브로칭 가공

[하늘]

. 개 요

  브로칭(Broaching)은 브로치라는 다인공구를 일감표면이나 구멍에 눌러대고 통과시켜 절삭가공하는 것으로써, 내면 브로칭은 구멍안에 키홈, 스플라인홈, 다각형의 구멍등을 가공하고, 외면 브로우칭은 세그먼트 기어(Segment Gear)의 치형이나 홈, 그밖의 특수한 가공에 이용된다.

2. 브로칭 머신의 종류 및 특징

  (1) 브로칭 머신의 분류

구 분	종 류
브로치의 운동방향	수평 브로칭 머신, 직립 브로칭 머신
가 공            방 법	내면 브로칭 머신, 외면 브로칭 머신
브로치    구동방식	나사식, 기어식, 유압식
공구대의        갯수	단두식 브로칭 머신, 쌍두식 브로칭 머신
브로치     절삭방향	인발식, 압입식, 연속식

    (2) 특 징

     1) 장점

       ① 복잡한 단면의 가공이 용이하며 1회에 가공을 완료할 수 있다.

       ② 가공시간이 짧다.

       ③ 다듬질면이 균일하고 정도가 높다(호완성).

     2) 단점

       ① 일감의 모양에 따라 브로치를 만들어야 한다.

       ② 브로치의 설계제작에 시간이 걸린다.

       ③ 공구값이 비싸므로 일정량 이상의 대량생산에 이용된다.

3. 브로치

  (1) 형 상

     브로우치는 자루부, 절삭부, 평행부 및 후단부의 네부분으로 되어 있고, 자루부는 기계에 브로치를 고정하기 위한 것으로 고정부와 안내부로 되어 있다.

     절삭부의 날은 거친날, 중간날, 다듬날의 세부분으로 되어 있는데 거친날부터 점진적으로 이의 높이와 피치가 커져 일감을 필요한 모양으로 절삭하고, 다듬날을 이용하여 원하는 치수와 형상으로 브로칭을 완료한다. 브로치는 형상이 복잡하므로 열처리가 어렵고 특히 굽힘에 주의해야 한다.

 

  (2) 종류

     1) 브로치의 작용에 따라

       ① 인발식 브로치(Pull Broach): 일반적으로 많이 사용하는 것으로써 작은구멍, 절삭량이 많은 구멍을 가공할 때 먼저 거칠 게 보링한 후 필요한 모양으로 브로치 작업을 하며, 보통 길이가 길고 많은 날을 가지고 있다.

       ② 압입식 브로치(Push Broach) : 큰 구멍이나 절삭량이 적은 일감을 다므 가공할 때 사용하며, 인발색에 비해 길이가 짧고 지름이 커 강성이 있다. 인발식은 1회의 공작으로 다듬질되는 것에 비해 2회 이상의 다듬질이 필요하다.

     2) 브로치 구조에 따라

       ① 일체형 브로치(solid Type) : 날과 로드가 일체로 된 것으로 보통 공구강, 고속도강으로 만든다.

       ② 날붙이 브로치( Inserted Type) : 다듬질 차수를 정확히 하고자 할 때 다듬날에 초경합금을 경납땜하여 붙이며, 대형의 브로치는 본체를 탄소강으로, 절삭날은 고속도강 또는 초경합금을 박는다.

       ③ 조립형 브로치(Combined Type)

     3) 브로치의 모양 용도

       ① 키홈 브로치(Key Way Broach)

       ② 원형 브로치

       ③ 각 브로치

       ④ 스플라인 브로치(Spline Broach)

       ⑤ 스파이럴 브로치(Spiral Broach)  

       ⑥ 세레이션 브로치(Serration Broach)

       ⑦ 펀치 브로치(Punch Broach)

       ⑧ 버니싱 브로치(Burnishing Broach)

  (3) 브로치의 설계 및 제작

     1) 브로치 제작 유의 사항

       ① 각 절삭날의 다듬질 양을 균등하게 할 것,

       ② 소요동력이 적게 들도록 할 것.

       ③ 절삭력이 한 쪽날에 많이 걸려서 브로치에 휨이나 진동이 일어나지 않도록 할 것.

     2) 피치 : 피치는 이의강도, 일감절삭길이, 칩의 크기, 형상에 영향을 미치며 0.1m ∼0.5mm 정도씩 점차 증가 시키는 것이 좋다.

      피치 P =                 P : 피치

                                            L : 절삭할 부분 길이

                                            C : 1.5 ∼ 2(연질 재료에서는 1.5에 가깝게 취함)

     3) 날의 높이 및 수

        날의 높이 (Gullet Depth)

                 h = ( 0.35 ∼ 0.5)

       절삭저항에 제한이 있으므로 절삭적용을 하는 날의 수는 6 ∼ 8개 정도가 좋다.

   < 브로치의 절삭 깊이>

일감의 재질	날1개마다의 절삭깊이(mm)	윗면 경사각 α(도)	여유각 γ(도)
연                    강	>0.02 0.02 ∼ 0.1  >0.05 강철보다 다소 크다.	15 ∼ 20 8 ∼ 20 10 ∼15 5 ∼ 15 6 ∼8	0.5 ∼ 3 0.5 ∼ 3 1 ∼3 0.02 ∼ 2 0.5 ∼ 3
경                    강
알루미늄, 마그네슘
황동,              청동
주철,       가단 주철

4. 브로칭 머신

  (1) 수평형 브로칭 머신

     1) 가공 방법 : 일감을 면판에 고정하고, 브로치를 브로치지지부와 풀헤드에 고정하여 수평으로 움직여 가공하며, 일반적으로 유압을 이용한 유압식 수평형 브로칭 머신이 많이 이용된다.

       절삭속도는 5 ∼10m/min정도이고 후진속도는 15 ∼ 40m/min 정도이다.

     2) 특징

       ① 기계의 조작 및 점검이 쉽다.

      ② 운전과 설치의 안정성이 직립형에 비해 좋다.

      ③ 설치 면적이 크다.

  (2) 직립형 브로칭 머신

      1) 가공 방법 : 일감을 테이블 위에 올려 놓은 상태로 가공하거나 일감 고정판에 고정하고 브로치를 컬럼을 따라 상하로 움직여 가공한다.

     2) 특징

       ① 일감의 고정방법이 간단한다.

       ② 절삭유제의 공급이 용이하다.

       ③ 작은 일감의 대량생산에 적합하다.

       ④ 기계의 설치면적이 수평형 보다 적다.

       ⑤ 기계의 안정에 유의해야 한다(기계의 높이가 높다.)

 

브로우치 가공 (Broaching)

브로우칭은 다수의 날이 순차적으로 배열된 공구(broach)로 공작물 표면을 세게 누른 상태에서 1회 통과시켜 브로우치의 단면 형상대로 공작물을 가공하는 방법이다.

호환성이 요구되는 정밀도가 높은 제품을 1회에 가공할 수 있으며, 복잡한 형상의 제품에도 적용이 용이하다.

단, 브로우치의 제작에 많은 비용이 소요되므로 주로 대량 생산에 적용된다.

1) 브로우치의 종류

브로우치는 분류 기준에 따라 아래와 같이 여러 가지로 분류할 수 있다.

분류 기준	종류	특성	비고
구동 방법	인발식	- 브로우치를 끌어 당겨 가공하는 방식 - 길이가 길고 많은 날이 있는 형태	가장 일반적인 방식
	압입식	- 브로우치를 뒤에서 밀어 넣어 가공하는 방식 - 길이가 짧고 날 수가 적어 강성이 큰 형태	보통 2회 이상으로 가공 브로우치 제작 용이
	회전식	- 원판형 브로우치의 측면 날로 회전하며 가공 - 무부하 복귀운동이 불필요해 작업 능률 우수	표면 가공에 적용 효율적인 가공 가능
가공면 위치	내면	- 구멍 내면 가공 - 구멍 내벽에 의해 안내되므로 안내를 위한    별도의 특별한 장치 불필요	복잡한 단면 형상 구멍도 고정도로 쉽게 가공
	표면	- 평면 또는 곡면으로 된 공작물 외면 가공 - 강성이 높은 안내면 필요
	외면	- 공작물의 전체 외주 가공(예 ; 기어 전체이) - 보통 브로우치를 여러개로 분할 제작하고   조립하여 사용
구조	일체형	- 브로우치 전체를 일체로 제작	Solid Broach
	조립형	- 브로우치를 분할해 제작하고 조립해 사용 - 외면 브로우치에 주로 적용	Combined Broach
	심은날	- 분리된 절삭날을 본체에 부착 사용	Inserted Type Broach
기능	단능형	- 절삭 또는 소성 변형(버니싱) 중 한가지 기능   만을 가진 브로우치	예) 버니싱용 브로우치
	복합형	- 위의 두가지 기능이 복합된 브로우치 - 앞부분의 절삭날로 절삭후 맨 뒤의 둥근 날로   버니싱
가공량	거친 절삭용		아래 '절삭 깊이' 참조
	다듬질 절삭용
	버니싱용

2) 브로우치의 구조

일반 브로우치를 구성하고 있는 부분은 아래 4가지로 구분할 수 있다.

구분	설명	특기 사항
생크(shank)	기계에 브로우치를 장착하기 위한 부분 인발식에서는 주로 코터(Cotter) 사용
안내부	브로우치를 안내할 수 있도록 전가공면보다 약간 작은 칫수(0.02~0.05 mm)의 동일 단면 형상으로 한 부위	가공 구멍 길이보다 길게 함
절삭부	실지로 절삭을 행하는 날 부위 - 각 절삭날당 절삭량을 일정하게 해야 됨.
평행부	절삭부에서 절삭한 면의 치수 정밀도와 면 조도 개선을 위해 설치된 동일 칫수의 평행한 수개의 날 부위

◆ 절삭날의 피치

절삭날의 피치는 거친 절삭용에서는 칩 배출을 위해 크게 할 필요가 있으며, 다듬질용은 작게한다.

또, 유동형 칩이 나오는 재료보다 주철, 청동 등과 같이 열단형이나 전단형 칩이 나오는 재료에서 피치를 더 크게 할 필요가 있다.

단, 거친 절삭용에서도 가공시 최소 2~3개의 절삭날이 동시에 절삭을 행하도록 할 필요가 있으며, 보통 아래 식을 기준으로 결정한다.

피치 = 1.75 * SQRT(공작물 길이) (mm)

◆ 절삭 깊이

브로우치 가공에서 절삭 깊이는 각 절삭날 한 개당 절삭 깊이를 의미한다.

절삭 깊이가 너무 작으면 절삭날이 가공물에 파고 들기 힘들게 되어 여유면 마찰로 인한 마모로 수명이 단축된다.

반면에 너무 크면 다듬질면의 조도가 나빠지고, 진동이 생길 우려도 증가하므로, 적정한 수준에서 결정할 필요가 있다.

일반적으로 적용되는 절삭 깊이는 아래 표와 같다.

구분		절삭 깊이	비고
거친 절삭	대형	0.1 ~ 0.2 mm
	중소형	0.01 ~ 0.08 mm
다듬질 절삭		0.02 mm 이하
버니싱		0 ~ 0.003 mm

◆ 절삭날 형상

 - 경사각

클수록 절삭성이 좋아지고 다듬질면도 양호해지지만, 너무 커지면 절삭날의 강성이 약해져 변형으로 인한 진동 등의 문제로 수명이 짧아진다.

브로우치는 일반적으로 제작 비용이 아주 고가인 공구인 점을 고려해 수명 연장을 위해 다른 공구에 비해 경사각을 약간 작게 한다.

 - 여유각

브로우치 가공에서 여유각이 절삭성에 미치는 영향은 아주 작다.

되도록 여유각을 작게 해 절삭날의 수명을 길게 하는 것이 유리하다.

 - 랜드(Land)부

랜드부의 주 설치 목적은 재연삭시 칫수 변화를 줄이기 위한 것이다.

그러므로, 재연삭 칫수 변화가 크게 문제가 되지 않는 거친 절삭을 하는 절삭날일수록 작게 하며, 일반적으로 하나의 브로우치 내에서도 랜드 폭은 다르게 적용한다.

◆ 절삭날 경사각

표면 브로우치나 각형 내면 브로우치는 일반적으로 절삭날이 순차적으로 공작물과 접촉하도록 해 진동을 줄이고 절삭성을 개선할 수 있도록, 절삭날을 축방향에 대해 직각으로 하지 않고 경사지게 하는 경우가 많다.

절삭날 경사각(Inclination Angle)은 한 개의 절삭날 전체가 공작물 내부로 들어갔을 때, 다음 절삭날이 공작물과 접촉을 하고 있도록 해야 된다.

예) 각형 내면 브로우치의 경우 절삭날 경사각 계산

      : Tan(절삭날 경사각) > (피치 / 공작물 폭)

◆ 칩 브레이커 (Chip Breaker)

브로우치 가공에서는 보통 폭이 넓은 칩이 발생하게 되므로, 칩을 잘게 잘라 칩 배출을 용이하게 할 수 있도록 절삭날에 칩 브레이커를 만들어 준다.

보통 간격 10~15 mm, 폭 0.5~2 mm, 깊이 0.5~1 mm 정도로 하며, 인접하고 있는 절삭날과 엇갈리게 한다 (한칸씩 걸러 동일 위치).

최종 다듬질면 손상을 막기 위해 맨 뒤의 5~8개의 절삭날에는 칩 브레이커를 만들지 않는다.

◆ 버니싱용 브로우치

버니싱용 브로우치는 버니싱 전용의 단능형과 다듬질 절삭날 뒤에 버니싱날이 있는 복합형의 2가지 종류가 있다.

버니싱용 브로우치의 날당 다듬질 여유는 0.02 mm 이내, 전체 버니싱 여유는 0.15 mm 이내로 한다.

버니싱날은 다듬질면 표면조도를 위해 랩핑해 사용한다.

◆ 회전 브로우치

원판의 측면에 날이 있는 밀링 커터와 비슷한 형태의 브로우치를 말한다.

1회전하는 동안에 거친 절삭과 다듬질 절삭을 완료한다.

절삭량이 크고, 정도가 높으며 다듬질면의 조도도 우수하고, 작업 능률이 높은 장점이 있다.

3) 브로우칭 머신

브로우칭 머신의 구동은 보통 유압식이나 나사와 너트에 의한 기계식이 사용된다.

용량은 최대 인장력(톤 : ton)과 브로우치를 붙이는 슬라이드의 행정 길이로 표시한다.

브로우칭 머신은 아래와 같이 구분할 수 있다.

분류 기준	구분	설 명	비고
브로우치 설치방향	수평형	브로우치가 수평으로 설치 - 내면 가공용 장비를 표면 가공에도 사용 가능 - 행정 길이에 제한이 없어, 아주 긴 제품도 가공 가능
	수직형	브로우치가 수직으로 설치 - 기계 설치 면적이 작아도 됨 - 자중으로 인한 처짐이 없어 정밀도 우수
용도	내면	내면 가공용(Internal Broaching Machine)
	표면	표면 가공용(Surface Broaching Machine)
동시 설치 브로우치 수	단축형	한 개의 브로우치만 설치
	다축형	작업 능률 향상을 위해 여러개의 브로우치 사용 - 여러개의 공작물 동시 가공 또는 작업중 공작물 교체
작업방식	인발	인발식 브로우치 사용 장비
	압입	압입식 브로우치 사용 장비
	연속	다수의 공작물을 연속적으로 가공하는 장비로 주로 표면 브로우칭 장비에 적용
	회전	회전식 브로우치 사용 장비

4) 브로우치의 재연마

일반적으로 브로우치는 공작물 500~2500개 정도를 가공하면 재연마가 필요하다.

브로우치는 평행부의 절삭날이 없어질 때까지 계속 재연마 사용이 가능하다.

broaching machine 가공

broaching이란 그림과 같은 다인공구(多刃工具)를 공작물에 눌러 대고 통과시킴으로써 절삭가공하는 것이며, 이에 사용되는 기계를 broaching machine, 절삭공구를 broach라 한다. broaching에는 인발식(引拔式)과 압입식(押入式)이 있다. broaching은 복잡한 형상의 구멍이나 홈도 broach의 1회 통과로 완성할 수 있어 대량생산에 많이 이용되며, 다듬질면이 균일하고 정도가 높다.

broach의 절삭작용

[1] broaching machine의 종류

    broaching machine에는 분류기준에 따라 다음과 같은 종류가 있다.

1. broach의 운동방향에 따라
   • 수평식 broaching machine
   • 수직식 broaching machine
2. 가공면의 내외에 따라
   • 내면가공 broaching machine
   • 외면가공 broaching machine
3. broach 공구대의 수에 따라
   • 단두식(單頭式) broaching machine
   • 쌍두식(雙頭式) broaching machine
4. 구동력 전달방식에 따라
   • 나사식 broaching machine
   • rack식 broaching machine
   • 유압식 broaching machine
5. broach의 절삭방향에 따라
   • 인발식(引拔式) broaching machine
   • 압입식(押入式) broaching machine
   • 연속식(連續式) broaching machine

다음 그림은 broaching machine의 예이다.

broacing machine

[2] broach

(1) broach의 종류:

broach에는 날과 몸체가 일체로된 일체형(一體形) broach, arbor 위에 날이 붙은 shell을 끼워서 사용되는 shell broach 및 tool holder에 고속도강 또는 초경합금으로 된 날이 삽입되어 사용되는 삽입형 broach 등이 있으며, broach는 다음 그림(a)에서와 같이 자루(shank), 안내부(front pilot), 절삭부(cutting teeth), 평행부(finishing teeth) 등으로 되어 있다. 그림(b)는 broach 날(刃)의 각부 명칭을 보여 주며, 그림(c)는 broach 종류의 예이다.

broach
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(2) broach의 설계:

(2-1) broach의 치(齒):

절삭부에서 중요한 것은 pitch와 角이다. 앞의 그림(b)에서 p: pitch, L: 절삭할 부분의 길이라 하면

C = 1.5 ~ 2(연재에서는 작은 값, 경재에는 큰 값을 취한다)

다음 표는 broach의 산수와 절삭길이의 관계를 보여준다.

broaching에서 진동을 방지하기 위하여 pitch를 서로 다르게 하여 시간에 대한 절삭저항의 분포를 균등하게 한다. 일반적으로 pitch를 0.1 ~ 0.5mm 정도씩 점진적으로 증가시키는 것이 좋다.
h: 치높이(gullet depth)로서 앞의 치보다 0.07mm 정도씩 높게 취하고 후단부에서 3개 정도는 같은 높이로 하며, p: pitch라 하면

절삭저항에 제한이 있으므로 동시에 절삭작용을 하는 이수(齒數)는 6 ~ 8개 정도가 좋다. root 반지름 r와 pitch의 관계는 다음과 같다.

broach의 경사각과 여유각, pitch와 land의 관계는 다음 표와 같다.

(2-2) broach의 재질과 열처리:

broach는 보통 ☞ 고속도강(高速度鋼; high speed steel, H.S.S.)으로 제작되고, 정확한 다듬질 치수가 요구될 때에는 초경합금을 붙여 만든다. 대형의 broach는 본체는 탄소강으로 하고, 인부(刃部)는 고속도강 또는 초경합금을 심어 만든다.
broach는 형상이 복잡하여 열처리가 어렵고, 굽힘에 주의하여야 한다. 열처리 후 온도가 내려가기 전에 press 등으로 굽힘을 바로잡고 전용연삭기를 사용하여 shank부와 인부(刃部)를 연삭한다.

[3] 절삭조건

    절삭속도와 절삭깊이는 broach의 재질 및 형상, 공작물의 재질 및 크기 등과 같은 조건에 따라 다르나, 보통 사용되는 절삭속도와 깊이는 다음 표와 같다.

 

☞ 고속도강(高速度鋼; high speed steel, H.S.S.)

고속도강(高速度鋼; high speed steel, H.S.S.):

고속도강은 1900년경에 Taylor와 White에 의하여 개발되었으며, C가 0.7 ~ 1.5% 정도인 탄소강에 W, Cr, V, Mo 등의 금속원소를 합금시킨 일종의 합금공구강으로서 널리 사용되고 있고, 특히 충격을 받는 단속절삭(斷續切削)에 많이 사용되는 공구재료이다. 개발 당시에는 고온경도가 커서 고속절삭에 적합한 공구재료라 하여 붙여진 이름이나, 보다 고온경도가 큰 공구재료가 개발되어 사용되고 있는 현 시점에서는 본래의 의미는 퇴색되었지만 아직도 많이 사용되고 있으며, 다음은 대표적인 고속도강의 성분 예이다.