KR100497655B1 - 고경도 소재의 고속가공용 엔드밀 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고경도 소재의 고속가공(일반 가공의 약 3배 이상)을 위해, 최적의 공구형상 설계를 통하여 공구수명을 길게 한 엔드밀 공구에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 엔드밀 공구의 기하학적 형상의 각 조건의 최적치를 구함으로써, 공구수명을 연장시키고자 하는데 기초하고 있다. 본 발명에 의하면, 고경도 소재인 금형강을 고속영역에서 절삭하기 위하여, 엔드밀의 날수를 6개, 비틀림각도(Helix angle)를 45도, 경사각(rake angle)을 -15도, 여유각(relief angle)를 12도로 구성하여, 공구의 강성(힘/변형)을 증대시켜 공구수명을 향상시키고자 한다.

Description

고경도 소재의 고속가공용 엔드밀 공구{Long tool life End-mill tool for high speed machining of high-hardened material}

본 발명은 엔드밀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최적의 설계조건을 가지도록 함으로써, 일반 가공의 수배에 해당하는 고속가공에서 공구수명을 연장시킬 수 있도록 구성되는 엔드밀공구에 관한 것이다.

산업현장에 있어서, 최근의 전반적인 흐름은 고객의 다양한 요구를 충족시키기 위하여, 다품종 소량 생산화되는 경향이다. 이와 같이 제품의 수명주기(life cycle)가 짧아짐에 따라서, 금형의 신속한 생산이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 생산성 향상 및 원가절감 등의 요구조건을 만족시키면서 고정도의 기계가공을 수행하기 위해서는 일반가공의 3배 이상으로 가공하는 고속가공(high-speed machining)의 기술 도입이 필수적이다.

고속가공이란 소재 제거율(MRR:Material Removal Rate)을 크게 향상시킴으로써 생산비용 및 생산시간을 단축시키는 가공기술을 말한다. 현재까지 추구된 고속가공에 대한 세가지 방향으로 나누어진다. 초기에 추구된 것으로 티타늄합금과 같은 고경도 난삭재 가공시, 심각한 공구마모의 발생에 대한 대책과, 고속가공을 통해 소재 제거율을 높임으로써 생산성을 향상시키고, 정삭 가공에 고속 가공을 적용해 가공 표면 품질과 가공 정도의 개선을 추구하고, 생산성 향상과 가공 품질 개선 등을 동시에 추구하는 것이었다.

일반적인 절삭가공뿐만 아니라 고속가공에서도 절삭속도는 다음 사항을 고려하여 선정된다. 피삭재(알루미늄 합금, 티타늄 합금, 니켈 합금, 탄소강), 가공 방법(선삭, 밀링, 드릴 등), 공작기계(동력·정적·동적 강성), 절삭공구(고속도강, 초경합금, 세라믹,CBN, 다이아몬드 등), 부품의 요구 조건(형상, 크기, 강성, 정밀도 등) 등이다. 이 밖에도 칩 배출의 용이성, 안정성 및 경제성 등에 따라서 선정되어지므로 고속가공에 대한 절대적 절삭속도를 정의하기는 어렵다.

이는 피삭재의 종류에 따라서 적절한 공구수명 내에서 가공할 수 있는 절삭속도에 큰 차이가 나기 때문이다. 그래서 고속가공을 주변형 영역에서 전단의 국부화가 완전히 일어나는 속도이상이라 함은 대부분의 현재 현장에서 사용되는 가공속도보다 현저히 높은 경우로 부르는 것이 일반적이다.

고속가공의 절삭특성을 보면, 먼저 절삭현상에서 절삭은 공구 또는 피삭재가 이동함에 따라 피삭재가 탄성변형, 소성변형을 거쳐 칩의 형태로 제거하는 과정이다. 대부분의 재료들은 재료시험에서, 변형률(strain) 0.002(0.2%)에서 항복(yield)하고, 0.01~0.1의 범위에서 파단된다.

그리고 인장시험에서의 단위시간당 변형률(strain rate)의 크기는 약 10^-3/sec, 충격시험(impact test)에서는 약10³/sec의 크기가 된다. 그러나 절삭에서 칩 형성시의 변형률은 1 이상(2~5)의 크기가 되고, 변형률 변화율(strain rate)의 크기가 약10⁵/sec 으로 매우 큰 값이 된다. 재료시험에서와 달리 칩 형성과정에서 파단이 일어나지 않는 것은, 열 발생과 높은 압력에 기인한다.

고속가공에서는 가공속도의 증가에 따라 보다 높은 절삭온도가 되며 높은 절단변형으로 인하여 발생하는 단열전단(adiabatic shear)현상으로 피삭재가 국부적으로 연화(softening)되어 상온의 전단강도보다 작은 값의 고온 전단강도를 갖게 된다. 고온 고압으로 인하여 국부적으로 피삭재가 유체거동(hydrodynamic behavior)하는 양상을 보이게 되며, 공구의 경사면에서 국부적으로 전단변형이 일어나는 경계층(boundary layer)이 칩 두께에 대한 경계층의 비는 0.02~0.05의 크기이다. 변형률 변화율은 10⁸/sec이상이 된다.

고온 고압으로 인한 피삭재의 연화현상(softening)으로 칩 유동층(flow zone)에서의 전단강도가 작아지고 칩의 유동이 보다 원활하게 되며 그 결과 절삭력이 감소하게 된다. 또한 전단각의 증가로 칩의 두께가 얇아지고 칩의 배출속도가 절삭속도보다 커지게 되어 칩의 배출 특성이 좋고 표면 품질의 저하가 감소하게 된다.

절삭속도가 증가함에 따라 절삭온도가 증가하게 되며, 결과적으로 일반가공보다 공구의 마멸이 증가하게 된다. 일반적인 저속가공에서는 물리적인 접촉으로 연삭에 의한 마멸이 주로 되는 반면, 고속가공에서는 높은 절삭온도에 기인하여 확산(diffusion)에 의한 마멸이 주로 발생한다.

이와 같은 고속가공에 있어서 공구의 발전속도는 상대적으로 느린 상황이며, 공구 성능의 발전방향은 공구모재의 개선, 공구의 코팅소재의 개발에 의해 이루어지고 있다.

그리고 본 발명에서 적용하고자 하는 엔드밀이란, 기계 가공 중 밀링공작기계라고 하는 가공기에 사용되는 절삭공구를 밀(mill)이라고 하는데, 그 끝 단부에도 인선이 있어서, 엔드밀이라고 칭한다. 엔드밀은 정면 밀링공구에 생크부를 부가하여 세장형으로 만든 공구로서 둥근 환봉상의 고속도강이나, 초경합금 같은 경질 공구 재료 상에 고정밀의 날(flute) 및 여유면(flank)을 연삭하여 인선(cutting dege)을 만들고, 이를 회전시킴과 동시에 이송시켜 알미늄 및 강 등의 단단한 피삭재를 사용 용도에 맞도록 외주인으로 가공물의 측면을 절삭하거나, 저인(다면)으로 가공물의 상수직 어느 방향으로도 자유자재로 사용이 가능하여 1개의 공구로 정면절삭, 측면절삭, 단절삭, 홈절삭, 그리고 곡면절삭이 가능하고, 경우에 따라서는 구멍가공이나 카운터 보어 가공이 가능하게 때문에 공구중에서는 다양한 용도로 사용되고 있다. 따라서 엔드밀은 기계가공 중에서 없어서는 안되는 중요한 공구이고 대단히 높은 비중을 차지하고 있다고 할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 엔드밀 공구의 형상을 결정하는 주요 인자로서는 경사각, 여유각, 비틀림각 등을 들 수 있다. 현재의 엔드밀은 거의 동일형상(날의 수가 2날 또는 4날, 헬릭스각 30도 내외, 경사각 +5~+10도, 여유각 +7도 ~ +10도)으로 생산되고, 여러 피삭재를 동시에 사용하고 있는 실정이다.

특히 경사각은 바이트의 경우와 같이 칩의 유출이나 접촉한 면의 경사를 표시하는 것으로, 주로 양(+)의 경사각을 채용하고 있다. 이는 절삭날이 예리하게 되어 절삭저항은 감소하지만, 강성(힘/변형)의 감소로 칩핑(chipping;절삭날의 미소한 파손현상)이 발생하기 쉬운 구조이다. 이러한 이유로 고경도소재에서는 불리하게 되는 것은 당연하다.

따라서 고경도소재와 같이 단단한 소재의 가공에서는 가공 메카니즘상에서 볼 때, 음의 경사각을 채용하면 공구의 강성을 크게 할 수 있어서 가공이 용이하게 된다.

본 발명은, 기존의 범용 가공에서 사용중인 엔드밀 공구형상으로는 고속가공에 적용할 수 없다는 절삭 가공학적 이론을 바탕으로, 그 문제점을 해결하기 위하여 엔드밀의 기하학적 형상을 고려하여 고경도소재와 고속가공 조건의 특성을 만족할 수 있도록 구성하고자 하는데 목적을 두고 있다.

본 발명의 다른 목적은 고경도소재의 고속가공에서도 장시간 동안 사용할 수 있는 공구를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 엔드밀의 날수를 6개로 형성하고, 비틀림각(helix angle)을 45도, 경사각을 -15도, 여유각을 12도로 구성하는 것이, 고속가공에 있어서의 공구수명을 향상시키는데 최적 설계임을 알 수 있다.

이와 같은 최적설계조건을 구현하는 것에 의하여, 고속가공에서의 공구수명을 연장하는 것이 가능하게 됨을 하기의 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있을 것이다.

다음에는 도면을 참조하면서, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공구의 성능을 결정하는 공구형상 인자들은, 크게 날수, 헬릭스각(Helix Angle), 절삭날(Cutting Edge), 경사각(Rake Angle), 여유각(Relief Angle), 경사폭(Rake Width), 플롯 깊이 (Flute Depth) 등을 들 수 있다.

본 발명에서는 고속가공시 공구성능에 가장 지배적인 영향을 미치는 헬릭스각과 절삭날수 그리고 경사각과 여유각에 대한 특성을 분석하였다. 일반적인 각 인자들에 대한 특성을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

헬릭스각은 공구의 비틀림정도를 결정하는 인자로 헬릭스각이 커지게 되면 측면가공시 동일한 축방향 절입 깊이에 대해 각 절삭날이 절삭에 참여하는 길이와 시간이 증가하게 되어 긴 칩을 배출하게 된다. 따라서 절삭가공시 절삭날에 수직 방향으로 작용하는 충격력을 감소시키는 역할을 한다.

절삭날수의 경우 동일한 가공조건에서 날수가 증가하게 되면 공구의 한 회전당 공구에 작용하는 절삭력을 공구날에 고루 분포시킬 수 있다. 또한 절삭날수는 엔드밀의 칩포켓(Chip Pocket)의 크기를 결정하는데 칩배출이 문제시되는 저속의 홈가공 등에는 칩포켓의 크기를 증가시키기 위해서 적은 날수의 공구를 사용하고 칩배출보다는 공구의 강성이 중요한 고경도재 가공의 경우에는 날이 많은 공구로 가공하게 된다.

경사각은 절삭시 전단각을 결정하는 인자로 칩과 공구의 간섭을 결정하게 된다. 경사각이 커지면 절삭날이 예리하게 되어 절삭저항은 감소하나 강성의 감소로 칩핑(Chipping)의 발생이 용이해 지는 단점이 있다. 반면 경사각을 작게하면 강성을 크게 할 수 있는 장점이 있다.

여유각은 절삭날과 가공물과의 마찰을 결정하는 인자로 여유각이 크면 재료 침투가 용이하고 여유각이 작으면 절삭날을 강화시킬 수 있다. 일반적으로 공구의 여유각은 7˚~10˚를 많이 채용하여 사용하고 있다.

본 발명을 하기 위하여 공구형상에 대한 시뮬레이션을 실시하여 적합한 공구형상 설계를 한 후 고속가공기에서 가공성 평가를 실시하였다.

먼저 이러한 공구형상 인자들의 영향을 고려하여 실제 공구를 제작하고 실험하기 앞서 제작할 공구에 대해서 Pro-Engineer, ANSYS, TWA등의 상용 프로그램을 이용하여 공구를 모델링하고 유한요소 해석을 통해 분석하였다.

시뮬레이션에 있어서 형상변화 변수는 절삭날 수 (2날, 4날, 6날), 헬리스각(30˚, 45˚,60˚), 경사각(-15˚,-5˚,5˚), 여유각(4˚,8˚,12˚)이다. 이러한 변수를 고려하여 Pro-Engineer에서 공구들을 모델링하고 ANSYS에서 모달해석(Modal Analysis)을 통해 각 공구의 고유진동수와 최대 변형량을 구하였다.

이러한 시뮬레이션 결과를 통하여 선정한 공구형상으로 공구제작을 하여 가공특성을 평가하기 위해 공구수명, 절삭력, 표면조도, 공구마멸형상 등을 측정 인자로 정하여 실험하였다.

시뮬레이션 결과는 다음과 같다.

절삭날 수에 관한 모달(Modal)해석 결과 공구의 최대 변형량은 날수가 증가할수록 감소하였으며, 공구의 고유 진동수는 날수가 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었다. 4날공구로 주축 회전수 12,000rpm로 절삭할 경우 절삭 진동수는 800Hz정도인 것을 감안할 때, 50Hz정도는 매우 낮은 값이다. 이는 평 엔드밀 공구가 툴 홀더(Tool Holder)로부터 돌출되어 있는 부분만을 고려하여 해석한 결과로서 실제 툴 홀더에 고정되면 이보다 높은 고유진동수를 나타낼 것으로 사료된다. 실제 툴 홀더에 고정한 상태에서 고유진동수를 측정한 결과 110Hz정도 나타내는 것으로 밝혀졌다.

시뮬레이션결과 날수가 증가함에 따라 고유 주파수는 증가하나 최대변형량이 감소한다는 것은, 날수의 증가로 칩 포켓이 작아져 공구의 단면적과 질량의 증가에 비해 공구의 강성이 상대적으로 더 증가한 결과로 사료된다. 또 고속가공에 있어 공구의 고유진동수와 절삭주파수의 차이가 크므로 공구의 강성을 증가시키기 위해 공구의 날수를 증가시키는 것이 바람직한 것으로 사료된다.

헬릭스 각의 경우 전반적으로 절삭날의 해석결과와 유사한 크기의 고유주파수와 최대변형량을 나타내었으나 45˚ 헬릭스각 공구가 최대 변형량이 가장 작고, 고유 진동수도 작게 나타났다. 이는 동일한 날수에서 헬릭스각과 공구의 강성이 비례적인 관계가 아님을 보여주는 것으로 실제 공구수명이 헬릭스각과 선형적으로 비례관계가 아닐 수 있음을 보여주는 것이라 사료된다.

경사각 변화(-15˚,-5˚,5˚)에 따른 모달 해석결과에서 경사각은 헬릭스각과 날수에 비해서 공구 절삭날부에 한정된 미소 형상이므로 경사각이 음의 각에서 양의 각으로 변해도 최대 변형량과 고유 진동수가 거의 유산한 값을 나타내어 경사각의 특성을 파악하기가 힘들었다. 그래서 TWA를 이용하여 실제 엔드밀 가공을 시뮬레이션하여 그 특성을 파악했다. 그 결과 양의 경사각 공구보다 음의 경사각 공구들의 절삭력이 더 큰 값을 나타내며 음의 경사각이 커질수록 절삭력의 크기는 증가하게 된다. 시뮬레이션결과 공구 전체의 강성에는 경사각이 큰 영향을 미치지 못하였으므로 공구에 음의 경사각을 적용할 경우 초반에 큰 절삭부하에 견딜 수 있는 절삭날부의 설계가 이루어져야함을 알 수 있다.

TWA를 사용하여 경사각의 변화에 따라 공구의 공작물에 나타나는 잔류 응력을 관찰하였다. 경사각만의 특성을 파악하기 위하여 여유각은 모두 -15˚로 동일하게 모델링하였다. 동일한 소재와 동일한 절삭조건으로 가공 후, 공구와 공작물에 남는 잔류응력의 크기는 절삭시 공구와 공작물에 작용하는 절삭부하에 영향을 받는다. 앞에서 살펴보았듯이 공구에 음의 경사각을 적용하면 가공초기 절삭력이 커서 공작물과 공구에 더 많은 영향을 미치는 것으로 파악되었다.

이론적으로 여유각은 공구와 공작물의 마찰에 관여하는 것으로 여유각이 증가함에 따라 공작물과 마찰감소로 절삭력이 감소하는 경향을 보였다. 하지만 경사각의 경우보다는 절삭력 크기의 차가 크게 나타나지 않는 시뮬레이션 결과를 보였다.

여유각의 변화에 따른 잔류 응력 결과는 공구의 여유각이 12˚인 경우에는 공구와 공작물간의 마찰이 감소하여 공작물 표면에만 약 500MPa 정도의 압축 잔류 응력이 남는 것으로 나타났다. 반면 공작물 표면에는 약 300MPa의 압축 잔류응력이 남았으며 여유각이 작아질수록 공작물과 공구 전반에 인장 잔류응력의 영역이 넓게 나타났다.

그러므로 여유각의 경우만 고려한다면 공작물과 마찰을 줄이기 위해 가능한 큰 여유각을 주는 것이 가공성을 향상시키는 방법이라 생각된다.

절삭날 수, 헬릭스각, 경사각, 여유각의 변화에 따른 공구의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 각 공구형상 인자들이 공구의 수명이나 가공성에 미치는 영향을 실험적으로 관찰하기 위해 초경모재로 무코팅 공구를 제작하여 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제 초경소재의 공구를 제작하였다. 아주 특수한 경우를 제외하고 열처리된 금형강과 같은 고경도소재의 고속가공에는 2날 공구가 사용되지 않기 때문에 본 발명에서는 4날, 6날의 공구를 제작하여 실험을 하였다. 코팅에 의한 영향을 배제하고 순수하게 각 공구형상 인자의 특성만을 고려하기 위해서 초경모재만으로 제작된 무코팅 공구로 가공성 평가한 결과는 다음과 같다.

도 6 내지 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 6날, 45˚헬릭스각, -15˚경사각, 12˚여유각을 갖는 엔드밀이 고경도소재의 고속가공에 매우 적합하다. 공구수명 측면에서 헬릭스각의 증가에 따라 약 30 ~ 60% 의 변화를 보였으며, 45˚헬릭스각 공구가 가장 우수한 공구수명을 나타내었다. 그리고 경사각의 감소에 따라 15% 정도 수명이 향상되었고, 여유각의 증가에 따라 현저한 성능 향상을 나타내었다.

상기와 같은 결과를 정리하면, 엔드밀의 날수를 6개로 형성하고, 비틀림각(helix angle)을 45도, 경사각을 -15도, 여유각을 12도로 구성하는 것이, 고속가공에 있어서의 공구수명을 향상시키는데 최적 설계임을 알 수 있다.

도 3 및 도 4에서, 경사각(1), 여유각(2), 비틀림각(3), 절삭날(5) 등의 주요 인자를 들 수 있을 것인 바, 상술한 시뮬레이션 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 비틀림각(3)이 크면 절삭토크와 표면조도가 우수하고 수명도 길어진다. 그리고 여유각(2)이 커지면 재료침투가 용이한 반면 여유각(2)이 작으면 인선이 강화된다. 그러나 여유각을 너무 작게하면 여유면 날이 가공물에 닿기 쉬울 뿐만 아니라 날의 마멸을 촉진하고, 공구수명을 짧게 한다. 경사각(1)이 크면 예리한 인선을 가지고 그에 따라 마찰계수가 감소되어 절삭저항을 감소시킬 수 있는 특징이 있지만 날끝의 강도가 떨어지고 채터링을 일으키거나 칩핑을 일으키기 쉽다. 미설명 도면부호 4는 칩포켓, 6은 공구지름, 7은 공구길이를 의미한다.

도 5는, 기존에 사용하고 있는 대표적인 엔드밀 형상(날수 4개, 비틀림각 30도, 경사각 5도, 여유각 8도)을 가지는 엔드밀공구와, 본 발명에 의한 설계조건을 가지는 엔드밀을 비교한 결과를 보이고 있다. 그리고 고경도소재를 12,000rpm, 날당 이송 0.05mm/tooth로 가공하여 공구수명인 가공거리를 나타낸 것으로써, 공구수명이 약 2.4배(240%) 향상됨을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의한 엔드밀 공구는 공구의 강성을 증가시키는 구조로 고경도재료의 고속가공에서 장시간의 수명을 가질 수 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명은 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 최종적으로 고속가공에 대응할 수 있는 형상을 가지고 있어서, 공구수명이 현저하게 향상되고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 엔드밀공구를 고속가공에 사용함으로써, 생산비용의 감소에 따른 원가절감을 도모할 수 있을 것임은 당연하다.

도 1은 일반적인 엔드밀공구의 단면도.

도 2는 일반적인 엔드밀공구의 측면도.

도 3은 본 발명에 의한 엔드밀공구의 예시 정면도.

도 4는 본 발명에 의한 엔드밀공구의 예시 단면도.

도 5는 본 발명의 엔드밀과 종래의 엔드밀공구의 공구수명과의 관계를 보인 그래프.

도 6은 비틀림각과 공구수명과의 관계를 보인 그래프.

도 7은 절삭날과 공구수명과의 관계를 보인 그래프.

도 8은 경사각(rake angle)과 공구수명과의 관계를 보인 그래프.

도 9는 여유각(relief angle)과 공구수명과의 관계를 보인 그래프.

Claims (1)

1. 고경도소재의 고속가공을 위해서 엔드밀의 날수를 6개로 형성하고, 비틀림각(helix angle)을 45도, 경사각을 -15도, 여유각을 12도로 구성하는 것을 특징으로 하는 엔드밀 공구.