2019.05.26(일)

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[TECH] 깊은 가공 작업, 제조업이 당면한 문제 해결

정밀한 공차, 실패없는 반복 작업 능력 요구돼

[TECH] 깊은 가공 작업, 제조업이 당면한 문제 해결 - 다아라매거진 기술이슈

최근 제조 업계는 확장 된 공구로 정밀 보어를 생산하고 선삭 작업을 수행하는 데 어려움이 가중되고 있다. 보다 정밀한 공차와 실패 없는 반복 작업 능력에 대한 요구가 늘어나는 실정이다.

새로운 고성능 피삭재 재질의 기계 가공은 갈수록 까다로워지고 기계 가공 시스템 내의 응력을 증가시킨다.

제조업체들은 시간 단축과 비용 절감을 위해 다목적 기계 가공 공구를 사용한 깊은 보어 가공과 복잡한 구성 요소 선삭이 요구되는 단일 일체형 피삭재에 여러 부품을 통합하는 중이다. 이러한 과제 해결 방법을 모색 중인 제조업체들은 자사 기계 가공 시스템의 모든 요소를 연구하고 성공을 보장하는 기법 및 공구를 적용해야 한다. 주요 요소로는 기계 안정성, 공구 지지, 피삭재 클램핑, 절삭 공구 형상이 포함된다.

일반적으로 단단한 고정, 견고한 툴링, 세심한 공구 적용은 정확하고 생산적인 보링 및 깊은 선삭 작업의 기본 토대를 형성한다. 석유 및 가스, 발전, 항공우주 부품 생산업체는 확장 길이 공구를 사용해야 하는 대형 복합 구성 요소를 정기적으로 다루기 때문에 업데이트된 툴링 및 기법을 적용할 주요 대상이다.

다수의 부품이 절삭 시 진동이 많이 발생해 기계 가공이 어려운 단단한 합금으로 제작된다. 일반적으로 거의 모든 제조업체는 깊은 보링 작업에서 생산성 향상 및 비용 절감의 이점을 얻을 수 있다.

변형 및 진동
깊은 보링은 절삭 인선이 기계 연결부에서 멀리 떨어진 보어에서 작동하는 다른 절삭 작업과 구별된다. 깊은 내부 선삭 작업은 이와 유사한 조건을 갖추고 있으며, 이러한 보링 작업과 선삭 작업에는 펌프 또는 컴프레셔 하우징 같은 피삭재 가공과 마찬가지로 단속 절삭된 홀 가공이 포함될 수 있다.

홀 깊이로 나타나는 결과적인 공구 오버행 정도는 보링 바 또는 확장 길이 선삭 공구의 변형을 유발할 수 있다. 변형은 절삭 작업에서 변동력을 증폭시키기 때문에 부품 표면 품질 저하, 절삭 공구의 빠른 마모 또는 고장, 기계 공구 구성 요소 손상으로 이어지는 진동 및 떨림의 원인이 될 뿐 아니라 비싼 수리 비용과 장기간의 다운타임을 유발할 수 있다.

절삭력의 변화는 기계 구성 요소 불균형, 시스템 강성 부족 또는 기계 가공 시스템 요소의 진동에서 비롯된다. 칩이 형성되고 분해되는 동안 공구가 주기적으로 장착 및 분리되기 때문에 절삭 압력도 변화한다.

기계 가공 진동의 부정적인 영향에는 불량한 표면 마감, 부정확한 보어 치수, 빠른 공구 마모, 줄어든 재질율, 공구 홀더/기계 공구의 증가된 생산 비용 및 손상 등이 있다.

기계 강성 및 피삭재 고정
기계 가공 공정에서 진동을 제어하기 위한 기본 접근 방식은 가공 시스템 요소의 강성을 극대화하는 데 있다. 원치 않는 동작을 제한하려면 단단하거나 기타 진동 흡수 재질로 채워진 견고하고 무거운 구조적 요소로 기계 공구를 제작해야 한다. 기계 베어링과 부싱이 촘촘하고 견고해야 한다. 피삭재를 정확한 위치에 놓고 기계 공구 범위 내에 단단히 고정해야 한다.

간소성 및 강성을 우선적으로 고려해 고정구를 설계하고 절삭 작업 위치에 가능한 가깝게 클램프를 배치하는 것 역시 주요하다. 피삭재의 관점에서 얇은 부품 또는 용접된 부품과 부분적으로 지지력이 부족한 부품은 가공 시 진동을 일으키기 쉽다. 부품을 재설계해 강성을 개선할 수 있으나, 설계 변경 시 무게가 증가하고 기계 가공된 제품의 성능이 저하될 수 있다.

공구 지지
강성을 극대화하려면 보링 바와 선삭 바의 길이가 최대한 짧아야 하지만, 보어 또는 구성 요소의 전체 길이를 가공할 정도로 충분히 길어야 한다.

보링 바 직경은 보어에 적합하고 절삭 칩을 효율적으로 배출할 수 있도록 가능한 커야 한다.칩이 형성되고 분해될 때 절삭력이 상승 및 하강한다. 절삭력의 변화는 공구 홀더 또는 기계의 자연 진동과 동반해 발생할 수 있는 추가적인 진동의 원인이 되며 자체적으로 유지되거나 증가한다.

이러한 진동을 일으키는 다른 원인에는 마모된 공구나 충분한 깊이에 도달하지 않은 공구가 포함된다. 결과적으로 작업이 불안정해지거나 기계 스핀들 또는 공구의 고유 진동수와 같아지는 공명이 발생하게 되고 원치 않는 진동이 생성되는 원인이 된다.

긴 보링 바 또는 선삭 바 오버행은 기계 가공 시스템의 진동을 유발할 수 있다. 진동을 제어하기 위한 기본 접근 방식에는 짧고 견고한 공구의 사용이 포함된다. 바 길이 대 직경 비율이 클수록 진동 발생 확률이 더 높아진다.다양한 바 재질은 서로 다른 진동 동작을 일으킨다. 일반적으로 강철 바는 바의 길이 대 직경(L/D) 비율이 최대 4:1에 도달할 때까지 진동에 저항력이 있다.

텅스텐 합금으로 만들어진 중금속 바는 강철에 비해 더 밀도가 높아서 6:1 범위의 바 L/D 비율을 감당할 수 있다. 솔리드 초경 바는 특히 직경이 큰 바가 필요한 경우 비용이 증가하는 단점이 있지만, 강성이 더 높아서 최대 8:1의 L/D 비율을 견딜 수 있다.진동을 흡수하는 하나의 대안으로 동조형 바가 있다. 이 바는 원치 않는 진동과 일치하는 공명을 일으켜 진동 에너지를 흡수하고 진동에 의한 움직임을 최소화하도록 설계된 내부 질량 댐퍼를 갖추고 있다.

예를 들어, Seco Tools의 Steadyline® 시스템(사이드바 참조)은 고밀도 재질의 질량 댐퍼로 구성된 사전 동조 진동 댐퍼를 반경방향 흡수 부분을 거치도록 공구 홀더 바 내부에 장착해 절삭 공구에서 바 바디로 전달된 진동을 즉시 흡수한다.훨씬 복잡하고 값비싼 활성 툴링 진동 제어 방식에는 진동 유무를 감지하고 전자식 액추에이터로 공구 홀더에서 2차 움직임을 생성해 원치 않는 동작을 없애는 전기 활성 장치가 있다.

피삭재 재질
피삭재 재질의 절삭 특성에 따라 진동이 생성될 수 있다. 재질의 경도, 구성 인선 또는 가공 경화의 경향, 강성 첨가물의 존재 여부에 따라 절삭력이 변경 또는 방해를 받거나 진동이 생성될 수 있다. 특정 재질의 기계 가공 시 절삭 매개변수를 조정하면 진동을 최소화하는 데 어느 정도 도움이 될 수 있다.

절삭 공구 형상
절삭 공구 자체에서 접선방향 및 반경방향 변형이 일어날 수 있다. 반경방향 변형은 보어 직경의 정확도에 영향을 미친다. 접선방향 변형의 경우 인서트가 부품 중심선으로부터 아래쪽으로 밀려나게 된다. 특히 직경이 작은 홀의 보링 작업 시 홀의 곡선 내경 때문에 인서트와 보어 사이의 여유각이 줄어든다.

접선방향 변형은 기계 가공 중인 구성 요소의 중심선으로부터 공구를 아래쪽으로 밀어내어 여유각이 줄어든다. 반경방향 변형은 절삭 깊이를 감소시켜 기계 가공 정확도에 영향을 미치고 칩 두께를 변화시킨다. 절삭 깊이에서 이러한 변화는 절삭력을 변경시켜 진동을 유발할 수 있다.      

사양은 진동을 확대하거나 축소할 수 있다. 예를 들어, 양의 경사각은 더 적은 접선방향 절삭력을 생성한다. 하지만 양의 경사각 구성은 여유각을 감소시켜 마모 및 진동으로 이어질 수 있다. 큰 경사각과 작은 인선각은 날카로운 절삭 인선을 형성해 절삭력을 감소시킨다. 그러나 날카로운 인선은 손상 또는 고르지 않은 마모의 영향을 받을 수 있기 때문에 보어의 표면 마감이 달라질 수 있다.

작은 절삭 인선 절입각은 더 큰 축 절삭력을 생성하는 반면 큰 절입각은 반경방향의 힘을 생성한다. 축방향 힘은 보링 작업에 제한적인 영향을 미치기 때문에 작은 절입각이 권장할 만하다. 그러나 작은 절입각은 더 큰 절입각보다 절삭 인선의 더 작은 부위에 절삭력을 집중시키므로 공구 수명에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 이 밖에도 공구의 절입각은 칩 두께와 칩 흐름 방향에 영향을 미친다. 반경방향 절삭력을 최소화하려면 인서트 노즈 반경이 절삭 깊이보다 작아야 한다.

칩 제어
절삭 칩을 보어에서 비우는 것은 보링 작업에서 중요한 문제이다. 인서트 형상, 절삭 속도, 피삭재 재질 절삭 특성은 모두 칩 제어에 영향을 미치는 요인이다.

보링 작업에서는 짧은 칩이 보어에서 배출하기 더 쉽고 절삭 인선에 가해지는 힘을 최소화하기 때문에 바람직하다. 그러나 칩을 분해하도록 설계된 고굴곡 인서트 형상은 더 많은 전력을 소비하고 진동을 유발하는 경향이 있다.

우수한 표면 마감을 완성해야 하는 작업에는 적은 깊이의 절삭이 필요하며, 이 경우에 더 얇은 칩으로 인해 칩 제어 문제가 확대될 수 있다. 이송률이 증가하면 칩을 분해할 수 있지만, 절삭력이 증가하고 떨림이 발생해 표면 마감에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 더 높은 이송률은 저탄소강 기계 가공 시 구성 인선의 원인이 될 수도 있기 때문에 내부 절삭유를 최적으로 공급하면서 절삭 이송률을 높게 유지하는 것이 이와 같이 가공이 훨씬 어려운 강철 합금을 보링할 때 칩 제어 해결책이 될 수 있다.

확장 길이 공구를 사용한 깊은 홀 보링 및 선삭은 공통적이고 기본적인 금속 절삭 작업이다. 이러한 작업을 효율적으로 수행하려면 기계 가공 시스템이 진동 최소화 및 제품 품질 보장과 관련된 여러 요인을 충족하고 최대 생산성 및 수익성 추구에 기여하는지 전반적으로 평가해야 한다.

Seco Tools의 Steadyline® 툴링은 전형적인 긴 오버행 작업을 비댐핑 공구에 비해 2배 더 빠르게 수행하는 동시에 부품 표면 마감 품질 개선, 공구 수명 연장, 기계 공구의 응력 감소를 지원한다. 이 시스템의 패시브/다이내믹 진동 댐핑 기술은 최소한의 기계 가공 매개변수 설정 시에도 거의 불가능한 6:1 이상의 L/D 비율로 공구를 사용하는 것처럼 특정 적용 영역의 요구 사항을 충족한다.

크고 작은 홀에서 최대 10xD 깊이의 선삭 및 보링 작업을 안정적이면서도 생산적으로 처리할 수 있다. 다이내믹/패시브 진동 제어 시스템은 진동력의 기본 상호 작용을 기반으로 작동한다. 작업에서 절삭력은 홀더 내부에 움직임(진동)을 유발한다.

진동을 흡수하기 위해 시스템에는 바의 외부 덮개와 동일한 고유 진동수를 생성하도록 설계된 내부 2차 질량계 특성이 도입돼 있다. 이 질량계는 원치 않는 진동과 일치하는 공명을 일으켜 진동 에너지를 흡수하고 진동에 의한 움직임을 최소화하도록 설계돼 있다.

Steadyline® 시스템에서 진동 흡수 질량계는 공구 변형 확률이 가장 높고 절삭 인선에서 바의 바디로 진동이 전달될 때 질량계가 이를 즉시 댐핑할 수 있도록 바 전면에 배치된다.

Steadyline® 시스템에는 짧고 작은 Seco GL 절삭 공구 헤드가 포함돼 절삭 인선을 댐핑 질량계에 가까이 배치함으로써 진동 흡수 효과를 극대화한다. 이 시스템은 다양한 적용 영역에 맞춰 조정 가능하며 윤곽가공, 포켓 가공, 슬로팅뿐만 아니라 황삭 및 정삭 보링 작업에 가장 유용하다.

한편, Seco Tools는 Steadyline® 진동 댐핑 선삭/보링 바 및 절삭 헤드 시리즈에 구성품을 추가해 깊은 선삭 및 보링 솔루션을 확장했다. <자료협조 지원=Seco Tools>
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