CNC 밀링 칩 종류 식별하기

1.0 개요

다양한 산업 분야에서 회전하지 않고 원통형이 아닌 부품을 가공하는 데 가장 흔히 사용되는 CNC 가공 공정 중 하나는 밀링입니다. 밀링 머신은 고속 밀링 커터를 사용하여 가공물을 필요한 형상으로 만듭니다. 커터는 가공물의 금속을 미세한 칩으로 가공합니다. 가공이 완료되면 이러한 칩을 가공물에서 제거합니다. 이러한 칩은 가공물의 재질, 가공 환경, 가공 과정에서 발생한 변형 등에 따라 다양한 형태와 크기를 가집니다. 따라서 칩은 형태에 따라 연속 칩, 비연속 칩, 빌드업 에지를 가진 연속 칩, 비균질 칩 등으로 분류할 수 있습니다.

1.1 밀링 머신의 가공 기술

밀링은 밀링 커터를 사용하여 공작물을 빠르게 접촉시켜 원하는 형상과 크기로 가공하는 기술입니다. 이 밀링 과정에서 밀링 커터는 공작물 표면의 금속을 절삭하여 칩으로 만들고, 날 표면을 밀고 벌리면서 가공면에서 금속 칩을 분리합니다. 작업량이 증가함에 따라 공작물에 가해지는 응력은 꾸준히 증가하며, 날 가장자리와 접촉하는 지점에서 응력이 가장 커집니다. 이것이 바로 날의 절삭 효과입니다. 금속은 공작물에서 응력이 가장 크고 집중된 부분에서 먼저 균열이 생기고 분리됩니다.

결과적으로, 날의 절삭 작용은 항상 가공물의 금속 표면층과 금속 기판 사이의 분리를 먼저 유발합니다. 절삭될 금속은 공구와 가공물이 서로 상대적으로 움직이는 동안 충분한 기계적 힘이 가해지면 날의 이동 방향을 따라 분리되어 가공된 표면을 생성합니다. 절삭층은 공구 앞쪽의 압력으로 인해 탄성 및 소성 변형을 모두 일으키며, 결국 공구 앞쪽을 따라 흘러나오는 칩을 형성합니다. 공구 앞쪽에서 이러한 현상을 미는 효과라고 합니다.

절삭날의 작용으로 절삭된 금속은 네 가지 변형 영역을 생성합니다. 공구의 앞쪽과 뒤쪽, 기본 변형 영역, 공구 앞쪽의 마찰 변형 영역, 날 앞쪽의 변형 영역, 그리고 공구 뒤쪽의 마찰 변형 영역입니다. 이 네 가지 변형 영역에서는 내부 응력 상태와 변형 상황 사이에 상호 작용 및 관계가 존재합니다.

2.0 칩 종류 및 형성 조건

절삭 과정에서 공구 앞쪽의 금속은 공작물 속으로 더 깊숙이 들어갈수록 수축합니다. 압축이 너무 크면 금속이 공작물에서 분리되어 칩 형태로 소성 변형(전단 변형)을 일으키게 됩니다. 주된 전단은 전단면에서 금속의 흐름을 발생시킵니다. 공구 앞쪽의 절삭되지 않은 표면은 전단면이 위쪽으로 각도를 이루며 뻗어 나가는 지점입니다. 전단 각도는 재료의 종류와 절삭 조건에 따라 달라집니다. 전단 각도가 작으면 전단 경로가 길어지고 칩이 두꺼워지며 절삭력이 커집니다. 반대의 경우도 마찬가지입니다. 2차 전단은 칩이 공구 끝면 위를 지나갈 때 발생하는 마찰에 의해 발생합니다. 이 마찰로 인해 칩이 과열되고 밀링 공정의 작동 온도가 상승합니다.

밀링 머신에서 생성되는 칩은 크게 다음과 같은 네 가지 유형으로 분류됩니다. 불연속 칩, 연속 칩, 빌드업 에지가 있는 연속 칩, 비균질 칩.

2.1 불연속 칩

불연속 칩은 불규칙한 모양을 가지며 반복적인 파괴로 인해 변형되는 경우가 많습니다. 주철, 황동, 청동은 불연속 칩이 생성되는 것으로 알려진 단단하고 섬세한 금속의 몇 가지 예입니다. 공작물과 공구 사이에 상당한 마찰이 발생하는 조건에서는 연성이 있는 공작물에서도 불연속 칩이 발생할 수 있습니다. 짧은 경사각을 가진 공구, 빠른 절삭 속도, 재료의 깊은 절삭 등 여러 요인이 불연속 칩 생성의 원인이 될 수 있습니다.

취성 재료의 경우, 불연속적인 칩 형성을 통해 표면 조도를 향상시키고 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 그러나 연성 재료의 경우, 불연속적인 칩 형성은 표면 연마 불량을 초래하고 가공 시간을 연장시킬 수 있습니다.

2.2 연속 칩

연속 칩은 일반적으로 강철, 구리 또는 알루미늄과 같이 연성이 있는 금속을 고속 절삭 가공할 때 발생합니다. 절삭 과정에서 공구 끝과 연성 가공물 사이의 온도 차이가 커집니다. 제거된 금속의 연속적인 층들이 용접처럼 서로 접합되면서 길고 연속적인 칩 흐름이 생성됩니다. 다음과 같은 가공 상황에서 일반적으로 연속 칩이 발생합니다.

• 최소 절삭 깊이
• 넓은 경사각
• 높은 절단율
• 윤활제 또는 냉각제를 사용하여 공구 칩 마찰을 줄입니다.
• 날카로운 절단면

연속 칩은 매끄러운 표면 품질, 공구 수명 연장 및 전력 소비 감소라는 이점을 제공합니다. 그러나 특정 종류의 칩은 처리하기 어려울 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 칩 파쇄기가 필요합니다.

2.3 빌드업 엣지가 있는 연속 칩

연성 금속을 절삭할 때 공구와 칩 사이의 마찰이 심하면 절삭날 접합부(BUE)가 있는 연속적인 칩이 생성됩니다. 이러한 상황에서 일부 칩 조각은 공구 끝에 달라붙는 경향이 있습니다. 새로운 절삭날은 공구 끝에서 분리될 때까지 접합된 재료로 계속 발달합니다. 절단 과정에서 칩과 공작물 표면에 접합된 재료 때문에 표면 조도가 저하됩니다. BUE 형성 과정을 흔히 "칩 용접"이라고 합니다. 다음과 같은 상황에서는 일반적으로 BUE를 동반한 연속적인 칩이 발생합니다.

• 낮은 경사각;
• 낮은 절단율;
• 높은 마찰력;
• 대량 사료.

연속적인 BUE 칩은 공구 수명에 부정적인 영향을 미치고 전력 소비를 증가시키며 표면 조도를 저하시키므로 이를 방지하는 것이 필수적입니다.

칩 용접 방지를 강화하려면 윤활유를 사용하여 마찰을 줄이고, 공구 코팅을 사용하여 금속 간 접촉을 피하고, 냉각제를 사용하여 온도를 낮추는 등의 조치를 취해야 합니다.

2.4 톱니 모양 칩

톱니 모양 칩, 즉 비균질 칩은 반연속적인 형태를 띕니다. 낮은 전단 변형 영역과 높은 전단 변형 영역이 존재하기 때문에 톱니 모양을 하고 있습니다. 이러한 칩을 생성하는 재료는 일반적으로 열전도율이 낮거나 열 연화에 의해 기계적 강도가 저하되는 특성을 가지고 있습니다. 가공 시 비균질 칩을 생성할 수 있는 공작물의 재료로는 니켈, 오스테나이트 스테인리스강, 티타늄 합금 등이 있습니다. 비균질 칩이 발생하는 주요 원인 중 하나는 중간 절삭 속도로 경질 재료를 절삭할 때 공구의 칩 표면에 상당한 변형이 발생하기 때문입니다.

3.0 연속형 칩, 불연속형 칩 및 에지 적층형 연속형 칩의 비교

아래 표는 연속형 칩, 불연속형 칩, 그리고 모서리 보강형 연속형 칩을 비교 및 ​​대조한 것입니다.

3.1 칩 컨트롤

강철과 같은 연성 금속을 고속 절삭 및 큰 경사각으로 가공할 때 길고 실처럼 생긴 칩이 생성됩니다. 이는 기계 작업자의 안전을 위협할 수 있으며, 제품이 공구에 얽혀 손상될 수도 있습니다. 또한, 뜨겁고 연속적이며 날카로운 모서리를 가진 이러한 칩을 제거하는 것은 어려울 수 있습니다. 칩은 처리 가능한 크기로 분쇄해야 합니다. 칩은 자연 파쇄 또는 강제 파쇄를 통해 분리될 수 있습니다. 연성 재료를 절삭할 때 칩은 온도 및 유속 차이로 인해 종종 말려 올라갑니다. 말려 올라간 칩이 자연 파쇄되는 세 가지 방법은 다음과 같습니다.

• 냉각으로 인한 변형으로 인해 자연 파괴가 발생합니다.
• 공작물에 충격을 가함으로써;
• 도구와 접촉함으로써.

칩 브레이커를 사용하는 것은 단연코 가장 일반적인 강제 파괴 기술입니다.

3.2 칩브레이커

칩 브레이커의 가장 기본적인 목적은 칩이 평소보다 더 촘촘하게 말리도록 하는 것입니다. 칩은 이러한 강제적인 말림 과정에서 공구나 공작물에 부딪히면서 부러집니다. 칩 브레이커는 칩 제어를 향상시키고 절삭력을 감소시켜 가공 효율을 높입니다.

대부분의 최신 칩 브레이커는 절삭 공구에 홈이나 장애물 형태로 존재합니다. 칩이 쉽게 떨어져 나가도록 장력을 발생시키는 핵심은 칩 브레이커를 설계할 때 특정 가공 상황에 적합한 형상을 찾는 것입니다. 홈형 칩 브레이커의 경우, 앞쪽 절삭날 뒤쪽에 작은 홈이 있습니다.

칩 곡률 반경은 곡선 형상에 따라 달라집니다. 장애물형 칩 브레이커의 기하학적 설계는 특이하며 계단 모양과 유사합니다. 장애물은 절삭 공구와 분리되어 있거나 부착될 수 있습니다. 부착형의 경우, 다양한 가공 환경에 맞게 변경할 수 있습니다.

4.0 맺음말

밀링 가공 과정 전반에 걸쳐 물리학과 재료 과학이 섬세하게 융합되어 있습니다. 밀링 공정 중 공작물과 절삭 공구 사이의 응력 상호작용으로 인해 재료가 제거됩니다. 칩의 색상과 크기는 이러한 접촉력의 특성에 따라 결정됩니다. 칩에는 절삭 엔지니어의 연구 및 진단에 유용한 정보가 포함되어 있습니다. 그러나 칩을 올바르게 처리하지 않으면 기계 생산성이 저하될 수 있습니다. 가공 과정에서는 세 가지 유형의 분절형, 연속형, 그리고 BUE(Bottom-Up Exclusion)를 포함하는 연속형 칩이 발생할 수 있습니다. 

밀링 작업의 매개변수와 재료 선택 모두 칩 형성에 영향을 미칩니다.

밀링 효율을 전반적으로 향상시키고 기계의 자율 작동을 계획할 때, 칩 처리는 고려해야 할 중요한 요소입니다. 일반적으로, 특정 가공 환경에서 분절된 칩이나 연속적인 칩이 자체적으로 파쇄될 수 있더라도 밀링 작업 시에는 칩 브레이커를 사용해야 합니다.

칩 브레이커를 사용하면 칩이 공구에 엉키거나 진동이 발생하고 공구가 손상되는 것을 방지할 수 있습니다. 또한 칩 브레이커는 절삭 저항을 줄여 절삭날의 파손을 막아줍니다. 칩 브레이커를 사용할 때는 작업에 적합한 것을 선택하는 것이 중요합니다. 정삭, 중삭, 황삭 등 각 선삭 작업에 맞는 칩 브레이커를 선택해야 합니다. 절삭 깊이, 이송 속도, 스핀들 속도, 표면 조도 등을 고려하여 적절한 칩 브레이커를 사용하십시오.