스테인리스 강 가공시 주요 요소들의 균형 잡기
스테인리스 강은 강하며 열과 부식에 강합니다. 이 소재를 가공하려면, 공구 특성 및 형상과 공격적인 절삭조건 간의 균형을 잡아야 합니다.스테인리스 강은 강도와 내열성 및 내식성을 겸비한 다용도 공작물 소재입니다. 이러한 뛰어난 구조적 특성으로 인해 가공이 더 어려워집니다. 공장은 스테인리스강 가공의 생산성을 높이기 위해 절삭공구 특성과 형상, 그리고 공격적인 절삭조건 간의 균형을 신중하게 맞추어야 합니다. 올바른 셋업과 세팅을 통해 스테인리스 강을 가공하는 데 어려움을 덜고 보람을 더할 수 있습니다.
스테인리스강은 페라이트, 마르텐사이트, 오스테나이트, 듀플렉스 및 석출경화(PH) 등 5가지로 분류됩니다. 각 그룹의 고유한 특성과 응용 분야는 서로 다른 가공 과제를 안고 있습니다.
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기본적인 스테인리스 강 합금(SUS 400 계열)은 페라이트계 또는 마르텐사이트계입니다. 페라이트 합금은 크롬이 10%~12% 포함되어 있으며 경화가 불가능합니다. 마르텐사이트 합금은 망간 및 실리콘과 함께 크롬과 탄소를 더 많이 첨가하고 열처리를 통해 경화시킵니다. 오늘날 페라이트계 및 마르텐사이트계 스테인리스 합금은 주방이나 정원 도구와 같은 가정용품에 많이 사용되고 있습니다. 산업 환경에서는 더이상 우선적으로 선택되는 소재는 아닙니다. 스테인리스 강 합금은 기계적 강도와 내식성을 높이기 위해 진화했습니다.
금속공학자들은 강도를 높이기 위해 니켈을 첨가하여 철/크롬/니켈 합금 또는 오스테나이트계 스테인리스강(SUS 300 계열)을 만들었습니다. 이러한 합금은 석유화학 공정, 식품 산업의 위생 요건 충족 및 열악한 환경의 일반 기계 생산에 널리 사용됩니다.
성능이 향상될수록 제조에 대한 도전 과제도 커집니다. 페라이트와 마르텐사이트계 스테인리스 강 합금(SUS 400 계열)은 일반 강보다 기계로 가공하기가 훨씬 어려운 것은 아닌데, 그 이유는 내식성이 화학적 특성이기 때문입니다. 그러나 오스테나이트계 스테인리스 강(SUS 300 계열)에서는 경도, 인성, 변형 저항성 및 열적 특성을 증가시키는 동일한 요소가 기계 가공성을 떨어트리기도 합니다.
최근까지 기술자들은 오스테나이트 합금의 강도에는 더 높은 기계적 절삭력, 더 강한 네거티브 형상 공구, 낮은 절삭조건이 필요하다고 생각했습니다. 이러한 방식은 성공적이지 못했습니다. 이것은 짧은 공구 수명, 긴 칩, 잦은 버(burr), 불만족스러운 표면조도 및 원치 않는 진동을 만들었습니다.
오스테나이트 스테인리스 강은 기존 강보다 훨씬 높은 기계적 절삭력을 필요로 하지 않습니다. 오스테나이트 스테인리스 강의 주요 과제는 가공에 더 많은 에너지를 필요로 하는 열적 특성에 있습니다.
하지만 금속 절삭은 근본적으로 변형 과정이며, 오스테나이트 스테인리스 강은 변형 중에 경화됩니다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 열전도율이 낮고 변형 저항성이 높기 때문에 가공시 과도한 열이 발생합니다. 절삭 영역에서 열을 배출하는 것이 중요합니다. 일반 스테인리스 강의 칩과 달리 오스테나이트 스테인리스 강의 칩은 열을 많이 흡수하고 발산하지 못합니다. 대신 절삭 지점에 남아서 공구 수명을 단축시킵니다.
공구 제조사들은 스테인리스 강 가공시 발생하는 열을 견딜 수 있도록 초경 모재를 설계합니다. 절삭날의 날카로움은 모재 구성만큼이나 중요합니다. 더 날카로운 공구는 스테인리스 강을 변형시키지 않고 절삭하여 열 발생을 줄입니다.
스테인리스 강은 열전도율이 낮기 때문에 칩을 통한 열 배출이 잘 되지 않지만, 칩의 부피가 클수록 더 많은 열을 배출할 수 있습니다. 절삭 지점에서 열을 효과적으로 배출하려면 가능한 최대 절삭 깊이와 이송을 사용하여 칩으로 배출하는 열을 최대화해야 합니다. 절삭 깊이가 커지면 공작물을 완성하는 데 필요한 툴패스 횟수도 줄어듭니다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 가공시 경화되는 경향이 있으므로, 절삭 횟수(툴패스 수)를 줄이면 이러한 손상 위험을 최소화할 수 있습니다.
이러한 공격적인 가공 전략에는 현실적인 한계가 있습니다. 예를 들어, 표면 조도 요건에 따라 최대 이송이 제한됩니다. 절삭공구 및 공작물 강성뿐만 아니라 공작기계의 마력도 절삭조건을 제한합니다.
절삭유는 오스테나이트 스테인리스 강 합금의 성공적인 가공을 위해 항상 매우 중요합니다. 오일 함량이 8~9% 이상인 고품질 오일/워터 에멀젼을 사용하세요. 반면 일반적인 가공 작업에서는 3~4%의 오일을 사용합니다. 절삭 지점에 절삭유를 더 높은 압력으로 분사하면 절삭유 성능도 향상됩니다. 세코 Jetstream Tooling®(제트스트림 툴링)과 같은 특수 고압 분사 시스템은 훨씬 더 효과적입니다.
공구 표면의 딱딱한 코팅은 온도가 높은 환경에서 고온경도를 강화하고 공구 수명을 향상시킵니다. 열로부터 모재를 단열하는 두꺼운 코팅은 매우 날카로운 형상에는 잘 접착되지 않습니다. 대신 절삭공구 제조업체는 우수한 열 차단 기능을 제공하는 얇은 코팅을 설계합니다. 일부 오스테나이트계 스테인리스강 합금에는 마모성 경질 입자가 포함되기도 합니다. 절삭공구의 내마모성을 높여주는 딱딱한 코팅은 공구 수명을 늘릴 수 있습니다.
오스테나이트계 스테인리스 강은 연성이 강하고 절삭공구에 달라붙는 경향이 있습니다. 점착 현상은 절삭된 재료가 공구에 달라붙어 쌓일 때 발생합니다. 이러한 점착이 떨어져 나갈 때, 절삭날의 일부도 같이 떨어져 나가기 때문에 표면 조도가 나빠지고 공구가 파손될 수 있습니다. 코팅은 윤활성을 제공하여 점착 현상을 억제할 수 있습니다. 더 빠른 절삭속도도 점착 현상을 최소화하는 데 도움이 됩니다.
노치 마모는 가공 중 공작물이 경화되어 발생하는 매우 국소적이고 극단적인 형태의 마찰 마모입니다. 다양한 절삭 깊이로 절삭날 전체에 마모 영역을 분산시키세요. 이 전략은 적절한 코팅과 함께 적용하면 오스테나이트 스테인리스 강의 노치 마모를 완화하는 데 도움이 됩니다.
공구 제조사는 각 공작물 소재에 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 공구별로 특성의 밸런스를 조절합니다. 초경 재종 연구는 경도와 인성의 균형을 맞추기 위해 노력합니다. 이렇게 하면 변형에 견딜 수 있을 만큼 딱딱하지만 부러질 정도로 딱딱하지는 않은 공구가 만들어집니다. 마찬가지로, 날카로운 절삭날 형상은 둥근 절삭날만큼 튼튼하지 않습니다. 공구 제조사는 날카로움과 튼튼함의 균형을 갖춘 공구를 만드는 것을 목표로 합니다.
공구 제조사는 공구를 개발하는 동안 공구 적용 가이드라인을 다시 검토합니다. 대부분의 절삭조건 권장사항은 기존 강의 인성 및 경도를 기반으로 합니다. 이 권장 사항은 오스테나이트 스테인리스 강 및 기타 고성능 합금 가공과 관련된 열 요인을 고려하지 않았습니다. 공구 제조사들은 학계 연구자들과 협력하여 이러한 재료의 열적 특성을 고려하여 공구 테스트 절차를 개정하기 시작했습니다.
새로운 테스트 가이드라인은 새로운 기준 재료를 반영합니다. 기존의 가공성 표준은 하나의 강 합금과 이를 가공하는 동안 발생하는 기계적 부하를 사용했습니다. 이제 공구 제조사들은 절삭속도, 이송 및 절삭 깊이에 대한 적절한 기준값이 포함된 오스테나이트 스테인리스 강에 대한 별도의 기준 재료를 마련했습니다. 다양한 가공 특성을 가진 재료에서 최적의 생산성을 달성하기 위해 공구 제조업체는 해당 기준 재료와 관련된 밸런싱 또는 보정 계수를 적용합니다.
많은 절삭공구가 다양한 절삭조건과 가공변수에서 다양한 재료에 대해 매우 우수한 성능을 제공합니다. 이러한 공구들은 일회성 작업에 대하여, 적당하고 비용 효율적인 생산성과 작업물 품질을 제공할 수 있습니다.
그러나 특정 재료에서 최고의 생산성과 공정 안정성을 달성하기 위하여, 공구 제조사들은 다양한 공구 요소를 지속적으로 조작하고 균형을 맞추고 있습니다. 공구의 기본 요소에는 모재, 코팅 및 형상이 포함됩니다. 각각이 중요합니다. 최고의 공구는 부분의 합을 뛰어넘는 결과를 만들어내는 시스템으로 작동합니다.
공구 형상을 비롯한 공구의 일부가 적극적인 역할을 합니다. 형상은 열 발생 및 제거, 칩 형성 및 표면 조도에 영향을 줄 수 있습니다. 반대로 모재와 코팅은 수동적인 역할을 합니다. 이 요소들은 경도와 인성의 균형을 맞추고 고온을 견디며 화학적 및 연마성 마모와 점착 현상에 견디도록 설계되었습니다.
세코의 M3 및 M5 터닝 칩브레이커 형상은 가공 성능과 형상의 관계를 보여주는 좋은 예입니다. 둘 다 네거티브(0˚ 여유각) 절삭날 형상과 절삭날과 공구 경사면 사이의 T-랜드가 특징입니다. 다용도 중-황삭용 M3 형상은 다양한 공작물 소재에서 우수한 공구 수명과 칩 파쇄 기능을 제공합니다. M5 형상은 까다롭고 이송이 높은 황삭 가공에 적합합니다. 이 형상은 절삭날이 튼튼하면서도 절삭 부하는 상대적으로 낮게 설계되어 있습니다.
M3와 M5 칩브레이커는 다재다능함에도 불구하고, 튼튼하지만 완전히 날카롭지는 않습니다. 오스테나이트 스테인리스 강의 경우 변형으로 인해 상당한 열이 발생합니다. 대신 세코 MF4 및 MF5 칩브레이커는 날카롭고 포지티브한 형상이 특징입니다. 이 칩브레이커들의 좁은 포지티브 T-랜드는 날카로운 절삭날 뒤에서 지지력을 제공하면서 절삭날의 날카로움을 유지하는 데 도움이 됩니다. 이러한 개방형 절삭 형상은 강 및 스테인리스 강의 중삭 및 정삭 작업을 용이하게 합니다. MF5 칩브레이커는 특히 이송이 높은 경우에 효과적입니다.
올바른 결과를 얻으려면 기계 기술자는 가공하는 재료에 적합한 공구 디자인이 필요합니다. 오스테나이트 스테인리스 강과 같이 복잡하고 까다로운 소재의 경우 금속 자체의 가공 양상을 상쇄하기 위해 올바른 공구와 가공 방식을 사용해야 합니다. 새로운 공구 디자인은 다재다능하지만 까다로운 공작물 재료에 대해 최적으로 대응합니다.
