절삭가공

절삭가공

절삭가공(切削加工, cutting process)은 금속 등 재료(공작물)와 공구를 상대적으로 움직이면서 깎거나 구멍을 뚫는 등 원하는 형태로 만드는 기술입니다. 절삭가공은 크게 두 가지로 나뉘는데 가공하는 공작물은 고정한 채 공구를 회전시키는 전삭과 공작물 자체를 회전시키는 선삭이 있다. 전삭의 대표로서 밀링 가공, 선삭의 대표로서 선반 가공이 있다.

개요

절삭가공은 공구를 사용해 금속 등의 재료를 깎아 가공하는 기술이다. 일반 소재, 단조품 또는 주조품 등을 원하는 형상과 치수로 절삭하여 제품 등으로 만든다. 공작기계를 사용해서 공작물을 원하는 모양과 치수로 끊고 깎는 가공법으로 공구의 종류나 재질에 따라서 최적의 절삭속도를 선택하여 다듬질 여유에 따라 거친 절삭, 다듬질 절삭 등으로 나눈다. 절삭 후에 열처리하는 것은 연삭가공을 필요로 한다. 절삭 가공은 간단히 정의하면 금속이나 플라스틱 등 재료를 주로 공작 기계를 이용하여 깎거나 구멍을 뚫어 가공하는 가공 기술을 말한다. 머시닝 센터나 NC 선반, 5축 가공기 등을 이용하여 가공물을 절삭하여 도면과 같은 형상으로 가공한다. 절삭 가공은 기계로 고속 회전하는 공구나 공작물을 접촉시켜 실시하는 것이므로, 마찰에 의한 저항이나 회전의 속도, 온도의 관리에 주의할 필요가 있다.

절삭가공의 종류에는 선반으로 원통의 바깥지름, 안지름, 단면(端面), 나사 깎기 등을 하는 선삭(旋削), 드릴링 머신으로 구멍 뚫기, 슈퍼 페니싱, 리머를 사용한 리밍, 탭을 사용한 암나사 절삭 등의 구멍 뚫기 가공(태핑), 보링 기계로 정확한 구멍가공을 하는 보링, 플레이너로 평면이나 홈을 가공하는 평삭(平削), 슬로터로 축의 키 홈을 가공하는 슬로팅, 밀링 머신으로 평면, 곡, 면, 홈 등을 가공하는 밀링, 셰이퍼로 작은 면적의 면이나 홈을 가공하는 셰이핑, 브로칭 머신으로 키 홈, 스플라인 홈을 가공하는 브로칭, 기어 절삭기로 기어 휠의 이를 가공하는 기어 절삭가공, 소잉 머신에 의한 절단가공 등이 있다. 절삭가공은 기본적으로 절삭운동(切削運動, cutting motion), 이송운동(移送運動, feed motion) 및 위치조정운동(positioning motion)이 필요하다.

절삭가공과 저항

가공을 실시할 때는 공구와 가공물이 접촉하면서 마찰이 발생하고 저항이 생긴다. 저항력의 크기는 가공물의 재질이나 공구와의 접지 면적, 절삭 회전속도나 공구의 종류 등에 따라 달라진다. 특히 절삭면적은 저항력에 크게 관련되므로 세심한 주의가 필요하다. SUS(STS, 스테인리스강) 등의 난삭재(가공이 어려운 재질)라고 불리는 것은 이 저항력이 너무 강하고, 절삭하기도 어려울 뿐만 아니라 공구의 마모도 심한 금속이다. 공구에도 가격이 비싼 것이 많기 때문에 가공 시에는 적절한 조건이 되도록 조정할 필요가 있다.

절삭가공과 속도

가공 현장에서는 모든 제품에 대해 고객이 요구하는 납기를 지키기 위해서라도 작업 효율이 매우 중요한 과제이다. 기계 가공에서는 공구의 속도를 올리는 것으로 작업 속도가 올라가고 효율이 향상된다. 그러나 속도가 증가하면 공작물과 공구 사이의 저항이 더욱 강해지고 열 변형이 발생할 가능성도 있다. 재질이나 공구, 가공 내용에 따라 적절한 권장 속도가 있기 때문에 그것을 고려하면서 절삭속도를 올릴 필요가 있다.

절삭가공과 온도

절삭가공에서는 가공시에 가공물과 공구와의 마찰로 인해 고온의 열이 발생한다. 이 열에 의해 가공물이 변형하는 등 가공 정밀도에 영향을 줄 수도 있다. 가공 속도가 빠를수록 열이 많이 발생하고, 가공 면적이 클수록 마찰이 더욱 커지기 쉽기 때문에, 이런 절삭 조건에 적용될 때에는 온도가 너무 높아지지 않도록 주의할 필요가 있다. 그렇기 때문에 절삭가공을 할 때 절삭유를 사용하게 되는 것이. 절삭유는 공작물과 공구 사이의 마찰을 줄이고 열, 절삭시 발생하는 칩(chip) 제거 역할도 한다.

절삭가공 이송운동

절삭운동

공작물과 공구인(工具刃)의 상대적인 운동을 말하며, 공작기계의 대부분의 동력은 이 절삭운동에 소비된다. 선반 등에서 공구는 일정위치에 있고 공작물의 운동에 의하여 절삭운동이 이루어지며 드릴링 머신, 보링머신 등에서는 공작물이 일정 위치에 있고 공구의 운동에 의하여 절삭운동이 이루어진다. 절삭운동의 크기(절삭속도)는 단위시간에 공작물이 공구인을 통과하는 거리(m/min, ft/min)로 표시된다. 선반과 드릴링 머신에서와같이 공작물 또는 공구가 회전운동을 할 때에는 회전체의 원주속도가 절삭속도이며, 그 방향은 접촉점에서 접선방향이다.

이송운동

절삭운동인 선요소(線要素)를 면요소(面要素)로 되게 하는 운동으로서 일반적으로 공작물의 평삭(平削) 및 형삭(形削)에서는 절삭이 중단되는 귀환행정에서 이송운동이 되고 선삭(旋削), 드릴링, 연삭(硏削) 및 밀링 등에 있어서는 절삭운동의 중단없이 연속적으로 이송운동이 된다. 이송운동의 크기는 절삭행정당(또는 1 왕복당) 이송운동량(mm/stroke), 공작물 또는 공구의 1 회전당 이송운동량(mm/rev)으로 나타내며, 이송운동 또는 이송운동량을 단순히 이송(移送; feed)이라고도 한다.

위치조정운동

절삭운동과 이송운동이 시작되기 전에 공작물과 공구의 상대위치를 조정하는 운동으로서 기계의 운동중심과 공작물의 중심조정, 가공시간의 절략을 위하여 이송방향으로 공작물과 공구의 거리 단축, 소정의 치수 및 조도를 얻기 위한 절삭깊이 및 이송의 조정 등이 있다. 따라서 위치조정운동은 절삭운동과 이송운동을 위한 보조운동이라고 볼 수 있다.

종류

절삭 가공의 종류는 공구의 의한 절삭과 입자에 의한 절삭으로 나눈다.

공구의 의한 절삭

• 고정공구 : 선삭, 평삭, 형삭, 슬로터, 브로칭
• 회전공구 : 밀링, 드릴링, 보링, 태핑, 호핑

입자에 의한 절삭

• 고정입자 : 연삭, 호닝, 슈퍼피니싱, 버핑
• 분말입자 : 래핑, 액체호닝, 배럴

자주 쓰는 절삭가공

• 선삭 : 선삭가공은 바이트를 회전 절삭운동과 직선 이송운동이 조합된 것으로 원통형의 형상을 깎는 가공법을 말한다. 이런 종류의 가공을 하는 공작기계를 선반이라고 부른다. 선삭 가공 중에 회전 절삭운동 진행과 동시에 직선 이송운동의 방향을 기울이면 끝이 가늘어지는 테이퍼를 깔을 수도 있다. 선반을 이용한 선삭가공으로는 단면절삭, 정면 절삭이 가능하고 원통형의 내면을 깎을 수 있다. 이것은 미리 드릴 등으로 뚫은 구멍을 더 크게 하는 가공으로 척 또는 면판에 공작물을 부착해 가공한다. 또한 복잡한 형상을 다수 가공할 때 선반에 단 모방장치 또는 모방선반에서 가공품과 같은 형상의 형틀에 따라 바이트를 자동적으로 이송해 필요한 형상을 가공하는 모방절삭이 가능하다.
• 평삭 : 평삭가공은 바이트를 이용한 가공으로 직선 절삭운동과 직선 이송운동이 합쳐진 방식의 가공으로 평면 절삭가공을 말한다. 평삭가공의 운동은 직선절삭운동이기 때문에 당연히 왕복운동이 된다. 비교적 소형 공작물에는 바이트를 직선으로 절삭 이송을 시키는 형삭기(슬래터)가 이용하고 큰 형상의 공작물인 경우에는 공작물에 직접적으로 절삭 이송을 주는 평삭기(플레이너)가 이용된다.
• 밀링 : 밀링 가공은 밀링 커터의 회전 절삭운동과 공작물에 이송운동을 이용해 평면, 홈 등의 다양한 종류의 형상을 깎아내는 가공법이다. 밀링 머신을 이용해 가공하며 머시닝센터와 터닝센터를 많이 사용하는 추세다. 밀링 가공은 크게 2가지로 나눈다. 첫번째는 평면 밀링(평면 밀링커터), 두번째는 전면 밀링(페이스 밀링커터) 방식이다. 홈 등의 총형 형상을 절삭하는 경우에는 평면 밀링 커터에 의한 평밀링 가공이 유리하며 평면을 절삭하는 경우에는 평면 밀링커터로도 가능하지만 페이스 밀링커터 쪽이 보다 효율적이다.
• 드릴링 : 드릴링 가공은 공작물을 고정하고 드릴, 리머, 탭 등의 공구를 회전시키며 공작물의 원형 구멍 뚫기, 자리 내기, 나사 가공 등 방식의 가공법이다. 쉽게 우리가 전동드릴로 구멍들 뚫는 것이다. 드릴링 가공을 하는 기계에는 드릴링기와 탭핑기 외에도 머시닝센터(MCT)를 많이 이용한다. 드릴 지름의 4배 이상의 깊은 구멍을 낼 경우에는 전진과 후진하는 스텝피드 방식을 취해야 칩배출 문제를 피할 수 있다. 또 깊은 구멍을 내기 위한 전용 건드릴을 사용한 건드릴 머신을 사용하기도 한다.
• 보링 : 드릴링으로 이미 뚫어진 구멍의 지름을 확대시킬 때 사용하는 가공법이다. 또는 주조 등에서 이미 뚫린 구멍을 확대하는 가공인 보링을 주로 하는 전문 공작기계를 보링 머신이라 하며, 보링은 선반에서도 할 수 있으나 가공물이 크고 복잡한 형상을 갖고 있는 경우에는 공구를 회전시켜 가공하는 보링 머신을 사용한다. 보링 머신은 가공물에 대한 공구의 상대운동은 선반에서와 같으나 보통 가공물을 좌우로 이동시키고 공구를 회전시킨다.
• 연삭 : 연삭가공은 가공물의 표면을 조금씩 깎아내어 가공하는 방식을 말한다. 주로 정도를 필요로 하는 마무리 가공에 이용되고 있다. 연삭 숫돌에 고속의 회전운동을 주어 절삭을 하고 숫돌과 공작물의 사이에 적당한 이송운동을 하게 한다. 이송운동과 가공물의 형상에 의해 기본적인 연삭가공 방식으로는 원통연삭, 내면연삭, 평면연삭이 있고, 각각의 방식별로 연삭기가 만들어져 있다.
• 래핑 : 금형 제작 공정 단계 중에서 마지막 단계로 다듬질하는 과정이라 간단히 보이나 금형의 가공 결과를 좌우할 만큼 중요한 작업이다. 특히 단조금형, 다이캐스팅 금형 등은 연삭작업 선택에 따라 금형에서 생산된 제품의 치수 정밀도와 면의 광택이 생산성까지 영향을 미친다. 금형 제품의 수명과 가치에도 영향을 많이 주기 때문에 수작업에 의존하는 경우가 많이 있다. 일반적으로 밀링이나 방전가공으로 가공을 할 때 커팅 자국이나 방전 변절층이 남는데 줄이나 숫돌 등과 함꼐 에어루타나 왕복 사상기를 사용하거나 수작업으로 가공하는 방법이다. 금형 제작시 마무리 공정으로서 금형의 표면을 연마하여 스크레치 등을 제거하는 사상 공정이 수행된다. 이러한 금형 사상 공정은 표면을 거울처럼 연마한다는 의미로 경면 사상이라고도 불리며 영어로는 랩핑(lapping)이라고 부른다.

밀링 가공

회전축에 장착한 밀링 가공이라는 절삭공구를 회전시켜 실시하는 가공이다. 고정된 공작물에 공구를 단속적으로 맞춰 절삭하기 때문에 공작물 표면을 평면이나 곡면으로 가공할 수 있으며 홀 가공, 홈 절삭 등 다양한 가공이 가능하다. 밀링 가공반은 공구를 장착하는 주축 방향에 따라 가로형과 입형이 있으며 본체가 문처럼 생긴 문형 등 종류가 있으며 정면밀, 엔드밀, 홈밀 등 공구를 사용하여 목적의 형상으로 공작물을 가공한다.

범용 프라이스

범용 밀링 가공은 작업자가 수동으로 조작하는 밀링 가공이다. 공구와 공작물을 상대적으로 움직일 때 공구의 위치나 이송, 속도, 절삭량 등의 가공조건을 작업자가 판단하여 설정한다. 수동만의 미세하고 고품질 마감을 실현한다.

NC 밀링 가공(CNC 밀링가공)

NC 밀링 가공은 컴퓨터에서 가공조건을 제어하여 실시하는 밀링 가공이다. NC(Numerical Control)는 수치제어의 의미로 이전에는 펀치카드 등을 이용한 시대도 있었다. 현재는 기계에 내장된 컴퓨터로 NC 제어를 하는 CNC(Computerized Numerical Control)가 주류를 이루고 있으며 CNC 밀링 커스를 포함해 NC 밀링 커스로 불리는 경우가 많아지고 있다. 자율주행시 가능하므로 생력화 및 3D CAD/CAM 소프트웨어를 사용한 가공프로그램으로 제어함으로써 더욱 복잡한 형상의 가공에도 이용되고 있다.

머시닝 센터

머시닝 센터는 NC 제어를 갖춘 공작기계로 밀링 가공뿐만 아니라 여러 주축에 별도의 공구를 부착하여 다축 구성한 복합기이다. 머시닝 센터를 이용하면 직선 운동이나 회전 운동을 차례로 조합하여 홀 가공이나 곡면 가공 등과 같은 종류가 다른 절삭을 연속적으로 실시함으로써 보다 복잡한 형상의 가공이 가능하다.

NC 기어 가공기

컴퓨터를 내장한 NC 기어 가공기에서는 시계부터 자동차까지 우리 주위의 다종다양한 형상이나 용도에 맞춘 톱니바퀴를 잘라 기어를 제조한다.

선반 가공

선반 가공은 원통형 공작물을 회전시키면서 주축에 고정한 바이트라는 날붙이 모양의 공구에 맞혀 가공하는 기술이다. 선반을 이용하여 원통형 공작물의 외주를 원형이나 선세형(테이퍼)으로 하거나 홀 가공이나 구멍을 넓히는 가운데 굴착, 나사 절단, 그리고 홈을 깎으면서 끝까지 절단하는 절단 등을 실시한다.

범용 선반

작업자가 이송 조작 및 공구 교환을 수동으로 실시하는 선반 가공이다. 척이라 불리는 파지구로 고정한 공작물을 고속 회전시켜 가공한다. 선반은 영어로 lathe(레이스)라고 하며 탁상형 벤치레이스로는 작은 부품 가공을 작업대 위에서 할 수 있다.

NC 선반(CNC 선반)

가공 조건을 컴퓨터로 제어하는 선반 가공으로 초보자라도 일정 이상의 품질로 가공할 수 있다. 복수의 공구를 자동 교환할 수 있는 것도 있어 작업의 효율화가 추진되었다. 또한 긴 막대 모양의 재료에서 긴타로 사탕과 같이 동일한 형상의 공작물을 제조하기 위해 기존의 캠식 자동반이 사용되었으나 최근에는 캠을 대신해 프로그램 제어에 의해 가공하는 NC 자동선반이 등장하고 있다.

참고자료

• 〈절삭 가공의 종류〉, KOREA KEYENCE
• 최고보다는 최선을, 〈절삭가공〉, 《다음 카페》, 2009-11-16
• 〈주요 절삭가공의 종류와 특징〉, 《메카피아》, 2022-01-28
• 〈기계공작법〉, chonbuk
• 뽀니, 〈절삭가공이란? 종류와 특징 알아보기〉, 《티스토리》, 2020-12-04
• 판금기계설계, 〈재료에 따른 가공의 종류와 특징/선삭,평삭,드릴링,밀링,연삭 알아보기!〉, 《티스토리》, 2020-05-10
• 세계 신차 정보, 〈절삭가공의 뜻 종류〉, 《티스토리》, 2020-06-22

같이 보기

• 금속
• 재료
• 공구
• 구멍
• 가공
• 플라스틱
• 기계
• 나사
• 드릴
• 드릴링
• 컴퓨터
• 자율주행
• 시계
• 자동차

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