칩을 제어하기 위한 5단계 방법
칩 형성이 안정적이면 짧은 스프링 형태로 생성되고, 공구 수명이 뛰어나고, 칩을 다루기 쉽고 배출이 잘 되며, 절삭 공정이 안정적이고 신뢰할 수 있으며, 가공물 표면 품질이 좋고, 효율이 좋아집니다. 쉽게 말해, 좋은 칩은 적당한 크기와 형상으로 생성되어 다루기 쉽고 생성하는 데 많은 노력이 필요하지 않아야 합니다.칩 형성이 안정적이면 짧은 스프링 형태로 생성되고, 공구 수명이 뛰어나고, 칩을 다루기 쉽고 배출이 잘 되며, 가공물 표면 품질이 좋고, 절삭 공정이 안정적이고 신뢰할 수 있으며 효율이 좋아집니다. 쉽게 말해, 좋은 칩은 다루기 쉬운 크기여야 하고 최소한의 노력으로 생성할 수 있어야 합니다.
| 공구 | 절삭 조건 | 소재 | 절삭유 |
경사각 (Rake angle) 절삭 인선 각도 (절입각, KAPR) 코너 R (노즈 반경) 코팅 절삭 인선 형상과
칩브레이커 | 이송 절삭 깊이 칩 두께 비율 절삭 속도 | 경도 인장 강도 연성 구조 | 건식 가공 에멀전 냉각 (절삭유) 세코 제트스트림(절삭유 고압 분사 시스템) |
절삭 공구, 절삭 조건, 가공물 소재 및 냉각(절삭유) 시스템을 비롯한 다양한 요소가 칩 형성에 영향을 줄 수 있습니다.
가공물 소재의 요소에는 대표적으로 경도, 인장 강도, 연성 및 구조적 고려 사항이 있습니다. 칩 형성을 개선하기 위하여 이러한 요소들을 변경할 수는 없지만, 작업자들은 이것들이 칩 형성에 미치는 영향을 고려해야 합니다.
칩 형성에 대한 냉각(절삭유) 시스템의 영향은 다소 주관적인 부분이 있습니다. 냉각(절삭유) 시스템 유형과 칩 형성에 미치는 영향 간의 객관적인 관계를 확인하는 것은 매우 어렵습니다. 예외적으로 HPDC(절삭유 고압 직접 분사) 시스템이 칩을 훨씬 더 짧게 만들어 주는 점은 명백합니다. 세코의 Jetstream(제트스트림) 제품군에는 이러한 기술이 적용되어 있습니다.
공구 기능이 칩 형성에 미치는 영향은 자주 논의되는 주제입니다. 여기서 가장 중요한 것은 공구의 경사각, 절입각(진입 각도, KAPR), 코너 R(노즈 반경), 절삭 인선과 칩 브레이커의 형상입니다. 더 큰 경사각(포지티브), 더 낮은 절입각(KAPR), 그리고 더 큰 코너 R(노즈 반경)은 칩을 더 길게 만듭니다. 코팅 종류가 칩 형성에 미치는 영향은 명확하게 정의할 수는 없습니다.
칩 형성에 영향을 미치는 가장 실무적인 방법은 절삭 조건을 변경하는 것인데, 상대적으로 쉬우면서도 효과적인 방법입니다. 조정해야 할 기본 절삭 조건은 칩 두께 비율(또는 얇은 정도)입니다. 칩 두께 비율이 너무 작으면 공구의 코너 R(노즈)에 ‘사각형 칩’이 생성되어 과도하게 높은 부하가 발생하고 공구 수명이 상당히 짧아집니다. 칩 두께 비율이 너무 높으면 칩이 가느다란 리본 모양으로 생성되어 끊기가 매우 어렵습니다.
칩 두께 비율은 칩 폭을 칩 두께로 나눈 값입니다. 이송에 대한 절삭 깊이가 충분히 커야 칩 두께 비율이 너무 작거나 너무 커지지 않습니다. 작은 절입 깊이(Ap)에 비해 이송이 너무 높으면 정사각형 칩을 생성합니다. 이송이 상대적으로 너무 작으면 리본 모양의 끊어지지 않는 긴 칩을 생성할 수 있습니다.
실무에서 절삭 깊이가 정해져 있는 상황이 종종 있습니다. 이런 경우, 이송은 좋은 칩을 형성하기 위한 열쇠가 됩니다. 이송이 너무 낮으면 리본 모양의 긴 칩이 생성되고, 반대로 너무 높으면 정사각형 칩을 생성하기 때문에 둘 다 피해야 합니다.
절삭 속도(Vc)가 칩 형성에 미치는 복잡한 영향은 뒤에서 더 자세히 다룰 것입니다.
실제 단면은 4가지 유형의 칩을 정의합니다.
- 톱니형, 분절형 또는 비연속형 칩
- 좁고 직선적인 1차 전단 영역이 있는 연속 칩 또는 공구 칩 인터페이스에 2차 전단 영역이 있는 연속 칩
- 구성인선 칩
- 전단 칩 또는 짧은 칩
모든 칩에는 두 개의 표면이 있습니다. 바깥쪽 표면은 공구의 경사면과 마찰하여 마모를 유발하기 때문에 반짝이고 표면에 광택이 납니다. 또한 모든 칩에는 가공물 속에서 형성된 안쪽 표면도 있으며, 실제 절삭 메커니즘으로 인해 들쭉날쭉하고 거친 형상이 나타납니다.
| 마디형 칩 (톱니모양) | 연속된 칩 | 구성인선이
있는 칩 | 전단된 칩 |
분절된 칩(톱니 모양)은 매우 짧은 마디들로 구성된 준 연속적 칩으로 전단 변형률이 낮은 넓은 영역과 전단 변형률(또는 전단 국부화)이 높은 좁은 영역이 있습니다. 이러한 종류의 칩은 열전도율이 낮고 변형 경화 경향이 높은 재료를 가공할 때 나타납니다. 재료 강도는 소재 내부의 응력이 증가하고 특히 온도도 높을 때 증가하는데, 티타늄이 대표적인 예입니다. 이러한 칩은 톱니 모양으로 형성됩니다.
연강(저탄소강), 구리 및 알루미늄을 비롯한 연성이 높은(덕타일) 재료를 가공할 때 연속 칩이 형성됩니다. 연성이 높은 소재는 소성 변형되면서 길고 연속적인 칩을 생성하며 가공 표면 조도가 우수하고, 동력 소비가 낮으며, 공구 수명이 길기 때문에 절삭 작용의 관점에서 바람직합니다. 연속 칩은 주로 얇은 칩 두께, 높은 절삭 속도, 날카로운 절삭 인선, 절삭 공구의 높은 경사각(포지티브), 매끄러운 공구 표면 및 효율적인 윤활 시스템으로 인해 형성됩니다. 이러한 칩은 취급이 어렵고 배출이 잘 되지 않습니다. 이 칩들은 매우 긴 스프링 형태로 가공물과 공구 주변을 휘감을 수 있으며 칩이 파손될 때 작업자가 다칠 위험이 있습니다. 공구면이 더 오랜 시간 동안 접촉되어 마찰열이 더 많이 발생합니다. 칩 브레이커가 이 문제를 해결할 수 있습니다.
변형은 ‘1차 전단 영역’이라 부르는 좁은 전단 영역을 따라 발생합니다. 연속된 칩은 경우에 따라 공구와 칩의 접촉 지점에서 ‘2차 전단 영역’을 생성할 수도 있습니다. 이 영역은 마찰이 증가함에 따라 더 두꺼워집니다. 연속적인 칩은 곡선 경계를 표시하는 넓은 1차 전단 영역에서도 발생할 수 있습니다. 변형 영역의 하단 경계인 ‘측면 흐름 효과’는 가공된 표면 아래로 떨어질 수 있으며, 이는 가공물 표면을 왜곡하고 표면 마감을 불량하게 만듭니다.
구성인선은 가공물 소재의 작은 입자가 공구 인선에 달라붙을 때 형성됩니다. 이것은 주로 부드럽고 연성이 있는 가공물 소재와 연속적인 칩이 형성될 때 발생합니다. 구성인선은 공구의 절삭 작용에 영향을 미칠 수 있습니다. 구성인선은 극도로 단단하고 부서지기 쉬우며, 구성인선 층이 연속적으로 쌓일수록 불안정해집니다. 구성인선이 끊어지면 그 일부는 칩과 함께 공구 면으로 올라가고 나머지는 가공물의 가공된 표면에 남습니다. 가공물 표면에 남는 부분이 가공된 표면을 거칠게 만드는 원인입니다.
절삭 속도 및 경사각 증가(포지티브), 더 날카로운 공구, 절삭유 사용 및 가공물 소재에 대한 화학적 친화도가 낮은 소재로 공구를 변경하면 구성인선 형성을 줄일 수 있습니다.
그림 9: 다양한 절삭 속도에 따른 구성인선과 칩의 예.
전단 칩 또는 짧은 칩(연속되지 않는 칩이라고도 함)은 각 마디가 서로 분리된 형태입니다. 이 칩은 청동, 경질 황동 및 회주철과 같은 취성 소재 뿐만 아니라 매우 단단한 재료 또는 단단한 입자 및 불순물이 있는 재료를 절삭할 때 형성됩니다. 취성 소재들은 칩이 소성변형 되기에는 연성이 낮습니다. 반복된 파단은 칩 변형의 양을 제한합니다.
전단 칩은 두꺼운 칩 두께, 낮은 절삭 속도 및 작은 경사각을 포함하는 조건에서 취성 가공물 소재에서 발생합니다. 안정성이 낮은 공작 기계에서는 짧은 칩들이 간헐적인 칩 형성으로 인하여 미세 진동을 유발할 수 있습니다. 이러한 유형의 칩은 취급과 폐기가 편리하다는 장점이 있습니다. 취성 재료에 이러한 칩이 형성되면 표면 조도가 상당히 우수하고 동력 소모가 적으며 합리적인 공구 수명을 얻을 수 있습니다. 그러나 연성 재료에서 발생하는 불연속적인 칩은 나쁜 표면 조도와 과도한 공구 마모를 유발합니다.
A. 탄소강(S45C) - 연속된 칩
B. 듀플렉스 스테인리스 강(SAF 2507) - 톱니형 칩
C. 탄소강(S35C) - 칩과 함께 구성인선 발생
D. 주철(회주철, FC계열) - 전단 칩
길고 연속적인 칩은 절삭 공구, 가공물 및 공작 기계의 손상 위험과 함께 가공 효율성에 부정적인 영향을 미치는 경향이 있습니다. 칩 배출 문제는 불필요한 생산 중단을 유발할 수 있으며 작업자에게 안전하지 않은 작업 환경을 조성할 수도 있습니다. 칩은 안전하고 쉽게 제거되어야 하고, 공작 기계 및 가공물의 손상을 방지하기 위해 작은 조각으로 부서져야 합니다.
칩이 말리는 곡률 또는 양상에 영향을 주는 주 요소:
- 1차 및 2차 전단 영역의 응력 분포
- 열 효과
- 가공물 소재(피삭재)의 변형 경화 특성
- 절삭 공구 형상
- 냉각(절삭유) 시스템도 어느 정도 영향 있음
일반적으로 경사각이 감소하면(네거티브 각도) 칩의 곡률 반경이 작아져 칩이 더 짧아지고 파손됩니다. 칩 브레이커는 칩 곡률 반경을 줄여 칩을 더 짧은 길이로 끊어지게 하는 역할을 합니다.
A. 칩
B. 칩브레이커가 없는 경우
C. 칩브레이커가 있는 경우
D. 칩브레이커
E. 공구
F. 가공물
칩브레이커 형상을 선택할 때는 가공 유형, 이송과 절삭 깊이의 조합, 가공물 소재 유형을 감안하세요.
A. 코너부 단면
B. 측면 인선부 단면
칩 브레이킹 다이어그램(그림 14)은 가공물 소재, 절삭 조건, 칩브레이커 형상과 칩 형성 간의 관계를 설명합니다. 이 다이어그램은 어떤 칩브레이커로 특정한 소재를 가공할 때 절삭 깊이와 이송에 대해 고려해야 할 사항을 보여줍니다. 가로 축은 이송을 나타내며 항상 ‘인선의 T-랜드 폭’보다 커야 하고 ‘인선 코너 R의 1/2’보다 작아야 합니다. 세로 축은 절삭 깊이를 나타내며, 칩 형성을 촉진하고 사각 칩 문제를 예방하려면 항상 ‘코너 R’보다 커야 합니다. 또한 절삭 깊이는 절삭 인선의 길이보다 커서는 안 됩니다. 그리고 인선의 형태나 칩브레이커 강도에 따라 안전 요소를 감안해야 합니다. 인서트의 경우 권장되는 최대 절삭 깊이는 인서트 종류에 따라 절삭 인선 길이의 75%(정사각형S 또는 마름모꼴C 인서트 등)에서 20%(코너 각도가 날렵한 V 형상 등) 까지 다양합니다.
절삭 깊이와 이송(칩 두께 비율) 또한 제약 조건을 감안해야 합니다. 칩 두께 비율은 너무 긴 리본 모양 끊어지지 않는 칩을 피하기 위해 특정 최대값 미만으로 유지하여야 합니다. 또한 정사각형 칩을 피하려면 일정 최소값 이상으로도 유지해야 합니다. 그림 14 하단과 왼쪽의 두 개의 각진 선이 이러한 제약 조건을 나타냅니다. 칩 두께 비율의 최소값과 최대값은 가공물 소재에 따라 다릅니다. 절삭 인선 파손을 최소화 하려면, 절삭 부하가 너무 높아서는 안됩니다. 그림 14 오른쪽 상단의 곡선은 이 제약 조건을 보여줍니다.
그림 14 파란색 이송과 절삭 깊이의 조합이 올바른 모양의 칩을 생성하는 영역입니다. 이 파란색 영역을 벗어난 이송과 절삭 깊이의 조합에서는 절삭 인선과 칩브레이커 형상이 제대로 작동하지 않습니다. 칩이 너무 길거나, 너무 정사각형이 되거나, 인선의 심각한 파손 가능성이 있습니다.
그림 15는 절삭 속도가 칩 형성에 끼치는 영향을 보여줍니다. 그래프의 가로축은 이송, 세로축은 칩의 종류를 나타냅니다. 일반적으로 이송이 증가함에 따라, 특히 낮은 절삭 속도에서 칩이 짧아지는 경향이 있습니다. 그러나 절삭 속도가 증가할수록 이송과 칩 형성 칩의 관계는 적어집니다.
네거티브 기본 칩브레이커 별 용도 - ISO 가공물 소재 분류에 따름
 | 스테인리스 강 (ISO M) 티타늄 및 초합금 (ISO S) |  | 강 (ISO P) 스테인리스 강 (ISO M) 티타늄 및 초합금 (ISO S) |  | 스테인리스 강 (ISO M) |
 | 강 (ISO P) 스테인리스 강 (ISO M) 경화강(고경도 열처리강) (ISO H) |  | 티타늄 및 초합금 (ISO S) |  | 강 (ISO P) 스테인리스 강 (ISO M) 주철 (ISO K) |
 | 강 (ISO P) 주철 (ISO K) |  | 주철 (ISO K) |  | 강 (ISO P) |
그림 16과 같은 칩브레이커 표는 작업의 상황에 따른 적절한 칩브레이커를 선정할 수 있도록 도와줍니다. 이 표에는 각 칩브레이커(FF1, FF2, MF1 … RR97 등)를 인선의 강성과 작업에 종류에 따라 정리한 것입니다. 가로 축은 인선의 상대적인 강성을 표현하며, 오른쪽으로 갈 수록 튼튼한 형상이고 높은 이송을 적용할 수 있습니다. 권장 이송의 범위를 의미하는 면도 있습니다.
세로 축은 정삭(작은 절삭 깊이)에서 황삭(큰 절삭 깊이)에 이르는 적용 유형을 나타냅니다. 이 세로 축도 인선의 상대적인 권장 절삭 깊이 정도를 표현하며, 위로 갈수록 깊은 절삭 깊이에 적합합니다. 또한 인서트의 실제 크기(인선 길이)도 유효 절삭 깊이에 영향을 줍니다. 가공물 소재의 국제 표준(ISO)색상이 각 칩브레이커가 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 소재 영역을 표시합니다.
이 표의 왼쪽 하단에 위치한 칩브레이커는 매우 날카롭고 짧은 칩을 생성하지만, 낮은 절삭 조건(절삭 깊이 및 이송)에 필요한 날카로운 형상을 가지고 있기도 합니다. 반대로, 표 오른쪽 상단의 형상은 절삭 인선이 튼튼하고 높은 절삭 조건(절삭 깊이 및 이송)에 사용할 수 있지만 긴 칩을 형성하는 경향이 있습니다.
- 일단 공정을 최적화 하기 위하여 생산성(빠른 가공)과 비용 효율성(가성비) 중에서 어떤 것이 더 중요한지 우선 순위를 명확히 하세요.
- 칩 형성이 만족스럽다면 5번으로 가세요.
칩이 너무 길다면 3번으로 가세요.
칩이 너무 짧으면 4번으로 가세요. - 생산성이 더 중요하다면 이송을 증가시키세요.
비용 효율성이 더 중요하다면 칩 브레이커를 더 강한 형상으로 변경하세요.
사용하는 칩브레이커의 권장 범위 내로 이송을 유지하세요.
5번으로 가세요. - 생산성이 중요하면 칩 브레이커를 더 날카로운 형상으로 변경하세요.
비용 효율성이 중요하다면 이송을 감소시키세요.
사용하는 칩브레이커의 권장 범위 내로 이송을 유지하세요.
5번으로 가세요. - 비용 효율성이 우선이라면 낮은 절삭 속도로 가공하세요.
생산성이 우선이라면 절삭 속도를 높이세요.
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