칩 브레이커에 대한 궁극적인 가이드: 가공의 효율성 향상하기

칩 브레이커 그루브 개발의 역사

인덱서블 절삭 공구 기술과 분말 야금 기술의 발달로 칩 브레이커 홈의 모양과 기능이 점점 더 복잡하고 다양해지고 있습니다. 기존의 직선, 대각선 및 곡선 모서리 홈 외에도 다양한 형태의 범프, 함몰 및 곡선 홈이 등장했습니다.

칩 브레이커 홈 개발의 역사는 아래 그림과 같이 초승달 모양의 칩 브레이커 홈 단계, 장애물형 칩 브레이커 단계, 칩 브레이킹 방향 연구 단계, 3D 칩 브레이커 홈 단계의 4단계로 요약할 수 있습니다.

1950년대에는 절삭 시 공구 표면에 초승달 모양의 홈이 생기면서 칩 브레이킹이 더 쉬워졌습니다. 이에 영감을 받은 사람들은 칩 브레이킹을 용이하게 하기 위해 공구면에 초승달 모양의 홈과 유사한 홈을 미리 연마하거나 공구면에 칩 브레이커 장치를 추가했는데, 이를 일반적으로 각각 전통적인 칩 브레이커 홈과 장애물형 칩 브레이커라고 부릅니다.

당시에는 칩 브레이킹 이론이 아직 완전히 개발되지 않았고, 사람들은 일반적으로 '시행착오 방법'을 사용하여 홈 모양을 설계했는데, 이는 매우 비효율적이었습니다.

1960년대에 홈 형상 설계는 기존 칩 브레이커 홈과 장애물형 칩 브레이커의 분석, 비교, 최적화에 중점을 두었습니다. 칩 브레이커 홈 모양이 칩 모양과 크기에 미치는 영향을 광범위하게 연구하여 더 넓은 범위의 절삭 조건에서 칩 브레이킹이 이루어질 수 있도록 했습니다.

1970년대에는 성형 기술이 성숙해지면서 홈 가공은 전통적인 연삭 휠 방식을 바꾸고 홈 형상 설계가 더욱 복잡하고 다양해졌습니다. 이때 그루브 설계는 주로 칩 흐름과 가공 공정의 에너지 손실을 줄이는 것을 고려했으며 경사 그루브 및 면각 설계와 같은 일반적인 그루브 구조가 등장했습니다.

1980년대 후반, 3D 복합 칩 브레이커 홈의 급속한 개발로 기존의 2D 칩 브레이커 홈에 비해 공구 수명과 신뢰성이 크게 향상되고 기계 및 공작물 진동이 감소하고 가공 온도가 낮아졌으며 공작물 가공 품질이 개선되었습니다.

3D 칩 브레이커 그루브는 주로 2단 그루브와 물결 모양 모서리 등 다양한 형태가 있습니다. 3D 칩 브레이커 그루브의 개발 덕분에 CNC 컨투어링 가공의 적용도 지속적으로 향상되었습니다. 예를 들어, 구형 공작물을 선삭할 때 3D 칩 브레이커 그루브 공구는 전체 공정에서 높은 가공 정확도를 보장할 수 있습니다.

칩 브레이커 홈 모양의 분류

기존의 칩 브레이커 홈은 아래의 홈 구조 개략도와 같이 직선형, 원호형, 직선 호형의 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

칩 브레이킹 효과는 칩의 컬 반경으로 어느 정도 측정할 수 있습니다. 또한 칩 브레이커 홈 모양의 곡률이 작을수록 칩의 컬 반경이 작을수록 칩 변형이 커지고 칩이 파손될 가능성이 높아집니다.

직선 호 모양의 칩 브레이커 홈은 하나의 직선 섹션과 하나의 호 섹션으로 구성됩니다. 직선 섹션은 칩을 안내하는 데 사용되며, 끝의 호 섹션은 칩을 말려서 변형 및 파손을 유발합니다.

아크 섹션의 직경이 작을수록 칩이 파손되기 쉽습니다.

직선형 칩 브레이커 홈은 두 개의 직선이 교차하여 형성되며 홈 바닥 각도는 칩 쐐기 각도의 보충 각도입니다.

그림 (b)에 표시된 모델에서 그루브 바닥 각도는 그림 (a)와 (c)에 표시된 모델에서 그루브 바닥 호 반지름 R의 역할을 대체합니다. 즉, 칩은 두 직선이 교차하기 전에 홈의 뒷면에 부딪힌 다음 직접 말려서 변형됩니다. 그루브 바닥 각도가 작을수록 칩의 곡률과 말림 반경이 작아지고 파손될 가능성이 높아집니다.

앞의 두 가지 유형에 비해 호 모양의 칩 브레이커 홈은 전면 각도가 상대적으로 큽니다. 전면 각도가 증가하면 칩의 컬 반경이 감소하고 칩의 변형이 증가하여 칩이 파손될 가능성이 높아집니다. 따라서 자주색 구리와 같이 연성이 높은 재료를 절단하는 데 자주 사용됩니다.

또한 풀 아크 구조로 인해 홈 깊이가 상대적으로 작고 칩 흐름이 더 부드러워 엔지니어링 애플리케이션에서 더욱 실용적입니다.

칩 브레이커 홈 파라미터 분석

칩 브레이커 그루브의 기본 구조는 아래 그림과 같습니다.

이 문서에서는 칩 브레이커 홈의 기하학적 파라미터가 칩 성능에 미치는 영향을 설명하기 위해 직선 호 모양의 칩 브레이커 홈을 예로 들어 설명합니다.

그림에서 br은 음의 모따기 폭, Wn은 주 절삭날 칩 브레이커 홈의 정상 홈 폭(홈 폭이라고 함), γ0은 칩 브레이커 홈의 전면 각도, γ1은 음의 모따기 전면 각도, h는 블레이드 높이, H는 칩 브레이커 홈의 깊이(그루브 깊이라고 함)입니다.

이러한 매개변수의 변화는 칩 브레이커 홈의 홈 유형과 칩 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 문헌에 근거하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다:

1. 네거티브 챔퍼를 설정하면 절삭날의 강도를 높일 수 있습니다. 네거티브 모따기가 넓을수록 절삭날이 더 무뎌지고 절삭력이 커집니다. 네거티브 모따기의 폭이 너무 작으면 절삭날의 강도가 감소하여 공구 수명에 영향을 미칩니다. 따라서 네거티브 챔퍼의 폭에 대한 최적의 값이 있습니다.

2. 칩 브레이커 홈의 전면 각도가 클수록 칩의 컬 반경이 작아지고 칩의 변형이 커지며 칩이 파손되기 쉽습니다.

3. 그루브 폭과 그루브 깊이는 칩 브레이킹에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 칩 브레이커 그루브의 형상을 설계할 때 그루브 폭과 그루브 깊이가 칩 브레이킹에 미치는 영향은 상호 연관되어 있습니다. 그루브 유형의 기하학적 매개변수를 선택할 때 일반적으로 그루브 폭과 그루브 깊이의 비율을 매개변수로 고려합니다.

일반적으로 홈 폭이 너무 크면 칩이 작동하지 않습니다. 깨지기 쉬운홈 폭이 너무 작으면 칩 막힘이 발생하기 쉽습니다. 따라서 황삭 가공에는 큰 홈 폭을 사용하고 정삭 가공에는 작은 홈 폭을 사용할 수 있습니다. 홈 폭이 결정되면 홈 깊이에 대해 더 작은 값을 선택해야 합니다.

4. 칼날 높이가 칩 성능에 미치는 영향은 홈 깊이에 의해서도 영향을 받습니다. 동일한 홈 깊이에서 블레이드 높이를 줄이면 전면 각도가 증가하고 칩의 변형이 감소하며 절삭력이 감소하고 칩이 파손될 가능성이 줄어듭니다. 그러나 칼날 높이를 높이면 칩에 대한 홈의 방해가 증가하여 칩이 파손될 가능성이 높아지고 칼날 가장자리의 강도가 감소합니다.

5. 릴리프 각도는 홈 뒷면의 접선과 공구의 앞면 사이의 각도입니다. 릴리프 각도가 클수록 칩이 파손되기 쉽습니다.

칩 브레이커 홈의 전면 각도가 칩 성능에 큰 영향을 미치는 것 외에도 다른 각도 매개변수도 어느 정도 영향을 미치며, 그 중 1차 클리어런스 각도와 경사각이 가장 큰 영향을 미칩니다.

1차 클리어런스 각도는 주로 절단의 두께와 폭에 영향을 미칩니다. 기본 간격 각도가 증가하면 칩이 더 좁아지고 두꺼워지며 파손될 가능성이 높아집니다.

경사각은 주로 칩 흐름 방향에 영향을 줍니다. 경사각이 0보다 크면 칩이 가공되지 않은 표면을 향해 흐르며 정삭 가공에 사용할 수 있습니다. 경사각이 0보다 작으면 칩이 가공된 표면을 향해 흐르면서 표면 품질에 영향을 미칩니다. 공구 크기를 고려하여 일반적으로 경사각은 5°에서 15° 사이에서 선택합니다.

클래식 칩 브레이커 설계와 그 특성

이 문서에서는 경질 합금 현재 시장에서 시장 점유율이 높은 8개 회사(미쓰비시, 교세라, 스미토모, 데지, 샌드빅, 케나메탈, 탈갈로이, 월터)의 일자형(뒷면 각도 0°) 절삭 공구를 분석했습니다. 기하학적 모양을 기준으로 9가지 기본 슬롯 유형과 설계 특성을 요약하여 분석하면 다음과 같습니다.

선형 유형

일반 절단 도구 바닥이 곧고 평평한 구조로 되어 있습니다.

음의 경사각과 가운데의 직선 부분은 절삭날의 강도를 보장하여 더 큰 전면 각도를 허용합니다.

끝이 곧고 뾰족하며 바닥이 평평한 일반적인 커팅 공구입니다.

일반적으로 절삭날의 강도를 보장하기 위해 앞쪽 각도가 더 작습니다. 절삭날 높이가 충분하면 칩을 쉽게 깨뜨릴 수 있습니다.

이중 직선 슬롯 구조의 일반적인 절삭 공구입니다.

이중 슬롯 구조는 윤곽선 선삭에 사용됩니다.

원형 호 유형

단일 원형 아크 구조의 일반적인 절삭 공구입니다.

원형 아크 구조는 절삭 날의 강도를 보장하면서 전면 각도를 큰 각도에서 작은 각도로 배열합니다.

이중 원호 구조의 일반적인 절삭 공구입니다.

원형 아크 구조. 슬롯 뒷면의 볼록한 표면은 탄성 칩 파쇄를 제공하여 단단한 칩 파쇄에 비해 더 빠른 이송 속도를 제공합니다.

선형 아크 유형

직선-원형-직선 구조의 일반적인 절삭 공구입니다.

음의 경사각은 절삭날의 강도를 향상시키는 반면, 전면 각도가 클수록 날카로움은 보장되지만 칩 파쇄에는 도움이 되지 않을 수 있습니다. 전면 각도, 슬롯 폭, 절삭날 높이가 일정할 경우 폭 대 깊이 비율이 클수록 칩을 더 쉽게 파쇄할 수 있습니다.

직선형 원형 구조의 일반적인 절삭 공구입니다.

음의 경사각, 큰 전면 각도. 전면 각도, 슬롯 폭, 절삭날 높이가 일정할 경우 폭 대 깊이 비율이 클수록 칩 파쇄가 더 쉬워집니다.

원형 직선 구조의 일반적인 절삭 공구입니다.

슬롯의 앞쪽 끝은 원형으로 설계되어 절삭 날의 강도를 보장합니다.

직선형 원형(이중 슬롯) 구조의 일반적인 절삭 공구입니다.

슬롯의 볼록한 뒷면 디자인은 탄성 칩 브레이킹을 제공하여 단단한 칩 브레이킹에 비해 더 큰 이송 속도를 허용합니다. 이중 슬롯 구조는 윤곽 가공에 사용되며 정밀 가공에 자주 사용됩니다.

위 표에 나열된 9가지 기본 슬롯 유형 중 4개의 슬롯 구조는 칩 브레이킹 성능을 개선하기 위해 이전 설계에서 수정되었습니다. 4가지 일반적인 슬롯 구조는 다음 그림에 표시되어 있으며, 각 슬롯 유형의 전형적인 예가 나열되어 있습니다:

a) 그림 A의 슬롯 유형은 직선 원형(이중 슬롯) 구조입니다. 기존의 오목한 곡면 직선 원형 슬롯에 비해 이 구조는 슬롯의 원호 부분을 대칭으로 설정하여 볼록한 탄성 칩 브레이킹 링으로 사용하므로 리지드 칩 브레이킹에 비해 이송 속도가 더 빠릅니다.

이 슬롯 유형을 사용하면 단면 방향에서 칩과 칩 브레이킹 홈 사이의 접촉 면적이 더 작아집니다. 또한 기존의 오목한 곡면 칩 브레이킹 홈에 비해 칩 컬링 반경이 작아 칩을 더 쉽게 브레이킹할 수 있습니다.

또한 볼록한 표면은 칩의 측면 말림을 증가시켜 칩의 변형이 커져 깨지기 쉬워질 수 있습니다.

b) 그림 B의 슬롯 유형은 이중 원형 아크 구조입니다. 이중 원호 구조의 특징은 슬롯 백의 끝에 작은 볼록 탄성 칩 브레이킹 링이 설정되어 있고 원호 구조 슬롯 유형의 전면 끝은 전면 각도를 큰 것에서 작은 것으로 배열한다는 것입니다.

직선형 구조에 비해 전면 각도가 작으면 칩의 변형이 커지고 절단이 더 쉬워진다는 점을 고려할 때 슬롯 타입의 전면부의 원형 호 구조가 칩 브레이킹에 더 도움이됩니다. 따라서 슬롯 뒷부분에 큰 볼록한 탄성 칩 브레이킹 링을 설정할 필요가 없습니다. 끝 부분에 작은 볼록한 표면을 설정하면 비슷한 효과를 얻을 수 있습니다.

c) 그림 C의 슬롯 유형은 바닥이 곧고 평평한 구조입니다. 기존의 일자형 바닥 구조는 바닥에 응력이 집중되어 절삭날의 강도에 영향을 미칩니다. 바닥이 평평한 구조로 변경하면 절삭날 강도가 낮아지는 문제를 극복할 수 있습니다.

또한 바닥이 평평한 구조이기 때문에 더 큰 전면 각도를 설정할 수 있어 절삭력과 절삭 온도를 낮출 수 있습니다. 따라서 이 구조는 플라스틱 소재를 절단하는 데 더 적합합니다.

d) 그림 D의 슬롯 유형은 이중 직선 슬롯 구조입니다. 이중 직선 슬롯 구조는 두 개의 슬롯이 있으며 이중 슬롯 구조에 속합니다.

황삭 가공에서는 효율성을 위해 큰 이송 속도와 절삭 깊이가 필요하고, 정밀 가공에서는 우수한 가공 정밀도를 위해 작은 슬롯 폭과 적절한 슬롯 깊이가 필요하다는 점을 고려하여 정밀 가공에서는 첫 번째 깊은 슬롯에서, 황삭 가공에서는 두 번째 슬롯에서 칩이 파쇄되도록 이중 슬롯 구조를 설계했습니다.

이 구조의 장점은 복합 구조이기 때문에 더 넓은 범위의 가공이 가능하다는 점입니다.

앞서 언급한 디자인 외에도 특별한 구조를 가진 슬롯형 디자인이 많이 있습니다. 또한 기존 슬롯 모양을 기반으로 특정 상황에 더 적합한 디자인을 추가하여 제조 가능성을 높일 수 있습니다.

예를 들어, 3차원 칩 브레이킹 홈 슬롯 유형의 설계에서 절삭 날은 곡선 또는 파형으로 설계할 수 있습니다(예: 도시바의 37형 칩 브레이킹 홈 및 샌드빅의 PF형 칩 브레이킹 홈).

또는 기존의 오목한 곡면 칩 파쇄 홈을 볼록한 표면(예: 스미토모의 GH형 칩 파쇄 홈 및 샌드빅의 MM형 칩 파쇄 홈)으로 변경하여 탄성 칩 파쇄 및 큰 이송 속도에서 칩 파쇄 감소라는 목적을 달성할 수 있습니다. 마찰 감소 구조도 설계에 사용할 수 있습니다.

이 문서에서는 아래 그림과 같이 특수 설계된 두 가지 일반적인 칩 브레이킹 홈 슬롯 유형을 제공합니다.

칩 브레이킹 성능 평가

칩의 컬링 반경은 칩 브레이크 효과의 보편적인 척도입니다.

칩 컬링은 2D 또는 3D 컬링의 형태를 취할 수 있으며, 2D 컬링은 주로 상향 컬링과 측면 컬링으로 구성됩니다. 현재 2D 업워드 컬링 이론에 대한 광범위한 연구가 진행 중입니다.

예를 들어 직선형 및 직선 아크형 칩 슬롯의 예상 컬링 반경을 조사했습니다. 직선형 슬롯의 컬링은 아래 그림에 설명되어 있습니다:

볼록한 표면 슬롯의 칩 컬링은 다음 왼쪽 다이어그램에, 직선 호형 슬롯의 칩 컬링은 오른쪽 다이어그램에 설명되어 있습니다.

칩의 컬링 반경을 계산하는 공식은 매우 복잡하므로 여기서는 자세히 설명하지 않습니다.

칩 슬롯은 칩 컬링 반경을 사용하여 칩 성능을 측정할 때 칩 성능을 개선하기 위해 칩 컬링 반경을 변경하는 것을 기반으로 합니다.

이전 연구자들이 정리한 경험적 공식과 비교한 결과, 칩의 컬링 반경은 슬롯 폭에 비례하고 전면 각도에 반비례하며, 즉 슬롯 폭이 작고 전면 각도가 클수록 칩 파손에 유리하다는 결론을 내렸습니다.