개요
금속 가공은 전통적인 수동 금속 절삭에서 레이저를 이용한 미세 가공으로 발전해 왔습니다. 가공은 생산에 사용되는 광범위한 공정과 기술을 포괄하는 용어입니다.
금속 가공의 기본 원리를 배우는 것은 신규 사업주와 금속 부품 공급업체를 지망하는 사람들에게 필수적입니다. 가공 과정에서는 공작물에서 재료가 제거됩니다. 금속은 동력 공작 기계를 사용하여 원하는 모양으로 성형되어 다양한 용도의 금속 부품이나 구성 요소를 만듭니다. 가공은 단조품이나 주조품과 같은 기존 부품에도 적용할 수 있습니다.
이 글에서는 금속 가공 공정에 대해 자세히 알아보고, 이를 활용하여 제품에 가장 적합한 제조 공정을 선택하고 고객의 요구와 선호도를 충족시키는 방법을 배우게 됩니다.
금속 가공
금속 가공은 금속 부품, 공구 및 기계를 제작하는 산업 기술입니다. 최종 제품의 적절한 형태, 구멍 직경, 크기, 질감 및 마감을 얻기 위해 여러 단계를 거칩니다.
또한, 공작기계를 이용하여 가공물을 특정 형태로 가공하는 것도 포함됩니다. 제조 과정에서 대부분의 부품과 금속 제품은 어떤 형태로든 기계 가공을 거쳐야 합니다. 플라스틱, 고무, 목재, 종이 제품과 같은 다른 재료들도 자주 기계 가공됩니다.
가공 기술 유형
버닝 머시닝 기술
다양한 형태의 소성 가공 기술이 있다는 사실을 알려드린다면 어떠시겠습니까? 소성 및 용접 공작 기계는 공작물을 가열하여 원하는 모양으로 가공하는 데 사용됩니다. 이러한 기계는 다양한 재료를 소성 가공할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.
· 레이저 절단 기술
레이저 절단기는 고에너지의 좁은 광선을 방출하여 재료를 녹이거나 태우거나 증발시킵니다. 이 방식은 패턴을 새기거나 강철을 단단한 예술 작품으로 성형하는 데 이상적입니다. 레이저 절단은 매우 정밀한 가공과 고품질 마감 처리와 같은 장점을 제공합니다.
· 산소연료 절단 기술
재료를 절단하고 녹이는 이러한 종류의 기계 가공에는 산소와 연료 가스의 조합이 사용됩니다. 프로판, 수소, 가솔린 또는 아세틸렌 분자는 인화성이 매우 높기 때문에 일반적으로 이 공정에 사용됩니다.
· 플라즈마 절단 기술
이 장비는 전기 아크에 플라즈마 흐름을 발생시켜 작동합니다. 그 결과, 불활성 기체가 플라즈마로 변환됩니다. 물론 플라즈마를 다룰 때는 매우 뜨거워질 수 있으므로 주의해야 합니다.
침식 가공 기술
연소 공구는 열을 이용하여 불필요한 재료를 제거하는 반면, 침식 기계는 전기나 물을 이용하여 공작물에서 재료를 제거합니다.
· 워터젯 절단 기술
고압의 물줄기를 이용하여 다양한 재료를 절단하는 워터젯 절단기입니다. 재료를 그 어느 때보다 빠르게 절단하려면 물줄기에 연마재를 섞기만 하면 됩니다. 워터젯 절단기는 일반적으로 열에 노출되어 변형되거나 손상된 재료를 절단하는 데 사용됩니다.
· 전기방전가공기술
미세한 크레이터를 만들기 위해 방전 가공 공구를 사용하여 전기 아크를 발생시킵니다. 이는 "전체 절삭" 속도를 향상시킵니다. 방전 가공은 복잡한 형상이 필요한 분야에도 사용됩니다.
방전 가공 공구는 절삭하기 어려운 재료를 절단하는 데에도 사용할 수 있습니다. 방전 가공 공구는 기판 재료를 전기 전도성으로 사용하여 철 합금의 종류를 제한합니다.
금속 가공 기술
- 선회
- 갈기
- 연마
- 지루한
- 교련
- 제재
- 꿰매
- ECM/EDM
선회
선삭은 가장 간단한 기계 가공 작업으로, 공작물을 회전하는 판이나 맨드릴에 단단히 고정하는 것부터 시작합니다. 절삭 공구는 회전하는 슬라이드에 장착된 고정 장치에 고정되어 공작물에 밀착됩니다. 슬라이드는 공작물의 길이를 따라 위아래로 움직일 수 있을 뿐 아니라 중심선에 가깝게 또는 멀어지게 이동할 수 있습니다. 이러한 간단한 가공 방법은 많은 양의 재료를 효율적으로 제거하는 데 적합합니다. 또한 심압대에 장착된 드릴 비트를 사용하여 공작물의 중심선을 따라 정밀한 구멍을 뚫을 수도 있습니다.
원형 물체의 바깥쪽 원면에는 선반을 사용하여 동심원을 이루는 형상을 만듭니다. 슬롯, 링 홈, 계단형 어깨 부분, 내외부 나사산, 원통, 축 등 다양한 원형 형상을 선반으로 제작할 수 있습니다. 또한, 선반을 이용하면 매우 매끄럽고 균일한 표면 마감을 얻을 수 있습니다.
갈기
밀링은 선삭과 달리 공작물이 고정된 상태로 유지되고 절삭 공구가 스핀들을 중심으로 회전한다는 점에서 차이가 있습니다. 대부분의 경우, 공작물은 X축과 Y축으로 움직이는 기계 바이스에 수평으로 고정됩니다. 스핀들은 X, Y, Z축으로 이동하며 다양한 절삭 공구를 장착합니다.
밀링기는 구멍을 뚫거나 보어를 만들 수 있지만, 복잡하고 비대칭적인 형상에서 재료를 제거하는 데 가장 적합합니다. 밀링기는 직각/평면, 노치, 모따기, 홈, 프로파일, 키홈 및 각도에 따라 달라지는 기타 형상을 가공하는 데 사용됩니다. 대부분의 CNC 공작기계 작업은 밀링과 선삭을 함께 사용하여 수행됩니다. 절삭유는 모든 금속 가공 작업에서 공작물과 절삭 공구를 냉각하고 윤활하며 금속 입자를 제거하는 데 사용됩니다.
연마
연삭은 연마재가 달린 회전 휠을 사용하여 공작물에서 소량의 재료를 제거함으로써 정밀한 표면 마감을 얻는 기계 가공 공정입니다. 연삭은 또한 물체의 표면에 질감을 부여하거나 가벼운 절삭 작업을 하는 데에도 사용될 수 있습니다.
· 표면 연삭
금속 제품의 표면이 매우 매끄러워야 하는 경우가 많은데, 이를 위한 최적의 방법은 그라인더를 사용하는 것입니다. 그라인더는 거친 연마재가 덮인 회전 디스크로 구성됩니다. 가공물은 작업대에 고정되어 연마 휠 아래에서 좌우로 움직이거나, 휠이 회전하는 동안 고정된 상태로 유지됩니다. 당연히 이 방법은 표면에서 돌출된 부분이 없는 경우에만 사용할 수 있습니다.
연마 대상 재료에 따라 다양한 종류의 연마재가 사용됩니다. 연마 과정에서 발생하는 열과 기계적 스트레스가 가공물에 손상을 줄 수 있으므로 공구 속도와 온도를 제어하는 것이 중요합니다.
· 원통형 연삭
이 공정에는 표면 연삭과 선반 가공이 사용됩니다. 일반적으로 원형 또는 원통형 연삭 휠이 공작물을 고정한 상태에서 공작물 표면에 대해 회전하면서 가공됩니다. 원통형 연삭기는 내경과 외경 모두에서 부품 전체 길이에 걸쳐 또는 부분적인 깊이까지 사용할 수 있습니다.
이 공정은 매우 정밀하고 정확한 공차를 구현하면서 표면 질감을 매우 매끄럽게 만들 수 있다는 장점이 있습니다.
· 광학 연삭
이 공정에는 표면 연삭과 선반 가공이 사용됩니다. 일반적으로 원형 또는 원통형 연삭 휠이 공작물을 고정한 상태에서 공작물 표면에 대해 회전하면서 가공됩니다. 원통형 연삭기는 내경과 외경 모두에서 부품 전체 길이에 걸쳐 또는 부분적인 깊이까지 사용할 수 있습니다.
이 공정은 매우 정밀하고 정확한 공차를 구현하면서 표면 질감을 매우 매끄럽게 만들 수 있다는 장점이 있습니다.
지루한
보링은 이미 뚫거나 주조한 구멍을 확장하는 공정입니다. 라인 보링(보링 바를 사용하여 한쪽 또는 양쪽 끝을 지지하는 방식), 백 보링(공작물의 뒷부분에 구멍을 뚫는 방식), 선반 보링은 모두 보링의 예입니다. (이러한 보링은 단일 날 절삭 공구를 사용하여 구멍을 확장하여 테이퍼형 또는 사각형 구멍을 만드는 작업입니다.)
보링은 공작물에 이미 뚫린 구멍을 넓히는 방법이라고도 합니다. 드릴링은 처음 구멍을 뚫는 데 사용됩니다. 드릴링과 달리 보링은 단일 날 절삭 공구를 사용합니다.
교련
드릴링은 드릴 비트를 사용하여 고체 재료에 원통형 구멍을 만드는 가공 방법입니다. 만들어진 구멍은 조립에 자주 사용되기 때문에 가장 중요한 가공 기술 중 하나입니다. 드릴 프레스가 가장 일반적으로 사용되지만 선반도 사용할 수 있습니다. 드릴링은 대부분의 제조 공정에서 전처리 단계이며, 드릴링을 통해 만들어진 구멍은 이후 탭 가공, 리밍, 보링 또는 기타 가공을 통해 나사산이 있는 구멍으로 만들거나 구멍 치수를 허용 오차 범위 내로 조정합니다. 드릴 비트는 유연성과 저항이 가장 적은 경로를 찾으려는 성질 때문에 일반적으로 공칭 크기보다 큰 구멍을 뚫거나 직선 또는 원형이 아닌 구멍을 뚫게 됩니다. 따라서 드릴링은 일반적으로 최종 크기보다 작게 지정되며, 가공을 통해 구멍을 최종 크기로 만듭니다.
사용된 드릴 비트에는 샤프트에 나선형 홈이 두 개 나 있었습니다. 이 홈은 비트가 재료에 들어갈 때 드릴 부스러기를 구멍 밖으로 배출하는 역할을 합니다. 각 재료 유형마다 권장되는 드릴 속도와 이송 속도가 있습니다.
제재
금속은 일반적으로 절단기를 사용하여 막대, 압출 성형품 및 기타 재료에서 더 짧은 길이로 절단합니다. 수직 및 수평 밴드톱은 톱니가 달린 연속적인 밴드 루프를 사용하여 재료를 깎아냅니다. 밴드의 속도는 재료에 따라 다르며, 일부 고온 합금은 분당 30피트의 느린 속도가 필요하고 알루미늄과 같은 연질 재료는 분당 1000피트 이상이 필요합니다. 동력 쇠톱, 연삭 휠톱 및 원형톱은 다른 절단기의 예입니다.
레이저 조각
레이저 조각은 레이저 기술을 사용하여 영구적인 마킹이 가능하고, 유연성이 뛰어나며, 처리 속도가 빠르고, 생산 라인에 통합할 수 있어 고정밀 라벨링 또는 마킹에 가장 적합합니다. 또한 금속 제품에 마킹하는 데 비용 효율적인 방법입니다.
레이저 기술은 레이저 조각을 통해 정밀한 금속 스탬핑을 가능하게 합니다. 금속 제품에 적절한 일련 번호, 식별 코드, 브랜드 이름 및 모델 번호를 정밀하고 균일하게 부착할 수 있습니다. 레이저 기술을 활용하면 고객과 투자자에게 깊은 인상을 줄 수 있습니다.
꿰매
브로칭은 사각 구멍, 키홈, 스플라인 구멍 등을 가공하는 데 사용됩니다. 브로치는 줄처럼 배열된 여러 개의 톱니로 구성되어 있으며, 각 톱니는 이전 톱니보다 약간씩 큽니다. 브로치는 준비된 리더 홀(또는 표면)을 통해 당기거나 밀면서 일련의 깊은 절삭 작업을 수행합니다. 푸시 브로칭에는 수직 프레스 기계가 자주 사용됩니다. 풀 브로칭은 일반적으로 유압식으로 구동되는 수직 또는 수평 장치를 사용하여 수행됩니다. 고강도 금속의 절삭 속도는 분당 5~50피트(fpm)이며, 연질 금속의 경우에도 마찬가지입니다.
ECM/EDM
· ECM
전기화학 가공은 역 전기 도금의 일종으로, 버(burr)가 없고 표면 조도가 우수한 구멍을 만들어냅니다. 이 기술은 냉간 가공 방식이기 때문에 가공물에 열적 압력이 가해지지 않습니다.
· EDM
방전가공은 부식성 스파크나 화학물질을 이용하는 비기계적 재료 제거 방법입니다. 방전가공은 전극에서 유전체 유체를 통해 전도성 공작물 표면으로 스파크를 발생시키는 방식입니다. 이 기술을 이용하면 작은 직경의 구멍, 금형 캐비티 및 기타 정밀한 형상을 제작할 수 있습니다. 방전 속도는 금속의 경도보다는 열적 특성과 전도성에 의해 영향을 받습니다.
CNC 기계 절삭 공구를 선택할 때 고려해야 할 요소들이 있습니다.
가공물의 재질 및 특징
가공 대상물의 재질은 공구 선택에 큰 영향을 미칩니다. 스테커 머신에서는 알루미늄, 연성 주철, 회주철 주조품을 가장 많이 가공합니다. 각 재질별로 선호하는 CNC 금속 가공 절삭 공구가 있습니다. 엔지니어들은 검증된 표준 공구를 사용하는 것을 선호하는데, 이는 위험, 재고 및 비용을 줄여주기 때문입니다.
드릴, 밀링 머신, 탭은 다양한 형상을 가공하는 데 사용되며, 각 공구 유형과 재질에 맞는 표준 공구가 제공됩니다. 예를 들어, 스테커(Stecker)는 알루미늄 절삭용, 연성 주철 가공용, 회주철 가공용 등 세 가지 기본 90° 사각 숄더 페이스 밀을 제공합니다. 알루미늄은 이러한 재료 중 가공성이 가장 뛰어나므로 알루미늄 공구는 분당 표면적(SFM) 표준이 더 높아 빠른 속도로 가공할 수 있습니다.
생산량
일반적으로 대량 생산 프로젝트에는 특수 고성능 절삭 공구가 필요한 반면, 소량 생산 프로젝트에는 경제적인 수준의 공구가 사용됩니다. 이는 모두 규모의 경제로 귀결되는데, 생산해야 할 부품의 엄청난 양이 고성능의 특정 기능에 맞춘 공구에 드는 높은 비용을 정당화하는 요인이 됩니다.
조합 가능성
CNC 가공에서 다중 기능 공구는 비용과 시간을 크게 절감할 수 있습니다. 하나의 공구로 세 가지, 네 가지 또는 그 이상의 작업을 수행할 수 있을 경우, 사이클 시간은 증가하는 반면 공구 교체 시간은 감소합니다.
예를 들어, 잘 설계된 삽입형 복합 공구는 세 가지 방식으로 드릴링과 모따기를 할 수 있어, 여섯 번의 가공 과정을 거치는 대신 하나의 공구로 한 번에 작업을 완료할 수 있습니다. 물론, 이러한 맞춤형 다기능 공구는 3,000달러 정도의 비용이 들 수 있지만, 특히 대량 생산 프로젝트에서는 비용 절감 효과가 빠르게 누적되어 투자 비용을 충분히 상쇄할 수 있습니다.
기계의 용량
대부분의 절삭 공구는 CNC 기계와 호환됩니다. 그러나 호환되는 기계가 항상 가장 효율적인 것은 아닙니다. 엔지니어와 작업자는 더 높은 마력(더 큰 테이퍼 각도)의 기계가 다기능 복합 공구를 사용할 수 있도록 해준다는 것을 알고 있습니다.
작은 주조품은 이동에 호이스트가 필요하지 않지만, 큰 주조품은 반드시 필요합니다. 실제로, 더 큰 기계에서 두세 개의 작은 부품을 동시에 가공할 수 있는 고정 장치를 개발하면 효율성을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있습니다. 이는 거대한 기계가 항상 거대한 주조품을 의미하는 것은 아니라는 것을 보여주는 사례입니다.
도구의 재질
동일한 절삭 공구라도 다양한 재료로 제작할 수 있으며, 어떤 재료는 다른 재료보다 내구성이 뛰어나고 (따라서 가격도 더 비쌉니다).
솔리드 카바이드는 내구성이 매우 뛰어난 절삭 공구 소재입니다. 반면, PCD 팁 공구는 한 차원 더 높은 내구성을 자랑합니다. 현재 가장 단단한 절삭 공구는 PCD, 즉 다결정 다이아몬드로, 다이아몬드 입자를 금속 결합제와 소결하여 만들어집니다.
PCD 팁 드릴링 공구는 솔리드 카바이드 공구보다 수명이 약 4배 더 길지만(2,500개 대 10,000개), 작업 속도는 25% 더 빠릅니다. 두 공구의 가격 차이(카바이드 약 180달러, PCD 약 960달러)는 생산성 향상(더 높은 스핀들 속도, 더 높은 이송 속도, 인건비, 설치비 및 기타 비용 절감)으로 상쇄됩니다.
전략
엔지니어들은 일반적으로 새로운 프로젝트를 작업장에서 어떻게 완료할지 결정할 때 최상의 시나리오(최상의 툴링, 빠른 사이클 타임, 고급 고정 장치)와 "플랜 B" 시나리오(저렴한 툴링, 성능이 낮은 기계 등)를 설계합니다. 비용을 절감하기 위해 저렴한 솔루션을 선택하고 싶은 유혹이 있지만, 이는 대개 툴링의 품질 저하로 이어집니다.
그 주장의 결함은 잠재적인 공구 문제를 고려하지 않았다는 점인데, 이는 초기 최상의 시나리오만큼 비용이 많이 들 뿐만 아니라 프로젝트에 시간 낭비라는 비용까지 추가하게 됩니다.
경험은 매우 귀중하다
CNC 기계 제조 업체 중에는 다른 업체보다 더 전문적인 지식을 갖춘 직원을 보유한 곳이 있습니다. 수십 년간 성공적인 CNC 기계 프로젝트를 통해 축적된 지식은 그 무엇과도 비교할 수 없습니다. 이러한 선두 업체들은 프로젝트 기획부터 완료까지 전 과정을 관리하는 데 풍부한 경험을 가지고 있으며, 필요한 프로세스와 도구들을 완비하고 있습니다.
그렇다면 신참은 어떻게 노련한 CNC 가공 공장에 들어갈 수 있을까요? 최고 수준의 CNC 교육 과정이나 교육 프로그램에서도 공구 선택에 대해서는 가르치지 않습니다. 이는 일종의 암묵적인 지식, 즉 고급 CNC 가공 공장에서 엔지니어에서 엔지니어로 전수되는 기술입니다.
제품 개요
이제 여러분은 다양한 종류의 기계 가공과 관련된 공정에 대해 더 잘 이해하게 되었습니다. 기계 가공은 가공 대상물이나 재료, 그리고 원하는 제품 결과에 따라 다양한 장비와 공정을 사용합니다. 최적의 제품 디자인과 특징을 구현하기 위해 기계 가공 공정에서는 기계적, 연마적, 열적 또는 화학적 방법으로 재료를 제거할 수 있습니다.
금속 가공에 대한 이해는 처음 사업을 시작하는 기업가이든, 자동차, 전자 및 기타 산업 분야에 금속 부품을 제조 및 공급하려는 기업이든 관계없이 사업 계획을 세우는 데 도움이 됩니다. 배워야 할 것이 많지만, 금속 가공 전문가와 상담하면 목표 달성에 큰 도움이 될 수 있습니다.
