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[기술특집] 엔드밀 공구 자세가 절삭 과정에 미치는 영향

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[헬로티]


마츠무라 타카시(松村 隆) 도쿄전기대학


1. 서론


최근 금형 재료의 고강도화에 따라 초경합금과 그 외의 경질 금속 재료의 이용이 높아지고 있다. 한편 공작기계의 다축화와 함께, 공구 간섭을 고려해 공구 자세의 제어가 가능해지고 있다. 


현재 이와 같은 공구 자세는 CAM을 통해 기하학적으로 주어지고 있는데, 공구 마모의 관점에서 논의되고 있지 않다.


이 글에서는 금형가공의 엔드밀 절삭을 대상으로, 공구 자세가 절삭 과정에 미치는 영향에 대해 논의한다. 공구 자세를 고려한 절삭 모델에 대해서는 볼 엔드밀의 절삭력을 해석한 연구와 Z-map을 이용한 연구가 있다. 여기서는 공구 경사를 가진 절삭 모델을 나타내고, 공구 마모에 대한 공구 경사의 효과를 나타냈다.


2. 공구 경사가 공구 마모에 미치는 영향


그림 1에 나타냈듯이 볼 엔드밀을 이송 방향으로 경사시킨 자세에서의 절삭 과정에 대해 그림 2의 좌표계에서 절삭 두께를 해석한다. 그림 2 (a)와 같이 전체 좌표계 X-Y-Z에 대해 X-Z 평면에서 각도 ø로 기울어진 좌표계 X*-Y*-Z*를 정의, 절삭날 상의 점 P의 좌표를 식 (1)로 변환한다.





단, p, f. t는 볼 엔드밀의 노즈 반경, 이송, 시간이다. 그림 2 (b)는 Z*축 방향에서 본 절삭날의 궤적을 나타낸 것인데, 절삭날과 함께 각속도 ω로 회전하는 좌표계 X’-Y’-Z’에서 점 P는 식 (2)로 나타낼 수 있다.



ϒ은 바닥날을 기준으로 한 절삭날의 지연각이다. 절삭 두께는 그림 2 (c)에 나타냈듯이 선행하는 절삭날의 점 Q와 점 P로 주어진다. 전체 좌표계 X-Y-Z에서 절삭날의 지연각도가 dδij만큼 선행하는 절삭날의 반경 RQ, 높이 hQ의 점 Q의 좌표 (xQ, yQ, zQ)는 식 (3)으로 주어진다.



단, △t는 식 (5)에 의해 결정되는 파라미터이다. 그리고 점 Q는 X’-Y’-Z’ 좌표계에서는 식 (4)로 주어진다.



점 Q는 그림 2 (c)와 같이 O’P 상에 존재하는 것을 고려, t+△t-dδij/ω에서 식 (5)를 만족시키도록 결정된다.



이 때 절삭 두께 t1은 식 (6)으로 얻을 수 있으며, 절삭 영역은 t1〉0일 때에 절삭, 그렇지 않은 경우가 비절삭이 된다.



그림 3은 직경 0.4mm의 2날 볼 엔드밀로, 회전수 20,000min-1, 절입 0.02mm, 이송 0.48mm/min으로 홈가공을 한 경우의 절삭날 1회전 중의 절삭 영역이다. 



동 그림 (a)와 같이 경사각이 0°에서는 공구는 항상 재료와 접촉한다. 한편 공구를 45° 경사시키면, 동 그림 (b)와 같이 2개의 절삭날이 재료와 접촉하지 않는 공전 시간이 생기고 실제 절삭 시간이 감소한다.



그림 4는 공구의 경사각에 대한 1개 절삭날의 실제 절삭 시간을 나타낸 것으로, 경사각의 증가와 함께 감소한다. 즉, 실제 절삭 시간이 감소해 공전 시간이 증가함으로써 절삭 온도의 상승이 억제된다. 공구 마모는 절삭 온도와 상관이 있기 때문에 공구를 경사시킴으로써 공구 수명의 개선에 효과를 기대할 수 있다. 


3. 초경합금의 절삭



그림 5는 2날의 cBN 볼 엔드밀에 의해 회전수 20,000min-1, 절입 0.02mm, 이송 0.48mm/min로 초경합금에 홈을 가공했을 때의 공구 마모이다. 동 그림 (a)는 공구를 경사시키지 않는 경우로, 공구 끝단부에 과대한 마모를 관찰할 수 있다. 


한편 동 그림 (b)는 이송 방향으로 45° 경사시킨 경우의 공구 마모를 나타낸 것인데, 절삭날 능선에 약간의 마모가 관찰되는 정도로, 공구의 경사가 마모 억제에 효과적인 것을 확인할 수 있다. 



그림 6은 직경 0.4mm의 cBN 볼 엔드밀로 초경합금에 미세 홈을 가공한 사례이다. 홈 깊이는 20μm, 절삭 거리는 72mm이며, 공구 마모의 영향도 없어 균일한 홈 깊이가 얻어졌다.


4. 맺음말


경사된 볼 엔드밀의 절삭 모델을 나타내고, 공구의 경사가 절삭 과정에 미치는 영향을 논의했다. 절삭에서는 공구 1회전 중에 절삭날이 재료와 접촉하지 않는 공전 시간이 있다. 


경사각에 따라 실제 절삭 시간이 감소하고 공전 시간이 증가함으로써 절삭 온도의 상승이 억제되어 공구 수명이 개선된다.










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