가공성(Machinability) 완전 가이드: 핵심 요인, 향상 기법, 측정 방법

절삭 공구로 금속을 절삭하기 쉬운 정도를 가공성(Machinability)이라고 합니다. 그러나 금속의 가공성을 결정하는 요인이 많기 때문에 이 특성을 정량화하기는 어렵습니다. 이 글에서는 가공성의 기초(정의, 영향 요인, 금속 가공성 차트, 가공성 향상 방법, 측정 방법)를 소개합니다.

가공성이란?

가공성은 절삭 공구로 소재를 절삭하기 쉬운 정도, 즉 금속을 절삭하기 쉬운 정도를 나타내는 척도입니다. 만족스러운 표면 조도를 제공하면서 소재(주로 금속)를 얼마나 쉽게 절삭하거나 성형할 수 있는지를 정의합니다. 가공성이 좋은 소재는 절삭에 매우 적은 동력이 필요하며, 매끄러운 표면 조도를 생성하고 공구 마모를 최소화합니다. 반면 가공성이 낮은 소재는 더 높은 절삭력이 필요하고 표면 조도가 나쁘며 공구가 빨리 마모됩니다. 따라서 가공성이 나쁜 소재는 가공 비용이 더 많이 듭니다.

미국 철강협회(AISI)는 160 브리넬 B1112 강철의 가공성을 100% 기준으로 하여 다양한 소재의 가공성 등급을 정했습니다. B1112보다 가공성이 높은 금속은 100% 이상, 낮은 금속은 100% 미만으로 평가됩니다. 가공성 등급은 각 소재의 일반 절삭 속도, 표면 조도, 공구 수명의 가중 평균을 측정하여 결정됩니다.

금속 가공성 차트

(출처: https://www.cnclathing.com/guide/cnc-machining-material-machinability-chart-machinability-of-metals-and-plastics-cnclathing)

금속 가공성 영향 요인

1) 작업물 특성 관련 요인

금속 경도:

금속이 단단하면 더 많은 전력 소모와 고온 발생으로 공구 마모가 발생하여 가공성이 나빠집니다.

화학 조성:

순수 금속 가공 시 절삭력과 공구 마모가 매우 높습니다. 그러나 강철에 소량의 탄소, 망간, 납, 황, 인을 첨가하면 가공성이 향상됩니다. 생산성과 표면 조도도 개선됩니다.

• 탄소 0.01~0.15%를 함유한 저탄소강은 높은 연성과 인성으로 인해 가공성이 나쁩니다.
• 탄소 함량이 더 많으면(0.25~0.3%) 좋은 가공성을 보입니다.
• 1% 망간과 0.15% 인 첨가는 금속 가공성을 향상시킵니다.
• 유황과 인이 금속에 존재하면 가공 칩이 취성으로 인해 잘 부서집니다.
• 그러나 실리콘, 니켈, 크롬, 바나듐, 몰리브덴 등 강철에 첨가되는 일부 금속은 가공성에 악영향을 미칩니다.

미세 구조:

연마성 개재물이 포함되어 있거나 불균일한 구조, 크고 왜곡된 결정립을 가진 금속은 가공성이 나쁩니다.

금속 처리 상태:

• 냉간 가공 강철은 공구 수명을 늘리고 높은 절삭 속도로 가공할 수 있어 가공성이 더 좋습니다.
• 고탄소강의 가공성은 열간 가공으로 개선될 수 있습니다.
• 노말라이징, 풀림, 뜨임 등 다양한 열처리는 가공성 향상에 도움이 됩니다.

2) 공구 관련 요인

금속 가공성에 영향을 미치는 다양한 절삭 공구 관련 요인은 다음과 같습니다.

• 공구 소재
• 공구 형상
• 절삭 특성
• 공구 강성

3) 절삭 조건 관련 요인

금속 가공성에 영향을 미치는 다양한 절삭 조건 관련 요인은 다음과 같습니다.

• 절삭 속도
• 이송 및 절삭 깊이
• 절삭 온도
• 절삭유

4) 기계 관련 요인

가공 작업에 사용되는 공작기계는 더 나은 작업물 가공성을 위해 강성 있고 견고해야 합니다.

소재 가공성 향상 방법

금속은 고정된 물리적 특성을 가지지만, 작업물 상태를 변경하여 가공을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 합금에 첨가제를 추가하여 가공성을 향상시킬 수도 있습니다.

• 첨가제: 주어진 소재의 가공성을 개선하는 한 가지 방법은 다른 소재의 원소를 첨가하여 절삭하기 쉽게 만드는 것입니다. 예를 들어, 강철 가공 시 납과 황을 첨가하면 작업물 절삭이 더 쉬워집니다.
• 열처리: 금속은 특성 변경을 위해 가열 및 냉각되는 경우가 많습니다. 열처리는 금속 경도를 낮춰 가공을 쉽게 만듭니다. 예를 들어, 니켈 기반 합금의 풀림은 가공성을 개선할 수 있습니다.
• 외부 요인: 실제 작업물 소재를 변경하지 않고 가공을 더 쉽게 만듭니다. 예를 들어, 공구 소재, 절삭 속도, 절삭 각도, 작동 조건 및 기타 매개변수 조정으로 난삭재 절삭을 쉽게 만들 수 있습니다.

가공성 측정

소재 가공성에 영향을 미치는 다양한 요인이 많기 때문에 가공성은 정량화하기 어려운 모호한 개념으로 간주될 수 있습니다.

그러나 엔지니어와 재료 과학자들은 전력 소비(소재 절삭에 필요한 에너지), 절삭 공구 수명(주어진 소재 절삭 시 공구 마모 속도), 표면 조도(절삭된 소재의 매끄러움) 등의 지표를 통해 가공성을 측정하려 시도합니다.

• 전력 소비: 표준 에너지 지표를 사용하여 소재 절삭에 필요한 힘으로 가공성을 평가할 수 있습니다.
• 절삭 공구 수명: 주어진 소재를 절삭하는 동안 공구가 얼마나 오래 지속되는지 계산하여 가공성을 평가할 수 있습니다.
• 표면 조도: 가공 중 빌트업 에지(Built-up Edge) 발생 정도를 관찰하여 가공성을 평가할 수 있습니다. 가공성이 높은 소재는 빌트업 에지가 발생하지 않습니다.