CNC 가공에서 절삭 깊이(DOC) 마스터하기: 정밀 계산 및 제어

CNC 가공 작업이 귀사의 부품 제작에 필요한 방법이라고 결정했다면, 절삭 깊이(Depth of Cut, DOC)가 가공 제품 품질에 영향을 미치는 상위 3대 가장 중요한 매개변수 중 하나임을 알아야 합니다.

이 글은 가공에서 절삭 깊이의 의미, 제어해야 하는 이유, 칩 두께와 절삭 깊이의 차이, 계산 방법을 이해하는 데 도움이 됩니다.

가공 공정에서 절삭 깊이는 단순히 CNC 절삭 공구가 공작물에 얼마나 깊게 들어가 칩을 생성하며 절삭하는지를 나타냅니다. 이상적인 절삭 공정에서 CNC 절삭 공구가 공작물 표면 내 특정 깊이로 왼쪽으로 이동하면 칩이 생성됩니다. 이 깊이를 절삭 깊이(Depth of Cut, DOC)라고 합니다. 유사하고 간단한 적용이 필요하다면 초콜릿 컬이나 초콜릿 슬라이스가 어떻게 절단되는지 보면 됩니다.

절삭 깊이 값은 인치 또는 밀리미터로 측정되며 보통 0.1~1mm 사이입니다.

가공에서 절삭 깊이를 제어해야 하는 이유

절삭 깊이는 가공 공정에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어:

• 공구 팁에서의 온도 상승
• 공구 마모율
• 가공 제품의 강도
• 가공 표면 품질

예를 들어, 냉간 가공 소재보다 어닐링된 금속에서 빌트업 에지(BUE) 형성 경향이 있습니다. BUE 칩 유형은 공구 팁에 칩 층이 축적되는 것으로 구성됩니다. 따라서 절삭 깊이가 너무 깊으면 제어되지 않은 BUE가 표면 마감에도 악영향을 미칩니다.

절삭 깊이가 다른 가공 요소와 상호작용하는 방식

절삭 깊이는 가공 공정에 영향을 미치는 독립적 요소 중 하나로, 운영자가 제어합니다. 그러나 절삭 깊이는 다른 요소들과 상호작용하여 공작물의 결과 표면과 그 특성에 영향을 미칩니다.

절삭 깊이와 냉각유체

절삭 깊이가 감소하면 칩 곡률이 감소하고 칩이 더 꼬이게 됩니다. 이 경우 공구 팁에서 열이 상승하면 냉각유체 추가로 공정을 냉각시킬 수 있다고 생각할 수 있습니다.

그러나 CNC 냉각유체 추가는 칩을 더 꼬이게 만들고, 공구와 칩 간 접촉을 감소시키며, 열을 공구에 집중시켜 공구 마모를 크게 증가시킵니다. 이 경우 칩 브레이커가 유용할 수 있습니다.

절삭 깊이, 경사각, 절삭 속도

열가소성 플라스틱 가공에서 또 다른 예를 찾을 수 있습니다. 열가소성 플라스틱은 일반적으로 낮은 열전도율과 낮은 탄성 계수를 가집니다. 이는 가공 시 공구 팁의 열 변동에 크게 영향을 받음을 의미합니다. 절삭 깊이, 경사각, 절삭 속도는 모두 공구 팁에서 온도 상승과 끈적한 칩 형성을 피하기 위해 서로 상대적으로 조정되어야 합니다.

또한 절삭 깊이는 절삭 속도와 이송과 함께 공구 수명에 영향을 미치는 상위 3대 매개변수 중 하나라는 것도 알아두면 좋습니다.

절삭 깊이 계산 방법

다른 변수들 간의 정량적 관계의 중요성은 절삭 깊이 계산이 필요할 때, 왜 공구 온도가 높은지, 왜 표면 마감이 안 좋은지, 왜 절삭 공구가 빠르게 마모되는지 등 많은 의문에 명백합니다.

절삭 깊이를 계산하려면 다음 매개변수를 지정해야 합니다:

• 가공 공정(밀링, 터닝 등)
• 공작물 소재
• 공구 팁 특성
• 기계 역량
• 필요한 표면 마감과 공차

터닝 공정에서의 절삭 깊이

CNC 터닝에서 공작물은 회전하는 반면 공구는 공작물 길이를 따라 이동하며 재료 층을 제거합니다. 절삭 깊이는 이송 또는 이송률과 같을 수 있는데, 이는 단순히 공구가 단위 회전당 공작물을 따라 이동하는 거리로 시간당 mm 단위를 가집니다.

따라서 절삭 깊이는 단순히 제거된 소재 두께로 정의될 수 있으며 다음으로부터 계산할 수 있습니다:

밀링 공정에서의 절삭 깊이

CNC 밀링 공정에서 공구는 회전하는 반면 공작물은 고정됩니다. 절삭 깊이는 단순히 공구가 한 회전에서 공작물을 얼마나 깊게 절삭하는지입니다. 일반적으로 큰 직경(20mm 이상)의 경우 절삭 깊이는 절삭 공구 직경의 4배이고, 작은 공구 직경의 경우 직경 크기의 10배입니다.

칩 두께 값 vs 절삭 깊이 값 비교

칩 두께와 절삭 깊이의 차이를 구별하는 것이 중요합니다. 이들은 같지 않으며 같은 값을 가지지 않기 때문입니다.

이를 설명하기 위해 이상적인 절삭 공정의 Figure 1을 더 깊이 살펴볼 필요가 있습니다. 절삭 깊이 값( to로 표기)은 칩 두께(tc)와 다릅니다.

Figure 1: 이상적인 절삭 공정

칩 제거 공정은 잘 정의된 전단면과 Figure 2에 도시된 정의된 전단각 ϕ에서 전단에 의해 수행됩니다. 이는 칩 두께 값이 항상 절삭 깊이 값보다 크다는 것을 의미합니다.

Figure 2: 칩 형성의 기본 메커니즘

절삭 비율 vs 칩 압축 비율

절삭 깊이와 칩 두께의 비율 to/tc를 절삭 비율 또는 칩 두께 비율이라 하며 (r)로 표시하고 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

Figure 1에 표시된 전단각 ϕ와 경사각 α로부터도 계산할 수 있습니다:

여기서:

ϕ: 전단각
α: 경사각

이 값의 역수는 칩 압축 비율 또는 칩 압축 인자라고 하며 칩 두께가 절삭 깊이보다 얼마나 큰지를 나타냅니다.

보너스: 절삭 깊이 vs 절삭 힘과 동력

절삭 힘과 동력을 아는 것은 DOC 계산에 필수적입니다. 이들은 다음과 같은 중요한 매개변수를 제공할 수 있습니다:

• 빠른 마모를 피하고 최고의 효율과 표면 마감을 제공하는 데 필요한 강도의 공구
• 최소 왜곡으로 이러한 힘을 견딜 수 있는 공작물 홀더와 고정구

필요한 동력은 단순히 절삭 힘에 속도를 곱한 것으로 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

여기서 Fc는 "절삭 힘"으로 공구가 공작물을 절단하기 위해 가하는 힘으로 정의되며 공구 속도 V와 같은 방향으로 작용합니다.

총 비에너지는 표면을 절단하는 데 필요한 전단력(전단 비에너지, us)에 마찰 비에너지(공구와 표면 간 마찰을 극복하는 데 필요한 에너지, uf)가 더해진 것입니다.

전단 비에너지와 마찰 비에너지는 절삭 깊이와 관련되어 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

칩 속도는 절삭 속도와 다음과 같이 관련됩니다:

따라서 특정 기계 매개변수가 있는 경우 이 공식들을 역으로 사용하여 절삭 깊이를 계산할 수 있다는 점도 언급할 가치가 있습니다.

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결론

절삭 깊이는 가공 공정 시작 전 고려해야 할 매우 중요한 매개변수입니다. 앞서 설명했듯 절삭 깊이 값은 가공 힘과 비에너지 같은 종속 가공 매개변수에 직접 영향을 미칩니다. 이러한 값을 계산하는 것은 공작물의 강도와 표면 마감뿐만 아니라 공구 소재, 고정 유형, 냉각제 사용 가능성에도 영향을 미칩니다.