CNC 밀링 머신 절삭력 효율 저하 요인 분석

CNC 밀링 머신에서 금속 절삭 시 공구가 공작물에 절입하여 공작물 재료를 칩으로 변형시키는 데 필요한 힘을 절삭력이라고 합니다. 절삭력은 절삭 동력 계산, 공구/공작 기계/고정구 설계, 절삭 조건 수립의 중요한 근거. 자동화 생산에서 절삭력은 절삭 공정과 공구 작업 상태 모니터링에도 사용.

CNC 밀링 머신 절삭력과 절삭 동력

1. CNC 밀링 머신 절삭력 발생원

절삭력 발생원은 한편으론 칩 형성 과정 중 탄성 변형과 소성 변형 시 발생하는 저항, 다른 한편으론 칩과 공구 앞면(레이크면) 마찰 저항, 공작물과 공구 옆면(플랭크면) 마찰 저항.

2. 절삭력과 분해

절삭 중 총 절삭력 F는 공간력. 측정/계산 편의와 공작 기계/고정구/공구 설계, 공정 분석 필요 충족 위해 F를 보통 서로 수직인 3개 절삭 분력 Fc, Fp, Ff로 분해.

(1) 주 절삭력 Fc: 총 절삭력 F의 주 운동 방향 투영, 방향은 기저면 수직. Fc는 공작 기계 동력, 공구 강도, 고정구 설계, 절삭 조건 선택 중요 근거. 경험 공식 또는 단위 절삭력 kc(N/mm)로 계산: Fc=kcAD=kchDbD=kcapf.

(2) 배킹 포스 Fp: 총 절삭력 F의 이송 방향 수직 분력. 공작물 변형 유발, 시스템 진동 주요 요인.

(3) 이송력 Ff: 총 절삭력 F의 이송 운동 방향 절삭 분력. 공작 기계 이송 메커니즘 및 이송 동력 설계/검토 주요 근거.

절삭력은 총 절삭력 F를 Fc와 FD로 분해, FD를 Fp와 Ff로 분해. 관계: Ff=FDsinkr; Fp=FDcoskr.

3. CNC 밀링 머신 절삭 동력

절삭 동력은 절삭 과정에서 절삭력 소모 동력, pm으로 표시, 단위 kW. 외경 선삭 시 주 절삭력 Fc와 이송력 Ff 소모 동력 합. 이송력 Ff 소모 동력 비율 작음(1~5%), 일반 Ff 동력 무시 가능, Fp는 일 안 함. 공식: Pm=Fcυc×10, Fc 주 절삭력(N), υc 절삭 속도(m/s).

공작 기계 전달 효율 고려 시 절삭 동력 Pm에서 공작 기계 모터 동력 PE 산출: PE≥Pm/η, η 공작 기계 전달 효율, 보통 0.75~0.85.

CNC 밀링 머신 절삭력에 영향을 미치는 주요 요인

1. 공작물 소재 영향

공작물 소재 강도와 경도 높을수록 절삭 변형 약간 감소하지만 총 절삭력 여전히 증가. 가공 강도/경도 유사 소재 중 가소성 크면 공구와 마찰 계수 커서 절삭력 증가. 취성 소재는 소성 변형 작아 칩-공구 레이크면 마찰 작아 절삭력 작음.

2. 절삭량 영향

(1) 이송량 f와 절삭 깊이 ap.
f와 ap 증가 시 절삭 면적 증가, 주 절삭력 증가. 단 영향 정도 다름. 선삭 시 ap 2배면 주 절삭력 약 2배 증가; f 2배면 주 절삭력 68~86%만 증가. 따라서 절삭력과 절삭 동력 고려 시 이송량 증가가 절삭 깊이 증가보다 유리.

(2) 절삭 속도 υc. YT15 초경 공구로 45강 가공(ap=4mm, f=0.3mm/r) 시 절삭 속도 영향 곡선. 소성 금속 절삭 시 빌트업 에지 영역에서 빌트업 에지 성장으로 공구 실제 레이크각 증가, 칩 변형 감소, 절삭력 감소; 역으로 빌트업 에지 감소 시 절삭력 증가. 빌트업 에지 없으면 절삭 속도 증가 시 절삭 온도 상승, 레이크면 마찰 감소, 변형 감소, 절삭력 감소. 따라서 생산성 향상 위해 고속 절삭 자주 사용. 취성 금속 절삭 시 υc 증가, 절삭력 약간 감소.

3. 공구 기하 파라미터 영향

(1) 레이크각. 레이크각 절삭력 최대 영향. 소성 금속 절삭 시 레이크각 증가로 피삭재 압출 변형과 마찰 감소, 칩 배출 원활, 총 절삭력 감소; 취성 금속 절삭 시 레이크각 영향 미미.

(2) 네거티브 챔퍼링. 예리한 절삭날에 네거티브 챔퍼 연마로 날 강도 증가, 공구 수명 연장. 단 이때 피삭 금속 변형 증가, 절삭력 증가.

(3) 진입각. 진입각 절삭력 영향 주로 절삭 두께와 팁 호 길이 변화 통한 변형 영향으로 절삭력 영향. 진입각 주 절삭력 Fc 영향 작으나 배킹 포스 Fp와 이송력 Ff 비율에 현저 영향. F'D 공작물이 공구에 가하는 역추력. F'p=F'Dcoskr, F'f=F'Dsinkr, 진입각 kr 증가 시 이송력 F'f 증가, 배킹 포스 F'p 감소. 가늘고 긴 공작물 선삭 시 공작물 굽힘 변형 감소/방지 위해 더 큰 진입각 선택 가능.

4. 기타 요인 영향: 공구-공작물 소재 마찰

동일 절삭 조건에서 하이스 공구 절삭력 최대, 초경 공구 다음, 세라믹 공구 최소. 절삭유 사용 시 절삭력 감소, 절삭유 윤활 성능 높을수록 절삭력 감소 폭 큼. 공구 플랭크 마모 심할수록 마찰 심해지고 절삭력 커짐.