가공성 이해:측정 및 주요 요소

대답해야 할 주요 질문부터 시작해 보겠습니다. 가공성은 무엇입니까? 간단히 말해서 가공성은 원하는 부품 품질을 달성하기 위해 재료를 쉽게 절단(가공)할 수 있는 정도를 말합니다. 여기서 부품 품질이란 치수 정확도, 공차, 표면 마감과 같은 특성을 의미합니다.

가공성이 높은 재료는 일반적으로 가공하는 데 더 적은 시간과 힘이 소요되고 공구 마모가 적으며 표면 품질이 더 좋습니다. 당연히 생산 관점에서 보면 가공성이 높은 소재가 항상 선호됩니다. 그러나 이는 높은 강도, 성능 및 열 안정성을 추구하는 설계자의 관점과 항상 일치하지 않을 수 있으며, 가공하기 쉬운 재료의 경우 항상 그런 것은 아닙니다.

이로 인해 다양한 엔지니어링 요구 사항 간에 흥미로운 균형이 이루어지며, 이에 대해서는 이 문서에서 자세히 설명하겠습니다.

가공성에 영향을 미치는 요소

재료의 가공성을 논의할 때 다양한 요소가 작용합니다. 이는 재료의 핵심 특성, 생산 후 처리 및 절단 조건에서 비롯됩니다.

1. 재료 속성

가공성에 영향을 미치는 가장 중요한 특성은 재료 특성입니다. 각 재료에는 고유한 특성 세트가 있으므로 엔지니어는 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있도록 각 특성이 기계 가공성에 미치는 영향을 이해해야 합니다.

1.1 경도

경도는 표면을 '절단'하는 것이 얼마나 어려운지를 정의하므로 재료의 가공성을 결정하는 핵심 요소입니다. 가공 도구는 대부분 공작물 표면과 상호 작용하므로 경도는 가공성의 중요한 특성입니다.

일반적으로 인코넬과 같은 단단한 재료는 공구가 더 높은 힘을 발휘해야 하므로 절단하는 데 더 많은 힘이 필요합니다. 더욱이, 단단한 재료를 가공할 때 공구가 더 빨리 마모됩니다. 즉, 경도가 높다는 것은 가공성이 낮다는 것을 의미합니다.

1.2 강인함

인성은 가공성을 결정하는 또 다른 중요한 매개변수입니다. 고탄소강과 같이 인성이 높은 소재는 절삭력을 흡수하고 변형에 저항하는 능력이 뛰어나므로 더 높은 절삭력과 내구성이 뛰어난 툴링이 필요합니다.

또한, 견고한 소재는 연성이 높기 때문에 길고 끈끈한 칩을 생성합니다. 이는 부드러운 절삭 동작과 효과적인 열 전달을 유지하는 데는 좋지만, 긴 칩이 공구에 얽히는 경우가 많아 절삭 지연과 가공물의 표면 마모를 유발합니다.

1.3 열전도율

가공 공정에서는 재료의 전단으로 인해 열이 발생합니다. 따라서 효과적인 절단 공정을 위해서는 절단 인터페이스의 열 관리가 매우 중요합니다. 열 전달 측면에서 이는 재료의 열전도율에 따라 크게 달라집니다.

절단하기 어려운 재료는 일반적으로 열전도율이 낮습니다. 이는 절단 경계면에서 생성된 열 에너지가 빠르게 소멸되지 않음을 의미합니다. 이로 인해 공작물 및 공구의 열 연화, 공구 수명 단축, 치수 정확도 등 여러 가지 부정적인 영향이 발생합니다. 이러한 소재의 전형적인 예는 이러한 모든 문제를 안고 있는 티타늄입니다.

열전도율이 낮으면 생성된 열이 효과적으로 전달되지 않기 때문에 높은 절삭 속도와 이송을 사용할 수 없습니다.

2. 절단 조건

가공성은 절단 시 재료가 어떻게 반응하는지에 관한 것입니다. 따라서 재료 특성 외에도 절삭 조건도 재료의 가공성에 영향을 미칩니다.

2.1 절단 매개변수

가공의 주요 절삭 매개변수는 절삭 속도, 이송, 절삭 깊이입니다. 이 세 가지 모두를 최적화하면 재료 제거율이 높아지므로 생산 관점에서 유리합니다. 그러나 이것이 항상 가능한 것은 아닙니다.

절삭 속도가 높을수록 일반적으로 과도한 열 발생과 마찰로 인해 공구 마모가 발생하여 재료의 가공성이 떨어집니다. 그러나 대부분의 경우 표면 마감이 향상됩니다. 동시에 절삭 이송을 높이면 칩 부하와 절삭력이 높아집니다. 이로 인해 도구가 손상되고 과도한 진동이 발생할 수 있습니다.

절삭 깊이는 절삭력, 전력 소비 및 발열과도 긍정적인 연관이 있습니다. 이는 공구와 공작물에 미치는 영향입니다. 게다가 절단 깊이가 높을수록 기계적 및 열적 응력이 발생하여 표면 무결성에 부정적인 영향을 미칩니다.

또한, 절삭 깊이는 절삭 공정의 동적 안정성에 주요한 요인이기도 합니다. 특정 한도 이상으로 늘리면 채터링 진동이 발생하여 공구와 기계에 유해할 수 있습니다.

2.2 절단 도구

CNC 절단기는 가공성에 큰 영향을 미치는 복잡한 기하학적 특징을 가지고 있습니다. 가장 확실한 예는 경사각(절삭날의 각도)입니다. 네거티브 경사각은 절삭 부하를 줄이고 칩 형성을 향상시켜 높은 가공성을 나타냅니다. 하지만 이는 도구를 약화시키기도 합니다.

마찬가지로, 또 다른 요소는 공구 마모 및 열 발산과 같은 가공성 지표에 영향을 미치는 여유각입니다.

2.3 냉각 및 윤활

기계 기술자는 재료의 가공성을 향상시키기 위해 공구-가공물 인터페이스에 절삭유와 윤활제를 적용하는 경우가 많습니다. 이를 통해 소재의 열 제거 및 마찰 특성이 향상되어 절삭 작업이 더욱 부드러워지고 표면 조도가 향상되며 공구 수명이 길어집니다.

2.4 공작기계 상태

CNC 기계의 상태도 가공성을 결정하는 또 다른 요소입니다. 구형 기계는 일반적으로 축 드라이브에서 유격을 가지며 동적 절삭 부하에서 더 많이 진동합니다. 이로 인해 가공이 어려워지고 기계가 절단하기 어려운 재료를 처리할 수 없게 됩니다.

가공성 등급이란 무엇인가요?

엔지니어의 도구 상자에는 가공 가능한 재료가 매우 다양하므로 가공성 측면에서 이를 비교하는 것은 까다로울 수 있습니다. 재료의 가공성을 측정하는 인기 있는 방법 중 하나는 가공성 등급을 이용하는 것입니다.

가공성 등급의 표준 기능은 편리한 비교를 위한 참조 소재를 갖는 것입니다. 예를 들어, 표준 소재 중 하나는 가공성 등급이 100%인 C36000 황동입니다. 재료를 절단하기가 더 어려워질수록 해당 등급이 감소합니다. 예를 들어 AISI 1018의 등급은 70%로 평균 가공성을 나타냅니다.

가공성 차트가 중요한 이유

일반적으로 가공성 등급은 모든 CNC 기계 공장에서 찾을 수 있는 가공성 차트에 문서화되어 있습니다. 쉽게 탐색할 수 있는 가공성 차트를 사용하면 엔지니어링 재료 전체에 걸쳐 가공성을 빠르고 쉽게 비교할 수 있습니다.

이 등급 시스템의 주요 목적은 엔지니어링 결정을 지원하는 것입니다. 설계 엔지니어의 경우 선택한 특정 재료의 생산 문제를 이해하는 데 도움이 됩니다. 이는 실제 상황에서 도움이 됩니다.

예를 들어 절단하기 어려운 재료를 선택하는 경우 특수 메모를 통해 엔지니어링 도면에 이를 표시하거나 기계 기술자가 설계 의도를 완전히 이해할 수 있도록 표면 마감 요구 사항을 구체적으로 포함할 수 있습니다. 기계공의 경우 도구 선택, 절삭 매개변수 및 윤활/냉각 조건을 선택하는 데 도움이 됩니다.

가공성을 향상시키는 다양한 방법

기계 공장에서는 재료의 가공성을 높이기 위해 여러 가지 전략을 채택합니다. 이는 가공 생산성 향상, 비용 절감, 전반적인 제품 품질 향상 등 여러 가지 이점을 제공합니다.

열처리

가공성에 대한 재료 특성의 의존성은 이전 섹션에서 자세히 다루었습니다. 따라서 가공성을 향상시킬 때 재료 특성을 변경하는 것이 가장 중요한 조치 목록입니다.

열처리는 재료의 가공성을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 예를 들어, 강철 및 알루미늄과 같은 일반적인 CNC 재료는 경도를 줄이고 입자 구조를 개선하며 내부 응력을 완화하기 위해 종종 어닐링됩니다.

재료 첨가제

재료 첨가제를 사용하는 것은 가공성을 향상시키는 또 다른 방법입니다. 핵심 주제는 모재의 격자 구조에 소재 첨가제를 통합하여 기계적 특성을 가공 친화적으로 만드는 것입니다.

예를 들어, 황동과 같은 구리 합금을 형성하기 위해 아연을 첨가하면 순수 구리의 가공성이 대폭 향상되어 힘과 마찰이 줄어들고 칩 형성이 향상됩니다. 실제로 많은 가공성 등급 표준에서는 가공성이 높기 때문에 아연 함유 구리 합금 C36000을 기준 소재로 사용합니다.

냉각수/윤활유

절삭 조건 최적화, 특히 절삭유/윤활제 도포는 가공성을 대폭 향상시킬 수 있습니다. 이러한 에이전트를 사용하면 도구와 공작물 인터페이스의 마찰 특성이 향상되어 공작물 재료를 더 쉽게 절단할 수 있습니다.

윤활제는 마찰과 그에 따른 열 발생을 감소시켜 공구 마모 및 열로 인한 응력과 같은 요인을 감소시킵니다. 또한 기계 기술자가 보다 공격적인 절단 매개변수를 사용할 수 있어 재료 제거율이 높아집니다.

절삭유는 절단 인터페이스의 열 방출 특성을 향상시킵니다. 더 많은 열이 절단 영역에서 효율적으로 전달되므로 열 응력, 치수 부정확성 및 도구 파손이 줄어듭니다.

절단 매개변수 최적화

마지막으로, 정보를 바탕으로 절단 매개변수를 선택하면 재료의 가공성에 긍정적인 영향을 미칠 수도 있습니다. 대부분의 경우 방정식은 간단합니다. 속도, 이송, 절삭 깊이가 높을수록 가공성이 떨어지며, 그 반대도 마찬가지입니다.

그러나 제조업체가 금속 절단의 기본 원리를 잘 이해해야 하는 직관에 반하는 경우도 있습니다. 예를 들어 구성인선의 경우입니다. 기계 기술자가 공구 인서트에서 높은 재료 접착률을 관찰하여 공구 수명에 좋지 않은 경우, 절삭 속도나 이송을 약간 높이는 것이 구성인선 및 공구 마모를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

가공성은 어떻게 측정되나요?

재료의 가공성을 계산하는 표준 방법은 없지만 일반적으로 인정되는 몇 가지 시스템이 있습니다. 이들 중 대부분은 두 가지 주요 구성 요소에 의존합니다. 즉, 재료의 기계 가공성을 평가하기 위한 일련의 기준과 비교 편의를 위해 다른 재료의 순위를 매기는 참조 재료를 갖는 것입니다.

절삭공구 수명

절삭 공구 수명은 생산성, 품질 및 재정에 직접적인 영향을 미치기 때문에 가공성을 측정하는 가장 실용적인 척도 중 하나입니다. 원칙은 재료를 교체하거나 다시 연마해야 하기 전에 재료에 절삭 공구를 사용할 수 있는 기간을 기준으로 재료의 가공성을 평가하는 것입니다. 물론 이는 도구 형상 상수와 같은 다른 모든 요소를 고려한 것입니다.

당연히 가공성이 높은 소재는 높은 공구 마모와 열 손상을 유발하지 않으므로 공구 수명이 길어집니다. 반면, 강철과 같이 절단하기 어려운 재료는 공구를 빠르게 마모시킵니다.

이를 수학적으로 측정하는 방법 중 하나는 Taylor의 공구 수명 방정식을 사용하는 것입니다.

여기서 Vc와 T는 각각 절삭속도와 공구수명에 해당한다. 다른 매개변수는 가공성 분석을 위해 고정된 절삭 조건 및 공구 재료와 관련됩니다. 기준 소재와 유사한 공구 수명을 유지하면서 더 높은 절삭 속도를 허용하는 소재는 가공성이 더 높은 것으로 간주됩니다.

표면 마감

표면 조도는 가공성을 측정하는 또 다른 일반적인 매개변수입니다. 가공성의 변화는 대부분 표면 품질의 변화에 ​​직접적으로 반영되므로 이는 실행 가능한 매개변수입니다. 예를 들어 단단한 재료는 가공성이 낮고 치핑과 마찰로 인해 표면 마감이 거칠어집니다.

게다가 표면 마감 자체를 측정하는 것도 매우 편리합니다. 대부분 기계공이 눈에 띄게 관찰할 수 있습니다. 또한 엔지니어는 사용하기 쉬운 표면 테스터를 활용하여 가공된 표면의 표면 마감을 신속하게 매핑할 수도 있습니다.

전력 소모

가공은 절삭력으로 인해 전력을 소비합니다. 절단하기 어려운 재료는 절단하는 데 더 많은 힘이 필요합니다. 따라서 더 많은 전력을 소비합니다. 쉽게 절단되는 소재의 경우에는 반대의 경우입니다.

가공성과 전력 소비 사이의 매우 직접적인 관계로 인해 재료의 가공성을 측정하는 데 널리 사용됩니다.

가공성 등급

가공성 등급은 재료의 가공성을 측정하는 또 다른 방법입니다. 다른 방법에 비해 과학적이지는 않지만 기계공장 환경에서 널리 활용되는 매우 실용적인 방법입니다.

일반적인 CNC 재료와 가공성

CNC 가공 재료의 전체 풀은 너무 커서 모집할 수 없습니다. 따라서 이 섹션에서는 CNC 재료의 대표적인 샘플과 상대 가공성 등급을 공유하여 재료의 가공성에 대한 일반적인 개요를 제공합니다.

소재 카테고리 소재 가공성(%)금속쾌삭 황동(C36000)100알루미늄(6061-T6)90-95오스테나이트계 스테인리스강(AISI 304)30-40티타늄(5등급, Ti-6Al-4V)20-25플라스틱폴리에틸렌(HDPE)90폴리카보네이트80폴리염화비닐 (PVC)70복합재료탄소섬유강화폴리머40-50유리섬유강화폴리머30-40도자기알루미나(산화알루미늄)30지르코니아(이산화지르코늄)15유기재료침엽수(소나무 등)90경목(오크나무 등)70