절삭 공구의 날 반경 vs 코 반경: 차이점과 가공 영향 완벽 가이드

절삭 공구 형상의 중요성

가공 또는 금속 절삭은 예성 블랭크에서 절삭 공구를 사용해 칩 형태로 여분의 재료를 점진적으로 제거함으로써 의도한 형상, 크기, 표면 조도를 부여하는 절삭 제조 공정입니다. 재료 층을 지속적으로 전단(제거)하기 위해서는 날카로운 날을 가진 절삭기가 필수적입니다. 가공 중 공작물과 절삭 공구 사이에 의도된 형상과 선택된 작업에 따라 특정 방향으로 상대 운동이 제공됩니다. 절삭기는 그 끝단으로 얇은 재료 층을 압축한 후 전단시켜 제거합니다. 전체 재료 전단 작용이 이 절삭기에 의해 실현되므로, 절삭기의 형상, 방위, 재료는 전체 가공 성능에 영향을 미치는 세 가지 핵심 요소입니다.

절삭 공구 형상에 포함되는 요소

공구 형상은 절삭 공구의 다양한 기하학적 특징을 다루며, 이는 가공 능력과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 모든 가공 작업에 기본적인 절삭기 형상이 존재하지만, 기본 형상을 유지하면서 특정 조건 하에서 최적 결과를 얻기 위해 많은 기하학적 특징이 일정 범위 내에서 변할 수 있습니다. 이러한 특징들은 다양한 공구 지정 시스템(ASA, ORS, NRS, MRS 등)에서 표준화된 방식으로 표시됩니다.

경사면(rake surface)과 플랭크면(flank surface)은 모든 절삭기의 두 중요한 면이며, 그 경사는 각각 경사각(rake angle)과 여유각(clearance angle)으로 표시됩니다. 특정 절삭기는 하나 이상의 플랭크면을 가질 수 있으며, 이를 주 플랭크면과 보조 플랭크면, 해당 각을 주 여유각과 보조 여유각이라 부릅니다. 특정 절삭기는 측정 방향(또는 평면)에 따라 다양한 각도를 가질 수 있으며, 이는 공구 시그니처에도 반영됩니다(예: 측 경사각과 후방 경사경—둘 다 경사면의 경사를 나타내나 방향이 다름).

경사각과 여유각 외에도 공구 시그니처에는 코 반경(nose radius) 등 다른 정보도 표시될 수 있습니다. 그러나 공구 형상은 공구 시그니처에 있는 것 외에 다른 관련 정보도 포함할 수 있습니다. 날 반경(edge radius)이 그 중요한 예입니다.

절삭기의 날과 코 개념

물리적으로 날(edge)은 두 고체 면이 교차할 때 발생하고, 코(nose)는 세 개 이상의 고체 면이 함께 교차할 때 발생합니다. 절삭기에서도 경사면과 플랭크면이 교차하는 지점에서 날이 생기며, 이를 절삭 날(cutting edge)이라 합니다. 절삭기에 두 개의 플랭크면이 있으면 두 개의 절삭 날이 생성됩니다—주 절삭 날(경사면과 주 플랭크면의 교차)과 보조 절삭 날(경사면과 보조 플랭크면의 교차). 절삭기는 하나 이상의 절삭 날을 가질 수 있으며, 이에 따라 단일 점 절삭 공구와 다중 점 절삭 공구로 분류됩니다.

세 개의 공구 끝단 면(경사면, 주 플랭크면, 보조 플랭크면)이 함께 교차하면 절삭기 코가 생깁니다. 가공 중 이 코는 공작물과 물리적으로 접촉하며 극한의 압력과 마찰을 받습니다.

날 반경(Edge Radius)이란?

어떤 날도 완벽하게 날카로울 수 없습니다. 완벽하게 날카롭더라도 모든 측정 기기의 능력이 한정되어 있어 정확히 측정할 수 없습니다. 사실 날카로움을 직접 측정할 수는 없습니다. 날의 둥근 정도(roundness)를 측정하며, 날카로움은 둥근 정도에 반비례합니다. 날의 둥근 정도나 반경이 클수록 덜 날카롭습니다. 따라서 둥근 정도는 날 반경의 정량적 측정값이며, 날카로움은 둥근 정도 값을 기반으로 한 정성적 측정값입니다.

날 반경의 값

이론적으로 둥근 정도의 최소 한계는 해당 재료 원자의 반경이지만, 실제로는 그러한 날의 강도가 매우 낮아 적용 가능성이 없습니다. 이는 매우 날카로운 절삭 날(매우 작은 반경)은 강도가 낮아 가공 중 빠르게 파손됨을 의미합니다. 따라서 절삭기의 모든 날에 적절한 둥근 정도를 부여해 빠르게 파손되거나 무뎌지지 않게 합니다. 날 반경 값은 미세/정밀 공구의 경우 통상 0.5~10µm, 일반 공구의 경우 10~500µm 범위에서 변합니다.

매크로 가공(일반 가공)에서 날 반경의 영향

선삭, 밀링, 드릴링 등 일반적인 매크로 스케일 가공에서는 이 파라미터가 전체 가공 성능에 미치는 영향이 미미합니다. 미절삭 칩 두께(uncut chip thickness)가 날 반경보다 압도적으로 크기 때문입니다. 일반적인 미절삭 칩 두께는 0.2~2mm인 반면 날 반경은 0.5~10µm로, 500~1000배 차이가 납니다. 매크로 가공에서 하찮은 파라미터이므로 해당 절삭기의 공구 시그니처에 포함되지 않습니다.

마이크로/나노 가공에서 날 반경의 영향

그러나 마이크로 또는 나노 스케일로 가공할 경우 날 반경은 절삭 능력과 가공 표면 품질에 영향을 미치는 주요 파라미터가 됩니다. 이런 경우 날 반경이 미절삭 칩 두께와 비슷해집니다. 예: 마이크로 엔드밀에서 날 반경은 통상 2~5µm인 반면 이송량(엔드 밀링에서 미절삭 칩 두께와 동등)은 0.5~10µm/플루트에 불과합니다. 마찬가지로 다이아몬드 터닝(정밀 가공)에서도 날 반경은 중요한 파라미터입니다. 여러 연구에 따르면 최소 절삭 깊이는 다른 파라미터에 따라 날 반경의 10~50% 이내여야 매 패스마다 효율적으로 재료를 제거할 수 있습니다.

코 반경(Nose Radius)이란?

절삭기에서 코는 경사면, 주 플랭크면, 보조 플랭크면의 교차로 생깁니다. 역시 완벽하게 날카로울 수 없으며 공구 끝에 적절한 둥근 정도를 부여합니다. 기준면상에서 측정된 이 둥근 코의 반경이 코 반경 값입니다. 이 값이 미절삭 칩 두께와 가깝기 때문에 일반 가공에서도 중요한 파라미터입니다.

코 반경의 값

일반 절삭기의 코 반경은 통상 0.8~2mm 범위이며, 미절삭 칩 두께는 0.8~2mm일 수 있습니다. 마이크로 절삭기의 경우 코 반경이 훨씬 작아 통상 수십 µm 수준입니다.

결론

절삭 날에 부여된 반경은 기본적으로 날 반경(edge radius)이며, 공구 끝에 부여된 반경은 코 반경(nose radius)이라 합니다. 일반 매크로 스케일 가공에서는 날 반경의 영향이 미미하지만, 마이크로 스케일이나 정밀 가공에서는 지배적인 파라미터가 됩니다. 반면 코 반경은 항상 가공 성능에 영향을 미칩니다.