CNC 밀링 머신 절삭력 효율에 영향을 미치는 주요 요인

CNC 밀링 머신으로 금속을 절삭할 때, 공구가 공작물에 절입하여 공작물 재료를 칩으로 변형시키는 데 필요한 힘을 절삭력이라고 합니다. 절삭력은 절삭 동력 계산, 공구/공작기계/지그 설계, 절삭 파라미터 수립의 중요한 기초입니다. 자동화 생산에서 절삭력은 가공 공정과 공구 작동 상태를 모니터링하는 데에도 사용될 수 있습니다.

CNC 밀링 머신의 절삭력과 절삭 동력

1. CNC 밀링 머신 절삭력의 근원

절삭력의 근원은 한편으로는 칩 형성 과정에서 탄성 변형과 소성 변형 동안 생성되는 저항이고, 다른 한편으로는 칩과 공구 레이크 면 사이의 마찰 저항, 공작물과 공구 플랭크 면 사이의 마찰 저항입니다.

2. 절삭력과 분해

절삭 중 총 절삭력 F는 공간 힘입니다. 측정과 계산을 용이하게 하고 공작기계, 지그, 공구 설계 및 공정 분석의 필요를 충족하기 위해 F는 종종 서로 수직인 세 가지 절삭 분력 Fc, Fp, Ff로 분해됩니다.

(1) 주 절삭력 Fc는 총 절삭력 F의 주 운동 방향 투영이며, 그 방향은 기저면에 수직입니다. Fc는 공작기계 동력, 공구 강도, 지그 설계 및 절삭 파라미터 선택의 중요한 기초입니다. Fc는 경험 공식이나 단위 절삭력 kc(단위: N/mm)로 계산할 수 있습니다: Fc=kcAD=kchDbD=kcapf.

(2) 이송 방향과 수직한 총 절삭력 F의 분력인 배킹 포스 Fp입니다. 공작물 변형을 유발하고 시스템 진동을 일으키는 주요 요인입니다.

(3) 이송 운동 방향으로 총 절삭력 F의 절삭 분력인 이송력 Ff입니다. 공작기계 이송 메커니즘과 공작기계 이송 동력 설계 및 검사의 주요 기초입니다.

절삭력은 총 절삭력 F를 Fc와 FD로 분해하고, FD를 Fp와 Ff로 분해합니다. 그 관계는 Ff=FDsinkr; Fp=FDcoskr입니다.

3. CNC 밀링 머신의 절삭 동력

절삭 동력은 절삭 과정에서 절삭력에 의해 소모되는 동력을 말하며, pm으로 표시하고 단위는 kW입니다. 외경 선삭 시 주 절삭력 Fc와 이송력 Ff의 동력 소모 합입니다. 이송력 Ff의 동력 소모가 매우 작기 때문에(단 1%~5%), 일반적으로 Ff의 동력 소모는 무시할 수 있고, Fp는 일을 하지 않으므로 공식 Pm=Fcυc×10을 얻습니다. 여기서 Fc는 주 절삭력(N), υc는 절단 속도(m/s)입니다.

공작기계의 전달 효율을 고려하면 절삭 동력 Pm에서 공작기계 모터 정격 PE를 얻을 수 있습니다. 즉, PE≥Pm/η, 여기서 η는 공작기계 전달 효율로 일반적으로 0.75~0.85입니다.

CNC 밀링 머신 절삭력에 영향을 미치는 주요 요인

1. 공작물 재료가 CNC 밀링 머신에 미치는 영향

공작물 재료의 강도와 경도가 높을수록 절삭 변형은 약간 감소하지만 총 절삭력은 여전히 증가합니다. 가공 강도와 경도가 비슷한 재료의 경우, 소성이 크면 공구와의 마찰 계수도 커서 절삭력이 증가하고, 취성 재료의 경우 소성 변형이 작아 칩과 공구 레이크 면 마찰이 작아 절삭력이 작습니다.

2. CNC 밀링 머신 절삭량의 영향

(1) 이송량 f와 절삭 깊이 ap

f와 ap가 증가하면 절삭 면적이 증가하고 주 절삭력도 증가하지만, 두 영향의 정도는 다릅니다. 선삭 시 ap가 2배가 되면 주 절삭력은 약 2배가 되고, f가 2배가 되면 주 절삭력은 68%~86%만 증가합니다. 따라서 절삭 공정에서 주 절삭력과 절삭 동력을 고려한다면, 이송량을 늘리는 것이 절삭 깊이를 늘리는 것보다 더 유리합니다.

(2) 절단 속도 υc

YT15 초경합금 선삭 공구로 45강(ap=4mm, f=0.3mm/r) 가공 시 절단 속도가 절삭력에 미치는 영향 곡선입니다. 소성 금속 절삭 시, 빌트업 에지 영역에서 빌트업 에지 성장은 공구의 실제 레이크 앵글을 증가시켜 칩 변형을 줄이고 절삭력을 감소시킵니다. 반대로 빌트업 에지 감소는 절삭력을 증가시킵니다. 빌트업 에지가 없을 때 절단 속도 υc가 증가하면 절삭 온도가 상승하고, 레이크 면 마찰이 감소하며, 변형이 감소하고 절삭력이 감소합니다. 따라서 생산에서 고속 절삭을 자주 사용하여 생산성을 향상시킵니다. 취성 금속 절삭 시 υc가 증가하면 절삭력이 약간 감소합니다.

3. CNC 밀링 머신 공구 기하학적 파라미터의 영향

(1) 레이크 앵글

레이크 앵글은 절삭력에 가장 큰 영향을 미칩니다. 소성 금속 절삭 시 레이크 앵글이 증가하면 절삭될 재료의 압출 변형과 마찰을 줄이고, 칩 배출을 원활하게 하며 총 절삭력을 감소시킵니다. 취성 금속 절삭 시 레이크 앵글은 절삭력에 뚜렷한 영향을 주지 않습니다.

(2) 네거티브 챔퍼링

날카로운 절삭 날에 네거티브 챔퍼를 연마하면 날 강도를 높여 공구 수명을 늘릴 수 있지만, 이때 절삭되는 금속 변형이 증가하여 절삭력이 증가합니다.

(3) 진입각

진입각이 절삭력에 미치는 영향은 주로 칩 두께와 팁 아크 곡선 길이의 변화를 통해 변형에 영향을 주어 절삭력에 영향을 미칩니다. 진입각은 주 절삭력 Fc에 미치는 영향은 작지만, 배킹 포스 Fp와 이송력 Ff의 비율에는 상당한 영향을 미칩니다. F'D는 공작물이 공구에 가하는 역추력입니다. F'p=F'Dcoskr, F'f=F'Dsinkr이므로, 진입각 kr을 증가시키면 이송력 F'f가 증가하고 배킹 포스 F'p는 감소합니다. 가늘고 긴 공작물 선삭 시 더 큰 진입각을 선택하여 공작물 굽힘 변형을 줄이거나 방지할 수 있습니다.

4. 기타 요인의 영향

공구와 공작물 재료 간의 마찰

동일한 절삭 조건에서 고속도강 공구의 절삭력이 가장 크고, 초경 공구가 그다음, 세라믹 공구가 가장 작습니다. 절삭 과정에서 절삭유 사용은 절삭력을 줄일 수 있으며, 절삭유의 윤활 성능이 높을수록 절삭력 감소 효과가 더 큽니다. 공구 플랭크 마모가 심할수록 마찰이 커지고 절삭력이 커집니다.