스테인리스강 가공 난제 극복: 해결책 및 모범 사례

신제품의 지속적인 등장은 부품 소재에 더 높은 요구를 제기합니다. 때로는 고경도, 고내마모성, 고인성 등 특수 요구사항을 충족해야 해 난삭재가 등장하고, 가공 기술에 더 높은 요구를 제기합니다. 양질의 탄소 구조강과 비교할 때 스테인리스강 소재에는 Cr, Ni, Nb, Mo 등 합금 원소가 포함됩니다. 이러한 합금 원소의 증가는 강의 내식성을 개선할 뿐만 아니라 스테인리스강의 가공 성능에도 일정한 영향을 미칩니다.

이 글은 스테인리스강 등 난삭재를 대상으로 실제 가공에서 마주치는 문제와 결합하여 스테인리스강 가공 난이도를 분석하고 실용적이고 효과적인 해결책을 제안합니다.

이 글은 실제 가공에서 마주치는 문제와 결합하여 스테인리스강 가공의 어려움을 분석하고 실용적이고 효과적인 해결책을 제안합니다.

스테인리스강 절삭 난이도 분석

실제 가공에서 스테인리스강 절삭은 공구 파손과 들러붙음이 자주 동반됩니다. 스테인리스강은 절삭 시 큰 소성 변형으로 인해 생성된 칩이 잘 부서지지 않고 들러붙기 쉬우며, 절삭 과정에서 심각한 가공 경화가 발생합니다. 각 패스마다 다음 절삭을 위한 경화층이 생성됩니다. 층층이 쌓이면서 스테인리스강은 절삭 과정에서 매질의 경도가 점점 커집니다. 따라서 필요한 절삭력도 증가합니다.

가공 경화층 생성과 절삭력 증가는 필연적으로 공구와 공작물 간 마찰 증가를 초래하고 절삭 온도도 상승합니다.

또한 스테인리스강의 열전도율이 낮고 방열 조건이 나빠 대량의 절삭 열이 공구와 공작물 사이에 집중되어 가공 표면이 악화되고 가공 표면 품질에 심각한 영향을 미칩니다. 게다가 절삭 온도 상승은 공구 마모를 악화시켜 공구 경사면에 초승달 크레이터를 만들고 절삭날에 틈을 만들어 공작물 표면 품질에 영향을 주고 작업 효율을 떨어뜨리며 생산 비용을 증가시킵니다.

스테인리스강 가공 품질 향상 방법

위에서 볼 수 있듯 스테인리스강 가공은 더 어렵고, 절삭 시 '경화층'이 쉽게 생기며, 공구가 잘 파손되고, 생성된 칩이 잘 부서지지 않아 공구에 들러붙어 공구 마모를 악화시킵니다. 이러한 스테인리스강 절삭 특성에 실제 생산을 결합하여 공구 소재, 절삭 매개변수, 냉각 방식 세 가지 측면에서 스테인리스강 가공 품질 향상 방법을 모색했습니다.

3.1 공구 소재 선택

적절한 공구 선택은 고품질 부품 가공의 기초입니다. 공구가 너무 나쁘면 합격 부품을 가공할 수 없고, 좋은 공구를 선택하면 부품 표면 품질 요구사항을 충족할 수 있지만 낭비를 초래하고 생산 비용을 증가시키기 쉽습니다. 열 방출 조건 나쁨, 가공 경화층, 스테인리스강 절삭 시 공구 들러붙음 특성에 결합하여 선택된 공구 소재는 내열성 우수, 내마모성 높음, 스테인리스강과의 친화력 낮음 특성을 충족해야 합니다.

3.1.1 고속도강(High Speed Steel)

고속도강은 W, Mo, Cr, V, Co 등 원소가 첨가된 고합금 공구강입니다. 공정 성능이 좋고 강도와 인성이 좋으며 충격과 진동 저항이 강합니다. 고속 절삭으로 인한 고열(약 500°C) 상황에서도 높은 경도(HRC 60 이상)를 유지할 수 있습니다. 고속도강은 우수한 적색 경도를 가지며 밀링 커터, 브로치 등 밀링 공구 제작에 적합하여 스테인리스강 절삭의 경화층과 열 방출 불량 등 환경 요구사항을 충족할 수 있습니다.

W18Cr4V는 가장 대표적인 고속도강 공구입니다. 1906년 탄생 이래 다양한 공구로 널리 제조되어 절삭 수요를 충족해 왔습니다. 하지만 다양한 피삭재 기계적 특성이 지속적으로 향상되면서 W18Cr4V 공구는 난삭재 가공 요구를 더 이상 충족할 수 없게 되었습니다. 고성능 코발트 고속도강이 때맞춰 탄생했습니다. 일반 고속도강과 비교해 코발트 고속도강은 내마모성, 적색 경도, 사용 신뢰성이 더 우수합니다. 대량 절삭 가공과 단속 절삭 가공에 적합합니다. 흔히 사용되는 등급으로는 W12Cr4V5Co5 등이 있습니다.

3.1.2 초경 합금(Hard alloy steel)

초경 합금은 고경도 내열 금속 카바이드(WC, TiC) 미분말을 주성분으로, 코발트, 니켈, 몰리브덴을 결합제로 하여 진공로나 수소 환원로에서 소결한 분말 야금 제품입니다. 초경 합금은 우수한 강도와 인성, 내열성, 내마모성, 내식성, 고경도 등 일련의 우수한 특성을 가집니다. 500°C에서도 기본적으로 변하지 않으며 1000°C에서도 여전히 높은 경도를 유지하여 스테인리스강, 내열강 등 난삭재 절삭에 적합합니다. 일반적인 초경 합금은 주로 YG형(텅스텐-코발트 초경), YT형(텅스텐 티타늄 코발트형), YW형(텅스텐 티타늄 탄탈륨(니오븀)형) 세 종류로 나뉘며, 이 세 합금의 성분과 용도가 다릅니다. 그중 YG 초경 우라늄은 인성과 열전도율이 좋아 더 큰 경사각을 선택할 수 있어 스테인리스강 절삭에 적합합니다.

3.2 스테인리스강 절삭 공구 기하 매개변수 선택

1) 경사각(yo):

스테인리스강의 고강도, 우수한 인성, 절삭 시 칩이 잘 끊어지지 않는 특성에 결합하여 공구에 충분한 강도를 보장하는 전제에서 더 큰 경사각을 선택해야 합니다. 이는 피삭재의 소성 변형을 줄이고 절삭 온도와 절삭력을 낮추며 경화층 생성을 줄일 수 있습니다.

2) 후면각(ao):

후면각을 늘리면 가공면과 옆면 간 마찰을 줄일 수 있지만, 절삭날의 방열 능력과 강도도 감소합니다. 후면각 크기는 절삭 두께에 따라 달라집니다. 절삭 두께가 클 때는 더 작은 후면각을 선택해야 합니다.

• 주 편각(kr), 부 편각(k'r):

주 편각 kr 감소는 절삭날 작업 길이 증가로 방열에 유리하지만 절삭 시 방사력을 증가시켜 진동이 발생하기 쉽습니다. kr 값은 보통 50°~90°로 취합니다. 공작기계 강성이 부족하면 적절히 증가시킬 수 있습니다. 부 편각은 보통 k'r=9°~15로 취합니다.

4) 날 경사각(λs):

공구 끝단 강도를 높이기 위해 날 경사각은 일반적으로 λs=7°~ -3°로 취합니다.

3.3 절삭유 및 냉각 방식 선택

스테인리스강의 가공성은 나쁘며 냉각, 윤활, 침투, 세정 성능에 더 높은 요구사항이 있습니다. 흔히 사용되는 절삭유 유형은 다음과 같습니다:

1) 에멀전(Emulsion):

더 일반적인 냉각 방식으로 냉각, 세정, 윤활 특성이 더 좋으며 스테인리스강 황삭에 자주 사용됩니다.

2) 유화유(Vulcanized oil):

절삭 시 금속 표면에 고융점 황화물이 형성되어 고온에서 파괴되지 않으며 윤활 효과가 좋고 일정한 냉각 효과가 있습니다. 일반적으로 드릴링, 리밍, 태핑에 사용됩니다.

3) 엔진오일, 주축유 등 광유(Mineral oil):

윤활 성능이 좋지만 냉각과 침투성이 나쁘며 외부 정밀 선삭에 적합합니다.

절삭 과정에서 절삭유 노즐을 절삭 구역에 겨냥하거나 고압 냉각, 스프레이 냉각 등 냉각 방식을 사용하는 것이 더 좋습니다.

요약하면, 스테인리스강은 가공성이 나쁘고 심각한 가공 경화, 큰 절삭력, 낮은 열전도율, 들러붙기 쉬움, 공구 마모 쉬움 등 단점이 있지만, 적절한 가공 방법을 찾고 적합한 공구, 절삭 방법, 절삭량, 적절한 냉각수를 선택하고 업무에서 부지런히 생각하면 스테인리스강 등 난삭재 문제도 해결됩니다.