CNC 공구 선택 및 절삭 최적화를 위한 전문가 팁: 우수한 CNC 가공

CNC 가공에서 공구 선택과 절삭 파라미터 결정은 기존 가공 방법과 차별화되는 중요한 프로세스입니다. 이러한 인간과 기계의 인터페이스를 위해서는 프로그래머가 공구 선택 원칙과 절삭 파라미터 최적화에 대한 포괄적인 이해가 필요합니다. 효율적인 CNC 가공을 위해 프로그래머는 디지털 제조의 뉘앙스에 대한 지식을 프로그래밍 전략에 통합하여 공구 및 파라미터 선택에 대한 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있어야 합니다.

CNC 가공 도구는 CNC 공작 기계의 고속, 고효율, 자동화된 특성을 보완하도록 설계되었습니다. 툴링 시스템은 일반적으로 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:

1. 절삭 공구: 특정 가공 작업을 위해 설계된 정밀 엔지니어링 도구.
2. 표준 공구 홀더: 절삭 공구를 기계 스핀들에 단단히 연결하는 인터페이스입니다.
3. 특수 공구 홀더: 고유한 가공 요구 사항이나 복잡한 형상을 위한 맞춤형 설계 홀더.

툴링에 대한 이러한 모듈식 접근 방식은 업계 전반의 표준화를 촉진하여 상호 호환성을 개선하고 설정 시간을 단축했습니다. 공구 홀더-스핀들 인터페이스는 고속 가공 작업 중 정확성과 강성을 유지하는 데 매우 중요합니다.

CNC 절삭 공구는 다음과 같은 다양한 기준에 따라 분류할 수 있습니다:

1. 가공 작업: 선삭, 밀링, 드릴링, 보링, 연삭 등
2. 재료 구성: 고속 강철(HSS), 카바이드, 세라믹, 입방정 질화 붕소(CBN), 다결정 다이아몬드(PCD) 등입니다.
3. 지오메트리: 단일 포인트, 다중 포인트, 회전식, 고정식 등
4. 코팅 기술: 비코팅, PVD(물리 기상 증착), CVD(화학 기상 증착) 등
5. 적용 분야: 황삭, 반정삭, 정삭, 미세 가공 등

1. NC 기계 절삭 공구의 구조

일체형(솔리드) 유형:
이러한 공구는 고속강(HSS) 또는 카바이드로 단일 부품으로 제조됩니다. 특히 직경이 작은 공구의 경우 특정 용도에 맞게 뛰어난 강성과 정밀도를 제공합니다. 솔리드 엔드밀, 드릴, 리머 등이 그 예입니다.

삽입(인덱싱 가능) 유형:
이러한 도구는 일반적으로 카바이드 또는 세라믹 재질로 만들어진 교체 가능한 커팅 인서트를 도구 본체에 부착합니다. 이 도구는 크게 두 가지 하위 유형으로 분류할 수 있습니다:

a) 브레이징 인서트 도구: 인서트는 고온 납땜 공정을 통해 도구 본체에 영구적으로 부착됩니다.

b) 기계적으로 고정된 인서트 도구:

• 인덱싱할 수 없습니다: 인서트가 한 위치에 고정되어 있습니다.

• 인덱서블: 인서트를 회전하여 새로운 절삭 날을 노출시켜 공구 수명을 연장할 수 있습니다.

특수 유형:
a) 복합 절삭 공구: 카바이드 팁 HSS 공구와 같이 다양한 재료 또는 구조를 결합하여 성능을 최적화할 수 있습니다.

b) 진동 감쇠 도구: 특수 설계 또는 소재를 통합하여 까다로운 가공 조건에서 진동 소음을 줄이고 표면 마감을 개선합니다.

c) 모듈형 커팅 도구: 다양한 커팅 헤드를 표준 도구 본체와 결합하여 맞춤형 구성이 가능합니다.

d) 절삭유 공급 공구: 절삭유를 절삭날에 직접 정밀하게 전달할 수 있는 내부 채널이 있습니다.

2. 절삭 공구 제조에 사용되는 재료

1. 고속 강철(HSS) 절삭 공구:

• 구성: 탄소 함량이 높은 철 기반 합금과 텅스텐, 몰리브덴, 크롬 및 바나듐과 같은 합금 원소를 함유하고 있습니다.
• 속성: 고온에서 뛰어난 경도 유지력, 우수한 내마모성 및 인성
• 애플리케이션: 범용 가공을 위한 드릴, 탭, 리머 및 밀링 커터

2. 초경합금 절삭 공구:

• 구성: 텅스텐 카바이드(WC) 입자와 코발트(Co)를 바인더로 결합한 입자
• 속성: HSS 대비 우수한 경도, 내마모성 및 열 전도성
• 응용 분야: 선삭, 밀링 및 드릴링 작업, 특히 단단한 재료의 고속 가공에 사용되는 인서트

3. 다이아몬드 절삭 공구:

• 유형: 천연 다이아몬드, 다결정 다이아몬드(PCD), 화학 기상 증착(CVD) 다이아몬드
• 속성: 탁월한 경도, 뛰어난 내마모성 및 높은 열전도율
• 애플리케이션: 비철 금속, 복합재 및 연마재의 정밀 가공; 초정밀 절삭 및 미세 가공에 사용됩니다.

4. 고급 재료 절단 도구:

• 입방정 질화 붕소(CBN):
  - 속성: 다이아몬드 다음으로 가장 단단한 소재, 뛰어난 열 안정성
  - 애플리케이션: 경화강, 주철 및 초합금 가공: 경화강, 주철 및 초합금 가공
• 세라믹 절단 도구:
  - 유형 알루미나 기반(Al2O3) 및 질화규소 기반(Si3N4)
  - 속성: 높은 고온 경도, 화학적 안정성 및 내마모성
  - 애플리케이션: 주철 및 내열 합금의 고속 마감 처리
• 서멧 절단 도구:
  - 구성: 구성: 금속 바인더의 세라믹 입자(보통 TiC, TiN)
  - 속성: 세라믹의 경도와 금속의 인성 결합
  - 애플리케이션: 강철 및 주철의 마감 작업

각 소재는 고유한 특성을 제공하며 특정 가공 요구 사항, 공작물 소재 및 절삭 조건에 따라 선택되어 공구 수명, 표면 마감 및 전반적인 가공 효율을 최적화합니다.

3. 절단 공정 및 도구의 분류

회전 도구:

• 외경 가공을 위한 외부 선삭 공구
• 내경 가공용 보링 바
• 외부 및 내부 스레드를 위한 스레딩 도구
• 홈 가공 및 분리 도구
• 복잡한 프로필을 위한 양식 도구

드릴링 도구:

• 구멍을 만들기 위한 트위스트 드릴
• 구멍 크기 및 표면 마감 개선을 위한 리머
• 내부 스레드 생성을 위한 탭
• 카운터보링 및 카운터싱크 도구
• 깊은 구멍 드릴링용 건 드릴

지루한 도구:

• 싱글 포인트 보링 도구
• 멀티 포인트 보링 헤드
• 미세 조절식 인서트가 장착된 정밀 보링 공구
• 동시 작업을 위한 보링 및 마주 보는 헤드

밀링 도구:

• 슬롯 절단 및 프로파일링용 엔드밀
• 표면 가공용 페이스 밀
• 3D 컨투어링을 위한 볼 노즈 밀
• 높은 재료 제거율을 위한 인덱서블 인서트 밀
• 내부 및 외부 스레드 생산용 스레드 밀

브로칭 도구:

• 내부 및 외부 브로치
• 계단식 기능을 위한 프로그레시브 브로치

연삭 도구:

• 다양한 연마재 및 본드의 연삭 휠
• 단단한 재료용 초연마재(CBN 및 다이아몬드) 공구

최신 CNC 머시닝 센터의 요구 사항을 충족하기 위해 최근 몇 년 동안 모듈식, 조정 가능, 내구성이 뛰어난 절삭 공구의 비율이 크게 증가했습니다. 이러한 고급 툴링 시스템은 이제 생산되는 부품의 복잡성과 자동화 수준에 따라 CNC 가공 시설의 전체 툴링 인벤토리 중 40%에서 90%를 차지합니다. 유연한 툴링 솔루션으로의 전환은 생산성을 향상시키고 설정 시간을 줄이며 전반적인 가공 효율성을 개선합니다.

4. NC 도구의 특성

실시간 모니터링 및 최적화를 위한 디지털 시스템과의 통합. 많은 최신 NC 도구에는 공구 수명 추적, 마모 예측 및 공정 최적화를 위한 센서 또는 RFID 태그가 통합되어 있습니다.

특히 황삭 공구에서 뛰어난 강성과 정밀도, 향상된 진동 감쇠 및 최소한의 열 변형이 특징입니다. 따라서 까다로운 가공 조건에서도 일관된 절삭 성능을 보장합니다.

뛰어난 호환성으로 신속한 공구 교체가 가능합니다. 이 기능은 정확성과 빠른 교체 기능을 모두 제공하는 HSK(중공 섕크 키) 또는 BT(빅 플러스 툴링)와 같은 고급 공구 고정 시스템에서 지원되는 경우가 많습니다.

안정적이고 신뢰할 수 있는 절삭 성능으로 서비스 수명 연장. 이는 첨단 코팅 기술(예: PVD, CVD)과 최적화된 공구 형상을 사용하여 마모를 줄이고 절삭날 무결성을 유지함으로써 달성할 수 있습니다.

간편한 크기 조정 기능으로 공구 교체 설정 시간 최소화. 많은 NC 공구는 미세 조정이 가능한 기능 또는 모듈식 설계가 통합되어 있어 공구를 완전히 교체하지 않고도 미세 조정이 가능합니다.

칩 파쇄 지오메트리 및 공구 관통 절삭유 전달 시스템을 포함한 효율적인 칩 관리 기능. 이러한 기능은 안정적인 칩 배출을 보장하여 재절삭을 방지하고 표면 마감 품질을 개선합니다.

프로그래밍 및 공구 관리를 간소화하기 위한 표준화 및 일련화. 여기에는 공구 치수 및 절삭 데이터에 대한 ISO 표준 준수와 일반적인 공구 관리 시스템 및 CAM 소프트웨어와의 호환성이 포함됩니다.

5. 도구 선택

NC 프로그래밍에서 공구 선택은 인간과 기계의 상호 작용을 통해 수행되는 중요한 프로세스입니다. 커터와 생크의 선택은 공작 기계의 가공 기능, 공작물 재료 특성, 가공 순서, 절삭 파라미터 및 기타 관련 고려 사항을 비롯한 여러 요소를 기반으로 최적화해야 합니다.

공구 선택의 기본 원칙은 설치 및 조정의 용이성, 우수한 강성, 높은 내구성, 정밀성을 우선시합니다. 가공 요건을 충족하려면 공구 강성을 높이고 가공 중 진동을 최소화할 수 있는 짧은 공구 홀더가 선호됩니다.

공구를 선택할 때는 공구와 가공할 공작물 표면 사이의 치수 호환성을 보장해야 합니다. 생산 환경에서는 평면 부품의 주변 윤곽을 가공하기 위해 엔드밀을 자주 사용합니다. 평면 표면 밀링에는 내마모성과 열 안정성이 뛰어난 카바이드 팁 페이스 밀이 권장됩니다. 고속 밀링 작업에는 칩 배출 및 열 방출을 효과적으로 관리하기 위해 볼록 또는 홈 커터와 같은 특수한 형상이 필요한 경우가 많습니다.

표면이나 구멍의 거친 가공의 경우 초경 인서트가 있는 인덱서블 콘 밀은 높은 재료 제거율과 비용 효율성을 제공합니다. 복잡한 3차원 프로파일과 가변 각도 표면에는 특정 기하학적 특징에 최적화된 볼 노즈 엔드밀, 토러스 커터, 테이퍼 엔드밀 및 디스크 커터를 사용해야 하는 경우가 많습니다.

금형 생산과 같이 자유형 표면을 가공할 때는 다양한 공구 형상의 절삭 메커니즘을 고려하는 것이 중요합니다. 볼 엔드밀은 다용도로 사용할 수 있지만 팁의 절삭 속도가 0이므로 표면 정삭과 공구 수명이 저하될 수 있습니다. 가공 정확도를 유지하기 위해 스텝 오버 거리가 줄어드는 경우가 많기 때문에 볼 엔드 밀은 정삭 작업에 더 적합합니다. 플랫 엔드밀은 일반적으로 볼 엔드밀에 비해 표면 품질과 절삭 효율이 우수합니다. 따라서 가능하면 곡면 황삭과 정삭 모두에 플랫 엔드 밀을 선호하고, 스캘럽 높이를 최소화하는 적절한 공구 경로 전략을 사용해야 합니다.

절삭 공구의 내구성과 정확성은 전체 가공 경제성에 큰 영향을 미칩니다. 고품질 절삭 공구는 초기 공구 제작 비용을 증가시킬 수 있지만, 가공 품질을 개선하고 사이클 시간을 단축하며 공구 수명을 연장하여 총 가공 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 공구 선택에 대한 이러한 총체적인 접근 방식은 종종 부품당 비용을 낮추고 공정 안정성을 개선하는 결과를 가져옵니다.

머시닝 센터에서는 다양한 절삭 공구가 공구 매거진에 저장되며, 프로그래밍된 지침에 따라 공구 선택 및 변경이 자동으로 실행됩니다. 드릴링, 보링, 리밍, 밀링 등의 작업을 위한 표준 공구를 빠르고 정확하게 장착하려면 기계의 자동 공구 교환 시스템과 호환되는 표준화된 공구 홀더를 사용하는 것이 필수적입니다.

프로그래머는 특정 공작 기계에 사용되는 공구 홀더의 구조적 치수, 조정 방법 및 조정 범위에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 이러한 지식은 프로그래밍 단계에서 절삭 공구의 반경 및 축 치수를 정확하게 결정하여 최적의 공구 성능을 보장하고 충돌이나 가공 오류를 방지하는 데 매우 중요합니다.

6. 도구 배치 원칙을 따라야 합니다.

경제적인 CNC 공작 기계의 가공 공정에서 연삭, 측정 및 교체와 같은 수동 공구 취급 작업은 종종 상당한 보조 시간을 소비합니다. 따라서 생산성 최적화를 위해서는 효율적인 공구 배치가 중요합니다. 다음 원칙을 준수해야 합니다:

도구 수를 최소화하세요: 다기능 도구를 활용하고 절단 전략을 최적화하여 도구 교체를 줄입니다.

공구 활용도를 극대화하세요: 공구를 장착한 후에는 변경하기 전에 가능한 모든 가공 작업을 완료하세요. 여기에는 단일 설정에서 여러 피처 가공이 가능한 공구 경로를 고려하는 것도 포함됩니다.

황삭 및 정삭 도구를 분리합니다: 동일한 공구 형상이라도 황삭 및 정삭 작업에는 전용 공구를 사용하세요. 이렇게 하면 공구 수명을 보존하고 일관된 표면 품질을 보장할 수 있습니다.

논리적으로 작업 순서를 정합니다:

• 드릴링 전에 밀링 작업을 수행하여 공작물 강성을 유지합니다.
• 먼저 표면을 가공한 다음 2D 윤곽을 가공하여 처짐을 최소화하고 치수 정확도를 보장합니다.

공구 수명 관리의 우선순위를 정하세요: 예상 마모 패턴에 따라 공구를 배치하고, 수명이 긴 공구는 가능한 한 앞 순서에 배치하세요.

자동화를 활용하세요: CNC 기계의 자동 공구 교환(ATC) 기능을 최대한 활용하세요. 여기에는 효율적인 교체를 위해 공구 매거진 배열을 최적화하고 공구 파손 감지 시스템을 구현하는 것이 포함됩니다.

절삭 파라미터를 고려합니다: 절삭 속도와 이송 속도가 비슷한 공구를 그룹화하여 기계 가속/감속 주기를 최소화합니다.

공정 중 측정을 계획합니다: 해당되는 경우, 적응형 가공이 가능하도록 시퀀스의 전략적 지점에 터치 프로브 또는 기타 측정 도구를 통합합니다.

7. 합리적인 절단 매개변수 선택 원칙

황삭 가공에서는 일반적으로 생산성이 향상되지만 경제성과 가공 비용도 고려해야 합니다. 반정삭 및 마감 가공에서는 가공 품질을 유지하면서 절삭 효율, 경제성 및 가공 비용을 고려해야 합니다. 구체적인 값은 공작 기계 매뉴얼에 따라 결정해야 합니다, 절단 매개변수 매뉴얼, 그리고 경험.

다음 요소를 고려해야 합니다:

절단 깊이 t: 공작 기계, 공작물 및 공구 강성이 허용하는 경우 t는 가공 여유와 같으므로 생산성이 향상됩니다. 정삭 여유량은 가공 정확도 및 부품 표면 거칠기. NC 공작 기계는 기존 공작 기계보다 정삭 공차가 약간 낮을 수 있습니다.

절단 폭 L: L은 일반적으로 공구 직경 D에 비례하고 절삭 깊이에 반비례합니다. 경제적인 NC 공작 기계의 가공 공정에서 L은 일반적으로 L = (0.6 ~ 0.9) D 범위에 있습니다.

절단 속도 v: v를 높이면 생산성이 향상되지만 공구 내구성에도 영향을 미칩니다. v의 선택은 주로 공구 내구성에 따라 달라지며, v가 증가할수록 공구의 내구성은 감소합니다. 절삭 속도도 가공 재료에 따라 달라집니다. 예를 들어, 엔드 밀링 커터로 합금 30CrNi2MoVA를 밀링할 때 v는 약 8m/min인 반면, 동일한 엔드 밀링 커터로 알루미늄 합금을 밀링할 경우 v는 200m/min 이상이 될 수 있습니다.

스핀들 속도 n(R/min): 스핀들 회전수는 일반적으로 절삭 속도 v를 기준으로 선택되며, 계산 공식은 다음과 같습니다: v = πnd/1000. NC 공작 기계 제어 패널에는 일반적으로 스핀들 속도 조정(배율) 스위치가 있어 가공 중에 스핀들 속도를 적분 배수만큼 조정할 수 있습니다.

피드 속도 vF: vF는 부품의 가공 정확도 및 표면 거칠기 요구 사항과 절삭 공구 및 공작물 재질을 기준으로 선택해야 합니다. vF를 높이면 생산 효율이 향상됩니다. 표면 거칠기 요구 사항이 낮으면 vF를 더 크게 설정할 수 있습니다. 가공 중에 공작 기계 제어판의 조정 스위치를 통해 vF를 수동으로 조정할 수도 있지만 최대 이송 속도는 장비 강성 및 이송 시스템 성능에 따라 제한됩니다.