드릴링, 리밍, 보링, 브로칭 구멍 가공의 차이점 완벽 이해

외면 가공에 비해 구멍 가공 조건은 훨씬 열악하며, 구멍 가공은 외경 가공보다 더 어렵습니다. 그 이유는 다음과 같습니다:

1. 구멍 가공에 사용하는 공구 크기가 가공할 구멍 크기에 의해 제한되어 강성이 나쁘고, 굽힘 변형과 진동이 발생하기 쉽습니다.
2. 고정 크기 공구로 구멍 가공 시 구멍 크기가 공구 해당 크기에 직접 의존하는 경우가 많고, 공구 제조 오차와 마모가 구멍 가공 정밀도에 직접 영향을 미칩니다.
3. 구멍 가공 시 절삭 영역이 공작물 내부에 있어 배출과 열 방출 조건이 나빠 가공 정밀도와 표면 품질 통제가 어렵습니다.

드릴링과 브로칭(Reaming/확공)

1. 드릴링(Drilling)

드릴링은 고체 재료에 구멍을 가공하는 첫 공정으로, 구멍 직경은 일반적으로 80mm 미만입니다. 드릴링 방식은 두 가지입니다: 드릴 회전과 공작물 회전. 위 두 드릴링 방식으로 인한 오차는 다릅니다. 드릴 비트가 회전하는 방식에서 절삭날 비대칭과 드릴 강성 부족으로 드릴이 편향되면 가공 구멍 중심선이 벗어나거나 직선이 아니게 되지만, 구멍 직경은 기본적으로 동일합니다. 반면 공작물이 회전하는 방식에서는 반대입니다. 드릴 편향으로 구멍 직경이 변하지만 구멍 중심선은 여전히 직선입니다.

일반적인 드릴링 공구로는 트위스트 드릴, 센터 드릴, 깊은 구멍 드릴 등이 있으며, 가장 흔히 쓰이는 것은 직경 Φ0.1~80mm 트위스트 드릴입니다.

구조적 한계로 드릴 비트의 굽힘 강성과 비틀림 강성이 낮고, 센터링이 좋지 않아 드릴링 정밀도가 낮습니다. 일반적으로 IT13~IT11 정도이며, 표면 거칠기도 상대적으로 커서 Ra는 보통 50~12.5μm입니다. 하지만 드릴링은 금속 제거율이 크고 절삭 효율이 높습니다. 드릴링은 주로 볼트 구멍, 나사 바닥 구멍, 오일 구멍 등 품질 요구가 낮은 구멍 가공에 사용됩니다. 높은 가공 정밀도와 표면 품질이 요구되는 구멍은 후속 공정인 리밍, 보링, 연삭으로 달성해야 합니다.

2. 브로칭(Reaming/확공 - Broaching)

브로칭은 리밍 드릴로 드릴링, 주조, 단조된 구멍을 추가 가공해 구멍 직경을 확대하고 구멍 가공 품질을 개선하는 것입니다. 브로칭 공정은 구멍 정삭 전 전처리 공정이거나, 요구사항이 낮은 구멍의 최종 가공으로 사용될 수 있습니다. 리머는 트위스트 드릴과 유사하지만 치아가 더 많고 끌이 없습니다.

드릴링에 비해 브로칭은 다음 특징이 있습니다:

1. 브로칭 드릴은 치아 수(3~8개)가 많아 가이드성이 좋고 절삭이 비교적 안정적입니다.
2. 브로칭 드릴에 끌날이 없어 절삭 조건이 좋습니다.
3. 가공 여유량이 작아 칩 포켓을 얕게 만들고 드릴 코어를 두껍게 할 수 있어 공구 본체 강도와 강성이 더 좋습니다. 리밍 정밀도는 일반적으로 IT11~IT10, 표면 거칠기 Ra는 12.5~6.3μm입니다. 구멍 브로칭은 직경이 작은 구멍 가공에 자주 사용됩니다. 큰 직경 구멍(D ≥ 30mm) 드릴링 시 작은 드릴 비트(구멍 직경의 0.5~0.7배)로 예비 드릴링 후 해당 크기 리밍 드릴로 브로칭하면 구멍 가공 품질과 생산 효율을 높일 수 있습니다.

브로칭은 원통 구멍뿐만 아니라 다양한 특수 형상 브로칭 드릴(카운터싱크 드릴)로 다양한 카운터싱크 좌석 구멍과 카운터싱크를 가공할 수 있습니다. 카운터싱크 선단에는 보통 가이드 포스트가 있어 가공된 구멍으로 가이드됩니다.

리밍(Reaming - 정밀 마무리)

리밍은 구멍 마무리 가공 방법 중 하나로 생산에서 널리 사용됩니다. 작은 구멍의 경우 내부 연삭과 정밀 보링에 비해 리밍이 더 경제적이고 실용적인 가공 방법입니다.

1. 리머(Reamer)

리머는 일반적으로 핸드 리머와 머신 리머 두 종류로 나뉩니다. 핸드 리머 손잡이는 직선 생크, 작업부가 길고 가이드 효과가 좋습니다. 핸드 리머는 일체형과 조절 외경형 두 구조가 있습니다. 머신 리머는 생크형과 슬리브형 두 구조가 있습니다. 리머는 원형 구멍뿐만 아니라 테이퍼 리머로 테이퍼 구멍도 가공할 수 있습니다.

2. 리밍 공정과 적용

리밍 여유량은 리밍 품질에 큰 영향을 미칩니다. 여유량이 너무 크면 리머 부하가 커서 절삭날이 빨리 무뎌지고, 매끄러운 가공면 얻기 어렵고, 치수 공차 보장도 어렵습니다. 여유량이 너무 작으면 이전 공정의 칼자국을 제거할 수 없어 구멍 가공 품질 개선 효과가 없습니다. 일반적으로 황삭 리밍 여유량은 0.35~0.15mm, 정삭 리밍은 0.15~0.05mm입니다.

빌트업 에지 방지를 위해 리밍은 보통 낮은 절삭 속도에서 가공합니다(고속도강 리머로 강과 주철 가공 시 v < 8m/min). 이송값은 가공할 구멍 직경과 관련이 있습니다. 구멍 직경이 클수록 이송값이 큽니다. 고속도강 리머로 강과 주철 가공 시 이송은 보통 0.3~1mm/r입니다.

리밍 시 적절한 절삭유로 냉각, 윤활, 세정해 빌트업 에지 발생 방지와 칩 적시 제거를 해야 합니다. 구멍 연삭과 보링에 비해 리밍은 생산성이 높고 구멍 정밀도 확보가 쉽습니다. 하지만 리밍은 구멍 축 위치 오차를 교정할 수 없으며, 구멍 위치 정밀도는 이전 공정에서 보장해야 합니다. 리밍은 계단 구멍과 막힌 구멍 가공에 적합하지 않습니다.

리밍 구멍 치수 정밀도는 일반적으로 IT9~IT7, 표면 거칠기 Ra는 보통 3.2~0.8μm입니다. 고정밀 요구 중소 구멍(IT7 정밀 구멍 등)의 경우 드릴링-브로칭-리밍 공정이 생산에서 흔히 쓰이는 대표적 공정 루트입니다.

보링(Boring)

보링은 절삭 공구로 미리 만든 구멍을 확대하는 가공 방법입니다. 보링 작업은 보링기나 선반에서 수행할 수 있습니다.

1. 보링 방식

보링에는 세 가지 다른 가공 방식이 있습니다.

1. 공작물 회전, 공구 이송 운동. 선반에서의 대부분 보링이 이 방식입니다. 공정 특징: 가공 후 구멍 축선이 공작물 회전축과 일치, 구멍 원통도는 공작물 주축 회전 정밀도에 주로 의존, 구멍 축 기하 오차는 공구 이송 방향이 공작물 회전축에 대한 위치 정밀도에 의존. 이 방식은 외경 면과 동심도 요구가 있는 구멍 가공에 적합합니다.
2. 공구 회전, 공작물 이송 운동. 보링기 주축이 보링 공구를 회전시키고, 작업대가 공작물을 이송시킵니다.
3. 공구 회전 및 이송 운동. 이 보링 방식은 보링바 돌출 길이가 변하고 보링바 변형도 변합니다. 주축대 쪽 구멍이 크고 멀리 있을수록 구멍 직경이 작아져 테이퍼 구멍이 형성됩니다. 또한 보링바 돌출이 증가하면 자중으로 인한 주축 굽힘 변형도 증가해 가공 구멍 축도 휘게 됩니다. 이 방식은 짧은 구멍 가공에만 적합합니다.

2. 다이아몬드 보링(Diamond Boring)

일반 보링에 비해 다이아몬드 보링은 절삭량이 작고, 이송률이 작으며, 절삭 속도가 높습니다. 높은 가공 정밀도(IT7~IT6)와 매우 매끄러운 표면(Ra 0.4~0.05μm)을 얻을 수 있습니다. 다이아몬드 보링은 원래 다이아몬드 보링 공구로 가공했으나, 현재는 초경, CBN, 합성 다이아몬드 공구로 주로 가공합니다. 주로 비철금속 공작물 가공에 사용되지만 주철과 강 부품 가공에도 사용됩니다.

다이아몬드 보링 일반적인 절삭 조건: 예비 보링 시 이송량 0.2~0.6mm, 마무리 보링 시 0.1mm; 이송률 0.01~0.14mm/r; 절삭 속도 주철 가공 시 100~250m/min, 강 150~300m/min, 비철금속 300~2000m/min.

다이아몬드 보링이 높은 가공 정밀도와 표면 품질을 달성하도록 하려면 사용 공작기계(다이아몬드 보링기)는 높은 기하 정밀도와 강성을 가져야 합니다. 공작기계 주축 지지에는 정밀 앵귤러 콘택트 볼 베어링이나 정수압 슬라이드 베어링을 흔히 사용하며, 고속 회전 부품은 정밀 밸런싱이 필수입니다. 또한 이송 메커니즘 움직임이 매우 안정적이어야 작업대가 부드러운 저속 이송 운동을 할 수 있습니다.

다이아몬드 보링은 가공 품질이 좋고 생산 효율이 높아 대량 생산에서 정밀 구멍 최종 가공에 널리 사용됩니다. 예: 엔진 실린더 구멍, 피스톤 핀 구멍, 공작기계 주축함 주축 구멍 등. 단, 다이아몬드 보링으로 철계 금속 가공 시 초경과 CBN 공구만 사용 가능하며 다이아몬드 공구는 사용할 수 없습니다. 다이아몬드 탄소 원자가 철족 원소와 친화력이 커서 공구 수명이 낮아지기 때문입니다.

3. 보링 공구(Boring Tool)

보링 공구는 단날 보링 공구와 쌍날 보링 공구로 나뉩니다.

4. 보링 공정 특징과 적용 범위

드릴링-브로칭-리밍 공정과 비교해 볼 때, 보링은 공구 크기에 의해 구멍 직경이 제한되지 않고 오차 교정 능력이 강합니다. 원구멍 축 편차를 여러 번 패스로 교정할 수 있고, 보링면과 위치 결정면 간 높은 위치 정밀도를 유지할 수 있습니다.

외경 선삭에 비해 공구대 시스템 강성이 나쁘고 변형이 크며, 방열과 배출 조건이 좋지 않아 공작물과 공구 열변형이 상대적으로 큽니다. 따라서 보링 가공 품질과 생산 효율은 외경 선삭만큼 높지 않습니다.

위 분석을 종합하면 보링은 가공 범위가 넓고, 다양한 크기와 정밀도 등급의 구멍을 가공할 수 있습니다. 큰 직경, 높은 치수·위치 정밀도 요구 구멍과 구멍 시스템에는 보링이 거의 유일한 가공 방법입니다. 보링 가공 정밀도는 IT9~IT7. 보링기, 선반, 밀링기 등 공작기계에서 수행 가능하며 이동성과 유연성 장점이 있어 생산에서 널리 사용됩니다. 대량 생산 시 보링 효율 향상을 위해 보링 다이(지그)를 자주 사용합니다.

호닝(Honing)

1. 호닝 원리와 호닝 헤드

호닝은 숫돌(숫돌봉)이 달린 호닝 헤드로 구멍을 매끄럽게 하는 방법입니다. 호닝 시 공작물은 고정되고, 호닝 헤드는 공작기계 주축에 의해 구동되어 회전하고 왕복 직선 운동을 합니다. 호닝 과정에서 숫돌봉이 일정 압력으로 공작물 표면에 작용해 공작물 표면에서 매우 얇은 재료 층을 절삭하며, 절삭 궤적은 교차 그물망 형태입니다. 연마입자 궤적이 반복되지 않게 하려면 호닝 헤드 회전 분당 회전수와 왕복 분당 스트로크 수가 서로 소수 관계여야 합니다.

호닝 궤적 교차각은 호닝 헤드 왕복 속도와 원주 속도 그림과 관련됩니다. 각도 크기는 호닝 공정 품질과 효율에 영향을 줍니다. 파손 연마입자와 칩 배출 용이, 절삭 온도 저하, 가공 품질 향상을 위해 호닝 시 충분한 절삭유를 사용해야 합니다.

가공할 구멍 벽이 균일하게 가공되도록 숫돌봉 스트로크가 구멍 양단에서 오버트래블 양만큼 넘어가야 합니다. 균일한 리밍 여유량 보장과 공작기계 주축 회전 오차의 가공 정밀도 영향 감소를 위해 호닝 헤드와 공작기계 주축은 주로 플로팅 연결 방식을 사용합니다.

호닝 헤드 숫돌봉 방사향 신축 조절에는 수동, 공압, 유압 등 다양한 구조가 있습니다.

2. 호닝 공정 특징과 적용 범위

1. 호닝으로 높은 치수 정밀도와 형상 정밀도 획득 가능, 가공 정밀도 IT7~IT6. 구멍 원통도와 원통도 오차는 범위 내 통제 가능. 단, 호닝은 가공 구멍 위치 정밀도 개선 불가.
2. 호닝으로 높은 표면 품질 획득 가능, 표면 거칠기 Ra 0.2~0.25μm, 표면 금속 변질 결함층 깊이 극히 얕음 2.5~25μm.
3. 연삭 속도에 비해 호닝 헤드 원주 속도는 높지 않음 (vc=16~60m/min), 하지만 숫돌봉과 공작물 접촉 면적이 크고 왕복 속도 상대적으로 높음 (va=8~20m/min), 그래서 호닝은 여전히 높은 생산성을 가집니다.

호닝은 대량 생산에서 엔진 실린더 보어와 각종 유압 장치 정밀 구멍 가공에 널리 사용됩니다. 직경 범위는 일반적으로 Φ3~250mm 이상, 길이-직경비 10 초과 깊은 구멍도 가공 가능. 하지만 호닝은 소성 큰 비철금속 공작물 구멍 가공에 부적합하며, 키웨이 구멍, 스플라인 구멍 등도 가공할 수 없습니다.

브로칭(Pulling/Broaching - 정밀 마무리)

1. 브로칭과 브로치

브로칭은 전용 브로치로 브로칭기에서 수행하는 고생산성 마무리 방법입니다. 브로칭기는 수평 브로칭기와 수직 브로칭기로 나뉘며 수평 브로칭기가 가장 일반적입니다.

브로칭 시 브로치는 저속 직선 운동만 합니다(주 운동). 브로치에서 동시에 작동하는 치아 수는 일반적으로 3개 미만이면 안 됩니다. 그렇지 않으면 브로치가 원활하게 작동하지 않고 공작물 표면에 링 웨이브가 생기기 쉽습니다. 브로칭 힘이 과대해 브로치가 파손되는 것을 방지하기 위해, 브로치 작동 시 동시에 작동하는 치아 수는 일반적으로 6~8개를 초과하지 않아야 합니다.

브로칭에는 세 가지 다른 방식이 있습니다:

1) 레이어드 브로칭(Layered Broaching) 이 방식 특징은 브로치가 공작물 가공 여유량을 층별로 절삭하는 것입니다. 칩 분리를 위해 칼날에 교차 칩 분할 홈 연마. 레이어드 브로칭 방식대로 설계된 브로치를 일반 브로치라 부릅니다.

2) 블록 브로칭(Block Broaching) 이 방식 특징은 가공면의 각 금속 층이 기본적으로 같은 크기지만 교차된 치아 그룹(보통 그룹당 2~3개 치아)에 의해 깎이는 것입니다. 각 치아는 한 층 금속의 일부만 절삭. 블록 브로칭 방식대로 설계된 브로치를 휠 컷 브로치라 부릅니다.

3) 종합 브로칭(Comprehensive Broaching) 이 방식은 레이어드와 블록 브로칭 장점을 결합. 거친 치아 부분은 블록 브로칭, 정밀 치아 부분은 레이어드 브로칭 채택. 브로치 길이 단축, 생산성 향상, 더 나은 표면 품질 획득 가능. 종합 브로칭 방식대로 설계된 브로치를 종합 브로치라 부릅니다.

2. 브로칭 공정 특징과 적용 범위

1. 브로치는 다날 공구로 한 번 브로칭 스트로크로 황삭, 정삭, 매끄럽게 하기를 순차 완료할 수 있어 생산 효율이 높습니다.
2. 브로칭 정밀도는 주로 브로치 정밀도에 의존. 정상 조건에서 브로칭 정밀도 IT9~IT7, 표면 거칠기 Ra 6.3~1.6μm 달성 가능.
3. 브로칭 시 공작물은 가공된 구멍 자체로 위치 결정(브로치 선단부가 공작물 위치 결정 요소). 구멍과 다른 면 간 상호 위치 정밀도 보장 어려움. 내외면 동심도 요구 회전체 부품 가공 시 구멍을 먼저 브로칭한 후 구멍을 위치 기준으로 다른 면 가공하는 경우가 많음.
4. 브로치는 원형 구멍뿐만 아니라 형상 구멍과 스플라인 구멍도 가공 가능.
5. 브로치는 형상 복잡하고 고가인 고정 크기 공구로 큰 구멍 가공에 부적합.

브로칭은 주로 대량 생산에서 직경 Φ10~80mm, 구멍 깊이가 직경 5배 이하인 중소 부품 관통 구멍 가공에 사용됩니다.