칩은 밀링 커터, 선반, 톱과 같은 장비로 소재를 기계적으로 절삭할 때 발생하는 부산물입니다. 제2차 세계대전과 더 빠르고 강력한 절삭 공구, 특히 금속 절삭용 고속도강 커터의 등장으로 칩 형성에 대한 연구가 본격화되었습니다. 프란츠(Franz, 1958)와 키비마(Kivima, 1952)는 이 분야에서 획기적인 연구를 수행했습니다.
절삭 공구(선반, 톱, 밀링 커터 등)가 공작물과 접촉하면 공구의 절삭날이 소재를 변형시켜 전단과 분리가 일어나며 칩이 생성됩니다.
가공에서 생성되는 칩의 종류는 공작물 소재, 절삭 속도, 이송 속도, 공구 형상 등의 요인에 따라 달라집니다. 가공에서 주요 칩 유형은 다음과 같습니다.
연속 칩은 동일한 두께의 리본 모양 코일을 형성합니다. 저탄소강, 구리, 황동, 알루미늄 합금 같은 연성 소재를 높은 절삭 속도와 압축 및 전단 상태의 공구 절삭날 압력으로 절삭할 때 생성됩니다. 이는 공구 날 앞에 소재가 놓이게 하며, 날카로운 절삭날과 낮은 공구-칩 마찰도 칩 형성을 돕습니다.
절삭날 앞에는 주 변형 구역이 있습니다. 공구-칩 접촉면의 마찰로 인해 부 변형 구역에서 공작물 소재가 변형되며, 이 구역의 두께는 마찰과 관련이 있습니다. 부드러운 금속을 낮은 속도와 경사각으로 절삭하면 표면 왜곡이 발생해 가공 품질이 떨어집니다.
연속 칩은 부드러운 절삭과 우수한 표면 품질을 제공하며, 공구 수명을 늘리고 동력 소비를 줄입니다. 칩이 엉키는 것을 방지하기 위해 절삭 공구에 칩 브레이커를 장착하며, 이는 선삭 작업에서 자주 발생합니다.
주철, 청동, 고탄소강 같은 취성 소재를 중간 속도로 가공하면 불연속 칩이 생성됩니다. 이 칩들은 느슨하게 연결되어 있으며, 소재가 변형 과정에서 연성을 잃고 파단하면서 칩 흐름이 주기적으로 끊어집니다.
칩 형성 중 절삭력이 자주 변합니다. 높은 공구-칩 마찰, 큰 이송량, 깊은 절삭 깊이로 인해 이 칩이 생성됩니다. 연성 소재 절삭 시 불연속 칩은 공구 수명과 표면 조도를 저하시킵니다.
불연속 칩 형성에서 절삭 공구와 홀딩 장치의 강성이 진동, 치수 부정확, 불량한 표면 조도, 공구 손상을 유발할 수 있습니다. 길이와 작아 불연속 칩은 연속 칩보다 다루기 쉽고 폐기하기도 간편합니다.
절삭 중 공구-칩 계면의 높은 마찰로 칩 소재가 공구 경사면의 팁 부분에 융착되어 빌트업 에지가 형성됩니다. 칩이 지속적으로 공구에 닿으면 심각해질 수 있으며, 이는 공구 날의 연장처럼 작용합니다. 일시적이고 불안정한 빌트업 에지가 형성됩니다.
가공 과정에서 그 조각이 떨어져 나가며, 가공 후 칩과 가공 표면에 부분적으로 달라붙을 수 있습니다. 이는 불량한 표면 조도를 유발하지만, 절삭날 위에 코팅층을 형성해 공구 마모를 줄이고 수명을 연장하는 효과도 있습니다.
톱니 칩이라고도 하는 비균질 칩은 큰 고전단 변형 구역과 작은 저전단 변형 구역이 번갈아 나타나 톱니 모양을 띱니다. 이 주기적인 칩 생성으로 준연속 칩 특성을 보입니다. 티타늄 합금, 니켈 기반 초합금, 오스테나이트계 스테인리스강 같은 난삭재를 고속으로 가공할 때 생성됩니다.
1900년대 중반, 미국 엔지니어 노먼 프란츠(Norman Franz) 박사가 제조 현장의 칩을 연구해 세 가지 주요 분류를 제시했습니다. 프란츠에 따르면 대부분의 칩은 다음 세 가지 유형 중 하나에 속합니다.
타입 I 칩은 공구의 쐐기 작용이 소재의 수직 인장 강도를 초과해 절삭날 앞에서 소재가 파단될 때 생성됩니다. 섬유가 강하지만 쉽게 분리되는 목재 같은 섬유질 소재 가공에서 중요합니다.
얕은 절삭각을 가진 공구로 절삭할 때 주로 형성되며, 타입 I 칩의 크기는 절삭 길이로만 제한됩니다. 이는 특히 잘 조정된 대패의 미세한 입구에서 나오는 나무 부스러기의 최적 칩 구조입니다.
타입 II 칩은 공구 쐐기각에 의한 전단으로 형성됩니다. 소재가 공구 날 끝에서 대각선 위쪽으로 전방 표면을 향해 짧은 경사면을 따라 파단하며, 이 선을 따라 변형되어 위로 말리는 칩이 생성됩니다. 보통 중간 각도에서 절삭할 때 생성되며, 금속 같은 연성 소재에서 타입 II 칩이 만들어집니다. 연속적인 스와프(swarf)를 생성하기도 합니다.
타입 III 칩은 90° 절삭각 앞에서 소재의 압축 파단으로 발생합니다. 약하거나 비연성 소재에서는 미세한 먼지 형태의 칩이 생성되지만, 종종 폐기물이 공구 앞에 뭉쳐서 쓸려 나가지 않는 임의의 '스노우플라우(snowplough)' 효과를 만듭니다.
라우터 작업에서 이 유형의 칩이 형성됩니다. 목공용 스크레이퍼는 제대로 연마해 사용하면 타입 II 칩처럼 보이는 얇은 타입 III 칩을 생성합니다. 얇은 폐기물 칩은 압축 파단 부피를 타입 II의 명확한 전단면과 일치시킵니다.
칩 형성에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같습니다.
산업기술
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