경사면과 측면: 최적 가공을 위한 절삭 공구 표면 차이 이해

가공 또는 금속 절삭은 미리 성형된 블랭크에서 여분의 재료를 점진적으로 제거해 높은 치수 정밀도와 엄격한 공차를 달성하는 감산 제조 공정입니다. 다양한 공작물 재료에 대해 다양한 정밀도 수준으로 재료 제거 작업을 효율적·생산적으로 수행하는 여러 유형의 가공 작업이 있습니다. 이런 공정은 크게 관행 가공(선삭, 단면 가공, 밀링, 드릴링, 보링, 호빙 등), 연마 절삭(연삭, 호닝, 래핑 등), 비전통 가공(AJM, USM, EDM, LBM, EBM 등), 미세/정밀 가공(마이크로 밀링, 마이크로 드릴링, 다이아몬드 터닝 등)으로 분류됩니다. 모든 작업은 재료 제거율(MRR), 표면 조도, 가공 가능 재료, 가공 시간, 비용 등에서 각기 다른 능력을 가집니다.

관행 가공 공정은 쐐기 모양의 절삭 공구(커터)를 의무적으로 사용해 전단에 의해 칩 형태로 공작물에서 재료를 제거합니다. 공구 형상, 방향, 재료는 전체 가공 성능에 직접 영향을 미치는 세 가지 중요 요소입니다. 중단 없는 재료 제거를 위해 커터 재료는 공작물 재료보다 충분히 더 단단해야 합니다. 커터 형상은 공구 끝면과 그 경사, 절삭날 위치, 절삭날과 코의 예리도 등 다양한 특징을 포함하는 또 다른 핵심 요소입니다. 모든 커터는 최소 두 개의 공구 끝면(경사면과 측면)을 가집니다.

경사면(Rake Surface)과 측면(Flank Surface)

경사면은 칩이 흐르는 면입니다. 가공 중 생성된 칩이 절삭 영역을 떠나기 전 경사면을 따라 계속 흐릅니다. 따라서 칩 면과 경사면 사이에 심한 마찰이 일어나 그 구역(2차 변형 구역)에 강한 열이 발생합니다. 기준면으로부터의 경사면 기울기는 경사각으로 측정되며, 전단 변형, 칩 두께, 절삭력, 동력 소비 등 많은 관련 매개변수에 영향을 줍니다. 경사면 외에 모든 절삭 공구는 최소 하나의 측면(Flank Surface)을 가져야 합니다. 경사면과 측면의 교차로 절삭날이 생성됩니다. 경사면이 흐르는 칩과 밀착 접촉하는 것과 달리, 측면은 가공된 표면과 인접해 열려 있습니다. 다만 코 반경과 날 반경 존재로 가공 표면과 측면 사이에 미세한 접촉이 발생할 수 있습니다.

상세 비교표

핵심 차이점 심층 분석

칩 또는 가공 표면과의 접촉

경사면은 가공 중 흐르는 칩과 물리적으로 접촉하나 가공된 표면과는 접촉하지 않습니다. 반면 칩은 측면에 닿지 않지만, 코 반경과 날 반경 존재로 가공 표면이 측면과 미세한 부분에서 접촉합니다. 이런 접촉은 스칼롭 또는 이송 자국을 매끄럽게 하는 데 도움이 되나, 가공 표면과 측면 간 접촉이 길면 마무리 품질을 해칠 수 있습니다. 따라서 여유각이 제공하는 충분한 간격을 의무적으로 유지해 마찰을 피해야 합니다.

경사각과 여유각

이것들은 표준면 또는 방향으로부터 공구 끝면의 기울기를 나타냅니다. 정의상 경사각은 커터 경사면의 기준면으로부터의 기울기로 다른 면에서 측정됩니다. 기준면은 절삭 속도 벡터에 수직인 면입니다. 경사면이 기준면에 대한 방향에 따라 경사각은 양, 음, 영이 될 수 있습니다. 마찬가지로 여유각은 커터 측면의 절삭 속도 벡터로부터의 기울기로 다른 면에서 측정됩니다. 하지만 여유각은 영이나 음이 될 수 없으며 반드시 양수여야 합니다. 두 경우 모두 측정 면에 따라 각도 값이 다를 수 있습니다.

측면은 노출된 상태 유지

앞서 언급했듯 칩이 경사면 위를 흐르므로 경사면은 흐르는 칩과 밀착 접촉합니다. 그러나 측면은 칩에도, 가공 표면에도 닿지 않으므로(끝단 미세 부분 제외) 항상 열려 있습니다. 다만 커터 마모(플랭크 마모)로 측면이 가공 표면에 닿으면 마찰로 가공 표면 품질이 급격히 저하됩니다.

이송 자국 평탄화

이송 속도 때문에 가공 표면에 생기는 스칼롭 자국은 표면 조도를 높여 마무리 품질을 떨어뜨립니다. 이송률이 높으면 거친 표면이 되나, 이송을 0으로 할 수는 없습니다. 이송은 절삭 속도와 함께 모든 가공 작업에 필수적인 두 가지 형성 운동 중 하나이기 때문입니다. 코 반경과 날 반경 존재로 공구 끝단에서 측면과 가공 표면의 미세 접촉이 본질적으로 스칼롭 자국을 압축해 표면을 매끄럽게 합니다. 코 반경이 클수록 표면 조도가 좋아집니다(스칼롭 자국 높이 낮아짐). 단, 다른 매개변수에 악영향 줄 수 있습니다. 경사면은 표면 조도 개선에 직접적 역할이 없습니다.

발열

칩이 경사면 위를 흐르며 마찰로 강한 열이 발생합니다. 전체 절삭 열의 약 60~70%가 2차 변형 구역에서 이 마찰로 발생합니다. 하지만 발생 열 대부분은 움직이는 칩에 의해 절삭 영역에서 운반되어 커터와 공작물을 과열과 열적 손상으로부터 보호합니다. 반면 전체 절삭 열의 극히 일부(5% 미만)만 끝단 미세 접촉으로 발생합니다. 하지만 이 열 일부는 가공 표면을 통해 공작물 내부로, 나머지는 커터로 흐릅니다. 따라서 3차 마찰 구역에서 발생한 열이 일정 한계 초과 시 열적 손상 유발 가능합니다.

마모와 그 영향

연속 마찰로 경사면 마모율(크레이터 마모)이 가속화됩니다. 칩 흐름 방향을 바꾸고 절삭력 등 관련 매개변수에 영향을 주나, 적은 크레이터 마모는 용인 가능합니다. 그러나 플랭크 마모는 가공 부품 정밀도에 직접 영향을 주며, 미세한 마모도 부정확 가공으로 이어질 수 있습니다. 따라서 커터 수명은 관행적으로 허용 플랭크 마모 한계(테일러 공구 수명 공식에 따라 통상 0.3mm)로 결정됩니다.

이상으로 경사면과 측면의 과학적 비교를 마칩니다. 더 깊은 이해를 위해 다음 참고자료를 권장합니다.

1. A. B. Chattopadhyay, Machining and Machine Tools (1st ed., Wiley)
2. minaprem.com, What is Clearance Angle in Cutting Tool? Its Derivative, Value and Function
3. 이미지 출처: minaprem.com