공구 파손, 마모, 치핑 이해: 원인, 예방, 해결책

공구 파손

공구 파손의 형태

1) 절삭 날 미세 치핑

공작물 재료 구조, 경도, 여유량이 고르지 않거나, 레이크 앵글이 너무 커서 절삭 날 강도가 낮거나, 공정 시스템 강성이 부족해 진동이 발생하거나, 단속 절삭 시, 연마 품질이 나쁠 때 절삭 날이 치핑되기 쉽습니다. 즉, 블레이드 영역에 미세한 눈사태, 흠집, 박리가 나타납니다. 이 경우 공구는 절삭 능력의 일부를 잃지만 계속 작동할 수 있습니다. 절삭이 계속되면 블레이드 영역의 손상 부분이 급격히 확대되어 더 큰 손상을 초래할 수 있습니다.

2) 절삭 날 또는 팁 치핑

이 유형의 손상은 절삭 날 미세 치핑을 유발하는 조건보다 더 가혹한 절삭 조건에서 발생하거나, 미세 치핑의 추가 발전입니다. 붕괴 크기와 범위가 미세 치핑보다 커서 공구가 절삭 능력을 완전히 잃고 작업을 중단해야 합니다. 부러진 칼끝을 흔히 '팁 드롭'이라고 합니다.

3) 블레이드 또는 공구 파손

절삭 조건이 극도로 나쁘거나, 절삭량이 너무 많거나, 충격 하중이 있거나, 블레이드 또는 공구 재료에 미세 균열이 있거나, 용접, 연마로 인한 블레이드 잔류 응력, 부주의한 조작 등 요인으로 인해 블레이드 또는 공구가 파손될 수 있습니다. 이러한 손상 발생 후 공구는 더 이상 사용할 수 없어 폐기됩니다.

4) 블레이드 표면 박리

TiC 함량이 높은 초경합금, 세라믹, PCBN 등 취성 재료의 경우 표면 구조의 결함이나 잠재적 균열, 또는 용접, 연마로 인한 잔류 응력으로 인해 공구 표면이 충분히 안정적이지 않거나 공구 표면이 교번 접촉 응력을 받을 때 박리되기 쉽습니다. 레이크 면에서 박리가 발생할 수 있고, 플랭크 면에서 나이프가 발생할 수 있으며, 박리 물질은 박편 형태이고 박리 면적이 큽니다. 코팅 공구는 박리가 더 잘 발생합니다. 블레이드가 약간 박리된 후에도 계속 작동할 수 있지만, 심한 박리 후 절삭 능력을 잃습니다.

5) 절삭 부위 소성 변형

강철과 고속도강의 강도와 경도가 낮아 절삭 부위에서 소성 변형이 발생할 수 있습니다. 초경합금이 고온과 3방향 압축 응력 하에서 작동할 때도 표면 소성 흐름이 발생하고, 심지어 절삭 날이나 공구 팁이 소성 변형되어 붕괴를 일으킬 수 있습니다. 붕괴는 일반적으로 절삭량이 많고 경질 재료를 가공할 때 발생합니다. TiC계 초경합금의 탄성 계수가 WC계 초경합금보다 작아 전자의 소성 변형 저항이 가속되거나 빠르게 실패합니다. PCD와 PCBN은 기본적으로 소성 변형을 겪지 않습니다.

6) 블레이드 열균열

공구가 교번 기계적 하중과 열 하중을 받을 때, 절삭 부위 표면은 반복된 열팽창과 수축으로 인해 필연적으로 교번 열응력을 생성하여 블레이드 피로와 균열을 유발합니다. 예를 들어, 초경합금 밀링 커터가 고속 밀링을 수행할 때 커터 이빨은 주기적인 충격과 교번 열응력을 지속적으로 받아 레이크 면에 빗살 모양 균열이 생깁니다. 일부 공구는 명백한 교번 하중과 교번 응력이 없지만, 표면과 내부 온도 불일치로 인해 열응력이 생성됩니다. 또한 공구 재료에는 필연적으로 결함이 있으므로 블레이드도 균열될 수 있습니다. 균열 형성 후 공구는 때때로 일정 기간 계속 작동할 수 있고, 때로는 균열의 급속한 성장으로 블레이드가 파손되거나 블레이드 면이 심각하게 박리됩니다.

공구 파손 예방 방법

1) 가공 재료와 부품 특성에 따라 다양한 유형과 등급의 공구 재료를 합리적으로 선택합니다. 일정 경도와 내마모성 전제하에 공구 재료가 필요한 인성을 가지도록 보장해야 합니다.

2) 공구 기하학적 파라미터를 합리적으로 선택합니다. 전후각, 주보조 편각, 블레이드 경사각 등을 조정하여 절삭 날과 팁이 좋은 강도를 가지도록 합니다. 절삭 날에 네거티브 챔퍼를 연마하는 것은 공구 붕괴 방지에 효과적인 조치입니다.

3) 용접과 연마 품질을 보장하고, 부적절한 용접과 연마로 인한 각종 결함을 방지합니다. 핵심 공정에 사용되는 절삭 공구는 연마하여 표면 품질을 개선하고 균열을 검사해야 합니다.

4) 절삭량을 합리적으로 선택하여 과도한 절삭력과 높은 절삭 온도로 인한 공구 손상을 방지합니다.

5) 공정 시스템이 더 나은 강성을 가지도록 최대한 보장하고 진동을 줄입니다.

6) 올바른 조작 방법을 취하여 공구가 갑작스러운 하중을 견디지 않거나 최소화하도록 합니다.

공구 마모

마모 원인은 다음과 같이 나눌 수 있습니다:

1) 마모성 마모

가공 재료에 극도로 경도가 높은 미세 입자가 종종 있어 공구 표면에 홈을 긁을 수 있는데, 이것이 마모성 마모입니다. 마모성 마모는 모든 면에 존재하며 레이크 면에서 가장 뚜렷합니다. 또한 마모성 마모는 다양한 절단 속도에서 발생할 수 있지만, 저속 절삭 시 절삭 온도가 낮아 다른 원인으로 인한 마모가 뚜렷하지 않으므로 마모성 마모가 주된 원인입니다. 또한 공구 경도가 낮을수록 마모성 마모가 더 심합니다.

2) 냉간 용착 마모

절삭 시 공작물, 칩, 전후면 사이에 큰 압력과 강한 마찰이 있어 냉간 용착이 발생합니다. 마찰 쌍 간의 상대 운동으로 인해 냉간 용착이 균열을 일으키고 한쪽에 의해 벗겨져 냉간 용착 마모가 발생합니다. 냉간 용착 마모는 일반적으로 중간 절단 속도에서 더 심합니다. 실험에 따르면 취성 금속이 소성 금속보다 냉간 용착 저항이 강하고, 다상 금속이 단상 금속보다 작으며, 금속 화합물이 단일 물질보다 냉간 용착 경향이 낮고, 화학 원소 주기표의 B족 원소가 철과 냉간 용착 경향이 낮습니다. 고속도강과 초경합금의 냉간 용착은 저속 절삭 시 더 심합니다.

3) 확산 마모

고온 절삭 과정에서 공작물과 공구 접촉 시 양측 화학 원소가 고체 상태에서 상호 확산하여 공구 구성과 구조를 변화시키고, 공구 표면을 취약하게 만들어 공구 마모를 증가시킵니다. 확산 현상은 항상 높은 농도 구배 객체에서 낮은 농도 구배 객체로 지속적인 확산을 유지합니다.

4) 산화 마모

온도 상승 시 공구 표면이 산화되어 더 부드러운 산화물을 생성하고 칩 마찰로 인한 마모를 산화 마모라고 합니다. 예를 들어, 700℃~800℃에서 공기 중 산소가 초경합금의 코발트, 탄화물, 탄화티타늄과 산화되어 더 부드러운 산화물을 형성합니다. 1000℃에서 PCBN은 수증기와 화학 반응합니다.

마모 형태에 따라 다음과 같이 나눌 수 있습니다:

1) 레이크 면 손상

높은 속도로 소성 재료를 절삭할 때, 칩 작용 하에 레이크 면의 절삭력에 가까운 부분이 초승달 모양의 오목한 형태로 마모되어 크레이터 마모라고도 합니다. 마모 초기 단계에서 공구 레이크 앵글이 증가하여 절삭 조건을 개선하고 칩 말림과 파단을 용이하게 합니다. 그러나 초승달 구멍이 더 커지면 절삭 날 강도가 크게 약화되어 결국 절삭 날 붕괴 손상 사례를 초래할 수 있습니다. 취성 재료 절삭 시, 또는 낮은 절단 속도와 얇은 절삭 두께로 소성 재료 절삭 시 크레이터 마모는 일반적으로 발생하지 않습니다.

2) 공구 팁 마모

공구 코 마모는 팁 아크와 인접한 제2 플랭크 면의 플랭크 면 마모이며, 공구 플랭크 면 마모의 연속입니다. 열 방출 조건이 나쁘고 응력이 집중되어 마모 속도가 플랭크보다 빠릅니다. 때로는 이송과 같은 거리의 작은 홈 시리즈가 제2 플랭크에 형성되는데, 이를 그루브 마모라고 합니다. 이는 주로 가공 표면의 경화층과 절삭 선에 의해 발생합니다. 가공 경화 경향이 높은 난삭재 절삭 시 그루브 마모가 가장 잘 발생합니다. 공구 팁 마모는 공작물 표면 거칠기와 가공 정밀도에 가장 큰 영향을 미칩니다.

3) 플랭크 마모

큰 절삭 두께로 소성 재료 절삭 시 빌트업 에지 존재로 인해 공구 플랭크 면이 공작물과 접촉하지 않을 수 있습니다. 또한 보통 플랭크 면은 공작물과 접촉하여 클리어런스 앵글이 0인 마모대를 플랭크 면에 형성합니다. 일반적으로 절삭 날 작업 길이 중간에 플랭크 마모가 비교적 균일하므로, 절삭 날 플랭크 마모대 폭 VB로 플랭크 마모 정도를 측정할 수 있습니다. 거의 모든 유형의 공구가 다양한 절삭 조건에서 플랭크 마모를 가지며, 특히 취성 재료 절삭 시나 작은 절삭 두께로 소성 재료 절삭 시 공구 마모는 주로 플랭크 마모이며, 마모대 폭 VB 측정이 비교적 간단하므로 VB를 보통 공구 마모 정도를 나타내는 데 사용합니다. VB가 클수록 절삭력 증가와 절삭 진동 유발뿐만 아니라 공구 팁 아크 마모에도 영향을 미쳐 가공 정밀도와 가공 표면 품질에 영향을 미칩니다.

공구 치핑

공구 치핑 원인 및 해결책

1) 블레이드 등급 및 사양 부적절 선택: 황삭 시 블레이드 두께가 너무 얇거나 너무 경질이고 취성인 등급 선택.

해결책: 블레이드 두께 증가 또는 블레이드 직립 설치, 더 높은 굽힘 강도와 인성을 가진 등급 선택.

2) 공구 기하학적 파라미터 부적절 선택(전후각 너무 큼 등).

해결책: 다음 측면에서 공구 재설계.

① 전후각 적절히 감소.

② 더 큰 네거티브 블레이드 경사각 사용.

③ 진입각 감소.

④ 더 큰 네거티브 챔퍼 또는 절삭 날 아크 사용.

⑤ 전이 절삭 날 연마로 공구 팁 강화.

3) 블레이드 용접 공정 잘못되어 과도한 용접 응력 또는 용접 균열 발생.

해결책:

① 세 면이 닫힌 블레이드 슬롯 구조 사용 회피.

② 납땜 재료 올바르게 선택.

③ 산소아세틸렌 화염 가열 용접 회피, 용접 후 보온하여 내부 응력 제거.

④ 가능한 한 기계적 클램핑 구조 사용.

4) 부적절한 연마 방법으로 연마 응력과 연마 균열 발생; PCBN 밀링 커터 연마 후 이빨 진동이 너무 커 개별 이빨 과부하로 나이프 히트 발생.

해결책:

① 간헐적 연마 또는 다이아몬드 휠 연마 사용.

② 더 부드러운 연마 휠 선택, 자주 드레싱하여 연마 휠 날카로움 유지.

③ 연마 품질 주의, 커터 이빨 진동 엄격 제어.

5) 절삭량 선택 불합리. 양이 너무 많아 기계가 답답해짐; 단속 절삭 시 절단 속도 너무 빠름, 이송량 너무 큼, 블랭크 여유량 고르지 않음, 절삭 깊이 너무 작음; 고망간강 등 가공 경화 경향 높은 재료 절삭 시 이송량 너무 작음 등.

대책: 절삭량 재선택.

6) 기계적 클램핑 공구 슬롯 바닥면 고르지 않거나 블레이드 과도 돌출 등 구조적 이유.

해결책:

① 칼 홈 바닥면 트리밍.

② 절삭유 노즐 위치 합리적 배치.

③ 경화 생크에 초경합금 가스켓 추가.

7) 과도한 공구 마모.

해결책: 공구 또는 절삭 날 적시 교체.

8) 절삭유 유량 부족 또는 주입 방법 잘못되어 블레이드 과열 및 균열 발생.

해결책:

① 절삭유 유량 증가.

② 절삭유 노즐 위치 합리적 배치.

③ 미스트 쿨링 등 효과적인 냉각 방법 사용하여 냉각 효과 개선.

④ * 절삭으로 블레이드 충격 감소.

9) 공구 잘못 설치: 절삭 공구 너무 높거나 낮게 설치; 페이스 밀링 커터 비대칭 다운 밀링 사용 등.

대책: 공구 재설치.

10) 공정 시스템 강성 너무 나빠 과도한 절삭 진동 발생.

해결책:

① 공작물 보조 지지 증가로 공작물 클램핑 강성 향상.

② 공구 오버행 길이 감소.

③ 공구 클리어런스 앵글 적절히 감소.

④ 기타 진동 방지 조치 사용.

11) 부주의한 조작: 공작물 중간에서 공구 진입 시 동작 너무 격렬함; 공구 후퇴하지 않고 즉시 정지 등.

대책: 조작 방법 주의.