CNC 가공에서 발생하는 과절삭의 원인과 해결 방법

CNC 가공에서 공구 진동으로 인한 과절삭은 부품의 코너 부위에서 자주 발생하며, 제품 외관 불량과 공차 문제로 이어집니다. 공구를 신중하게 선정하고 가공 방법을 최적화하면 과절삭 위험을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이 글에서는 공구 진동과 과절삭을 유발하는 일반적인 요인을 분석하고 효과적인 해결 방법을 제시합니다.

엔드밀 나선각은 과절삭에 어떤 영향을 미치는가?

엔드밀의 나선각은 가공 성능에 큰 영향을 미치기 때문에, 가공 중 공구 진동을 제어하고 과절삭을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다.

나선각이 가공 결과에 미치는 영향은 절삭 대상 소재의 특성, 절삭 저항, 가공 정밀도, 공구 수명 등 여러 측면에서 분석할 수 있습니다.

소재 특성

저경도 소재: 날이 더 예리하고 경사각이 크기 때문에 큰 나선각 공구(예: 45° 3날 엔드밀)가 적합합니다.
고경도 소재: 경사각이 작아 날의 강성이 높으므로 작은 나선각 공구가 이상적입니다.

절삭 저항

엔드밀의 나선각이 커질수록 접선 방향 저항은 감소하는 반면, 축 방향 저항은 나선각이 커질수록 증가합니다.

가공 정밀도

엔드밀의 나선각이 클수록 가공면의 직각도, 평면도, 거칠기 정밀도는 향상되지만 칩 배출 성능은 떨어집니다. 절삭 폭이 공구 직경에 가까운 홈 가공에는 작은 나선각 공구를 권장합니다.

공구 수명

나선각이 커지면 공작물과 절삭날의 접촉선이 길어져 단위 면적당 부하가 줄어듭니다. 다만 축 방향 절삭력이 커지면 공구가 풀려 과절삭이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우에는 안정적인 툴홀더를 사용해야 합니다.

작은 나선각 엔드밀과 큰 나선각 엔드밀:

• 작은 나선각 엔드밀: 짧은 절삭날 (파란색 선)

• 큰 나선각 엔드밀: 긴 절삭날 (빨간색 선)

과절삭 방지를 위한 공구 사용 원칙

공구 진동으로 인한 과절삭 발생에 영향을 주는 또 다른 요인은 올바른 공구 사용입니다. 다음 원칙을 지키고 가공 상태를 지속적으로 확인하십시오.

• 공구 흔들림(런아웃) 관리: 공구 런아웃을 정확하게 측정하고, 흔들림은 작을수록 좋습니다. 이는 가공 정밀도, 표면 조도, 공구 수명 향상에 도움이 됩니다.
• 공구 돌출 길이 최적화: 척 밖으로 나오는 공구의 돌출 길이는 짧을수록 좋습니다. 더 긴 돌출 길이가 불가피한 경우에는 회전수, 이송 속도 또는 절삭 깊이를 낮춰야 합니다.

• 이상 진동에 대한 대응: 이상 진동이나 소음이 발생하면 상태가 안정될 때까지 이송 속도를 낮추십시오.
• 비상 정지 및 정전 회피: 아래 그림에서 그림 A는 비교적 평탄한 부위를 가공할 때의 공구 상태입니다. 가공이 B 지점에 도달했을 때 역방향 가공을 준비하며 갑자기 정지하면, 공구는 관성에 의해 변형됩니다. 이로 인해 B 지점에서 공구 진동에 의한 과절삭이 발생할 수 있습니다.

공구 변형 관리로 과절삭 최소화하기

공구 변형 역시 공구 진동과 과절삭을 유발할 수 있습니다.

• σ = 공구 변형량
• L = 공구 장착 길이
• D = 공구 직경
• P = 공구에 작용하는 힘

위 공식으로부터 공구 변형에 영향을 미치는 세 가지 주요 요인을 확인할 수 있습니다.

• 공구 장착 길이 (L): 공구 변형량은 공구 장착 길이의 3제곱에 비례합니다. 따라서 공구 장착 길이는 가능한 한 짧게 해야 합니다.
• 공구 직경 (D): 절삭 공구의 변형량은 직경에 반비례합니다. 변형을 줄이려면 가능한 경우 직경이 큰 공구를 사용하는 것이 좋으며, 이렇게 하면 변형량이 크게 감소합니다.
• 공구에 작용하는 힘 (P): 공구의 변형량은 가공 중 공구에 작용하는 힘에 정비례합니다. 공구에 작용하는 힘을 줄이면 채터 발생 가능성이 낮아집니다. 따라서 공구와 공작물의 접촉 면적을 줄여 힘을 낮추면 공구 진동으로 인한 과절삭을 방지할 수 있습니다.

공구 진동과 과절삭을 피하기 위한 프로그래밍 전략

프로그래밍 전략 또한 공구 진동에 영향을 미칩니다. 특히 깊은 캐비티나 복잡한 형상을 가공할 때는 다음 사항을 고려하십시오.

적합한 절삭 공구 선정

제품 구조에 따라 적합한 절삭 공구를 선택하되, 황삭에는 가급적 큰 공구를 사용하십시오. 황삭에 지나치게 길고 가는 공구를 사용하면 공구에 미세 진동이 쉽게 발생해 과절삭으로 이어집니다.

균일한 가공 여유 확보

황삭 후에는 코너를 모따기하는 프로그램을 추가해 가공 여유가 균일하도록 해야 합니다. 여유가 많이 남은 코너는 라운딩 처리하고 R각을 키우면 코너에서 절삭 공구에 걸리는 부하를 줄일 수 있습니다. 이는 공구 진동으로 인한 과절삭을 줄이는 데 도움이 됩니다.

절삭 방식 최적화

황삭 시 절삭 방식은 하향 절삭(클라임 밀링)과 상향 절삭(컨벤셔널 밀링)을 번갈아 적용해야 합니다. 깊은 캐비티 황삭에서 측면 절삭날이 많은 양의 소재와 맞물릴 때, 상향 절삭은 채터와 경미한 공구 런아웃을 유발할 수 있습니다. 황삭 시 남겨둔 여유가 부족하면 이는 쉽게 과절삭으로 이어집니다. 따라서 가장 적절한 선택은 하향 절삭입니다.

가공 누락(파고듦) 방지

형상면이 특수하게 교차하는 부품에서는 공구 경로가 형상 내부로 파고드는 문제가 발생하기 쉽습니다. 이는 공구가 형상 부위로 침투하여 과절삭을 일으키는 이른바 “미스 커팅”입니다. 최적화 방법은 공구 경로나 공차를 조정하는 것입니다.

올바른 진입 및 이탈 공구 경로

2D 공구 경로를 사용할 때 원호 형태의 공구 진입 및 이탈은 공작물을 회피하도록 하여 합리적인 진입·이탈 위치를 확보해야 합니다. 3D 공구 경로에서 원호 형태의 진입·이탈을 정의하면 시스템이 이탈 시 공작물을 자동으로 회피합니다. 다만 이로 인해 공구 경로가 왜곡될 수 있습니다. 반면 이탈에 G0 코드(급속 위치 결정) 이동을 사용하면 경미한 과절삭이 발생할 수 있습니다.

공구 보정 방향

Mastercam으로 2D 공구 경로 프로파일 가공을 할 때는 일반적으로 하향 절삭에 좌측 보정을 적용합니다. 그렇지 않으면 잘못된 보정으로 충돌이나 과절삭이 발생합니다.

공구 형상

볼 엔드밀로 밀링할 때 밀링 깊이가 공구의 코너 반경보다 작으면 시작 지점에서 과절삭이 발생하기 쉽습니다. 해결책은 밀링 깊이를 공구의 코너 반경보다 크게 하는 것입니다. 또는 특정 용도에서는 볼 엔드밀을 사용하지 않는 것도 방법입니다.

결론

CNC 가공에서 발생하는 공구 진동과 과절삭 문제는 공구 선정 최적화, 공구 사용 원칙 준수, 프로그래밍 세부 사항에 대한 주의를 통해 종합적으로 해결할 수 있습니다. 이는 공구 진동으로 인한 과절삭 발생 확률을 효과적으로 낮출 뿐만 아니라, 가공 정밀도를 높이고 가공 시간을 단축하며 표면 거칠기를 개선합니다.