알루미늄 부품 변형 최소화: 검증된 기술 & 작업 팁

알루미늄 부품 변형에는 여러 원인이 있으며, 재료, 부품 형상, 생산 조건과 관련이 있습니다. 주로 블랭크 내부 응력에 의한 변형, 절삭력과 절삭열에 의한 변형, 클램핑 힘에 의한 변형이 있습니다.

알루미늄 가공 변형 감소를 위한 팁

1. 블랭크 내부 응력 감소

자연 또는 인공 시효 처리와 진동 처리로 블랭크 내부 응력을 부분적으로 제거할 수 있습니다. 사전 가공도 효과적인 공정 방법입니다. 헤드가 크고 여유분이 많은 블랭크의 경우 가공 후 변형도 큽니다. 블랭크의 초과 부분을 사전 가공해 각 부분의 여유분을 줄이면 후속 공정의 가공 변형을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 일정 기간 사전 가공 후 내부 응력 일부도 방출됩니다.

2. 공구 절삭 능력 향상

공구 재료와 기하학적 파라미터는 절삭력과 절삭열에 중요한 영향을 미칩니다. 올바른 공구 선택은 부품 변형 감소에 매우 중요합니다.

1) 공구 기하학적 파라미터 합리적 선택

① 경사각: 절삭날 강도를 유지하는 조건에서 경사각을 적절히 크게 선택합니다. 한편으로는 날카로운 절삭날을 연마할 수 있고, 다른 한편으로는 절삭 변형을 줄이고 칩 배출을 원활하게 해 절삭력과 절삭 온도를 낮춥니다. 음의 경사각 공구는 절대 사용하지 마세요.

② 후퇴각: 후퇴각 크기는 플랭크 마모와 가공 표면 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 절삭 두께는 후퇴각 선택의 중요한 조건입니다. 황삭 밀링 시 이송량이 크고 절삭 부하가 크며 발열이 많으므로 공구의 양호한 방열 조건이 필요합니다. 따라서 후퇴각을 작게 선택합니다. 정삭 밀링 시에는 절삭날이 날카로워야 하고 플랭크 면과 가공 표면 간 마찰을 줄이며 탄성 변형을 감소시켜야 하므로 후퇴각을 크게 선택합니다.

③ 헬릭스 각: 밀링을 원활하게 하고 밀링 힘을 줄이기 위해 헬릭스 각을 가능한 한 크게 선택합니다.

④ 진입각: 진입각을 적절히 줄이면 방열 조건을 개선하고 가공 영역의 평균 온도를 낮출 수 있습니다.

2) 공구 구조 개선

① 밀링 커터 치수 감소 및 칩 공간 확대. 알루미늄 소재의 가소성이 크고 가공 시 절삭 변형이 커서 더 큰 칩 포켓이 필요하므로 칩 포켓 바닥 반경을 크게 하고 밀링 커터 치수를 적게 해야 합니다.

② 칼날 정밀 연마. 커터 치아 절삭날의 조도 값은 Ra=0.4μm 미만이어야 합니다. 새 칼 사용 전 미세 오일스톤으로 치아 전후면을 가볍게 연마해 연마 시 잔여 버와 미세 톱니를 제거하세요. 이렇게 하면 절삭열 감소뿐만 아니라 절삭 변형도 상대적으로 작아집니다.

③ 공구 마모 기준 엄격 관리. 공구가 마모되면 공작물 표면 조도 값이 증가하고 절삭 온도가 상승하며 공작물 변형이 증가합니다. 따라서 내마모성이 좋은 공구 재료 선택 외에 공구 마모 기준을 0.2mm 이하로 해야 하며, 그렇지 않으면 빌트업 에지가 생기기 쉽습니다. 절삭 시 공작물 온도는 일반적으로 100°C를 넘지 않아야 변형을 방지할 수 있습니다.

3. 공작물 클램핑 방법 개선

강성이 나쁜 얇은 벽 알루미늄 공작물의 경우 다음 클램핑 방법으로 변형을 줄일 수 있습니다:

① 얇은 벽 부싱 부품의 경우 3조 셀프 센터링 척이나 스프링 척으로 반경 방향에서 클램핑하면 가공 후 풀릴 때 공작물이 필연적으로 변형됩니다. 이때 강성이 더 좋은 축 방향 단면을 누르는 방법을 사용해야 합니다. 부품 내경으로 위치시키고 직접 만든 나사 맨드렐을 부품 내경에 끼운 뒤 커버 플레이트로 단면을 누르고 너트로 조입니다. 외경 가공 시 클램핑 변형을 피할 수 있어 만족스러운 가공 정밀도를 얻을 수 있습니다.

② 얇은 벽 및 얇은 판 공작물 가공 시 진공 흡착 컵을 사용해 균일하게 분포된 클램핑 힘을 얻은 뒤 소량 절삭으로 가공하면 공작물 변형을 잘 방지할 수 있습니다.

또한 패킹 방법도 사용할 수 있습니다. 얇은 벽 공작물의 공정 강성을 높이기 위해 공작물 내부에 매질을 충전해 클램핑 및 절삭 중 공작물 변형을 줄입니다. 예를 들어 3~6% 질산칼륨을 함유한 요소 용융물을 공작물에 붓고, 가공 후 공작물을 물이나 알코올에 담가 충전물을 녹여 배출합니다.

4. 공정 합리적 배열

고속 절삭 시 가공 여유분이 크고 간헐적 절삭으로 인해 밀링 공정에서 진동이 자주 발생해 가공 정밀도와 표면 조도에 영향을 미칩니다. 따라서 CNC 고속 절삭 공정은 일반적으로 황삭-반정삭-코너 클리어링-정삭 등으로 나눕니다. 고정밀 요구 부품의 경우 2차 반정삭 후 정삭이 필요하기도 합니다. 황삭 후 부품을 자연 냉각해 황삭으로 인한 내부 응력을 제거하고 변형을 줄입니다. 황삭 후 남은 여유분은 변형량보다 커야 하며 일반적으로 1~2mm입니다. 정삭 시 부품 정삭 면은 균일한 가공 여유분을 유지해야 하며 일반적으로 0.2~0.5mm가 적절해 공구가 가공 중 안정 상태를 유지하게 하여 절삭 변형을 크게 줄이고 양호한 표면 가공 품질과 제품 정밀도를 보장합니다.

가공 변형 감소를 위한 작업 스킬

위 이유 외에도 실제 작업에서 작업 방법도 매우 중요합니다.

1. 가공 여유분이 큰 부품의 경우 가공 중 더 나은 방열 조건을 위해 열 집중을 피하고자 대칭 가공을 사용해야 합니다. 90mm 두께 판을 60mm로 가공할 때 한 면을 밀고 바로 다른 면을 밀면 최종 평탄도가 5mm에 이르지만, 반복 이송 대칭 가공으로 각 면을 두 번씩 가공하면 최종 평탄도 0.3mm를 보장할 수 있습니다.
2. 판 부품에 여러 캐비티가 있는 경우 하나의 캐비티씩 순차 가공하면 불균등한 응력과 변형을 초래하기 쉽습니다. 다층 가공을 채택해 각 층에서 모든 캐비티를 최대한 동시에 가공한 뒤 다음 층을 가공해 부품이 균등한 응력을 받게 하고 변형을 줄입니다.
3. 절삭량 변경으로 절삭력과 절삭열 감소. 절삭 3요소 중 절삭 깊이가 절삭력에 큰 영향을 미칩니다. 가공 여유분이 너무 크면 1패스 절삭력이 너무 커 부품 변형뿐만 아니라 공작기계 스핀들 강성 저하와 공구 내구성 감소도 초래합니다. 절삭 깊이를 줄이면 생산 효율이 크게 떨어지지만, CNC 가공에서 고속 밀링을 사용하면 이 문제를 극복할 수 있습니다. 절삭 깊이를 줄이면서 이송을 상응하게 늘리고 공작기계 속도를 높이면 가공 효율을 유지하면서 절삭력을 줄일 수 있습니다.
4. 공구 순서도 주의해야 합니다. 황삭은 가공 효율과 단위 시간당 제거율을 강조합니다. 일반적으로 업컷 밀링을 사용합니다. 즉, 블랭크 표면의 초과 재료를 가장 빠른 속도와 최단 시간에 제거하고 정삭에 필요한 기하학적 윤곽을 기본적으로 형성합니다. 정삭은 고정밀 고품질을 강조하며 다운컷 밀링을 사용해야 합니다. 다운컷 밀링 시 커터 치아의 절삭 두께가 최대에서 0으로 점차 감소해 가공 경화 정도가 크게 줄고 동시에 부품 변형도 감소합니다.
5. 얇은 벽 공작물의 클램핑으로 인한 변형은 정삭 시에도 피하기 어렵습니다. 공작물 변형을 최소화하기 위해 정삭 공정이 최종 치수에 도달하기 전에 압판을 풀어 공작물이 자유롭게 원래 형상으로 복원되게 한 뒤 약간만 조여서(전적으로 느낌에 의존) 공작물을 클램핑하는 것만으로 이상적인 가공 효과를 얻을 수 있습니다. 요컨대 클램핑 힘의 작용점은 지지면에 있는 것이 가장 좋고, 클램핑 힘은 공작물 강성이 좋은 방향으로 작용해야 합니다. 공작물이 풀리지 않는 전제하에서 클램핑 힘이 작을수록 좋습니다.
6. 캐비티가 있는 부품 가공 시 밀링 커터가 드릴 비트처럼 공작물에 직접 수직으로 들어가면 밀링 커터의 칩 포켓 공간 부족, 칩 배출 불량, 과열, 팽창, 공작물 붕괴, 공구 손상 등의 악영향이 발생합니다. 먼저 밀링 커터와 같은 크기나 한 사이즈 큰 드릴로 구멍을 뚫은 뒤 밀링 커터로 가공하세요. 또는 CAM 소프트웨어로 나선 절삭 프로그램을 생성하세요.

알루미늄 부품의 가공 정밀도와 표면 품질에 영향을 주는 주요 요인은 이러한 부품 가공 시 변형이 쉽게 발생한다는 점으로, 이는 작업자에게 일정한 작업 경험과 스킬을 요구합니다.