필수 기계 가공 공정: 성형, 선삭, 드릴링, 밀링

기계 가공 공정의 종류 개요

이 글에서는 기계 가공 공정의 네 가지 주요 유형인 1. 성형 및 평삭, 2. 선삭 및 보링, 3. 드릴링, 4. 밀링에 대해 다룹니다. 실제 가공 작업과 분석에 대한 기초 지식이 필요하지만, 모든 기술적 세부 사항과 가능한 모든 작업 유형을 다루기보다는 가장 기본적이고 일반적인 가공 작업에 초점을 맞춥니다.

1. 성형(Shaping)과 평삭(Planning)

두 공정 모두 재료 제거의 기본 원리는 동일합니다. 주요 차이점은 성형에서는 주(절삭) 운동이 공구에, 이송이 공작물에 주어지는 반면, 평삭에서는 그 반대라는 점입니다.

절삭 작업은 정순 스트로크 동안만 일어나는 간헐적입니다. 복귀 스트로크(공구 또는 공작물 이동 시)에는 절삭 없이 이송 운동이 이루어집니다. 그림 4.34는 절삭 영역의 세부 사항을 보여줍니다.

실제 절삭 작업에서 주요 매개변수는 단위 시간당 스트로크 수(N), 스트로크 길이(S), 쾌속 복귀 비율(R)(변위/스트로크), 절삭 깊이(d), 공구 각도 등입니다. 이러한 매개변수를 기본 가공 매개변수로 변환하려면 그림 4.34의 단면도를 검토하면 충분합니다.

일반적으로 직교 가공 조건이 만족되지 않지만, 논의의 범위를 위해 직교 가공 역학이 적용된다고 가정합니다. 동력 소비 측면에서는 결과가 크게 부정확하지 않습니다. 미절삭 두께와 절삭 폭은 다음과 같습니다.

여기서 Ψ는 주 절삭 날 각도입니다. 경사각은 단면도(그림 4.34)에서 α(정상 경사각)로 확인됩니다. 그림 4.35는 절삭력과 추력 성분을 보여줍니다.

절삭 성분 F_C는 절삭 속도 v에 반대 방향으로 작용하고, F_T는 천이 표면에 수직으로 작용합니다. F_T는 다시 이송 성분 F_f와 가공 표면에 수직인 성분 F_n으로 분해됩니다.

금속 제거율은 LdƒN으로 주어지며, L은 공작물 길이, N은 단위 시간당 절삭 스트로크 수입니다. 공작물 폭(B), 낮춰야 할 총 깊이(H), 절삭 깊이(d), 이송(ƒ), 단위 시간당 절삭 스트로크(N)가 주어지면 절삭 시간도 계산 가능합니다.

2. 선삭(Turning)과 보링(Boring)

선삭은 가장 일반적인 작업 중 하나로, 회전 표면을 생산하는 데 주로 사용되며 평면 가공으로 평면도 생산 가능합니다. 모든 선삭 작업은 선반에서 수행됩니다. 주요 선삭 작업 유형은 ① 원통형 및 단차 원통면 가공, ② 테이퍼 및 회전 곡면 가공, ③ 나사 가공, ④ 단면 가공 및 파팅입니다. 내부 표면을 가공할 때는 보링이라 부릅니다.

보링 작업도 다양한 내부 회전 표면 생산에 사용됩니다. 여기서는 단순 선삭 작업의 역학을 논의하며, 이는 다른 특수 작업에도 확장 적용 가능합니다. 그림 4.37a는 단순 선삭 작업을 보여줍니다. 이 작업에 사용되는 공구를 단일 절삭 공구라 합니다.

이 작업의 상세 기하학은 그림 4.37b에, 단일 절삭 공구의 다양한 뷰와 각도는 그림 4.38에 나와 있습니다. 해당 기본 가공 작업의 매개변수는 다음과 같습니다.

여기서 Ψ는 측면 절삭 날 각도입니다. 정상 경사각 α는 공구 각도가 지정되면 구할 수 있습니다. 일반적으로 직교 조건은 만족되지 않지만, 본문의 범위 내에서 직교 가공을 가정합니다. 절삭 속도는 다음과 같습니다.

N은 단위 시간당 공작물 회전 수, D는 공작물 직경입니다. 절삭 깊이 d가 D에 비해 매우 작으므로, 절삭 속도는 절삭 폭 전체에서 일정하다고 가정하며 식 (4.41)의 값과 같습니다. 직교 가공 조건을 만족하려면 절삭 날이 속도 벡터에 수직이어야 하며, 공구 각도가 만족해야 할 조건은 다음과 같습니다.

3. 드릴링(Drilling)

가장 일반적인 구멍 가공 작업은 드릴링으로, 보통 트위스트 드릴을 사용합니다. 성형이나 선삭과 달리 두 개의 주 절삭 날을 가집니다. 그림 4.41은 드릴링 작업을 보여줍니다.

드릴의 회전당 총 전진량(이송률)이 ƒ라면, 각 절삭 날의 몫은 ƒ/2입니다. 각 립은 180° 앞서 다른 립에 의해 마무리된 표면의 미절삭 층을 얻기 때문입니다(180° 회전 시 드릴의 수직 변위는 ƒ/2). 미절삭 두께 t₁과 절삭 폭 w는 다음과 같습니다.

r은 정상 경사가 평가되는 절삭 날 상의 점 반경, D는 드릴 공칭 직경, β는 반 각도(그림 4.41b), Ψ는 헬릭스 각도(그림 4.42)입니다.

표 4.12는 드릴 각도와 매개변수의 전형적인 값을 제공합니다.

드릴링에서는 절삭 속도와 기타 매개변수가 절삭 날을 따라 상당히 변하고 현상이 매우 복잡합니다. 그러나 모든 계산은 각 절삭 날의 중간 점을 기준으로 합니다. 드릴에 작용하는 모든 힘의 효과(그림 4.43)는 저항 토크 M과 추력 F로 표현됩니다. 치즐 에지의 작용은 진정한 절삭이 아니라 쐐기처럼 재료를 밀어넣는 것입니다. 하지만 치즐 에지가 회전축 상에 있으므로 토크에 미치는 영향은 미미합니다.

치즐 에지는 추력 발생에 크게 기여합니다. 총 추력 F는 다음과 같이 표현됩니다.

4. 밀링(Milling)

밀링은 가장 다재다능한 가공 작업으로 대부분의 형상을 생성할 수 있습니다. 회전 대칭이 없는 부품 가공에 특히 필수적입니다. 선삭, 성형, 드릴링 공구와 달리 밀링 공구는 수많은 절삭 날을 가집니다. 커터가 장착된 축을 아버(arbor)라 합니다.

밀링 작업은 크게 ① 수평 밀링, ② 수직 밀로 분류됩니다. 수평 밀링에서 커터 축은 수평입니다. 그림 4.44는 일반적인 수평 밀링 작업을 보여줍니다. 수평 밀링은 절삭 방향과 이송 방향의 상대적 방향에 따라 다시 업 밀링과 다운 밀로 나뉩니다. 그림 4.45a와 같은 배열을 업 밀링이라 합니다.

절삭과 이송 운동이 같은 방향이면(그림 4.45b) 다운 밀링입니다. 다운 밀링에서는 공작물이 커터로 끌려 들어가는 경향이 있어 업 밀링이 더 안전하고 일반적으로 수행됩니다. 그러나 다운 밀링이 표면 조도와 공구 수명에서 유리합니다. 절삭 날이 헬리컬이면 절삭이 더 부드럽고 마무리가 좋아지는데, 이는 절삭 날의 점진적 맞물림 때문입니다.

수직 밀링에서 커터 축은 수직이고(일반적으로) 공작물 표면에 수직입니다. 직선 커터를 사용한 평면 슬랩 밀링의 칩 형성 원리는 그림 4.47a에 설명되어 있습니다. 커터 직경 D, 절삭 깊이 d입니다. 직선 날 커터로 밀링하면 직교 가공이며, 칩 형성 운동학은 그림 4.47b와 같습니다.

모든 절삭 날이 가공에 참여하므로 단일 치아의 작용만 고려해도 공정 연구가 용이합니다. 테이블 이송 속도가 ƒ mm/min이면, 치아당 유효 이송은 ƒ/(NZ) mm입니다(N은 커터 rpm, Z는 치아 수).

작업 폭 단위당 재료 제거율은 ƒd입니다. 그림 4.47b에서 절삭 날 앞의 미절삭 두께가 점차 증가하여 표면 근처에서 최대가 되었다가 급격히 0으로 떨어짐을 알 수 있습니다. 이송 속도가 커터 원주 속도에 비해 작으면 다음과 같습니다.

따라서 절삭력 성분 F_C와 F_T(그림 4.48)는 절삭 날이 절삭면을 따라 이동함에 따라 방향과 크기 모두 변합니다.

직선 커터로 절삭 시 커터 축 방향 힘 성분은 없습니다. 평균 미절삭 두께는 최대값의 절반으로 볼 수 있습니다.

이 미절삭 두께 값으로 F_C와 F_T의 평균값을 근사적으로 구할 수 있습니다. F_T는 반경 방향으로 작용해 토크를 발생시키지 않으며, 아버 토크는 F_C 성분만으로 발생합니다. 단일 절삭 치아에 의한 토크 M은 F_C(d/2)이며 대략 F_C에 비례합니다. 그림 4.49는 단일 치아 작용에 대한 아버 회전에 따른 아버 토크(M) 변화를 보여줍니다.

전체 토크(M̅)를 구하려면 모든 치아의 모멘트를 적절히 중첩해야 합니다. 이는 β < 2π/Z, β = 2π/Z, β > 2π/Z 세 가지 경우로 이어집니다. 그림 4.50a는 세 가지 가능성을, 4.50b는 해당 아버 토크를 보여줍니다. 직선 날 커터에서는 힘과 아버 토크가 급격히 변해 진동 문제를 일으킬 수 있습니다.

헬리컬 커터를 사용하면 절삭 날과 공작물 접촉이 점진적으로 시작되고 끝납니다. 단일 치아에 의한 아버 토크와 전체 토크는 그림 4.51a, 4.51b 유형이 됩니다. 가공 동력은 아버 속도와 평균 전체 아버 토크의 곱으로 계산합니다. 평균 추력은 공작물-커터 접촉 호의 중앙 반경선에 작용하는 것으로 간주합니다.