금속 절삭 칩의 종류와 형성 원리: 연속칩, 불연속칩, BUE 완전 분석
금속 절삭에서 칩(Chip)이란?
금속을 원하는 형상과 크기로 가공하기 위해 다양한 공작 기계와 기술을 사용해 금속 표면에서 여분의 금속을 제거합니다. 이렇게 제거되고 변형된 금속을 칩(Chip)이라 합니다.
금속 절삭 기본 용어
경사면(Rake Face)
사용되는 절삭 공구의 면.
경사각(Rake Angle)
- 경사면과 가공 표면 법선 사이의 각도
- 경사각이 크면 절삭 성능 향상, 절삭력 감소
- 단, 공구 경사면의 금속 받침이 줄어들어 공구 끝단 강도와 공구를 통한 열 방출 저하 → 한계 내에서만 증가 가능
- 통상 15° 정도, 필요 시 0° 또는 음수 값도 사용
이완각/후방각(Clearance/Relief Angle)
- 공구 하면(플랭크면)과 가공면 사이의 각도
- 공구가 가공면을 문지르거나 손상시키지 않게 하기 위함
- 절삭력 증가 요인 → 통상 5~6° 정도 사용
- 이완각(relief angle)이라고도 함
칩 형성(Chips Formation) 메커니즘
- 공구가 금속 표면에 접촉하면 공구 경사면에 접촉한 금속 면이 탄성 압축 → 소성 압축 발생
- 전단 응력 발생 → 최종적으로 항복 또는 파단 시작
- 변형된 금속(칩)이 공구 면 위를 흐르며 제거됨
- 절삭 조건에 따라 마찰로 인해 칩이 추가 변형되며 제거됨
금속 절삭 칩의 3가지 기본 유형
- 연속 칩 (Continuous Chips)
- 불연속 칩 (Discontinuous Chips)
- 빌트업 에지 동반 연속 칩 (Continuous Chips with Built-up Edge, BUE)
1. 연속 칩 (Continuous Chips)
절삭 작업 중 간격 없이 형성되는 칩. 연성 재료(예: 강철) 절삭 시 형성됩니다.
연속 칩 형성 조건
- 높은 절삭 속도: 절삭 속도가 충분히 높으면 칩이 끊어지기 전에 새 재료가 절삭됨
- 큰 경사각: 큰 경사각은 금속 칩의 원활한 흐름 돕음
- 연성 재료: 재료 연성이 연속 칩 생산의 가장 중요한 요소. 연성 클수록 연속 칩 생성
- 낮은 마찰 계수: 마찰 계수 높으면 열 과다 발생 → 재료 취성화 → 연속 칩 형성 불리
- 낮은 절삭 깊이: 절삭 깊이가 깊으면 칩 파단 경향 ↑
연속 칩의 효과
- 우수한 표면 조도: 작은 절삭 깊이와 높은 절삭 속도로 표면 조도 탁월
- 저전력 소비: 낮은 마찰 계수와 윤활제 사용으로 전력 소비 적음
- 긴 공구 수명: 연성 재료, 낮은 마찰, 윤활제 사용으로 공구 수명 연장
2. 불연속 칩 (Discontinuous Chips)
금속 절삭 중 칩이 파단/파쇄되어 생성되는 칩. 주철 등 취성 재료 절삭 시 형성.
불연속 칩 형성 조건
- 낮은 절삭 속도: 공구가 전진하기 전 칩이 파단
- 낮은 경사각: 칩을 휘게 하지 않고 밀어내 불연속 칩 생성
- 취성 재료: 연성 재료와 달리 파단 경향으로 불연속 칩 형성
- 높은 마찰력: 열 발생 → 재료 취성화 → 불연속 칩
- 큰 절삭 깊이: 제거 재료 두께 증가 → 파단 → 불연속 칩
불연속 칩의 효과
- 많은 재료 제거: 공작물과 요구 치수 차이가 클 때 유리
- 저속에서 공구 수명 증가: 낮은 경사각이 저속에서 공구 수명 연장
- 칩 처리 용이: 크기 작아 처리/폐기/재활용 용이
3. 빌트업 에지 동반 연속 칩 (Continuous Chip with Built-up Edge, BUE)
공구와 공작물 간 마찰이 매우 높을 때 형성되는 연속 칩 유형. 높은 마찰과 온도로 인해 극소량의 재료가 칩에 용착됩니다.
BUE 형성 조건
- 고온: 주원인. 금속 융점 이상의 초고온에서 일부 금속이 용착돼 칩에 빌트업 형성
- 매우 높은 마찰: 공구-공작물 상대 온도 상승의 주원인 → BUE 형성의 근본 원인
- 냉각수 부족: 냉각수(일반적으로 오일-물 혼합) 부족으로 온도 상승
- 연성 재료: 연속 칩 형성을 위해 연성 재료 필요 → 연성 재료에서 BUE 형성
- 작은 경사각: 연속 칩 형성 조건이므로 작은 경사각도 BUE 형성 요인
BUE의 효과
- 공구 수명 증가: 형성된 칩이 공구를 고온에서 보호 → 공구 수명 연장
- 거친 표면 조도: 가공면에 빌트업 존재로 거친 표면 생성
- 전력 소비 증가: 작은 경사각과 큰 절삭 깊이로 전력 소비 증가
요약
- 연속 칩: 우수한 표면 조도 → 공작물에 긍정적 영향
- 불연속 칩: 공작물에 긍정적/부정적 영향 모두 존재
- BUE 동반 연속 칩: 공작물에 주로 부정적 영향
절삭 조건(절삭 속도, 경사각, 재료, 마찰, 절삭 깊이, 냉각수)을 적절히 제어해 원하는 칩 유형을 유도하고 가공 품질을 최적화하는 것이 중요합니다.
