CNC 밀링 도구 마모는 절삭 가공에서 가장 기본적인 명제 중 하나입니다. 공구 마모를 정의하고 이해하면 공구 제조업체와 사용자가 공구 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 오늘날의 공구 코팅 기술은 생산성을 크게 높이는 동시에 공구 수명을 더욱 연장하는 효과적인 수단을 제공합니다.
CNC 가공 도구 마모 메커니즘
열과 마찰은 금속 절삭에서 생성되는 에너지의 형태입니다. 높은 표면 하중과 공구의 레이크 면을 따라 미끄러지는 칩의 고속으로 인해 생성되는 열과 마찰은 공구를 매우 까다로운 가공 환경에 놓습니다.
절삭력의 크기는 다양한 가공 조건(예: 공작물 소재에 단단한 구성 요소가 있거나 단속 절삭)에 따라 변동하는 경향이 있습니다. 따라서 높은 절삭 온도에서 강도를 유지하려면 공구가 우수한 인성, 내마모성 및 높은 경도를 포함한 몇 가지 기본 특성을 가져야 합니다.
공구/작업물 인터페이스의 절삭 온도는 거의 모든 공구 재료의 마모율을 결정하는 주요 요인이지만 절삭 온도를 계산하는 데 필요한 매개변수 값을 결정하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 절삭 테스트 측정 결과는 일부 경험적 방법의 기초를 마련할 수 있습니다.
일반적으로 절삭에서 생성된 에너지는 열로 변환되고, 이 열의 80%는 칩에 의해 운반된다고 가정할 수 있습니다(이 비율은 여러 요인, 특히 절삭 속도에 따라 다름). 나머지 20% 정도는 공구로 전달됩니다. 중간 정도의 경도를 가진 강철을 절삭할 때에도 공구 온도는 550°C를 초과할 수 있는데, 이는 고속 강철이 경도를 낮추지 않고 견딜 수 있는 최대 온도입니다. 다결정 입방정 질화붕소(PCBN) 공구로 경화된 강철을 절삭할 때 공구와 칩의 온도는 일반적으로 1000°C를 초과합니다.
절삭 공구 마모 및 공구 수명
공구 마모에는 일반적으로 다음과 같은 유형이 포함됩니다. 측면 마모, 긁힘 마모, 크레이터 마모, 절삭날 무디어짐, 절삭날 깨짐, 절삭날 균열, 치명적인 파손.
공구 수명에 대한 보편적으로 수용되는 정의는 없으며, 일반적으로 다양한 작업물과 공구 재료, 그리고 다양한 절삭 공정에 따라 달라집니다. 공구 수명의 종점을 정량적으로 분석하는 한 가지 방법은 허용 가능한 최대 플랭크 마모 한계(VB 또는 VBmax로 표시)를 설정하는 것입니다. 공구 수명은 예상 공구 수명에 대한 Taylor의 공식으로 표현할 수 있습니다. 즉,
VcTn=C
이 공식의 보다 일반적인 형태는 다음과 같습니다.
VcTn×Dxfy=C
여기서 Vc는 절삭 속도입니다. T는 공구 수명입니다. D는 절삭 깊이입니다. f는 이송 속도입니다. x와 y는 실험적으로 결정됩니다. n과 C는 실험이나 공개된 기술 데이터에서 결정된 상수로서, 공구 소재, 작업물 및 이송 속도의 특성을 나타냅니다.
최적의 공구 기판, 코팅 및 최첨단 준비 기술의 지속적인 개발은 공구 마모를 제한하고 절삭 고온을 견뎌내는 데 필수적입니다. 이러한 요소는 인덱서블 인서트에 사용된 칩 브레이커 및 코너 아크 반경과 함께 다양한 작업물 및 절삭 작업에 대한 각 공구의 적합성을 결정합니다. 이러한 모든 요소의 최상의 조합은 공구 수명을 연장하고 절삭 작업을 보다 경제적이고 안정적으로 만들 수 있습니다.
도구베이스 변경
텅스텐 카바이드의 입자 크기를 1-5µm 범위로 변경함으로써 공구 제조업체는 카바이드 공구의 매트릭스 특성을 변경할 수 있습니다. 기본 재료의 입자 크기는 절삭 성능과 공구 수명에 중요한 역할을 합니다. 입자 크기가 작을수록 공구의 내마모성이 더 좋습니다. 반대로 입자 크기가 클수록 공구가 더 강하고 튼튼해집니다. 미세 입자 매트릭스는 주로 항공 우주 등급 재료(예: 티타늄 합금, 인코넬 합금 및 기타 고온 합금)를 처리하는 블레이드에 사용됩니다.
또한, 6%-12%로 시멘트 카바이드 공구 소재의 코발트 함량을 증가시키면 더 나은 인성을 얻을 수 있습니다. 따라서 코발트 함량은 인성이든 내마모성이든 특정 절삭 공정의 요구 사항을 충족하도록 조정할 수 있습니다.
공구 매트릭스의 성능은 외부 표면에 가깝게 코발트가 풍부한 층을 형성하거나, 다른 합금 원소(예: 티타늄, 탄탈륨, 바나듐, 니오븀 등)를 시멘트 카바이드 재료에 선택적으로 첨가하여 향상될 수도 있습니다. 코발트가 풍부한 층은 절삭 날 강도를 크게 증가시켜 거친 절삭 및 단속 절삭 공구의 성능을 개선할 수 있습니다.
또한, 작업물 소재와 가공 방법에 맞는 공구 매트릭스를 선택할 때 파괴 인성, 횡파괴 강도, 압축 강도, 경도 및 열충격 저항성 등 5가지 다른 매트릭스 특성도 고려합니다. 예를 들어, 카바이드 공구가 절삭 날을 따라 칩핑이 발생하는 경우 파괴 인성이 더 높은 기본 소재를 사용해야 합니다. 공구의 절삭 날이 직접 파손되거나 손상된 경우 가능한 해결책은 횡파괴 강도나 압축 강도가 더 높은 기본 소재를 사용하는 것입니다. 절삭 온도가 더 높은 가공 상황(예: 건식 절삭)의 경우 일반적으로 경도가 더 높은 공구 소재를 선호해야 합니다. 공구에서 열 균열이 관찰될 수 있는 가공 상황(밀링에서 가장 일반적)에서는 열충격 저항성이 더 나은 공구 소재를 사용하는 것이 좋습니다.
공구 기본 소재를 최적화하고 개선하면 공구의 절삭 성능을 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 강철 부품을 가공하기 위한 Iscar의 Sumo Tec 블레이드 등급의 기본 소재는 소성 변형에 대한 저항성이 더 뛰어나 단단하고 취성 있는 블레이드 코팅에 미세 균열이 생길 가능성을 줄일 수 있습니다. Sumo Tec 블레이드의 2차 가공을 통해 코팅의 표면 거칠기와 미세 균열이 줄어들어 블레이드 표면의 절삭 열과 그에 따른 소성 변형 및 미세 균열이 줄어듭니다. 또한 주철 가공용 인서트의 새로운 기본 소재는 내열성이 더 뛰어나 더 높은 절삭 속도가 가능합니다.
올바른 코팅을 선택하세요
코팅은 또한 공구의 절삭 성능을 개선하는 데 도움이 됩니다. 현재 코팅 기술은 다음과 같습니다.
- 질화티타늄(TiN) 코팅: 이것은 공구의 경도와 산화 온도를 높일 수 있는 범용 PVD 및 CVD 코팅입니다.
- 티타늄 카보나이트라이드(TiCN) 코팅: TiN에 탄소 원소를 첨가하여 코팅의 경도와 표면 마감이 향상됩니다.
- 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 및 티타늄 알루미늄 질화물(AlTiN) 코팅: 산화 알루미늄(Al2O3) 층과 이러한 코팅의 복합 적용은 고온 절삭 공정의 공구 수명을 개선할 수 있습니다. 산화 알루미늄 코팅은 특히 건식 및 준건식 절삭에 적합합니다. AlTiN 코팅은 알루미늄 함량이 더 높고 티타늄 함량이 더 높은 TiAlN 코팅보다 표면 경도가 더 높습니다. AlTiN 코팅은 일반적으로 고속 절삭에 사용됩니다.
- 질화크롬(CrN) 코팅: 이 코팅은 접착 방지 성능이 더 뛰어나며 내장 손상 문제를 해결하는 데 가장 적합한 솔루션입니다.
- 다이아몬드 코팅: 다이아몬드 코팅은 비철 재료를 가공하는 도구의 절삭 성능을 크게 개선할 수 있으며, 흑연, 금속 매트릭스 복합재, 고실리콘 알루미늄 합금 및 기타 고연마성 재료를 가공하는 데 매우 적합합니다. 그러나 다이아몬드 코팅은 강철과의 화학 반응으로 인해 코팅과 기판 사이의 접착력이 파괴되기 때문에 강철 부품을 가공하는 데 적합하지 않습니다.
최근 몇 년 동안 PVD 코팅 도구의 시장 점유율이 확대되었고, 그 가격은 CVD 코팅 도구와 비슷합니다. CVD 코팅의 두께는 일반적으로 5-15µm인 반면 PVD 코팅의 두께는 약 2-6µm입니다. 도구 기판에 적용하면 CVD 코팅은 바람직하지 않은 인장 응력을 생성하고 PVD 코팅은 기판에 유익한 압축 응력을 제공합니다. 두꺼운 CVD 코팅은 종종 도구 절삭 날의 강도를 크게 감소시킵니다. 따라서 CVD 코팅은 매우 날카로운 절삭 날이 필요한 도구에는 사용할 수 없습니다.
코팅 공정에서 새로운 합금 원소를 사용하면 코팅의 접착력과 코팅 성능을 향상시킬 수 있습니다.
최첨단 준비
많은 경우, 인서트의 절삭날(또는 에지 패시베이션) 준비는 가공 공정의 성공과 실패를 결정하는 분수령이 되었습니다. 패시베이션 공정 매개변수는 특정 가공 요구 사항에 따라 결정되어야 합니다. 예를 들어, 강철 부품의 고속 정삭에 사용되는 인서트의 에지 패시베이션 요구 사항은 황삭에 사용되는 인서트의 요구 사항과 다릅니다. 에지 패시베이션은 거의 모든 유형의 탄소강 또는 합금강을 가공하는 인서트에 적용할 수 있지만, 그 적용은 스테인리스강 및 특수 합금을 가공하는 인서트에 다소 제한적입니다. 패시베이션 양은 0.007mm만큼 작거나 0.05mm만큼 클 수 있습니다. 혹독한 가공 조건에서 절삭날을 향상시키기 위해 에지 패시베이션은 작은 T-리브 밴드를 형성할 수도 있습니다.
일반적으로 대부분의 강철 및 주철의 연속 선삭 작업 및 밀링에 사용되는 인서트는 높은 수준의 에지 패시베이션이 필요합니다. 패시베이션 양은 카바이드 등급 및 코팅 유형(CVD 또는 PCD 코팅)에 따라 달라집니다. 단속 절삭 작업이 많은 인서트의 경우, T-리브 밴드의 무거운 에지 패시베이션 또는 가공이 전제 조건이 되었습니다. 코팅 유형에 따라 패시베이션 양은 0.05mm에 가까울 수 있습니다.
반면, 스테인리스강 및 고온 합금을 가공하는 인서트는 빌드업 에지가 생기기 쉽기 때문에 절삭 날은 날카로워야 하며 약간만 수동화(최소 0.01mm)하거나 더 적은 양의 수동화를 사용자 정의할 수 있습니다. 마찬가지로 알루미늄 합금을 가공하는 인서트도 날카로운 절삭 날이 필요합니다. 나선형 절삭 날은 더 큰 절삭 부하를 견뎌내고, 더 높은 금속 제거율을 달성하며, 응력을 줄일 수 있습니다. 나선형 절삭 날의 또 다른 장점은 절삭 압력과 공구에 작용하는 절삭 열이 감소하여 공구 수명을 연장할 수 있다는 것입니다.
