알루미늄과 그 합금은 운송, 일반 엔지니어링, 전기, 구조 및 건설 분야를 비롯한 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용됩니다. 또한 가정용품 생산 및 화학·식품 분야의 포장재로도 사용됩니다. 알루미늄은 다른 금속에 비해 경도가 낮고 열팽창률이 높아 정밀 부품 생산 시 제품 변형에 취약합니다.
알루미늄 합금 정밀 부품의 변형에는 다양한 요인이 작용합니다. 이러한 요인에는 재료, 제조 환경, 부품 형상 및 절삭유 성능 등이 포함됩니다. 다음은 CNC 가공 중 알루미늄 합금 부품의 변형을 줄이는 방법입니다.
1. 알루미늄 소재의 내부 응력을 줄입니다.
응력은 물질 내부 입자들이 서로에게 가하는 압력으로 인해 발생하는 내부 힘을 측정한 값입니다. 변형률은 응력의 척도로, 물질 내부의 장력에 의해 발생하는 변형 정도를 나타냅니다. 물질의 변형률은 내부 힘 또는 외부 힘에 의해 발생합니다. 외부 힘은 물질의 질량(예: 중력) 또는 표면(예: 접촉력, 외부 압력, 마찰)에 응력을 가합니다.
잔류 응력은 제조 공정에서 흔히 발생하는 응력의 한 형태입니다. 잔류 응력은 얇은 부품에서 가장 큰 변형을 일으킵니다.
알루미늄의 장력을 해소하는 가장 일반적인 방법은 다음과 같습니다.
- 부품이 최종 크기에 가까워짐에 따라 여러 차례에 걸쳐 미세한 절삭을 수행합니다. 황삭 가공과 정삭 가공 사이에 부품의 응력을 제거하면 가공 응력으로 인한 변형을 줄이거나 없앨 수 있습니다.
- 진동 응력 완화(VSR)는 응력을 줄이는 또 다른 일반적인 방법입니다. VSR은 금속을 충분한 진폭으로 구부려 발생된 응력과 잔류 응력을 합산하는 방식입니다. 그 결과 소성 변형이 발생하여 응력이 완화됩니다. 응력 완화 효과를 최적화하기 위해 VSR은 금속의 공진 주파수를 목표로 합니다. 이 비열 응력 완화 방법은 금속 가공에서 치수 안정성과 기계적 강도를 향상시키는 데 사용됩니다. 특히 주조, 단조 또는 용접된 알루미늄에 많이 사용됩니다. 치수 또는 기하학적 공차가 매우 엄격한 정밀 부품에 VSR이 자주 적용됩니다.
- 극저온 처리는 잔류 응력을 감소시키고 내마모성 및 내식성을 향상시키는 또 다른 응력 완화 방법입니다. 알루미늄 제품을 특수 탱크에 넣고 액체 질소에 노출시킵니다. 합금 종류와 두께에 따라 온도는 -300°F(-154°C)까지 낮아지며, 금속은 이 온도에서 일정 시간 동안 유지됩니다. 그런 다음 온도를 서서히 실온까지 올립니다. 극저온 처리는 기존의 열처리 기술을 대체하는 방법입니다. 이렇게 처리된 알루미늄은 변형 가능성이 적고 강도와 내구성이 뛰어납니다. 또한 응력 균열 감소, 마찰 계수 감소, 충격 저항성 향상 등의 이점도 있습니다. 이러한 방식으로 처리된 부품은 가공 및 재가공이 용이하고, 완성된 부품의 수명도 더 깁니다.
- 알루미늄의 열처리 방법
- 어닐링. 알루미늄 합금은 제조 공정 초기에 가공 경화되는 경우가 많습니다. 가공물의 의도적인 소성 변형은 종종 변형 경화라고 불립니다. 변형 경화는 금속 내부의 결정 구조를 변화시키며, 이후 어닐링을 통해 원래 상태로 되돌려집니다. 금속을 최대 3시간 동안 570°F에서 770°F 사이의 온도로 가열합니다. 이 과정을 통해 가공 경화로 인한 응력이 감소하고 뒤틀림 및 기타 문제점을 해결하는 데 도움이 됩니다.
- 용체화 열처리는 또 다른 유형의 열처리입니다. 금속을 고온(화씨 825도에서 980도 사이)의 용액에 담근 후 급랭하여 물질을 빠르게 냉각시킵니다. 이렇게 하면 용해된 성분이 용액에 갇히게 되고, 이후 석출되어 시효 경화 효과를 나타냅니다. 용체화 직후에는 금속 가공이 용이하지만, 시간이 지남에 따라 경화되어 가공이 점점 어려워집니다.
2. 공구의 절삭 효율을 향상시키세요.
부품 가공 시 변형을 줄이기 위해서는 올바른 절삭 공구를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 절삭 공구의 재질과 기하학적 요소는 절삭력과 열에 상당한 영향을 미칩니다.
공구 효율에 영향을 미치는 기하학적 요소는 다음과 같습니다.
i. 정면 각도
날의 강도를 유지하려면 앞쪽 각도를 신중하게 설정해야 합니다. 그렇지 않으면 날카로운 모서리가 마모됩니다. 날의 강도를 유지하려면 경사각을 적절히 크게 해야 합니다. 경사각이 크면 날을 날카롭게 할 수 있을 뿐 아니라 절삭 변형을 줄이고 칩 배출을 원활하게 하여 절삭력과 온도를 낮출 수 있습니다. 음의 경사각을 가진 공구는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
II. 후방 각도
후면 각도는 측면 마모와 가공 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 후면 각도를 결정할 때 절삭 두께는 필수적인 고려 사항입니다. 사용되는 공구는 적절한 열 방출 조건을 갖춰야 하므로, 황삭 가공 시에는 높은 이송 속도, 강한 절삭 하중, 그리고 많은 열 발생으로 인해 더 작은 여유각을 사용해야 합니다. 반면, 정삭 가공 시에는 측면과 가공면 사이의 마찰 및 탄성 변형을 줄이기 위해 날카로운 모서리가 필요하므로 더 넓은 여유각을 선택해야 합니다.
III. 나선 각도
매끄러운 밀링과 낮은 밀링력을 제공하려면 나선 각도가 적절하게 커야 합니다.
IV. 주편향각
주 편향각을 적절히 낮추면 열 방출 조건을 개선하고 처리 영역의 평균 온도를 낮출 수 있습니다.
3. 공작물 고정 기술을 개선해야 합니다.
강성이 낮은 특정 얇은 알루미늄 부품의 경우, 아래에 설명된 클램핑 방법을 사용하여 변형을 줄일 수 있습니다.
3구형 셀프센터링 척
- 얇은 벽의 CNC 가공용 부싱 부품을 반경 방향에서 고정하기 위해 3구형 자동 센터링 척이나 스프링 척을 사용하는 경우, 가공 후 해제 시 공작물이 변형될 가능성이 매우 높습니다.
축 방향 단면을 강성이 우수한 방식으로 압착하는 방법을 채택해야 합니다. 부품의 내경 구멍 위치를 기준으로 내경 구멍의 위치를 찾기 위해 나사산 맨드릴을 제작합니다. 이 맨드릴을 부품의 내경 구멍에 삽입합니다. 커버 플레이트로 단면을 압착하고 너트를 뒤쪽으로 조입니다. 이렇게 하면 외경 가공 시 풀림 변형을 방지하고 가공 정밀도를 높일 수 있습니다.
- 얇은 판재 부품을 가공하는 경우가 아니라면, 보다 균일하게 분포된 클램핑력을 얻기 위해 진공 흡착컵을 사용하는 것이 좋으며, 부품 변형을 방지하기 위해 절삭량을 줄여 가공하는 것이 좋습니다.
또는 충전 공정을 사용할 수도 있습니다. 얇은 벽으로 된 가공물의 가공 강성을 높이기 위해, 가공물 내부에 매체를 주입하여 클램핑 및 절삭 중 가공물의 변형을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 3~6%의 질산칼륨을 함유한 요소 용융액을 가공물에 부을 수 있습니다. 가공 후, 가공물을 물이나 알코올에 담근 다음, 충전재를 녹여 제거합니다.
4. 절삭 공구 설계 개선
절삭 공구
- 밀링 커터의 날 수를 줄이는 동시에 칩 저장 공간을 늘립니다.
알루미늄 소재의 높은 가소성과 가공 중 발생하는 높은 절삭 변형으로 인해 더 넓은 칩 면적이 필요합니다.
따라서 칩 배출구 바닥의 반경은 더 커야 하지만 밀링 커터 날의 개수는 더 적어야 합니다. 반대로 탱크 바닥의 반경을 늘리고 밀링 커터 날의 개수를 줄이면 칩 막힘으로 인한 알루미늄 합금 박판 부품의 변형을 최소화할 수 있습니다. 밀링 커터 날 길이가 20mm 이하인 경우에는 절삭날을 2개 사용하고, 30~60mm인 경우에는 절삭날을 3개 사용합니다.
- 이빨을 아주 날카롭게 갈다.
절삭날의 표면 조도는 Ra=0.4μm 이하입니다. 새 절삭 공구를 사용하기 전에 절삭날 앞뒤에 고운 아스팔트를 사용하여 가볍게 문질러 연마 후 남아 있을 수 있는 버(burr)나 미세한 톱니 모양의 자국을 제거해야 합니다. 이 방법을 통해 절삭 시 발생하는 열을 줄이고 절삭 변형을 최소화할 수 있습니다.
- 공구의 마모 기준을 최대한 엄격하게 관리하십시오.
공구 마모가 진행됨에 따라 가공물의 표면 조도가 상승하며, 절삭 온도와 가공물의 변형도 증가합니다. 따라서 내마모성이 우수한 공구 재질을 선택하는 것 외에도 공구 마모 기준이 0.2mm를 넘지 않도록 해야 하며, 그렇지 않으면 칩 모서리가 쉽게 발생합니다. 또한 CNC 밀링 또는 CNC 터닝 가공 시 가공물의 온도가 100°C를 초과하지 않도록 하여 변형을 방지해야 합니다.
5. 생산 공정을 적절하게 구성하십시오
고속 절삭 가공 시 넓은 가공 여유와 간헐적인 절삭으로 인해 진동이 빈번하게 발생합니다. 이는 가공 정밀도와 표면 조도에 영향을 미칩니다. 따라서 CNC 고속 절삭 공정은 크게 황삭 가공-중삭 가공-모서리 가공-정삭 가공으로 분류됩니다. 높은 정밀도가 요구되는 제품의 경우 정삭 가공 전에 두 번째 중삭 가공 단계를 거치는 것이 필수적일 수 있습니다. 황삭 가공 후에는 내부 응력과 변형을 줄이기 위해 제품을 자연 냉각시킵니다.
황삭 가공 후 잔여 여유는 변형량보다 커야 하며, 일반적으로 1~2mm 정도입니다. 부품 표면은 정삭 과정 전체에 걸쳐 균일해야 합니다.
일반적으로 마무리 공정 중 공구를 0.2~0.5mm 범위 내에서 안정적으로 유지하는 것이 절삭 변형을 줄이고, 높은 표면 가공 품질을 달성하며, 제품의 정확성을 유지하는 데 가장 좋은 방법입니다.
위에서 언급한 이유 외에도 실제 작업에서는 작업 기술 또한 매우 중요하며, 올바른 작업 방법을 사용하면 알루미늄 합금 부품의 휜 현상을 크게 최소화할 수 있습니다.
6. 대칭 가공
가공 여유가 큰 CNC 알루미늄 가공 부품에서 열 방출을 개선하고 열 변형을 방지하려면 극심한 열 집중을 피해야 합니다. 이를 위해 대칭 가공 기술을 사용할 수 있습니다.
두께가 90mm인 금속판을 60mm로 줄여야 하는 경우를 생각해 보겠습니다. 각 면을 최종 크기로 가공하고 연속 가공 여유를 충분히 확보하더라도, 밀링 가공이 반대쪽으로 즉시 전달되면 열 집중 문제가 발생하여 합금판의 평탄도가 5mm밖에 되지 않을 것입니다.
하지만 양면에 대칭 가공 기술을 적용하면 최종 크기에 도달할 때까지 각 표면을 최소 두 번 이상 처리할 수 있어 열 방출에 유리하고 평탄도를 0.3mm로 조절할 수 있습니다.
7. 적절한 절단 매개변수를 선택하십시오.
절삭력과 그로 인한 절삭열은 적절한 절삭 매개변수를 사용함으로써 줄일 수 있습니다. 기계 가공 과정에서 절삭 매개변수가 일반적인 값보다 크면 과도한 절삭력이 발생합니다. 과도한 절삭력은 부품의 변형을 쉽게 유발할 뿐만 아니라 스핀들의 강성과 공구의 수명에도 영향을 미칩니다.
절삭 깊이는 모든 절삭 매개변수 중 절삭력에 가장 큰 영향을 미칩니다. 가공물의 변형을 방지하려면 절삭 공구 개수를 줄이는 것이 필수적이지만, 이는 가공 효율 저하를 초래합니다. 이러한 문제는 수치 제어 가공의 고속 밀링을 통해 해결할 수 있습니다.
가공 과정에서는 후삭 깊이를 줄이고 이송 속도를 높이며 기계 속도를 향상시켜 절삭력을 낮추고 가공 효율을 확보할 수 있습니다.
8. 절삭 공구의 이동 경로 순서를 기록해 두십시오.
황삭 가공과 정삭 가공의 절삭 순서는 서로 달라야 합니다.
황삭 가공은 가공 효율과 단위 시간당 제거율을 최우선 목표로 합니다. 대부분의 경우 역방향 밀링을 사용할 수 있습니다. (역방향 밀링은 공작물이 한 쌍의 롤 사이에서 앞뒤로 회전하며 가공되는 롤링 밀의 일종입니다. 역방향 밀링이라는 이름은 강재가 롤러 사이를 앞뒤로 왕복하며 가공될 때마다 두께가 점차 얇아지는 데서 유래했습니다.)
즉, 가공 대상물의 표면에 있는 과도한 재료를 최대한 빠르고 효율적으로 제거하고, 마무리 작업에 필요한 기하학적 윤곽을 기본적으로 생성하는 것입니다.
마무리 작업에서는 정밀도와 품질에 중점을 두어야 하며, 하향 밀링을 사용해야 합니다. 하향 밀링 과정에서 커터 날의 절삭 두께가 최대에서 0으로 점차 감소하므로 가공 경화 정도와 부품 변형 정도가 상당히 줄어듭니다.
9. 얇은 벽 부품의 2배 압축
CNC 알루미늄 가공 부품 가공 시 클램핑력으로 인해 변형이 발생합니다. 최종 크기에 도달하기 전에 압착된 부품을 풀어 압력을 줄여 원래 형태로 복원해야 합니다. 그런 다음 다시 압력을 가하여 클램핑으로 인해 발생한 공작물의 변형을 최소화해야 합니다.
지지면은 두 번째 압착 지점으로 가장 적합한 위치이며, 체결력은 최대 강성 방향으로 가해져야 합니다.
모든 것이 정상이라면 압축력은 공작물이 풀리지 않도록 충분한 힘을 제공해야 합니다.
이 절차는 숙련된 작업자를 필요로 하지만, CNC 알루미늄 가공 부품의 변형을 최소화할 수 있도록 보장합니다.
10. 드릴링 및 밀링
CNC 알루미늄 가공 부품의 캐비티 가공에는 여러 가지 어려움이 있습니다. 밀링 커터를 부품에 직접 사용할 경우, 커터의 파편 분산 공간 부족으로 인해 절삭 칩이 매끄럽지 않게 생성됩니다. 이로 인해 과도한 절삭 열이 발생하고, 이 열이 팽창하여 CNC 알루미늄 가공 부품을 변형시킬 뿐만 아니라 부품이나 공구에 손상을 줄 수 있습니다.
먼저 드릴링을 한 후 밀링을 하는 것이 이 문제를 해결하는 가장 좋은 방법입니다.
이는 밀링 커터보다 작지 않은 공구로 구멍을 뚫은 다음, 밀링 커터를 구멍에 넣어 밀링 작업을 시작하는 것을 의미합니다.
11. 특수 알루미늄 합금 절삭유를 사용하십시오.
특수 절삭유는 CNC 절삭 공정 전반에 걸쳐 윤활, 냉각, 세척을 위해 사용해야 하는 유체입니다.
알루미늄 가공 시에는 여러 종류의 냉각제를 사용할 수 있습니다.
수용성 혼합물은 재료 제거로 인해 열이 발생하는 거친 가공 과정에서 열을 분산시키는 데 효과적으로 활용될 수 있습니다.
순수한 미네랄 씰 오일, 미네랄 씰 오일과 등유를 50:50으로 혼합한 오일, 돼지기름 10%와 등유 90%를 혼합한 오일, 그리고 100초 미네랄 오일에 미네랄 씰 오일이나 등유를 희석한 오일 등이 권장될 수 있는 다른 오일입니다.
새로운 절삭유는 일반적으로 황화 극압 마모 방지 첨가제를 핵심 성분으로 사용합니다. 이는 고속 절삭 공구, 장비 및 공정의 지속적인 개선에 따른 것입니다. 이러한 첨가제는 초고속 절삭 공정에서 공구를 보호하고 공정 정확도 및 절삭 효율을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
