칩 형성 마스터하기: 절삭 공정 제어 및 최적화 전략

첨단 공장 자동화와 인더스트리 4.0의 도래로 자율 제조 시스템의 중요성이 커지고 있습니다. 적절한 칩 처리는 진정한 자율 가공의 필수 전제 조건입니다. 칩 형성에 영향을 미치는 요인과 제어 기술에 대해 알아보세요.

최근 수십 년간 공작 기계는 지속적으로 개선되었으며, 자율 가공 시스템은 공장 자동화의 대체 불가능한 구성 요소로 자리 잡았습니다. 칩 처리 같은 가공 공정 문제는 효율적인 자율 가공 시스템의 걸림돌이 됩니다. 따라서 효과적인 칩 제어는 모든 최신 가공 시스템의 필수 기능입니다.

형성된 칩의 특성은 가공 재료 유형(연성 또는 취성)에 따라 달라집니다. 반면 가공 공정 매개변수도 칩 형성에 중요한 역할을 합니다. 즉, 이송 속도, 레이크 각도, 절삭 속도, 절삭 깊이, 마찰력(윤활유 및 냉각수 사용)입니다.

기계 조작자는 일반적으로 고품질 부품과 효율적인 기계 작동을 위해 공정 매개변수를 조정하면서, 칩 브레이커에 의존하여 칩 처리를 돕습니다.

칩의 형성

가공 중 공구가 공작물로 진입하면 앞쪽 금속이 압축됩니다. 압축이 압축 한계를 초과하면 금속이 공작물에서 분리되어 칩 형태로 소성 유동합니다(전단 변형).

금속 흐름은 1차 전단으로 인해 전단면에서 발생합니다. 전단면은 공구 앞 미절삭 표면에서 위쪽으로 각도를 이루며 연장됩니다. 전단 각도 값은 재료 유형과 절삭 조건(공구 각도, 절삭 속도 등)에 따라 달라집니다. 전단 각도가 작으면 전단 경로가 길고, 칩이 두꺼우며, 절삭 힘이 높고, 그 반대도 마찬가지입니다.

칩이 공구 끝면을 따라 미끄러지면 마찰로 인해 2차 전단이 발생합니다. 마찰은 가공 공정 온도를 상승시켜 칩이 과도하게 가열되게 합니다.

칩의 종류

금속 가공 중 형성되는 칩 유형은 다음과 같습니다:

• 분절 칩 (Segmented chips)

• 연속 칩 (Continuous chips)

• 빌트업 에지(BUE) 연속 칩 (Continuous chips with built-up edge)

분절(불연속) 칩

분절 칩은 황동, 청동, 주철 같은 취성 금속 가공 시 주로 발생합니다. 일반적으로 분절 칩은 다음 가공 조건에서 발생합니다:

• 낮은 이송 속도;

• 낮은 레이크 각도;

• 높은 절삭 속도;

• 높은 공구-칩 마찰;

• 큰 절삭 깊이.

분절 칩은 취성 금속에서 깨끗한 표면 조도, 쉬운 칩 처리, 긴 공구 수명, 낮은 전력 소모를 제공합니다. 연성 금속의 경우 분절 칩은 보통 나쁜 표면 조도와 짧은 공구 수명을 초래합니다.

연속 칩

연속 칩은 강철, 구리, 알루미늄 같은 연성 금속을 높은 절삭 속도로 가공할 때 주로 발생합니다. 가공 중 공구 끝과 연성 공작물 사이 온도가 높아집니다. 제거된 금속의 각 층이 이전 층에 용접되어 길고 연속적인 칩 스트림을 형성합니다. 일반적으로 연속 칩은 다음 조건에서 발생합니다:

• 작은 절삭 깊이;

• 큰 레이크 각도;

• 높은 절삭 속도;

• 낮은 공구-칩 마찰(윤활유 또는 냉각수 사용);

• 날카로운 절삭 날.

연속 칩은 깨끗한 표면 조도, 긴 공구 수명, 낮은 전력 소모를 제공합니다. 반면, 이 유형 칩의 처리는 까다롭습니다. 칩 브레이커를 사용하여 처리 조건을 개선해야 합니다.

빌트업 에지(BUE) 연속 칩

연성 금속 가공 중 공구와 칩 사이의 높은 마찰로 인해 BUE가 있는 연속 칩이 형성됩니다. 이 조건에서 일부 칩 입자가 공구 끝에 결합합니다. 결합된 물질이 새로운 절삭 날을 형성하면, 공구 끝에서 떨어져 나갈 때까지 계속 쌓입니다. 떨어져 나갈 때 빌트업 물질이 칩과 공작물 표면 양쪽에 결합하여 나쁜 표면 조도를 초래합니다. BUE 형성의 다른 이름은 '칩 용접(chip welding)'입니다. 일반적으로 BUE가 있는 연속 칩은 다음 조건에서 발생합니다:

• 낮은 레이크 각도;

• 낮은 절삭 속도;

• 높은 마찰력;

• 높은 이송.

BUE가 있는 연속 칩은 공구 수명을 나쁘게 하고, 전력 소모를 늘리며, 나쁜 표면 조도를 유발하므로 예방이 중요합니다. 윤활유 사용으로 마찰 감소, 공구 코팅으로 금속 간 접촉 방지, 냉각수 사용으로 온도 감소 등의 조치가 칩 용접 예방에 긍정적 효과를 줍니다.

칩 제어

큰 레이크 각도에서 연성 금속(강철 등)을 높은 절삭 속도로 가공하면 길고 끈적한 칩이 형성됩니다. 고속으로 나오는 날카롭고 뜨거운 연속 칩은 기계 조작자 안전을 위협하고, 공구와 엉켜 제품을 손상시키며, 처리를 복잡하게 만듭니다. 칩을 관리하기 쉬운 형상으로 쪼개는 것이 필수적입니다.

칩은 자연 파단 또는 강제 파단으로 끊어집니다. 연성 재료 가공 시 온도와 유속 차이로 인해 칩이 말리는 경향이 있습니다. 말린 칩은 세 가지 방식으로 자연 파단할 수 있습니다:

• 냉각 유도 변형에 의한 자연 파단;

• 공작물에 부딪혀 파단;

• 공구에 부딪혀 파단.

강제 파단의 가장 일반적인 방법은 칩 브레이커 사용입니다.

칩 브레이커

칩 브레이커의 가장 기본적인 기능은 칩이 자연스럽게 말리는 것보다 더 단단하게 말리도록 강제하는 것입니다. 강제 말림으로 칩이 공작물이나 공구에 부딪혀 파단하게 만듭니다. 칩 브레이커는 칩 제어를 개선하고 절삭 힘을 줄여 가공 효율을 높입니다.

대부분 현대 칩 브레이커는 절삭 공구의 홈이나 돌출부 형태입니다. 칩 브레이커 설계는 주어진 가공 시나리오에 가장 적합한 기하학을 찾아 칩에 응력을 생성하고 쉽게 파단되게 하는 데 중점을 둡니다.

홈형 칩 브레이커는 선단 절삭 날 뒤에 작은 홈을 포함합니다. 곡선 기하학이 칩 곡률 반경을 결정합니다.

돌출형 칩 브레이커는 계단 모양의 독특한 기하학을 가집니다. 돌출부는 절삭 공구에 일체형이거나 부착형일 수 있습니다. '부착형'의 경우 다양한 가공 조건에 맞게 조정 가능합니다.

결론

가공 공정은 물리학, 재료 과학, 메카트로닉스의 미묘한 상호작용입니다. 가공 중 재료 제거는 공작물과 가공 공구 간 상호작용 힘의 결과입니다. 이러한 상호작용 힘의 본질이 칩의 색과 크기를 정의합니다. 칩은 절삭 엔지니어에게 가치 있는 연구 및 진단 데이터입니다. 하지만 제대로 다루지 않으면 칩은 기계 생산성을 떨어뜨립니다.

가공 중 세 가지 독특한 칩 유형(분절, 연속, BUE 연속)이 발생할 수 있습니다. 칩 형성은 재료 선택과 가공 공정 매개변수에 의존합니다.

칩 처리는 전체 가공 효율 개선과 기계 자율 운용 계획 시 고려해야 할 핵심 요소입니다. 분절 칩과 연속 칩이 특정 가공 조건에서 자연 파단되더라도, 가공 셋업에서 칩 브레이커를 사용하는 것이 경험 법칙입니다.

칩 브레이커로 칩을 적절한 길이로 쪼개면 공구와의 칩 엉킴 방지, 진동 감소, 공구 손상 방지 효과가 있습니다. 칩 브레이커는 절삭 저항도 줄여 절삭 날의 치핑과 파단을 방지합니다.

칩 브레이커 사용 시 작업에 맞는 올바른 것을 선택해야 합니다. 정삭, 중삭, 황삭 같은 선삭 작업에는 각각 올바른 칩 브레이커를 선택해야 합니다. 원하는 절삭 깊이, 이송 속도, 스핀들 속도, 원하는 표면 조도에 기반해 적합한 칩 브레이커를 사용하는 것이 필수적입니다.