현대 제조업에서 사용하는 5가지 주요 금속 절단 공정

금속 절단 공정은 제조 산업의 필수적인 부분이지만, 많은 사람들이 금속을 절단하는 다양한 방법이 있다는 사실을 잘 모릅니다. 각 공정마다 고유한 기능, 한계, 비용이 다르며, 일부는 1800년대 중반부터 사용되어 온 반면 비교적 최근에 개발된 기술도 있습니다. 이번 글에서는 제조업체가 금속을 절단하는 데 사용하는 5가지 대표적인 공정을 자세히 살펴보겠습니다.

1. 칩 형성(Chip Forming)

칩 형성은 톱질, 밀링, 드릴링, 터닝과 같은 기계적 수단을 사용하는 금속 절단 공정입니다. 이 방식은 1950년대 키비마(Kivima)와 프란츠(Franz)에 의해 개척되었습니다. 공작기계 설계 업계에서는 일반적으로 3방향 모델로 설명되며, 가공 중에 공작물에서 작은 '칩' 형태로 재료가 점진적으로 제거됩니다. 칩 형성 공정에는 여분의 재료를 제거하는 다양한 작업이 포함되며, 주요 작업은 다음과 같습니다.

밀링(Milling)

회전하는 커터로 재료를 제거하는 작업입니다.

장점: 다축 가공이 가능하며 다양한 규모의 프로젝트에 적용 가능
단점: 장비 비용이 높고 숙련된 작업자가 필요함

드릴링(Drilling)

드릴 비트를 고속으로 회전시켜 재료를 제거하는 작업입니다.

장점: 진입면의 가장자리가 날카로움
단점: 버(Burr)가 발생하고 응력으로 인해 재료의 기계적 특성이 변할 수 있음

터닝(Turning)

비회전 공구 비트를 사용하면서 공작물을 회전시켜 여분의 재료를 '칩' 형태로 깎아내는 작업입니다.

장점: 수동 및 자동 가공 모두 가능하며 칩 수거가 용이함
단점: 편향(Deflection)이 자주 발생하여 치수 정밀도와 표면 거칠기에 영향을 줌

2. 전단(Shearing)

전단은 흔히 '다이 커팅(Die Cutting)'이라고도 하며, 1800년대 중반 신발 산업의 가죽 절단 방법을 찾던 중 시작되었습니다. 현재는 다양한 재료에 적용되며, 칩 발생이나 열 없이 금속을 절단할 수 있는 방식입니다. 이 공정은 움직이는 칼날로 고정된 공작물을 밀어 절단합니다. 대표적인 작업 두 가지는 다음과 같습니다.

펀칭(Punching)

펀치 프레스를 이용해 공구를 원자재에 관통시켜 구멍을 내고 여분의 재료를 깎아내는 작업입니다.

장점: 단순한 절단에 비용 효율적이며 작업 속도가 빠름
단점: 복잡한 형상 절단에는 부적합하며 툴링 비용이 급격히 증가할 수 있음

스탬핑(Stamping)

기계를 이용해 불필요한 재료를 변형시켜 다양한 형상을 만드는 작업입니다.

장점: 높은 자동화 수준과 일부 2차 공정 비용 절감
단점: 맞춤형 스탬핑 다이는 고비용이며 생산 중 설계 변경이 불가능함

3. 연마재를 이용한 재료 제거(Abrasive Material Removal)

연마 절단 방식에는 연삭(Grinding), 래핑(Lapping), 워터젯 커팅(Waterjet Cutting) 등이 포함됩니다. 이들 공정은 모두 침식(Erosion) 방식으로 여분의 재료를 제거합니다. EDM이나 레이저 같은 열 공정보다 훨씬 빠르며, 더 나은 모서리 품질을 제공하고 일반적으로 제조업체에 비용 절감 효과를 줍니다. 주요 작업은 다음과 같습니다.

연삭(Grinding)

연삭 숫돌을 주 절삭 공구로 사용하며, 크리프 피드 연삭, 사이클 연삭, 평면 연삭 등 세부 작업으로 나뉩니다.

장점: 높은 치수 정밀도, 매끄러운 표면 구현 가능, 적은 압력으로 가공 가능
단점: 대량의 재료 제거에는 부적합함

래핑(Lapping)

두 표면 사이에 연마재를 놓고 서로 문지르는 방식으로, 수동 또는 기계로 수행합니다.

장점: 엄격한 공차 유지 가능, 균일하게 평평한 표면 제작에 탁월
단점: 절삭 속도가 느리고 비용이 빠르게 증가해 단가가 높아짐

워터젯 커팅(Waterjet Cutting)

고압수와 연마재(가넷)를 혼합해 다양한 재료를 절단하는 대형 장비를 사용합니다.

장점: 냉간 절단으로 열 손상/변형 없음, 뛰어난 모서리 품질, 후가공 불필요, 광범위한 재료/두께 대응, 초정밀 공차 구현
단점: 중간 수준의 가격대

4. 열 절단(Heat Cutting)

열을 이용한 금속 절단에는 플라즈마 커팅과 레이저 커팅이 있습니다. 두 공정 모두 고온의 고출력 광선으로 여분의 재료를 제거합니다. 레이저 커팅은 1960년대, 플라즈마 커팅은 1957년에 도입되어 오랫동안 가장 잘 알려진 금속 절단 방식이었습니다. 하지만 두 방식 모두 열 손상, 상당한 변형, 후가공이 필요하다는 단점이 있습니다.