가공성의 기초인 정의, 가장 가공성이 좋은 재료, 가공성 향상 방법, 가공성 측정 방법을 다룹니다.

가공성이란?

가공성은 재료가 절삭 공구로 절삭되기 쉽거나 어려운 정도를 측정하는 척도입니다. 주변 영역의 변형 없이 최소 동력으로 절삭할 수 있는 재료가 더 많은 노력과 변형을 필요로 하는 재료보다 가공성이 좋습니다.

실제로 가공성이 좋은 재료를 사용하면 단기적, 장기적 이점이 있습니다. 단기적으로는 엄격한 공차, 최소 변형, 좋은 표면 마감을 가진 더 나은 부품을 만들 수 있으며, 가공성이 나쁜 재료보다 더 빠르게 제작할 수 있습니다. 장기적으로는 공구 마모 감소와 공구 수명 연장으로 이어져 머신 샵의 비용을 절감합니다.

그럼 왜 머시니스트는 가장 가공성이 좋은 재료만 사용하지 않을까요? 문제는 가공성이 종종 재료 성능의 대가로 오며, 그 반대도 마찬가지라는 점입니다. 강한 재료는 일반적으로 약한 재료보다 자르기 어렵기 때문에 엔지니어는 가공성과 성능 사이에서 트레이드오프를 해야 하는 경우가 많습니다.

주어진 재료의 가공성은 재료 그룹의 과학적 물리적 특성(구성 원소)과 특정 공작물의 상태(어떻게 만들어졌는지) 모두에 의존합니다. 재료의 물리적 특성은 고정되어 있지만, 공작물의 상태는 크게 달라질 수 있습니다.

물리적 특성에는 다음이 포함됩니다:

• 가공 경화
• 열팽창
• 열전도율
• 탄성 계수

상태 요소에는 다음이 포함됩니다:

• 미세 구조
• 결정립 크기
• 열처리
• 경도
• 인장 강도

가공성이 좋은 재료

알루미늄

가공에 가장 적합한 재료 중 하나인 알루미늄은 상대적으로 저렴하며 여러 일반 합금으로 제조됩니다. 6061이 가공용 표준 주력 등급이지만, 알루미늄 2011과 8280 같은 덜 일반적인 합금은 훨씬 가공성이 좋아 매우 작은 칩과 우수한 표면 마감을 생성합니다.

강철

강철은 일반적으로 알루미늄 합금보다 가공하기 어렵지만, 303 스테인리스 강처럼 적당한 탄소 함량을 가진 등급이 가장 가공성이 좋습니다(탄소가 너무 많으면 강철이 너무 단단해지고, 너무 적으면 끈적거립니다). 납을 첨가제로 사용하면 강철의 가공성을 높여 칩 배출을 개선할 수 있습니다. 황도 강철의 가공성을 높일 수 있습니다.

기타 금속

기타 가공성이 좋은 금속으로는 다양한 황동 합금이 있으며, 꽤 부드러우면서도 인장 강도가 좋습니다. 마찬가지로 구리도 좋은 가공성과 전기 전도성 같은 특성을 겸비합니다.

플라스틱

열가소성 플라스틱은 절삭 공구에서 발생하는 열이 플라스틱을 녹여 공구에 들러붙게 만들 수 있어 가공이 까다로울 수 있습니다. 이를 고려할 때 가공에 가장 좋은 플라스틱으로는 ABS, 나일론, 아크릴, 델린 등이 있습니다.

재료 가공성 향상

금속은 고정된 물리적 특성을 가지지만, 공작물의 상태는 변경해 더 가공하기 쉽게 만들 수 있습니다. 첨가제를 합금에 도입해 가공성을 개선할 수도 있습니다.

• 첨가제: 주어진 재료의 가공성을 개선하는 한 가지 방법은 절삭에 더 적합하게 만드는 다른 원소를 혼입하는 것입니다. 예를 들어 강철 가공 시 납과 황을 첨가하면 공작물을 더 쉽게 자를 수 있습니다.
• 열처리: 금속은 특성을 변경하기 위해 가열과 냉각을 거치는 경우가 많으며, 열처리로 금속의 경도를 낮춰 가공하기 쉽게 만들 수 있습니다. 예를 들어 니켈 기반 합금의 어닐링은 가공성 향상으로 이어질 수 있습니다.
• 외부 요인: 공작물 재료를 실제로 변경하지 않고도 가공을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 예를 들어 절삭 공구 재료, 절삭 속도, 절삭 각도, 작동 조건 및 기타 파라미터를 조정하면 가공하기 어려운 재료를 더 쉽게 자를 수 있습니다.

가공성 측정 방법

여러 다양한 요인이 재료의 가공성에 영향을 미치기 때문에 가공성은 정량화하기 어려운 모호한 개념으로 간주될 수 있습니다.

하지만 엔지니어와 재료 과학자들은 동력 소비(재료 절삭에 필요한 에너지), 절삭 공구 수명(재료 절삭 시 공구가 얼마나 빨리 마모되는지), 표면 마감(절삭된 재료의 결과적 매끄러움) 같은 지표로 가공성을 측정하려 시도했습니다.

• 동력 소비: 표준 에너지 지표를 사용해 재료를 관통하는 데 필요한 힘을 측정하여 가공성을 평가할 수 있습니다.
• 절삭 공구 수명: 주어진 재료를 절삭할 때 공구가 얼마나 지속되는지 시간으로 측정해 가공성을 평가할 수 있습니다.
• 표면 마감: 가공 중 빌트업 에지(built-up edge) 발생 정도를 관찰해 가공성을 평가할 수 있습니다. 가공성이 높은 재료는 빌트업 에지를 생성하지 않습니다.

불행히도 이 방법들 중 어느 것도 완전히 신뢰할 수는 없습니다. 독립적인 요인들이 동력 소비, 절삭 공구 마모, 표면 마감에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

미국 철강 협회(AISI)는 선삭 테스트를 기반으로 한 가공성 등급 시스템도 만들었습니다. 이 등급은 백분율로 표현되며, 160 브리넬 B1112 강(임의로 선정)의 가공성을 기준으로 합니다. B1112의 가공성 등급은 100%입니다. B1112보다 가공성이 높은 금속은 100% 이상의 등급을, 더 낮은 금속은 100% 미만의 등급을 가집니다.