CNC 윤곽 밀링이란 무엇인가? 이송 경로 및 절삭 조건 설계

CNC 가공에서, 공구 위치점이 공작물 대비 따라가는 경로를 ‘가공 경로’라고 합니다. 가공 경로의 설계는 치수 정밀도와 표면 거칠기에 직접적인 영향을 미칩니다. 적절한 가공 경로는 다음 네 가지 원칙을 따라야 합니다:

1. 높은 효율을 유지하면서 요구되는 정밀도와 표면 마감을 달성해야 합니다.
2. 이를 통해 수치 계산을 간소화하고 프로그래밍 작업량을 줄일 수 있을 것입니다.
3. 프로그램 블록과 비가공 시간을 모두 줄이기 위해 가능한 한 짧게 해야 합니다.
4. 이는 사용 가능한 재고 허용량과 기계, 공구 및 공작물의 강성을 반영해야 합니다.

리드인, 리드아웃 및 공구 반경 보정

윤곽 밀링 가공에서는 일반적으로 커터 반경 보정이 필요합니다. 공구 경로는 커터가 공작물에 진입하기 전에 보정을 설정해야 하며, 커터가 공작물에서 완전히 이탈한 후에야 보정을 해제해야 합니다.

프로파일에 진입하거나 이탈할 때, 커터는 윤곽선에 접하는 직선이나 호를 따라 이동해야 합니다. 접선 방향으로 진입 및 이탈하면 수직 접근 시 발생할 수 있는 공구 자국을 방지할 수 있으며, 완성된 윤곽을 매끄럽게 유지하는 데 도움이 됩니다.

한 가지 간단한 방법은 커터가 점 S에서 윤곽선 방향으로 직선으로 이동하는 동안 반경 보정을 적용하는 것입니다. 이후 커터는 직선으로 S 지점으로 되돌아오며, 복귀 과정에서 보정이 해제됩니다. 이 직접적인 방식은 효율적이지만, 커터가 윤곽선과 접촉하는 지점에 눈에 띄는 접촉 자국이 남을 수 있습니다. 따라서 윤곽선 요구 사항이 엄격하지 않은 경우에 더 적합합니다.

고품질의 윤곽 가공을 위해, 완성된 프로파일과 접촉하지 않는 S 지점에서의 직선 이동 중에 반경 보정이 설정됩니다. 보정이 활성화된 상태에서 호를 그리며 커터가 자연스럽게 접선 방향으로 원형 윤곽 안으로 진입합니다. 윤곽 가공이 완료된 후에는 이탈 순서가 반대로 진행되며, 마지막 직선 복귀 이동 중에 보정이 해제됩니다.

외부 윤곽의 밀링 가공이 완료되면, 커터는 프로파일 외부에서 접선 방향으로 진입해야 하며, 가공이 끝난 후에는 접선 방향을 따라 후퇴해야 합니다.

윤곽 밀링의 절삭 조건

축방향 및 반경방향 절삭 깊이

플루트 길이, 즉 측면 절삭날 길이는 최대 절삭 깊이를 결정합니다. 실제로 Z 방향의 축 방향 절삭 깊이(a_p)는 커터 직경의 1.5배를 초과해서는 안 됩니다. 반경 방향 절삭 깊이(a_w)는 커터의 반지름을 초과해서는 안 됩니다.

직경이 더 작은 엔드밀은 충분한 강성을 유지하기 위해 절삭 깊이를 더 얕게 해야 합니다.

엔드밀로 가공되지 않은 표면을 황삭할 때, 공작기계-공작물 시스템이 허용한다면 톱니 모양의 황삭용 엔드밀을 사용하여 중절삭을 수행할 수 있습니다. 제거해야 할 여유가 큰 경우, 직경이 더 크고 길이가 더 짧은 엔드밀을 사용하는 것이 바람직합니다.

이러한 조합은 고부하 절삭 시 커터의 진동과 변형을 방지하거나, 적어도 두 가지 현상을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

이송 속도

작동 조건에 따라 이송 속도가 달라집니다. 이송 운동은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다:

• 고속 이동 속도: 비절삭 이동에 사용되는 이송 속도.
• 가공 이송 속도: 입력, 출력 및 절단 과정에서 사용되는 작업 피드.

효율을 높이고 비가공 시간을 줄이기 위해서는 급속 이동을 가능한 한 빠르게 해야 하며, 일반적으로 기계가 허용하는 최대 속도를 사용합니다.

가공 이송 속도 (v_f)는 커터 속도와 관련이 있다 (n), 치아 수 (z), 그리고 치아당 사료량 (f_z) 다음과 같이:

v_f = f_z · z · n      식 (5-1)

여기서:

• v_f 이것이 이송 속도입니다;
• f_z 이는 치아당 이송량으로, 치아당 밀리미터(mm/치아) 단위입니다;
• z 는 커터 톱니의 개수이며; 그리고
• n 는 커터의 회전 속도입니다.

치아당 사료량 (f_z)는 주로 공작물 재질의 기계적 특성, 절삭공구 재질 및 요구되는 표면 거칠기에 따라 선정됩니다.

공작물의 강도와 경도가 높아짐에 따라, f_z 줄어들어야 한다; 줄어들면, f_z 증가할 수 있습니다. 카바이드 커터는 일반적으로 동급의 고속강 커터보다 톱니당 더 높은 이송량을 허용합니다.

표면 거칠기 요구 사항이 더 엄격해지면 더 작은 f_z. 강성이 낮은 공작물이나 강도가 제한적인 절삭공구의 경우에도 더 작은 값을 설정해야 합니다.

원호상의 이송 속도

원형 보간 시, 절삭 지점에서의 실제 이송 속도는 (v_T)는 커터 중심에서의 선택된 이송 속도와 다릅니다 (v_f) 호의 반지름 때문에.

외부 아크의 경우, 절삭 지점에서의 실제 이송 속도는 다음과 같습니다:

v_T = RR + r · v_f

따라서: v_T < v_f

내부 아크의 경우, 절삭 지점에서의 실제 이송 속도는 다음과 같습니다:

v_T = RR − r · v_f

따라서: v_T > v_f

만약 R ≈ r, 절삭 지점에서의 실제 이송 속도가 극도로 높아져 공구나 가공물을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 프로그램된 이송 속도를 선정할 때는 아크 반경의 영향을 반드시 고려해야 합니다.

이 외에도 이송 속도 선정에 영향을 미치는 다른 특수 요인들이 있습니다. 예를 들어, 등고선 가공의 경우, 가공 시스템의 관성이나 변형으로 인해 모서리 부분에서 오버트래블이나 언더트래블이 발생할 수 있습니다.

커터가 높은 이송 속도로 A 지점에서 B 지점 방향으로 이동할 경우, 관성으로 인해 B 모서리에서 오버트래블 및 과절삭이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 모서리의 여분이 제거되어 윤곽 오차가 발생합니다.

이 문제는 이송 속도를 가변적으로 조절함으로써 해결할 수 있습니다. 모서리에 도달하기 전에 이송 속도를 적절히 줄인 다음, 절삭 공구가 모서리를 지나간 후에는 이송 속도를 서서히 높여야 합니다.

엔드밀 스핀들 회전 속도

강철을 가공할 때는 일반적으로 인덱서블 초경 엔드밀을 표준 HSS 커터보다 더 높은 스핀들 속도로 작동시켜야 합니다.

초경합금 가공 시 스핀들 속도가 증가하면, 절삭날과 접촉하는 강재의 온도도 함께 상승합니다. 이로 인해 재료가 국부적으로 연화되어 더 유리한 절삭 조건이 조성됩니다.

초경 커터를 사용할 때의 스핀들 속도는 일반적으로 표준 HSS 커터를 사용할 때보다 3~5배 빠릅니다. 인덱서블 초경 엔드밀을 너무 낮은 스핀들 속도로 가동하면 초경 재질이 파손되거나 심지어 고장이 발생할 수도 있습니다.

그러나 고속강용 절삭공구의 경우, 스핀들 회전수가 지나치게 높으면 공구 마모가 가속화됩니다.

적절한 절삭 속도 표를 참고하여 밀링 속도를 선택할 수도 있습니다.

[이미지 자리 표시자: 밀링 절삭 속도 참조표]

그림: 밀링 절삭 속도 참조표

진동 및 절삭 조건 보정

엔드밀은 가공 중에 진동이 발생할 수 있습니다. 일반적인 원인으로는 공구 고정 불량, 홀더에서 커터의 돌출이 지나치게 큰 경우, 얇은 벽을 가공할 때 절삭 깊이 또는 이송 속도가 과도한 경우, 그리고 커터의 처짐 등이 있습니다.

진동으로 인해 엔드밀의 주변 절삭날 주변에서 불균일한 접촉이 발생합니다. 이로 인해 실제 절삭 하중이 설계치를 초과할 수 있으며, 결과적으로 가공 정밀도와 공구 수명이 저하됩니다.

진동이 발생하면 절삭 속도와 이송 속도를 모두 줄이십시오. 두 값을 40%만큼 줄인 후에도 상당한 진동이 지속되면 절삭 깊이를 줄이십시오.

여전히 진동이 지속된다면, 가공 방법과 설비의 강성을 점검하십시오.