고가의 카바이드 엔드밀을 보호하려고 스텝오버(RDOC)를 줄였더니, 스핀들이 비명을 지르는 소리를 들어본 적이 있나요? 공구를 확인해보면 이미 타버렸거나 조기에 칩이 발생해 손상된 상태입니다.
직관적이지 않게 느껴진다. 부하를 줄였는데 도구가 왜 실패했을까?
해답은 방사상 칩 얇아짐 현상에 있습니다. 이를 이해하지 못하면 잘못된 파라미터로 의도치 않게 공구를 “망가뜨릴” 수 있습니다. 이는 단순한 효율 문제가 아니라 공구 수명과 직결된 문제입니다.
이 가이드에서는 해당 현상의 물리적 원리, 방사형 칩 얇아짐 공식의 논리, 그리고 현대적인 CAM 전략을 활용하여 가공 공정을 혁신하는 방법을 밝힐 것입니다.
큰 오해: 프로그램된 공급량 대 실제 칩 두께
대부분의 기계공들은 프로그래밍된 이송 속도(fz 또는 IPT)가 칩 두께와 같다는 정신적 모델을 유지한다.
- 이것은 사실입니다: 공구 직경의 50% 이상일 때의 방사형 절삭 깊이(RDOC / ae).
- 이것은 거짓입니다: 경량 마무리 절삭을 수행하거나 고효율 밀링(HEM) 경로를 사용할 때.
“살라미 슬라이스” 비유
살라미를 썰어 보세요.
- 센터 컷: 가운데를 똑바로 잘라내면(50% 결합), 썰린 두께는 칼이 움직인 거리와 같습니다.
- 에지 컷: 살라미 가장자리만 살짝 긁어내듯(10% 참여) 칼을 같은 거리만큼 움직이면, 그 결과로 나온 조각은 매우 얇은 그리고 쉼표 모양이다.
이것은 방사형 칩 얇아짐 현상입니다. 절삭 공구의 직경 대비 스텝오버가 50% 미만으로 떨어지면, 실제 칩 두께가 프로그래밍된 이송 속도보다 현저히 얇아집니다.
왜 “너무 얇은” 것이 치명적인가 (문지르기의 과학)
혹시 “더 얇은 칩이 공구에 덜 부담되지 않을까?”라고 물을 수도 있겠네요.”
아니요. 사실 너무 얇으면 위험합니다. 초경 절삭날은 무한히 날카롭지 않습니다. 일반적으로 0.01mm에서 0.05mm 사이의 미세한 연마 반경(또는 날 준비)을 가지고 있습니다.
중요한 규칙은 다음과 같습니다: 연마 반경보다 더 깊게 절삭해야 합니다.
- 커팅 존: 칩 두께가 더 큰 연삭 반경보다 클 경우 공구는 금속을 깔끔하게 절삭합니다. 열은 칩과 함께 배출됩니다.
- 문지름 구역: 방사상 칩 얇아짐 현상이 두께를 감소시킬 때 아래 연마 반경에 도달하면 공구는 절삭을 멈춘다. 대신 재료를 갈고, 문지르며, 연마한다.
결과:
- 발열: 마찰은 칩과 함께 배출되지 않고 공구에 잔류하는 막대한 열을 발생시킵니다.
- 작업 경화: 스테인리스강이나 티타늄 같은 재료에서는 표면을 문지르면 즉시 경화되어 다음 플루트가 충돌 시 파손됩니다.
- 조기 마모: 공구의 측면이 빠르게 마모된다.
실제 사례: 숄더 밀링 함정
이 현상으로 인해 기계공들이 가장 흔히 피해를 입는 작업은 숄더 밀링(Shoulder Milling) 과정이다.
혹시 궁금할 수 있습니다: 왜 내 엔드밀은 벽면에서 무거운 황삭 가공 시에는 부드러운 소리를 내는데, 가벼운 정삭 가공 시에는 비명을 지르는 소리를 내는 걸까요?
그 해답은 칩 두께의 급격한 변화에 있다:
- 거친 가공 중: 일반적으로 높은 방사형 절삭 깊이(>50%)를 사용합니다. 절삭 부스러기가 두껍고 열이 효율적으로 배출됩니다.
- 마무리 작업 중: 매우 얇게 절삭하고 있습니다(직경의 2% 미만인 경우가 많음). 이 경우 방사형 칩 얇아짐 현상이 급격히 발생합니다. 마무리 가공 시 거친 가공과 동일한 이송 속도를 사용하거나(혹은 더 나쁘게도 “표면 마감”을 위해 속도를 늦춘다면), 본질적으로 절삭이 아닌 벽면을 문지르는 것과 같습니다.
어깨 벽면에 거울 같은 마감을 얻으려면, 절삭량을 크게 늘려 얇아짐을 보정해야 합니다.
사각 어깨 가공 공정 전략(단계 하강 방식 대 단계 오버 방식 포함)에 대한 심층 분석은 당사의 전체 가이드를 참조하십시오. 어깨 밀링.
이미지 출처: Widia.
수학적 계산: 방사형 칩 얇아짐 공식 및 수동 요소
수학적 원리를 이해하고자 하는 엔지니어를 위해, 우리는 방사형 칩 얇아짐 공식으로 실제 두께를 계산합니다.
실제 두께 = 프로그램된 이송량(fz) × 방사형 칩 얇아짐 계수.
당사의 계산기 Fz를 계산하기 위해.
모든 절삭 작업마다 수동으로 공식을 계산할 필요는 없지만, 이 방사형 칩 얇아짐 계수 참고표를 활용하여 수동으로 이송 속도를 조정할 수 있습니다:
| 스텝오버(ae) 직경 % | 방사형 칩 얇아짐 계수 (감소) | 이송 속도를 … 배로 곱하십시오. |
| 50% | 1.0 (감축 없음) | 1.0 (변경 없음) |
| 30% | ~0.91 | 1.1배 |
| 10% | ~0.60 | 1.6배 |
| 5% | ~0.43 | 2.3배 |
| 2% | ~0.28 | 3.6배 |
| 1% | ~0.20 | 5.0x |
예시: 표준 데이터가 1000 mm/min을 권장하지만, 2% 경량 마무리 가공을 수행 중이라면 공구가 실제로 재료를 파고들도록 하려면 3600 mm/min으로 프로그래밍해야 합니다!
계산기와의 작별: 현대적 CAM 전략이 칩 얇아짐을 어떻게 “제압'하는가
생산 환경에서는, 특히 복잡한 3D 표면의 경우, 테이블을 수동으로 확인하고 G-코드 줄마다 수정하는 것은 불가능합니다. 바로 여기서 현대적인 CAM 전략이 빛을 발합니다.
현대식 CAM 소프트웨어(마스터캠, 퓨전 360, UG NX 등)는 더 이상 단순한 경로 생성기가 아닙니다. 이는 방사형 칩 얇아짐 원리를 완벽하게 적용하는 물리 시뮬레이터입니다.
1. 전통적 공구 경로 대 동적 공구 경로
- 전통적 오프셋: 이러한 경로는 단순히 형상을 오프셋합니다. 모서리에서는 공구 접촉각(TEA)이 180도(완전 슬로팅)까지 급증합니다. 공구 파손을 방지하기 위해 프로그래머는 이 “최악의 시나리오”를 기준으로 이송 속도를 제한해야 하며, 이로 인해 직선 구간에서 공구가 마찰을 일으키며 효율성이 저하됩니다.
- 동적 공구 경로 (HEM): 핵심 알고리즘은 한 가지에 집중합니다: 공구 접촉각을 일정하게 유지하는 것입니다. 이 알고리즘은 스텝오버를 동적으로 조정하고 트로코이드 운동을 활용하여 공구가 과부하되지 않도록 보장합니다.
2. 현대 보완대체의학의 세 기둥
현대식 전략은 세 가지 특정 메커니즘을 통해 “높은 이송량, 낮은 스텝오버, 긴 수명”을 달성합니다:
- 이송 속도 최적화: 이것이 바로 “브레인”입니다. 이 소프트웨어는 실시간으로 방사형 칩 얇아짐 공식을 적용합니다. 절삭이 가벼울 때(직선 가공)에는 자동으로 이송 속도를 3배에서 5배까지 증가시킵니다. 공구가 모서리에 진입하면 속도를 늦춥니다. 이를 통해 스핀들 부하 계측기를 완벽하게 일정하게 유지합니다.
- 트로코이드 / 필 밀링: 이것이 바로 “댄스”입니다. 공구는 원형 또는 나선형 운동을 하며 재료를 층층이 “박리”합니다. 일정한 가벼운 방사형 접촉(일반적으로 10-20%)을 유지하여 충격 하중을 방지합니다.
- 마이크로 리프트: 이것이 바로 “냉각 트릭”입니다. 공구가 다음 절삭을 위해 재위치하기 위해 후퇴할 때, 소프트웨어는 공구를 바닥에서 약간(예: 0.2mm) 들어 올린 후 고속으로 이동시킵니다. 이를 통해 공구 하단이 완성된 바닥과 마찰되는 것을 방지하여 열에 민감한 재료의 발열을 크게 줄입니다.
3. CAM 전략 사전
다양한 소프트웨어 공급업체들은 서로 다른 명칭을 사용하지만, 물리적 원리는 동일합니다:
| 소프트웨어 | 전략명 |
| 마스터캠 | 동적 움직임 |
| 퓨전 360 / HSM | 적응형 정리 |
| 솔리드캠 | 아이머시닝 |
| 지멘스 NX | 적응형 밀링 |
| 볼루밀 | 볼루밀 (플러그인) |
전문가 팁: 이들을 설정할 때, 스텝오버를 7% – 20% 커터 직경의 2배 또는 3배에 해당하는 최대 절삭 깊이를 사용하십시오. 소프트웨어가 계산한 “미친 듯한” 이송 속도를 믿으십시오—이는 오류가 아닌 과학적 근거입니다.
재료별 전략
이제 도구와 이론을 익혔으니, 이를 특정 재료에 적용하는 방법은 다음과 같습니다:
1. 알루미늄 (속도 전략)
알루미늄은 가공 경화 경향이 낮습니다. 방사형 칩 얇아짐 현상을 최대한 활용하십시오. 이송 속도를 기계의 최대 한계까지 높여야 합니다. 여기서 칩 얇아짐 현상은 칩을 쉽게 배출함으로써 엄청난 재료 제거율(MRR)을 달성하는 데 도움이 됩니다.
2. 스테인리스 스틸 & 티타늄 (생존 전략)
여기서 목표는 열 관리입니다.
- 과도한 가공 경화를 방지하기 위해 너무 얇은 칩은 피하십시오.
- 모든 이빨이 재료의 단단한 외피를 관통할 수 있을 만큼 충분히 “두껍게” 물도록 하십시오.
- 고음의 비명 소리가 들리면 이송 속도를 높이십시오. RPM을 낮추는 것보다 더 효과적인 경우가 많습니다.
요약: 피드를 두려워하지 마세요
방사형 칩 얇아짐을 이해하는 것이 단순 작업자와 숙련된 기계공을 구분한다.
- 가벼운 절삭 ≠ 공구에 부담이 적음. 너무 가볍게 하면 마찰이 발생합니다.
- 도구를 사용하세요: 수동 보정을 위해 방사형 칩 얇아짐 계수 표를 사용하거나, 현대적인 동적/적응형 CAM 전략을 완전히 도입하십시오.
- 수학을 믿어라: 스텝오버가 작을 때는 공작물의 이송 속도를 적극적으로 높여야 합니다. 단순히 속도를 높이는 것이 아니라, 적절한 칩 두께를 회복시켜 공구 수명을 연장하는 것입니다.
