3.4 공구 수명
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3.4.1 개요 각 작업 조건에 따라 공구 수명에 대한 기준은 다르게 적용할 필요가 있으므로, 공구 수명을 한마디로 명확하게 정의하는 것은 간단하지 않다. 다만, 일반적으로 새 공구로 가공을 시작한 후 만족스러운 제품을 가공할 수 없게 되었을 때까지를 공구 수명이라고 할 수 있다. 예를 들면, 정삭 작업에서는 표면거칠기나 가공 정밀도 문제가 없을 때까지, 황삭 작업에서는 공구가 파손되기 전까지를 공구 수명으로 볼 수 있으며, 경우에 따라 공구 재연마 사용 횟수를 늘리기 위해, 공구 수명을 약간 짧게 관리할 필요도 있다. 일반적으로 다른 조건이 동일하다면 공구 수명은 절삭속도, 이송률, 절삭깊이의 순서로 영향을 받는다.
3.4.2 테일러의 공구 수명식 공구 수명 판정 기준에 관계없이, 일반적으로 다른 모든 조건이 동일하다면 절삭 속도 증가에 따라 공구 수명은 급격하게 감소된다. Taylor는 1907년 공구 수명과 절삭 속도가 아래 식과 같은 관계를 가짐을 밝혔다.
V Tn = Ct
V : 절삭 속도 (m/min) T : 공구 수명(분) Ct : 피삭재와 공구 재질, 절삭 깊이, 이송률, 절삭유제 등에 따른 정수 n : 피삭재와 공구 재질 등에 따른 정수(일반적인 절삭에서 1/5~1/10 수준)
윗식에서 보는 것처럼 생산성을 올리기 위해 절삭속도를 올리면, 공구 수명이 급속하게 줄어들게 되므로 공구비용과 공구 교체 시간이 증가한다. 요구 사이클 타임 등의 문제로 불가피한 경우도 있지만, 제조 원가를 최소한으로 할 수 있는 경제적 절삭 속도를 찾아 적용하는 노력이 필요하다. 적절한 공구 재료의 선정, 절삭 조건의 결정은 생산성이나 제조 원가에 큰 영향을 미친다.
3.4.3 공구 손상의 분류 공구 손상은 마찰이나 충격, 진동 등 기계적 원인에 의한 마모와 열적, 화학적 작용에 의한 마모로 구분할 수 있으나, 실지 마모는 여러 가지 요인이 복합적으로 작용하여 발생하게 된다. 정상 마모의 대표적인 형태는 여유면 마모(Flank Wear)와 크레이터 마모(Crater Wear) 두가지로 구분할 수 있으며, 일반적으로 여유면 마모는 기계적 원인, 크레이터 마모는 열적, 화학적 작용의 영향을 더 많이 받는다.
1) 열적, 화학적 작용으로 인한 마모의 구분 - 열확산 : 고온으로 인한 열진동에 의해 공구와 피삭재의 구성 성분이 서로 혼합되는 현상 - 용착 : 피삭재가 재결정 온도 이상으로 가열되어 공구면에 응착 - 압착 :재결정 온도 이하의 피삭재가 절삭시의 높은 압력으로 공구면에 응착 - 화학적 반응에 의한 마모 : 고온에서 공구재, 피삭재, 절삭유제(특히, 극압첨가제)의 화학적 반응 산화, 유,염화유의 부식 작용 등으로 마모 증대 - 전기 화학적인 마모 : 고온에서 공구재, 피삭재 중의 불순물로 인해 발생한 기전력으로 화학 반응 이 촉진되어 마모 속도 증가 - 기타 열 피로(Thermal Fatigue), 열 균열(Thermal Crack) 등
2) 공구 마모 형태별 구분 ① 여유면 마모 (Flank Wear) 공구 여유면 랜드부에 생기는 마모를 말한다. 대표적인 정상 마모의 형태로 육안으로 쉽게 관찰이 가능해 일반적으로 공구 교환 시기에 대한 판단 기준으로 사용된다. 예) ANSI B94.55M-1985 Specification for Tool Life Testing with Single-Point Tools - 공구 여유면 마모로 공구 수명 정의
경우에 따라 다르지만 일반적으로 마모 폭이 정삭시 0.1~0.2 mm, 황삭시 0.5~1.0 mm 정도면 교환해 주는게 좋다 (아래 '공구 수명 판정 기준' 참조).
여유각(Relief 또는 Clearance Angle)이 클수록, 즉 공구 날끝이 날카로울수록, 여유면 마모 속도를 줄일 수 있으나, 날끝 강도가 약해져 파손 위험이 증가한다. 고경도 피삭재, 중절삭, 취성이 있는 고경도 공구 재료일 경우 작은 각으로 하고, 연한 피삭재, 경절삭, 인성이 우수한 공구 재료일 경우 큰 각으로(날카롭게) 하는 것이 좋다.
예) 공구 재료와 피삭재에 따른 여유각 적용 예
- 특히 스테인리스강 등 질긴 재질일 경우 표면거칠기 개선을 위해 크게 할 필요가 있다.
② 크레이터 마모 (Crater Wear) 절삭날 윗 경사면(Rake)에 생기는 분화구 형태의 마모를 밀한다. 보통 피삭재가 Crater 하단부에 용착되어 마모 상태 파악이 어려운 경우가 많다. 불가피한 정상 마모의 형태로 볼 수 있으나, Crater 성장 속도가 너무 빠를 경우 절삭 조건 등을 변경할 필요가 있다.
③ 칩핑 (Chipping :날끝 미세 결손) 기계적 충격으로 날끝이 미세하게 이빨 빠진 형태로 파손되는 경우를 말한다. 취성이 있는 고경도 공구로 단속 절삭할 경우 주로 발생한다. 칩핑 방지를 위해서는 상면 경사각을 음의 값으로 하는 것이 유리하다.
예를 들어 초경 엔드밀을 고속도강 엔드밀의 형상과 같이 상면 경사각을 양의 값으로 제작해 사용하면 고속가공시 칩핑이 발생하기 쉽다. 일반적으로 양의 상면 경사각은 공구인선을 예리하게 하며 절삭성이 좋아지고 절삭저항이 낮아지게 되어 절삭열의 발생도 억제할 수 있다. 그러나, 초경합금은 고속도강에 비해 경도, 내열성에서는 우수하지만 인성이 낮기 때문에 고속도강 엔드밀의 형상을 그대로 초경 엔드밀에 적용하면 고속 가공시 칩핑이 발생하기 쉽다. 따라서, 고속 가공용 초경 엔드밀은 상면 경사각을 음의 값으로 제작하여 공구인선의 강성을 증가시켜야 칩핑의 발생을 억제할 수 있다. 그러나, 상면 경사각을 음으로 하면 절삭성이 나빠지므로, 절삭성의 향상을 위하여 보통 비틀림각(Helix Angle)을 증가시키는 등의 방법을 같이 사용한다.
④ 결손 (Scratching) 칩핑보다 약간 큰 형태로 날끝이 파손되는 경우를 말한다.
⑤ 파손 절삭날 전체의 파손을 말한다.
⑥ 박리 또는 분리 (Cracking) 공구의 표피가 벗겨지는 형태로 떨어져 나가는 것을 말한다.
⑦ 소성변형 (Deformation) 절삭시의 고온으로 날끝이 소성변형을 일으키는 것을 말한다.
⑧ 균열 열 충격 등으로 공구에 금이 가는 것을 말한다.
⑨ 완전손상 공구가 완전 손상되는 것을 말하며, 공작물이나, 공구 호울더까지 같이 손상될 수 있으므로 가능한 발생하지 않도록 할 필요가 있다.
3.4.4 공구 수명 판정 기준 공구가 어느 수준 이상으로 마모되면 절삭 저항이 증가하고 가공 정도 및 표면 거칠기가 저하되며 절삭 온도도 상승하는 등 절삭 가공에 나쁜 영향을 미치므로, 공구 교체 시기 결정을 위한 공구 수명 관리는 아주 중요하다. 특히, FMS 등 무인화된 자동화 라인은 가공 상태를 감시하는 작업자가 없는 경우가 많아 공구 수명 관리가 필수적이라고 할 수 있다.
1) 공구 수명 판정 방법 공구 교체 시기 판단을 위한 공구 수명 판정 방법은 여러 가지가 있다. 각 공장별로 처한 상황에 따라 적합한 방법을 찾아 현실적인 기준을 정하고 적용할 필요가 있다. 한 공장 내에서도 장비별, 공정별로 다르게 적용할 필요도 있으며, 작업 조건에도 많은 영향을 받게 되므로 작업 표준화와 병행해서 검토하는 것이 유리하다.
① 사용 시간 또는 가공 개수 일반적으로 무인 자동화 라인에 적용하기 용이한 공구 수명 판정 기준이라고 할 수 있다. 단, 사용 조건에 따라 공구 수명이 영향을 받게 되므로, 충분한 사전 공구 수명 조사가 선행되어야 한다. 정삭 여유 등 절삭 조건, 공구 재료 및 공구의 기하학적 형상, 절삭유제 등도 공구 수명에 큰 영향을 미치므로 공구 수명 조사와 함께 제조 원가를 고려한 최적의 조건을 찾는 노력도 병행할 필요가 있다.
② 절삭 동력 (주축 모터 부하 또는 공구 동력계) 공구 마모가 진행되면 일반적으로 절삭 저항이 커지고, 주축 모터에 걸리는 부하도 증가한다. 물론, 공구가 완전히 파손되어 공회전 상태가 되면 주축 부하는 급격하게 감소한다. 보통은 새 공구를 설치한 상태에서 가공 개시부터의 시간 경과에 따른 주축 모터 부하 변화를 CNC에 기억시켜 두고, 다음 제품부터는 기억된 주축 모터 부하 전류와의 차이값으로 공구 마모 상태를 감시하도록 하는 방법을 사용한다. 예를 들면 기억된 주축 모터 부하 전류값과 몇 % 이상 차이가 날 경우(이 기준은 사전에 설정), 공구 이상으로 판단하도록 하는 등의 방법이다. 단, 절삭 깊이가 아주 작은 정삭 등의 경우, 주축 모터 부하 변동이 작아 적용이 어렵고, 가공량이 일정치 않은 주물이나 단조품의 표피 제거 가공시 등도 적용이 어렵다.
주축 모터 부하 대신, 압전 소자나 변형 게이지(Strain Gauge)로 절삭 저항을 직접 측정할 수 있도록 한 공구 동력계(Tool Dynamometer)를 사용하는 경우도 많이 실용화되고 있다.
③ 다듬질면 상태 공작물의 표면 상태를 육안으로 보고 공구 상태를 판단하는 방법이다. 작업자가 가공 상태를 계속 감시할 수 있는 범용 장비 작업 등의 경우에 적용할 수 있다.
④ 마모량 일반적으로 육안으로 쉽게 관찰이 가능한 여유면 마모량을 공구 교환 시기에 대한 판단 기준으로 사용한다. 다만, 공구 마모는 정상적인 사용조건에서 일정한 속도로 증가하는 경향을 보이지만, 저속에서는 약간 다른 형태로 마모가 진행될 수 있으므로 마모 정도를 공구 교체 시기 판단 기준으로 활용시 신중하게 결정할 필요가 있다. 예를 들어, 고속도강 드릴 사용시 어느 정도 마모가 진행된 상태에서 오랫동안 더 이상 마모가 진행되지 않는 상태가 지속되는 경우가 많다.
또한, 공구 마모량을 공구 교환 시기에 대한 판단 기준으로 사용할 경우, 재연마 사용 가능 횟수 등도 같이 고려해야 된다. 예를 들면, 정삭 엔드밀의 경우 공구비 절감을 위해 재연마 사용 가능 횟수를 최대한 늘릴 필요가 있으며, 이를 위해 재연삭량을 0.02mm로 관리한다면, 그에 따른 여유면 마모 허용 기준을 정해주어야 된다.
⑤ 공작물 치수 변화 공작물의 치수 변화로 공구 상태를 판단하는 방법이다. 일반적으로 작업자가 가공 작업중 공작물의 치수를 쉽게 직접 측정할 수 있는 경우에 적용한다. 예를 들면, 한계 게이지를 이용한 나사의 측정, 또는 실린더 게이지를 이용한 리이머나 보링바 가공 구멍 등이 될 수 있다. 무인 자동화 라인의 경우는 공작 기계에 자동 측정 기능 등을 부착해 측정하거나, 시스템 구성 장비에 3차원 측정기(Coordinate Measuring Machine)를 포함시키는 등의 방법을 사용한다.
⑥ 진동 절삭 가공시의 진동이나 소리로 공구 상태를 판단하는 방법이다. 일반적으로 작업자가 가공 상태를 감시할 수 있는 경우는 경험이나 감각을 이용한다. 근래에는 무인 자동화에 적용하기 위해 가공중 발생하는 초음파(Acoustic)로 가공 상태를 감시하는 방법도 시도되고 있다.
⑦ 공구 파손 공구가 파손될 때까지를 공구 수명으로 하는 방법이다. 단, 공구가 파손될 때까지 사용할 경우 공구 파손시 공작물이 손상될 수 있고, 공구 호울더도 같이 파손될 수 있으므로 파손 전에 교체해 줄 수 있도록 하는 방법을 찾아 적용하는 것이 좋다.
2) 공구 손상 기준 공구 손상에 대한 기준은 일반적으로 여유면 마모량과 크레이터 마모량이 사용된다.
- ISO와 JIS의 공구 손상 판정 기준 단위 : mm
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