작년 말, 저희는 독일의 한 정밀 금형 제작 업체에서 발생한 금형 문제 해결을 위해 파견되었습니다. 해당 팀은 HRC 64~65.5로 경화된 분말 야금강 인서트에 나사산을 가공하고 있었습니다. 이 부품은 이미 수십 시간의 방전 가공(EDM), 정밀 밀링 및 진공 열처리를 거친 상태였습니다.
한 공장 기술자가 표준형 탭으로 18mm 깊이의 막힌 구멍에 나사산을 내려고 했습니다. 두 번째 나사산을 낼 때, 공구가 구멍 안쪽에서 부러져 버렸습니다. 수천 유로에 달하는 이 공작물은 순식간에 폐기될 위기에 처했고, 생산 교대 근무 전체가 중단되었습니다.
유럽과 미국의 금형 제작업체들을 위해 16년간 가공 병목 현상을 해결해 오면서, 우리는 이러한 상황을 끊임없이 접해 왔습니다. HRC 60 이상의 경도를 가진 금형강은 사실상 소성 연성을 완전히 잃게 됩니다. 탭 가공 시 과도한 토크, 칩 축적, 스핀들 지연이 발생하여 결국 공구의 취성 파손이 불가피해집니다.
그렇기 때문에 당사는 정밀 금형 제작업체들에게 HRC65 나사 가공 전략을 일관되게 권장하고 있습니다.
일반적인 탭과는 달리, 솔리드 카바이드 나사 밀링기는 나선형 보간법을 사용하여 강력한 절삭력을 제어된 국부적 전단 하중으로 변환합니다. 하지만 성공을 위해서는 표준 G02/G03 코드 게시 이상의 것이 필요합니다.
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강성 대 런아웃: 3D 오버행에서 발생하는 미세한 런아웃은 반복적인 피로 응력을 급증시킵니다. 따라서 당사는 공구 끝단의 총 런아웃 상한선을 0.003mm로 엄격하게 제한합니다.
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방사형 다중 패스 로직: 내부 나사 밀링 또는 심공 나사 밀링 전략을 적용할 때, 단일 패스로 전체 체결이 이루어지면 공구 이탈이 심하게 발생합니다. 따라서 점진적인 방사형 패스가 필수적입니다.
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열역학적 관리: 과도한 냉각수는 초경 절삭날에 열 균열을 유발합니다. 안정적인 공구 수명을 위해서는 정밀하게 조정된 절삭 속도와 고압 공기 분사 또는 최소량 윤활(MQL)이 필요합니다.
고가의 정밀 가공된 금형 코어가 5축 가공기에 장착되었을 때, 전체 캐비티가 강성 탭에 의해 손상될 위험을 감수하시겠습니까? 아니면 테이퍼가 전혀 발생하지 않도록 보장하는 검증된 나사 가공 공정을 도입하시겠습니까?
경화강 나사 가공의 핵심: 솔리드 카바이드 나사 밀링 공구 선택 및 파손 방지 설계
가공 대상물의 경도가 HRC 60을 넘어서면 작업자들은 종종 기계의 강성이나 절삭 속도를 조기 파손의 원인으로 지목합니다. 수십 건의 기술 지원 사례를 분석한 결과, 초기 모서리 파손의 70% 이상이 표준 강철 규격을 사용하는 솔리드 카바이드 나사 밀링 공구 선택에서 비롯된다는 사실을 발견했습니다. HRC 65 경도에서는 공구가 심한 마찰 하에서 고주파 미세 전단 작용을 일으키며, 이때 발생하는 미세 응력 지점이 즉시 미세 파손을 유발합니다.
우리는 속도 기록이 아닌 측면 절삭 하중 하에서의 구조적 변형 저항을 기준으로 공구를 평가합니다. 탄화물 입자의 파괴 인성, 날끝 미세 형상, 그리고 날 단면적과 같은 요소들은 마모와의 균형을 이루어야 합니다. 경화된 금형 코어에 나사산을 가공할 계획이라면, 먼저 공구의 돌출부와 플루트 구조를 꼼꼼히 살펴보십시오.
HRC65 금형강 가공 시 공구 변형을 방지하려면 짧은 플루트와 여러 개의 플루트를 가진 솔리드 카바이드 나사 밀링 공구를 선택하십시오.
저희는 예전에 HRC 64 분말 금속 인서트가 지속적으로 합격/불합격 게이지 검사에서 불합격되는 스탬핑 금형 공장을 지원한 적이 있습니다. 나사산의 위쪽은 헐겁고 아래쪽은 꽉 조여 있었습니다. 조사 결과, 일반적인 3D 플루트 길이의 공구를 사용하여 한 번에 전체 나사산을 절삭하고 있었던 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 과도한 반경 방향 접촉으로 인해 가느다란 공구가 중심에서 벗어나면서 심한 테이퍼가 발생했습니다.
이러한 경질 합금의 경우, 당사의 표준 규정은 넥 릴리프가 있는 짧은 플루트(1D~1.5D) 솔리드 카바이드 나사 밀링 공구를 사용하도록 명시하고 있습니다. 4날 또는 6날 설계는 절삭 하중을 분산시키고 매우 적은 칩 발생량으로 실용적인 금속 제거율을 유지합니다. 특히, 짧은 플루트는 최대 단면 강성을 제공하여 변형 발생 지점에서 변형을 제거합니다.
고경도 나사 가공을 위한 초미세 입자 탄화물 기판과 고내열 코팅의 조합
기계 가공 전문가들은 종종 경질강 가공에 있어 서브마이크론 크기의 탄화물 입자가 항상 우수한지 묻습니다. 당사의 공구 연삭 작업에서 적합한 나사 밀링 커터를 선택하려면 신중한 절충이 필요합니다. 당사는 텅스텐 카바이드 입자 크기를 0.2~0.4µm로 유지하고 코발트 함량을 8~10%로 조절합니다. 코발트 함량이 너무 적으면 취성 파괴가 발생하기 쉽고, 너무 많으면 고온 경도가 저하됩니다.
코팅 화학 또한 매우 중요하며, 당사는 표준 TiAlN 코팅 사용을 단계적으로 중단했습니다. 전단대 접촉 온도는 일반적으로 900°C를 초과하여 기존 코팅이 벗겨지는 문제가 발생합니다. 따라서 당사는 나노복합체 TiAlSiN 또는 AlCrN 코팅을 사용합니다. 건식 공기 분사 조건에서 이러한 코팅은 최대 1100°C까지 산화에 저항하는 비정질 보호층을 형성하며, 마찰 계수를 0.35 미만으로 낮춥니다.
공구 홀더 강성 제어: 경화강 나사 밀링에서 수축식 및 유압식 척의 0.003mm 런아웃 한계
최고급 금형 제작 업체에서는 경화강 나사 가공에 일반적인 ER 콜릿 척을 사용하는 경우는 드뭅니다. 공구 파손 분석 시, 두 개의 플루트는 마모된 반면 나머지 두 개는 멀쩡한 상태로 남아 있는 경우가 흔히 관찰됩니다. 그 원인은 동적 런아웃입니다. 날당 이송량이 매우 낮은 설정에서, 단 0.008mm의 런아웃만으로도 단일 플루트에 가해지는 부하가 두 배로 증가하여 급격한 파손을 유발합니다.
저희 공장 표준 규격은 절삭날의 총 런아웃(TIR)을 0.003mm(3미크론) 이내로 유지합니다. 수축식 홀더 또는 공구 돌출부가 짧은 고강성 유압 척을 사용합니다. 수축식 척은 거의 완벽한 동심도와 탁월한 클램핑력을 제공하여 헬리컬 절삭 시 균형 잡힌 절삭날 하중을 보장합니다. 마모된 콜릿 척을 교체함으로써 대부분의 공구 교체 비용을 절감할 수 있습니다.
절삭 매개변수의 기본 원리: 경화강 나사 밀링 가공 시 절삭 속도 및 이송 속도 최적화
HRC65 금형강 가공은 시행착오를 허용하지 않는 매우 까다로운 작업입니다. 내부 나사 밀링은 공구와 보어의 접촉 호가 평면 밀링보다 훨씬 큰 정밀한 나선형 보간을 필요로 합니다. 이러한 조건에서 일반적인 경화강 밀링 매개변수를 사용하면 마찰이 즉시 급증합니다. 결과적으로 발생하는 절삭 저항은 심한 채터링을 유발하여 값비싼 금형 부품을 단 몇 초 만에 망가뜨립니다.
경화강 가공을 위한 당사의 나사 밀링 전략은 가공 시간 단축보다는 열 안정성과 칩 형성 최적화에 중점을 둡니다. HRC65 경도의 부품에서 높은 금속 제거율을 추구하지 않고, 정밀한 절삭 속도, 낮은 절삭날 부하, 정확한 아크 이송 변환을 통해 각 날이 매끄럽게 절삭되어 가공 경화된 백색층이 생성되지 않도록 합니다.
절삭 속도(Vc)와 이송량(fz)을 정밀하게 설정하여 열 마모 및 미세 파손을 방지합니다.
최근 스위스의 한 커넥터 금형 공장에서 작업자가 HRC65 강재로 펀치 리테이너를 80m/min의 속도로 가공하는 과정에서 문제가 발생했습니다. 두 개의 M3 커터 모두 두 번째 구멍을 가공하기도 전에 마모되어 파손되었습니다. 인장 강도가 2200MPa가 넘는 냉간 가공용 강재는 칩을 통해 열을 효율적으로 발산하지 못합니다. 저희 현장 테스트 결과, 나사 밀링 가공 속도를 35~55m/min 사이로 제한할 때 날 유지력과 생산량 사이에서 최적의 균형을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다.
칩 부하를 0으로 낮추는 초보적인 실수를 저지르지 마십시오. 톱니당 이송량( fz )이 0.005mm/톱니 미만으로 떨어지면 공구가 절삭하는 대신 마찰을 일으켜 날끝이 기하급수적으로 무뎌집니다. 당사는 fz를 0.008mm/톱니에서 0.02mm/톱니 사이로 엄격하게 유지합니다. 이렇게 하면 미세하게 연마된 날이 파괴적인 반경 방향 변형을 발생시키지 않고 전단면을 깨끗하게 통과할 수 있습니다.
내경사 밀링 가공 시 이송 속도 변환(선형 이송 vs 원형 이송) 및 공구 파손 방지
이는 정밀 가공 공장에서 가장 흔하게 발견되는 프로그래밍 오류입니다. 프로그래머들이 CAM에서 계산한 선형 이송값을 CNC 제어 장치에 그대로 붙여넣는 경우가 많습니다. 공구 중심선이 절삭날 바깥쪽보다 훨씬 작은 반경으로 이동하기 때문에 실제 칩 부하가 급증합니다. 내부 원형 이송 보정이 없으면 의도한 0.015mm의 절삭 부하가 0.04mm를 넘어 급증하여 커터가 즉시 파손될 수 있습니다.
절삭 공구를 보호하려면 직선 이송과 원형 이송 간의 수학적 변환을 적용해야 합니다. 고전적인 비율인 중심선 이송 = 외측 모서리 이송 × (D – d) / D를 사용하십시오. 여기서 D는 공칭 나사 직경이고 d는 절삭 공구 직경입니다. 4.5mm 밀링 공구로 M6 나사를 가공하는 경우, 프로그램된 중심선 이송은 이론 이송의 약 25%로 낮춰야 합니다.
냉각재에 대한 공학적 선택: 고압 공기 냉각, MQL 및 액체 냉각재 사용 금지
일부 기계공들은 절삭열이 발생하는 순간 공구에 냉각수를 과도하게 주입합니다. HRC65 경도의 막힌 구멍 나사 가공에서 과도한 냉각수는 초경 날의 마모를 극한으로 증가시킵니다. 나사 밀링은 단속 절삭 방식입니다. 뜨거운 초경 날이 고온의 전단 영역과 차가운 냉각수 사이를 회전할 때 심각한 열 충격이 발생합니다. 이로 인해 절삭 날에 빗살 모양의 미세 균열이 순식간에 형성되어 결국 파괴적인 박리 현상을 초래합니다.
경화강 나사 가공 시 액체 냉각제 사용은 엄격히 금지됩니다. 최소 6bar의 압력으로 여과된 공기를 사용하여 건식으로 가공하거나 MQL 시스템을 사용하십시오. 고압 공기는 뜨겁고 경화된 칩을 구멍 밖으로 분출시켜 재가공을 완전히 방지합니다. 식물성 에스테르 오일 미스트를 소량 첨가하면 견고한 경계막이 형성되어 열 미세 균열을 유발하지 않고 마찰을 크게 줄일 수 있습니다.
막힌 구멍과 깊은 구멍 가공: 내부 및 깊은 구멍 나사 밀링을 위한 실용적인 전략
거의 완성된 금형 캐비티 깊숙한 곳에 나사산을 내는 작업은 모든 기계공의 담력을 시험합니다. 깊은 구멍은 긴 공구 돌출부, 막힌 칩 축적, 그리고 시야 확보의 어려움이라는 세 가지 요소를 모두 갖추고 있습니다. 단 하나의 공진 채터 주파수나 칩 끼임 현상만으로도 경화된 측벽이 복구 불가능할 정도로 손상될 수 있습니다. 우리가 문제 해결을 위해 조사하는 공구 고장의 80% 이상은 비정상적인 절삭력이 작용하는 깊은 막힌 포켓 바닥에서 발생합니다.
당사의 내부 나사 가공 전략은 깊은 형상을 길게 늘어진 얕은 구멍이 아닌 각각의 동적 시스템으로 취급합니다. 성공은 세 가지 물리적 제어에 달려 있습니다. 바로 공구 편향을 완화하고, 부드러운 진입 경로를 프로그래밍하며, 적절한 칩 배출을 확보하는 것입니다. 안정적인 나선형 가공 경로에 걸쳐 측면 절삭 압력을 분산시키면 위험이 사라집니다.
금형 캐비티 심공 나사 가공 전략: 방사형 다중 패스 방식
최근 한 북미 다이캐스팅 업체에서 H13 인서트(HRC 63~65)에 22mm 깊이의 M6 나사산을 가공할 때 공구가 파손되는 이유를 문의했습니다. 프로그래머는 시간 절약을 위해 한 번의 방사형 패스로 나사산을 완전히 가공하도록 설정했습니다. 나사산의 3분의 2 지점에서 측면 하중으로 인해 탄성 굽힘이 발생하고 심한 채터링이 일어나면서 공구 날이 파손되었습니다. 직경 대비 깊이 비율이 높은 단일 패스 나사 가공은 극심한 테이퍼와 공구 파손을 초래합니다.
당사의 검증된 심공 나사 가공 전략은 방사형 다중 패스 스텝오버 방식을 기반으로 합니다. HRC65 소재의 경우, 방사형 나사 깊이 가공을 3~4단계로 나누어 진행합니다. 55% 황삭, 30% 준정삭, 15% 최종 프로파일링, 그리고 무부하 스프링 패스로 구성됩니다. 이러한 단계적 접근 방식은 공구 이탈을 방지하고 구멍 입구에서 바닥까지 정확한 원통형 피치 직경을 보장합니다.
내부 나사 가공을 위한 진입 및 출구 경로 설계: 순간적인 충격을 방지하기 위해 90° 호를 사용
나사 밀링 공구를 경화된 구멍에 수직 방향으로 곧장 삽입하지 마십시오. 연질강은 초기 충격을 흡수할 수 있지만, HRC65 공구강은 그렇지 못합니다. 동력계 테스트 결과, 수직 삽입 시 발생하는 힘이 정상 상태의 나선형 절삭 하중보다 3배 이상 높아지는 것으로 나타났습니다. 이러한 초기 충격파로 인해 새 초경 날에 날카로운 모서리가 쉽게 손상될 수 있습니다.
표준 내부 나사산 밀링 전략에 따라 90° 접선 방향의 진입 및 이탈 호를 프로그래밍해야 합니다. 나사산 피치에 맞춰 축 방향 Z축 리프트를 조정하여 반경 방향 진입 호를 동기화하십시오. 커터는 칩 두께가 0인 상태에서 절삭 영역으로 부드럽게 진입하여 360° 헬릭스를 따라 회전한 후 매끄럽게 이탈합니다. 이로써 진입 충격이 제거되고, 절삭 흔적이나 정지 자국이 남지 않는 매끄러운 나사산 벽을 얻을 수 있습니다.
막힌 구멍에서의 칩 배출 및 잔류 응력 제어: 상승 밀링 우선 적용 및 파일럿 홀 공차 향상
깊은 막힌 구멍에서는 칩 배출이 공구 수명에 매우 중요합니다. 항상 구멍 바닥에서 시작하여 출구 쪽으로 보간하면서 밀링 작업을 진행하십시오. 이렇게 하면 뜨거운 칩이 바닥에 쌓이는 대신 플루트를 따라 배출됩니다. 또한 일반적인 기계 가공 설명서에 나와 있는 공칭 파일럿 직경을 맹목적으로 따라 드릴링하지 마십시오.
경화강을 나사 밀링 가공할 때는 파일럿 보어를 상한 공차에 가깝게 드릴링하십시오. 일반적으로 표준 차트 값보다 0.05~0.10mm 더 크게 드릴링하는 것이 좋습니다. M6 나사의 경우, 예비 드릴링 보어 크기를 5.10~5.15mm로 하면 나사 높이가 약 70%로 제한됩니다. 이러한 작은 변화는 나사산과 공구의 접촉을 줄이고, 칩 배출구를 확보하며, 뭉친 이물질을 재가공하여 발생하는 모서리 파손을 방지합니다.
소구경 구멍 가공 시 공구 파손 방지 전략: 경화 처리된 이젝터 핀 구멍 및 인서트 나사 가공 중 공구 파손 방지 방법
M2~M4 나사산은 커넥터 금형 및 반도체 인서트에 흔히 사용됩니다. 이처럼 미세한 범위에서 HRC65 경도로 나사산을 가공할 때는 오차가 발생할 여지가 전혀 없습니다. 공구 코어 직경이 급격히 감소하기 때문에 비틀림 및 굽힘 강성이 세제곱에 비례하여 급격히 떨어집니다. 스핀들 방향의 미세한 편심이나 냉각수 잔류물의 저항조차도 마이크로 커터 팁을 순식간에 부러뜨릴 수 있습니다.
경화된 금형 인서트에 소구경 나사 가공을 할 때는 큰 나사 가공에 사용하던 방식을 버려야 합니다. 미세 가공에서는 정적 강성에 의존하는 것이 아니라 동적 공구 변형을 관리해야 합니다. 공구의 탄성 굽힘을 계산하고 가공 전 단계에서 홀 형상을 제어하여 와이어보다 가는 공구도 손상되지 않도록 해야 합니다.
높은 돌출비율을 갖는 소구경 나사 밀링 가공 시 편향 보정 및 속도 감소 규칙
스위스의 한 마이크로 금형 제작 업체는 HRC64 분말 야금 인서트에 M2.5 블라인드 홀을 절삭하던 중 연속으로 두 개의 공구가 파손되는 사고를 겪었습니다. 캐비티 측벽을 제거하기 위해 오버행이 거의 4D에 달하는 마이크로 밀링 공구를 사용했는데, 절삭 깊이 대 직경 비율이 높은 경우 최소한의 측면 절삭 하중에도 불구하고 심각한 탄성 굽힘이 발생합니다. 공구가 공구 경로보다 뒤처지면서 되돌아올 때, 치면이 과부하되어 부러지는 것입니다.
소구경 나사 가공 규정에서는 두 가지 안전장치를 동시에 적용합니다. 첫째, CNC 프로그램에서 마이크론 수준의 반경 방향 공구 오프셋을 적용하여 전체 나사 깊이를 4~5회 패스로 나누고, 반경 방향 스텝오버( ae )를 0.015mm 미만으로 유지합니다. 둘째, 절삭 속도를 20~30% 줄여 25~35m/min으로 유지합니다. 홀당 몇 초 정도 더 소요되더라도, 파손된 마이크로 공구를 EDM으로 추출하는 것을 방지할 수 있습니다.
파일럿 홀의 경화층 제거: 초경 드릴링 전 작업이 소구경 나사 밀링기의 수명에 미치는 영향
마이크로 스레드 밀링에서 칩이 발생할 때, 작업자는 종종 드릴링된 구멍을 검사하지 않고 밀링 매개변수를 조정합니다. 당사의 고장 분석에 따르면, 조기 마모의 원인은 대개 프리홀에서 비롯됩니다. 약간 마모된 초경 드릴로 HRC65 공구강을 드릴링하면 높은 마찰열이 발생하여 구멍 벽에 모재보다 단단한 가공 경화된 백색층이 형성됩니다.
솔리드 카바이드 나사 밀링 공구가 구멍에 들어가면, 미세한 절삭날이 첫 번째 통과 시 이 취성 있는 흰색 층에 부딪혀 마모가 빠르게 진행됩니다. 따라서 나사 가공만큼이나 사전 드릴링 작업도 엄격하게 관리해야 합니다. 가공 경화를 방지하기 위해 드릴링 이송 속도를 제어하거나, 균일한 재료 구조를 확보하기 위해 나사 가공 전에 구멍을 리밍해야 합니다.
현장 문제 해결: 서부 금형 제작 공장에서 흔히 발생하는 문제점 및 나사 가공 전략 최적화를 위한 체크리스트
유럽과 미국의 금형 제작 업체를 방문하여 기술 지원을 제공해 온 경험에 비추어 볼 때, 성공 여부는 기계 가격에 좌우되는 경우가 드뭅니다. 오히려 체계적인 문제 해결 논리에 달려 있습니다. HRC65의 높은 재료 항복 강도는 사소한 설정 오류까지도 증폭시킵니다. 공구 런아웃, 오버행 휨, 아크 피드 변환, 에어 블라스트, 레이디얼 패스 등이 모두 조화롭게 작동해야 공구 수명을 보호할 수 있습니다.
당사의 나사 밀링 전략 체크리스트는 폐쇄 루프 진단 프레임워크를 사용합니다. 절삭 이상이 발생하면 컨트롤러에서 임의로 매개변수를 조정하지 마십시오. 기계 동역학, 홀더 강성 및 절삭 형상을 각각 독립적으로 점검하십시오. 측정 가능한 물리적 지표를 사용하여 근본 원인을 파악하는 것이 고가의 경화 인서트를 보호하는 가장 빠른 방법입니다.
나사 게이지 고장 및 테이퍼 편차에 대한 문제 해결 및 공구 오프셋 수정
공장 검사관들은 종종 불량 게이지는 통과하지만 합격 게이지는 구멍 중간에서 걸리는 현상을 보고합니다. 내부 나사산 테이퍼 또는 피치 변형이 발생하면 다음 3단계 점검을 수행하십시오. 인디케이터를 사용하여 스핀들과 공구 끝단의 런아웃을 확인하고, CAM에서 아크 이송 보정이 활성화되어 있는지 확인하고, 방사형 패스가 절삭 하중을 고르게 분산시키는지 확인하십시오.
깊이가 2.5D를 넘는 막힌 구멍에서 테이퍼 가공이 필요한 경우, 약간의 축 방향 테이퍼 공구 오프셋을 적용한 무부하 스프링 패스를 프로그래밍하십시오. 나사산 마찰이 여전히 높은 경우, 파일럿 보어 직경을 상한값 방향으로 0.05mm 확대하십시오. 점진적인 방사형 패스를 사용하는 내부 나사 가공 전략을 채택하면 처짐을 흡수하여 나사산이 게이지 검사를 꾸준히 통과하도록 할 수 있습니다.
공구 마모의 금속 조직학적 형태로부터 절삭 매개변수 및 공구 경로 추론
마모된 공구 날은 절삭 메커니즘에 대한 직접적인 통찰력을 제공합니다. 우리는 공구 제작용 현미경으로 수백 개의 무뎌진 절삭 날을 검사했습니다. 마모면 가장자리에 균일한 은회색 마모띠가 보이면 표면 속도와 윤활 상태가 적절하다는 것을 나타냅니다. 빗살 모양의 열 균열이나 톱니 모양의 박리가 관찰된다면 액체 냉각제의 열 충격이나 약한 공기 분사가 문제일 수 있습니다.
마찬가지로, 첫 번째 이빨의 모서리 깨짐은 드릴 비트가 보어 벽으로 갑작스럽고 직선적으로 절삭되었음을 나타냅니다. 90° 접선 롤인 아크를 사용하여 즉시 수정하십시오. 칼디강, 카르모강 또는 고바나듐 분말강과 같이 절삭 깊이 대 직경 비율이 큰 까다로운 재질을 절삭하는 경우, 부품 도면, 구멍 깊이 및 장비 사양을 보내주십시오. 저희는 항상 절삭 데이터를 검토하고 최적의 설정을 도와드릴 준비가 되어 있습니다.
