기계 가공 절삭 공구 가이드: 종류, 형상 및 재질 선택

기계 가공 작업에서 절삭 공구는 재료 제거 과정에 직접적으로 관여하며, 공작물에서 과도한 금속을 깎아내는 역할을 합니다. 공구의 종류, 구조, 재질 및 기하학적 매개변수의 선택은 공작물의 특성과 공작기계 구성에 크게 좌우됩니다. 이러한 선택은 가공 정확도, 효율성 및 전반적인 공정 안정성을 보장하는 데 매우 중요합니다.

1.0금속 절삭 공구에는 어떤 종류가 있나요?

가공 목적과 가공 방법의 차이에 따라 금속 절삭 공구는 다음과 같은 7가지 주요 범주로 분류할 수 있습니다. 각 범주는 특정 가공 시나리오에 맞게 특별히 설계되었습니다.

• 선삭 및 절삭 공구선삭 공구(일반 선반 및 CNC 선반에 흔히 사용됨), 평삭 공구(셰이퍼 기계 전용), 슬로팅 공구, 보링 공구, 형상 선삭 공구 및 다양한 특수 목적 절삭 공구를 포함합니다. 이러한 공구는 주로 직선 절삭, 윤곽 가공 및 기본적인 재료 제거 작업에 사용됩니다.
• 구멍 뚫는 도구이 항목은 드릴(일반적으로 레이디얼 드릴링 머신에 사용됨) 및 리머(일반적으로 머시닝 센터에 사용됨)와 같이 고체 재료에 구멍을 뚫거나 기존 구멍을 정밀하게 가공하는 데 사용되는 공구를 다룹니다. 이러한 공구는 정확하고 고품질의 구멍 형상을 제작하는 데 필수적입니다.
• 브로칭 공구브로치는 다양한 형상의 관통 구멍, 평면 및 성형 프로파일 가공에 적합하도록 설계되었습니다. 여러 개의 날을 가진 고생산성 공구로, 일반적으로 수평 브로칭 머신과 함께 사용되어 대량 생산 환경에 이상적입니다.
• 밀링 커터평면, 측면, 계단형 표면, 성형면 가공은 물론 절단 및 슬로팅 작업에 사용됩니다. 대표적인 예로는 페이스 밀, 형상 밀링 커터, 키홈 커터 등이 있으며, 높은 효율성과 가공 유연성을 제공합니다.
• 나사 절삭 공구나사 가공용 공구, 탭, 다이 등을 포함하여 내외부 나사 가공에 사용됩니다(일반적으로 다음과 같은 용도로 사용됩니다). 실 압연기이러한 도구들은 나사 연결의 정확성과 신뢰성을 결정하는 데 결정적인 역할을 합니다.
• 기어 절삭 공구이 공구는 인벌류트 기어 및 기어 호브, 웜 호브, 스플라인 호브와 같은 비인벌류트 기어 프로파일 가공을 위해 특별히 개발되었습니다. 정밀 기어 제조에 필수적인 특수 공구입니다.
• 연마 공구연마 휠(일반적으로 표면 연삭기에 사용됨), 연마 벨트, 오일 스톤 및 폴리싱 휠 등이 포함됩니다. 이러한 공구는 표면 마감 작업에 사용되어 표면 거칠기, 치수 정확도 및 전반적인 부품 품질을 향상시킵니다.

2.0금속 절삭 공구의 기하학적 매개변수는 어떻게 정의되고 적용되는가?

공구 형상은 절삭 성능에 결정적인 영향을 미치는 요소입니다. 따라서 공구 형상의 정의와 적용은 통일된 기준 체계를 기반으로 해야 합니다. 다음 설명은 구성 요소, 기하학적 각도, 작업 각도의 세 가지 측면으로 구성됩니다.

2.1공구의 절삭 부분은 어떤 구성 요소로 이루어져 있습니까?

절삭 공구는 종류와 구조가 매우 다양하지만, 절삭부의 기본 구성은 본질적으로 동일합니다. 표준 외측 선삭 공구를 예로 들면, 절삭부의 핵심 요소는 다음과 같습니다(그림 1-19 참조).

• 레이크 페이스(Aᵧ)절삭 과정에서 칩이 흐르는 표면을 말합니다. 이는 칩 배출 효율과 절삭 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
• 측면 얼굴 (Aᵣ): 공작물의 절삭면과 마주보는 표면. 이 표면의 형상은 절삭 마찰과 열 발생에 영향을 미칩니다.
• 보조 측면면(Aᵣ′)가공된 공작물의 표면과 마주보는 부분으로, 주로 표면 품질을 보장하는 역할을 합니다.
• 주 절삭날(S): 경사면과 측면이 만나는 교차선. 이 선은 전환면을 형성하며 주요 재료 제거 작업을 수행합니다.
• 보조 절삭날(S′): 경사면과 보조 측면면이 만나는 교차선입니다. 주 절삭날과 함께 작용하여 재료를 제거하고 최종적으로 가공면을 형성합니다.
• 툴 노즈: 주 절삭날과 보조 절삭날이 만나는 지점에 있는 작은 절삭날입니다. 둥근 코 모양이거나 모따기된 코 모양일 수 있으며(그림 1-20 참조), 절삭 안정성과 표면 조도에 직접적인 영향을 미칩니다.

2.2절삭부의 기하학적 각도는 어떻게 분류하고 측정합니까?

공구의 기하학적 매개변수 정의는 기준 좌표계와 기준 평면에 기반합니다. 공구 정지 상태 기준 좌표계는 공구 설계, 제조, 연마 및 측정의 기본 토대입니다. 이 시스템에서 정의된 각도를 지정각(공칭각)이라고 합니다. 아래는 일반적으로 사용되는 직교 기준 평면 시스템과 그에 따른 각도에 대한 개요입니다.

직교 기준면 시스템의 구성 (그림 1-21 참조)

• 기준면(Pᵣ)절삭날의 선택된 지점을 지나고 주 절삭 운동 방향에 수직인 평면을 말합니다. 선삭 및 평삭 공구의 경우 공구 생크 장착면과 평행하며, 드릴 및 밀링 커터와 같은 회전 공구의 경우 공구 축을 통과합니다.
• 절단면(Pₛ)절삭날 위의 선택된 점을 지나고, 절삭날에 접하며, 기준면에 수직인 평면. 직선형 공구의 경우, 이 평면은 절삭날을 포함하고 기준면에 수직입니다.
• 직교 평면(Pₒ)절삭날의 선택된 점을 지나고 기준면과 절삭면 모두에 수직인 평면을 말합니다. 또한 절삭날의 기준면 투영에 수직인 평면으로도 볼 수 있습니다.

지정된 공구 각도의 분류 및 정의 (그림 1-22 참조)

지정된 각도는 서로 다른 기준면에서 측정되며 다음과 같이 정의됩니다.

직교 평면에서 측정된 각도

• 경사각(γₒ)경사면과 기준면 사이의 각도를 말합니다. 이 각도가 90° 미만이면 양수이고, 90°보다 크면 음수입니다. 이 각도는 절삭 성능에 상당한 영향을 미칩니다.
• 여유각(αₒ)측면과 절삭면 사이의 각도를 말합니다. 측면과 기준면 사이의 각도가 90° 미만이면 양수이고, 90°보다 크면 음수입니다. 주요 기능은 측면과 전환면 사이의 마찰을 줄이는 것입니다.
• 쐐기 각도(βₒ): 경사면과 측면 사이의 각도. 이는 유도된 각도로, 다음과 같이 계산됩니다: βₒ = 90° − (γₒ + αₒ) (식 1-1).

기준면에서 측정된 각도

• 주 절삭날 각도(κᵣ): 주 절삭면과 예상 이송 방향 사이의 각도입니다. 항상 양수 값입니다.
• 보조 절삭날 각도(κᵣ′): 보조 절삭면과 예상되는 반대 방향 이송 방향 사이의 각도.
• 코 각도 (εᵣ): 주 절삭면과 보조 절삭면 사이의 각도. 이는 유도된 각도로, 다음과 같이 계산됩니다: εᵣ = 180° − (κᵣ + κᵣ′) (식 1-2).

절단면에서 측정한 각도

• 경사각(λₛ): 주 절삭날과 기준면 사이의 각도입니다. 공구 끝부분이 공구 생크 장착면보다 높으면 양수이고, 낮으면 음수이며, 평행할 때(절삭날이 기준면에 있을 때) 0°입니다.

보조 직교 평면에서 측정된 각도

• 보조 여유각(αₒ′): 보조 측면과 보조 절삭면 사이의 각도입니다. 보조 측면과 기준면 사이의 각도가 90° 미만이면 양수이고, 90°보다 크면 음수입니다. 이 각도가 보조 측면의 위치를 결정합니다.

2.3절삭 공구의 작동 각도에 영향을 미치는 요인은 무엇입니까?

표시된 각도는 이상적인 조건을 나타냅니다. 실제 가공에서는 이송 동작과 공구 장착으로 인해 실제 절삭 형상이 변경되어 작업 각도가 달라집니다. 주요 영향 요인은 다음과 같습니다.

이송 운동의 영향

• 횡방향 이송 운동(그림 1-23 참조)선반에서 절단이나 홈 가공을 할 때 공구는 횡방향으로 이송됩니다. 이때 공구의 이동 방향은 주 이동 방향과 각도 μ를 이룹니다. 작업 기준면(Pᵣₑ)과 작업 절삭면(Pₛₑ)은 기준면(Pᵣ)과 절삭면(Pₛ)에 대해 μ만큼 회전합니다. 이때 작업 경사각과 여유각은 다음과 같습니다. γₒₑ = γₒ + μαₒₑ = αₒ − μ (식 1-3) 여기서 tan μ = f / (πd), f는 회전당 횡방향 이송량(mm/r), d는 선택된 절삭점에서의 순간 직경(mm)입니다. 결과적으로 작업 경사각은 증가하고 작업 여유각은 감소합니다. 따라서 횡방향 선삭 가공 시에는 이러한 효과를 보상하기 위해 αₒ를 적절히 증가시켜야 합니다.
• 종방향 이송 운동 (그림 1-24 참조)나사 가공과 같은 작업에서, 결과 운동 방향은 주 운동 방향과 μᵦ의 각도를 이룹니다. 작업 경사각과 여유각은 다음과 같이 변화합니다. γᵦₑ = γᵦ + μᵦαᵦₑ = αᵦ − μᵦ (식 1-4) 여기서 tan μᵦ = f / (πdω), γᵦ와 αᵦ는 F-F 구간에서 측정된 경사각과 여유각이며, dω는 선택된 지점에서의 공작물 직경(mm)입니다. 이송량이 크거나 직경이 작을수록 작업 경사각은 증가하고 작업 여유각은 감소합니다. 따라서 나사 리드와 헬릭스 방향에 따라 나사 가공 공구의 양쪽에 서로 다른 여유각을 선택해야 합니다.

공구 설치 위치의 영향

• 공구 높이의 영향 (그림 1-25 참조)외측 선삭을 예로 들면, 이송 운동을 무시하고 λₛ = 0으로 가정할 때, 절삭날이 공작물 중심 위에 위치하면 작업면과 절삭평면은 각도 θ만큼 회전합니다. 이때 작업각은 다음과 같습니다. γₒₑ = γₒ + θαₒₑ = αₒ − θ (식 1-5) 여기서 h는 공작물 중심 위 절삭날의 높이입니다. 절삭날이 중심 아래에 있을 때는 각도 변화의 방향이 반대입니다. 보링 작업에서 작업각의 변화 추세는 외측 선삭과 반대입니다.
• 공구 생크 축이 이송 방향에 수직이 아닐 때의 영향 (그림 1-26 참조)공구 생크 축이 이송 방향에 대해 각도 θ만큼 기울어지면 작업 절삭날 각도는 다음과 같이 변합니다. κᵣₑ = κᵣ + θκᵣₑ′ = κᵣ′ − θ (식 1-6)

3.0금속 절삭 공구 재료는 어떻게 선택해야 할까요?

절삭 공구 재료는 공구의 절삭 부분에 사용되는 재료를 구체적으로 지칭합니다. 절삭 효율을 결정하는 가장 중요한 요소는 절삭 공구 재료의 성능이며, 가공 요구 사항과 공작물의 특성을 바탕으로 과학적으로 선택해야 합니다.

3.1절삭 공구 재료는 어떤 핵심 특성을 가져야 할까요?

절삭 과정에서 공구의 절삭날은 고온, 고압, 마찰, 충격 및 진동에 노출됩니다. 따라서 절삭 공구 재료는 다음과 같은 주요 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.

• 높은 경도와 내마모성상온 경도는 60 HRC 이상이어야 합니다. 일반적으로 경도가 높을수록, 탄화물 함량이 높을수록, 탄화물 입자가 미세할수록, 그리고 분포가 균일할수록 내마모성이 향상됩니다.
• 충분한 강도와 내구성가공 중 공구 파손이나 모서리 깨짐을 방지하려면 충분한 굽힘 강도와 충격 인성이 필요합니다.
• 우수한 내열성과 열전도성내열성은 고온에서도 경도, 내마모성, 강도 및 인성을 유지하는 능력을 의미합니다. 열전도율이 우수할수록 절삭 영역의 온도를 낮추고 공구 마모를 늦출 수 있습니다.
• 우수한 제조 용이성과 경제적 효율성해당 소재는 우수한 가공성, 단조성, 열처리성, 용접성 및 연삭성을 제공하는 동시에 가격 대비 성능비도 우수해야 합니다.

3.2절삭 공구 재료의 일반적인 유형과 특징은 무엇입니까?

일반적인 절삭 공구 재료로는 탄소 공구강, 합금 공구강, 고속도강(HSS), 초경합금 및 초경질 재료 등이 있습니다. 이 중 고속도강과 초경합금이 가장 널리 사용됩니다.

고속도강(HSS)

고속도강은 텅스텐, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 및 기타 합금 원소를 다량 함유한 고합금 공구강입니다. 높은 강도, 우수한 충격 인성, 비교적 높은 내마모성 및 내열성을 특징으로 하며, 600~700°C의 온도에서도 절삭 능력을 유지합니다. 고속도강은 열처리 변형이 최소화되고 단조 및 연삭이 용이하여 전반적인 성능이 우수하고 적용 범위가 넓은 절삭 공구 소재입니다. 특히 밀링 커터, 드릴, 호브, 브로치와 같은 복잡한 절삭 공구 제조에 적합합니다. 적용 요구 사항에 따라 고속도강은 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

• 범용 고속강경도는 일반적으로 63~66 HRC 범위입니다. 강철 가공 시 절삭 속도는 일반적으로 50~60m/min으로 제한됩니다. 고속 절삭이나 매우 단단한 재료 가공에는 적합하지 않습니다. 일반적인 등급으로는 W18Cr4V(전반적으로 우수한 성능), W6Mo5Cr4V2(W18Cr4V보다 강도, 인성 및 열간 가공성이 높지만 열 안정성은 약간 낮음), 그리고 W14Cr4VMn-RE(W18Cr4V와 유사한 성능)가 있습니다.
• 고성능 고속강고경도강은 일반 고속도강(HSS)을 기반으로 탄소 및 바나듐 함량을 높이거나 코발트, 알루미늄 등의 원소를 첨가하여 개발되었습니다. 이러한 강재는 630~650°C에서 약 60 HRC의 경도를 유지할 수 있으며, 공구 수명은 일반 고속도강보다 1.5~3배 길습니다. 오스테나이트 스테인리스강, 고온 합금, 티타늄 합금과 같은 난삭재 가공에 적합합니다. 일반적인 등급으로는 고탄소형(9W18Cr4V), 고바나듐형(W12Cr4V4Mo), 초경도형(W6Mo5Cr4V2Al, W2Mo9Cr4VCo8 등)이 있습니다. 그러나 전반적인 성능은 일반적으로 일반 고속도강보다 떨어지며, 절삭 조건에 따라 적용 범위가 제한됩니다.

고속도강의 일반적인 등급 및 특성은 표 1~3에 요약되어 있습니다.

초경합금

초경합금은 고경도, 고융점 탄화물(예: WC, TiC, TaC, NbC)을 Co, Mo, Ni 등의 금속 결합제로 접합하여 만든 분말 야금 재료입니다. 상온 경도는 78~82 HRC이며, 내열 온도는 800~1000 °C입니다. 허용 절삭 속도는 일반적으로 고속강보다 4~10배 높습니다. 충격 인성과 굽힘 강도가 상대적으로 낮기 때문에 초경합금은 보통 브레이징이나 기계적 클램핑으로 공구 본체에 접합됩니다. 일반적인 초경합금은 크게 세 가지 범주로 분류됩니다.

• 텅스텐-코발트 탄화물(YG)백금(WC)과 코발트(Co)로 구성되어 우수한 인성을 제공하지만 경도와 내마모성은 다소 떨어집니다. 주철과 같은 취성 재료 가공에 적합합니다. 코발트 함량이 높을수록 인성이 향상됩니다. 대표적인 등급으로는 YG8(황삭), YG6(중삭), YG3(정삭)이 있으며, 숫자는 코발트 함량을 나타냅니다.
• 텅스텐-티타늄-코발트 카바이드(YT)백금(WC), 티타늄디칼(TiC), 코발트(Co)로 구성되어 내열성 및 내마모성이 우수하지만 충격 인성은 상대적으로 떨어집니다. 강철과 같은 연성 소재 가공에 적합합니다. TiC 함량이 높을수록 내마모성은 향상되지만 인성은 감소합니다. 일반적인 등급으로는 YT5(황삭용), YT15(중삭용), YT30(정삭용) 등이 있습니다.
• 텅스텐-티타늄-탄탈륨(니오븀) 카바이드(YW)YT형 탄화물에 TaC 또는 NbC를 첨가하여 YG형과 YT형의 장점을 결합한 제품입니다. 강철, 주철, 비철금속, 고온 합금 및 기타 가공이 어려운 재료의 가공에 적합합니다. 일반적인 등급으로는 YW1과 YW2가 있습니다.

YG, YT 및 YW 탄화물은 각각 ISO 등급 K, P 및 M에 해당합니다. 이들의 등급, 특성 및 응용 분야는 표 1-4에 요약되어 있습니다.

3.3다른 특수 절삭 공구 재료의 적용 시나리오는 무엇입니까?

일반적으로 사용되는 공구 재료 외에도 다음과 같은 특수 절삭 공구 재료는 특정 고급 가공 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.

• 코팅된 공구 재료TiC, TiN, Al₂O₃와 같은 내화 금속 화합물의 얇은 층은 CVD(화학 기상 증착) 또는 PVD(물리 기상 증착) 공정을 사용하여 고속도강 또는 초경합금 기판에 증착됩니다. 이러한 공구는 기판의 강도와 인성에 코팅의 우수한 내마모성을 결합합니다. TiC 코팅은 경도와 내마모성을 강조하고, TiN 코팅은 향상된 산화 저항성과 접착 방지 특성을 제공하며, Al₂O₃ 코팅은 탁월한 열 안정성을 제공합니다. 코팅 유형은 특정 가공 요구 사항에 따라 선택할 수 있습니다.
• 도예주로 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 구성된 세라믹 절삭 공구는 일반적으로 78 HRC 이상의 경도를 가지며 1200~1450°C의 고온을 견딜 수 있습니다. 매우 빠른 절삭 속도를 지원하지만 굽힘 강도가 상대적으로 낮고 충격 저항성이 떨어집니다. 세라믹 공구는 강철, 주철, 고경도 재료 및 고정밀 부품의 마무리 가공에 적합합니다.
• 다이아몬드주로 합성 다이아몬드로 만들어지는 이 공구들은 매우 높은 경도(초경합금의 1300~1800 HV에 비해 약 10,000 HV)를 나타냅니다. 내마모성은 초경합금보다 80~120배 높습니다. 그러나 다이아몬드 공구는 인성이 낮고 철 소재와의 화학적 친화성이 강하여 철 금속 가공에는 적합하지 않습니다. 주로 비철 금속 및 비금속 소재의 고속 정밀 가공에 사용됩니다.
• 입방정 질화붕소(CBN)CBN은 경도가 약 7,300~9,000 HV이고 내열온도가 1,300~1,500 °C인 합성 초경질 소재입니다. 철 원소와의 화학적 친화성은 낮지만, 강도가 상대적으로 낮고 브레이징성이 떨어집니다. CBN 공구는 주로 경화강, 냉간주철, 고온 합금 및 기타 가공하기 어려운 재료를 가공하는 데 사용됩니다.

4.0FAQ: 금속 절삭 공구에 대한 자주 묻는 질문

 

참조

https://en.wikipedia.org/wiki/Rake_angle

https://www.researchgate.net/figure/Schematic-of-the-cutting-part-of-the-tool-with-the-auxiliary-cutting-edge-on-the-flank_fig2_312420371