CNC 밀링 머신에서 낮은 생산 효율이 절삭력에 미치는 영향 분석

CNC 밀링 머신으로 금속을 절삭할 때, 절삭 공구가 공작물에 절입되어 공작물 재료를 칩으로 변형시키는 힘을 절삭력이라고 합니다. 절삭력은 절삭 동력 계산, 절삭 공구 설계, 공작기계 및 공작기계 고정구 설계, 절삭 파라미터 설정에 중요한 근거가 됩니다. 자동화 생산에서 절삭 공정과 절삭 공구의 작동 상태도 절삭력을 통해 모니터링할 수 있습니다.

CNC 밀링 머신의 절삭력과 절삭 동력

1. CNC 밀링 머신 절삭력의 발생원

한편으로는 칩 형성 과정에서 탄성 변형과 소성 변형으로 인한 저항이고, 다른 한편으로는 칩과 공구 경사면 사이, 공작물과 공구 경사면 사이의 마찰 저항입니다.

2. 절삭력과 분해

절삭 중 총 절삭력 F는 공간 힘입니다. 측정과 계산의 편의, 공작기계, 고정구, 공구 설계 및 공정 분석의 필요성을 위해 F는 보통 서로 수직인 세 가지 절삭 성분 FC, FP, FF로 분해됩니다.

(1) 주 절삭력 FC는 총 절삭력 F의 주 운동 방향 투영이며, 그 방향은 기본 평면에 수직입니다. FC는 공작기계 동력, 공구 강도, 고정구 설계 및 절삭 파라미터 선정에 중요한 근거입니다. FC는 경험 공식 또는 단위 절삭력 KC(단위: N/mm)로 계산할 수 있습니다: FC = kc·ad = kc·hD·bd = kc·ap·f.

(2) 배향력 FP는 총 절삭력 F의 이송 방향에 수직인 성분입니다. 공작물 변형과 시스템 진동을 유발하는 주요 요인입니다.

(3) 이송력 FF는 총 절삭력의 이송 방향 f 성분입니다. 공작기계 이송 메커니즘 설계 및 검토, 공작기계 이송 동력의 주요 근거입니다.

절삭력 F는 FC와 FD로 분해되고, FD는 다시 FP와 FF로 분해되며, 그 관계는 FF = Fd·sinκr, FP = Fd·cosκr입니다.

3. CNC 밀링 머신의 절삭 동력

절삭 동력은 절삭 과정에서 절삭력이 소비하는 동력으로, PM으로 표시하며 단위는 kW입니다. 외경 선삭 시 주 절삭력 FC와 이송력 FF가 소비하는 동력의 합입니다. 이송력 FF가 소비하는 동력 비율이 작기 때문에(1~5%만 차지), 일반적으로 FF가 소비하는 동력은 무시할 수 있고, FP는 일을 하지 않으므로 PM = FC × υc가 됩니다. 여기서 FC는 주 절삭력(N), υc는 절삭 속도(m/s)입니다.

공작기계의 전달 효율을 고려하면, 절삭 동력 PM으로부터 공작기계 모터 정격 출력 PE를 계산할 수 있습니다: PE ≥ PM/η, 여기서 η는 공작기계 전달 효율로 일반적으로 0.75~0.85를 취합니다.

CNC 밀링 머신 절삭력에 영향을 미치는 주요 요인

1. 공작물 재료의 영향

공작물 재료의 강도와 경도가 높을수록 절삭 변형은 약간 감소하지만 총 절삭력은 여전히 증가합니다. 가공 강도와 경도가 비슷한 재료의 경우, 가소성이 크면 공구와의 마찰 계수도 커서 절삭력이 증가합니다. 취성 재료 가공 시 칩과 공구 경사면 사이의 마찰이 작고 소성 변형이 적어 절삭력이 작습니다.

2. 절삭 파라미터의 영향

(1) 이송량 ap와 이송 f.

f와 ap가 증가하면 절삭 면적이 증가하고 주 절삭력도 증가하지만, 그 영향 정도는 다릅니다. 선삭에서 ap가 2배가 되면 주 절삭력도 2배가 됩니다. f가 2배가 되면 주 절삭력은 68~86%만 증가합니다. 따라서 절삭 과정에서 주 절삭력과 절삭 동력을 고려한다면 이송 속도를 높이는 것이 이송량을 늘리는 것보다 유리합니다.

• 절삭 속도 υc.

YT15 초경 공구로 45강 가공 시(ap=4mm, f=0.3mm/r) 절삭 속도가 절삭력에 미치는 영향 곡선. 소성 금속 절삭 시, 칩 축적 영역에서 칩 축적의 성장은 공구의 실제 경사각을 증가시켜 칩 변형을 줄이고 절삭력을 감소시킵니다. 반대로 칩 축적의 감소는 절삭력을 증가시킵니다. 칩 축적이 없을 때 절삭 속도 υc가 증가하면 절삭 온도가 상승하고, 경사면 마찰이 감소하며, 변형이 감소하고 절삭력이 감소합니다. 따라서 생산에서 고속 절삭을 자주 사용하여 생산성을 향상시킵니다. 취성 금속 절삭 시 υc가 증가하면 절삭력이 약간 감소합니다.

3. 공구 기하학적 파라미터의 영향

(1) 경사각. 경사각은 절삭력에 가장 큰 영향을 미칩니다. 소성 금속 절삭 시 경사각이 증가하면 절삭될 재료의 압출 변형과 마찰을 줄이고, 칩 배출을 원활하게 하여 총 절삭력을 감소시킵니다. 취성 금속 절삭 시 경사각의 절삭력 영향은 뚜렷하지 않습니다.

(2) 네거티브 챔퍼링. 예리한 절삭날에 네거티브 챔퍼링을 연마하면 날의 강도가 향상되고 공구 수명이 향상되지만, 이때 절삭될 금속의 변형이 증가하여 절삭력이 증가합니다.

(3) 주 절입각. 주 절입각의 절삭력 영향은 주로 절삭 두께와 공구 코너 호 길이의 변화를 통해 변형에 영향을 미쳐 절삭력에 영향을 줍니다. 주 절입각은 주 절삭력 FC에 거의 영향을 주지 않지만, 배향력 FP와 이송력 FF의 비율에는 뚜렷한 영향을 미칩니다. F'd는 공작물이 공구에 가하는 반추력입니다. F'p = F'd·cosκr, F'f = F'd·sinκr이므로, 주 절입각 κr을 증가시키면 이송력 F'f가 증가하고 배향력 F'p가 감소합니다. 가늘고 긴 공작물 선삭 시 더 큰 주 절입각을 선택하여 공작물의 굽힘 변형을 줄이거나 방지할 수 있습니다.

4. 기타 요인: 절삭 공구와 공작물 재료 간 마찰

동일한 절삭 조건에서 고속도강 공구의 절삭력이 가장 크고, 초경 공구, 세라믹 공구 순입니다. 절삭 과정에서 절삭유를 사용하면 절삭력을 줄일 수 있으며, 절삭유의 윤활 성능이 높을수록 절삭력 감소 효과가 더 뚜렷합니다. 마찰이 클수록 공구 마모가 더 심각해집니다.