금속에 어떻게 이렇게 정밀하게 작은 구멍을 뚫는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 다양한 드릴 비트와 기술 뒤에 숨겨진 비밀을 밝히며 드릴링의 매혹적인 세계를 탐구합니다. 전문가들이 완벽한 구멍을 뚫는 방법과 그들이 사용하는 도구에 대해 알아보세요. 드릴링의 복잡한 비밀을 알아볼 준비를 하세요!
드릴링에는 드릴링, 리밍, 카운터보링 등 다양한 정밀 절단 공정이 포함되며, 각각 특수 드릴 비트를 사용하여 금속 가공 및 제조에서 특정 결과를 얻을 수 있습니다.
드릴링은 회전식 절삭 공구를 사용하여 단단한 재료에 원통형 구멍을 만드는 기본적인 절삭 작업입니다. 가장 일반적인 유형은 다음과 같습니다:
이러한 도구는 일반적으로 직경이 0.1mm에서 100mm 이상인 관통 구멍(전체 공작물을 관통) 또는 블라인드 구멍(지정된 깊이의 구멍)을 생성할 수 있습니다.
리밍은 기존 구멍의 정확도, 표면 마감 및 치수 일관성을 향상시키는 마감 공정입니다. 직선 또는 나선형 플루트와 정밀한 절삭날이 특징인 리머는 ±0.013mm(0.0005인치)의 엄격한 공차를 달성할 수 있습니다. 이 공정은 항공우주 또는 자동차 산업과 같이 고정밀 맞춤이 필요한 애플리케이션에서 매우 중요합니다.
카운터보링은 특정 피처를 만들기 위해 미리 드릴링된 구멍에 수행되는 2차 작업입니다:
기존 구멍과 정렬되는 파일럿과 더 큰 직경의 절삭 섹션이 특징인 카운터보어 드릴은 이러한 피처의 동심도와 치수 정확도를 보장합니다.
드릴링에는 두 가지 주요 방법이 있습니다:
1) 드릴 비트가 축 방향으로 회전하고 전진하는 동안 공작물은 고정된 상태로 유지되며, 일반적으로 드릴링 머신, 보링 머신, 머시닝 센터 또는 복합 공작 기계에 적용됩니다;
2) 드릴 비트가 축 방향으로만 전진하는 동안 공작물이 회전하며, 일반적으로 선반이나 심공 드릴링 머신에 적용됩니다. 트위스트 드릴은 0.05mm에서 100mm 범위의 구멍 직경을 생성할 수 있으며, 플랫 드릴은 최대 125mm까지 가능합니다. 100mm보다 큰 구멍의 경우 일반적으로 더 작은 사전 드릴 구멍(또는 예약된 주조 구멍)을 먼저 만든 다음 구멍을 필요한 크기로 보링합니다.
드릴링 시 드릴링 속도(v)는 드릴 비트 외경의 원주 속도(m/min)이고 이송 속도(f)는 드릴 비트(또는 공작물)가 구멍을 뚫는 동안 회전당 이동하는 축 방향 거리(mm/r)입니다.
그림 2는 트위스트 드릴의 드릴링 매개변수를 보여줍니다. 트위스트 드릴에는 두 개의 절삭날이 있으므로 각 톱니의 이송 속도는 af=f/2(mm/톱니)로 계산됩니다.
구멍을 뚫을 때는 드릴 비트 직경(d)의 절반으로 계산하고, 리밍할 때는 (d-d0)/2로 계산하며, 여기서 d0은 기존 구멍 직경입니다.
각 톱니에 의해 절단되는 칩 두께는 a0=afsin(Κr)이며 단위는 밀리미터이며, 여기서 Κr은 드릴 비트의 점 각도의 절반입니다.
고속 스틸 트위스트 드릴을 사용하여 강철 재료를 드릴링할 때 드릴링 속도는 일반적으로 16-40m/분 사이로 설정됩니다. 경질 합금 드릴 비트는 드릴링 속도를 두 배로 높일 수 있습니다.
드릴링 과정에서 트위스트 드릴에는 일반적으로 "하나의 포인트(드릴 중심)와 3개의 블레이드"라고 하는 2개의 기본 절삭날과 1개의 횡단날이 있어 절삭에 참여합니다.
트위스트 드릴은 횡단 모서리가 심하게 눌려 칩 제거가 어려운 반 밀폐 상태에서 작업합니다. 따라서 가공 조건이 선삭이나 다른 절삭 방식보다 더 복잡하고 까다로워 가공 정확도가 떨어지고 표면이 거칠어집니다.
드릴링 강재의 정밀도는 일반적으로 IT13-10이며, 다음과 같습니다. 표면 거칠기 Ra20-1.25μm의 표면 거칠기, 리밍의 정밀도는 IT10-9에 도달할 수 있으며 표면 거칠기는 Ra10-0.63μm입니다.
드릴링 공정의 품질과 효율성은 드릴 비트의 절삭날 모양에 따라 크게 달라집니다.
생산 과정에서 절삭 저항을 줄이고 드릴링 성능을 향상시키기 위해 트위스트 드릴의 절삭날의 모양과 각도를 샤프닝하여 변경하는 경우가 많습니다. 중국의 그룹 드릴은 이 방법을 사용하여 생산된 트위스트 드릴의 예입니다.
드릴링된 구멍의 깊이(l)와 직경(d)의 비율이 6보다 크면 일반적으로 깊은 구멍 드릴링으로 간주합니다. 심공 드릴링에 사용되는 드릴 비트는 가늘고 강성이 약합니다. 드릴링 중에 드릴 비트가 이탈하고 구멍 벽과 마찰이 발생하기 쉬워 냉각 및 칩 제거가 어렵습니다.
따라서 l/d 비율이 20보다 큰 경우에는 특별히 설계된 심공 드릴 비트가 필요하며 냉각 및 칩 플러싱을 위해 일정한 유량과 압력을 가진 절삭유를 사용하여 고효율의 고품질 드릴링 결과를 얻을 수 있습니다.
드릴 비트는 절단 도구 관통 구멍이나 막힌 구멍을 만들기 위해 단단한 재료에 구멍을 뚫는 데 사용되며 기존 구멍을 확대하는 데도 사용할 수 있습니다.
일반적으로 사용되는 드릴 비트에는 트위스트 드릴, 플랫 드릴, 센터 드릴, 딥홀 드릴, 카운터보어 드릴 등이 있습니다. 리머와 카운터싱크는 단단한 재료에 구멍을 뚫는 데 사용되지는 않지만 드릴 비트로 분류되는 경우가 많습니다.
그림 3. 다양한 유형의 드릴 비트.
트위스트 드릴은 가장 널리 사용되는 구멍 가공 도구입니다. 직경은 0.25mm에서 80mm까지 다양합니다. 주로 작업 부분과 생크 부분으로 구성됩니다.
작업 부분에는 꼬인 리본과 유사한 두 개의 나선형 홈이 있기 때문에 트위스트 드릴이라고합니다. 드릴링 시 가이드 부분과 구멍 벽 사이의 마찰을 줄이기 위해 트위스트 드릴의 직경은 팁에서 생크까지 점차적으로 테이퍼 모양으로 감소합니다.
트위스트 드릴의 나선형 각도는 주로 절삭 날의 전면 각도 크기, 절삭 날의 강도 및 칩 제거 성능에 영향을 미치며, 일반적으로 25°에서 32° 범위입니다.
나선형 홈은 밀링, 연삭, 열간 압연 또는 열간 압출로 가공할 수 있으며 드릴 비트의 절단 부분은 날카롭게 연마한 후 형성됩니다.
표준 트위스트 드릴의 절단 부분 상단 각도는 118°, 가로 가장자리 경사각은 40° ~ 60°, 후면 각도는 8° ~ 20°입니다. 구조적인 이유로 인해 전면 각도는 바깥쪽 가장자리에서 가운데로 갈수록 점차 줄어들고 횡단 가장자리에는 음의 전면 각도(최대 약 -55°)가 있어 드릴링 중에 누르는 효과를 발휘합니다.
트위스트 드릴의 절삭 성능을 향상시키기 위해 가공되는 재료의 특성에 따라 절삭 부분을 다양한 모양(예: 그룹 드릴)으로 연마할 수 있습니다. 트위스트 드릴의 생크는 직선 생크와 테이퍼 생크의 두 가지 형태가 있습니다. 가공하는 동안 전자는 드릴 척에 고정되고 후자는 공작 기계 스핀들 또는 심압대의 테이퍼 구멍에 삽입됩니다.
일반적으로 트위스트 드릴은 고속 강철로 만들어집니다. 트위스트 드릴은 초경합금 블레이드 또는 톱니는 주철, 경화강, 비금속 재료 등을 가공하는 데 적합하며 초경 소형 트위스트 드릴은 기기 부품 및 인쇄 회로 기판 등을 가공하는 데 사용됩니다.
플랫 드릴의 절삭 부분은 삽 모양이며 구조가 간단하고 제조 비용이 저렴합니다. 절삭유를 구멍에 쉽게 주입할 수 있지만 절삭 및 칩 제거 성능이 떨어집니다. 플랫 드릴은 일체형과 조립형의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
일체형 타입은 주로 직경 0.03mm~0.5mm의 마이크로 홀을 드릴링하는 데 사용됩니다. 조립식 플랫 드릴은 블레이드를 교체할 수 있으며 내부 냉각이 가능합니다. 주로 직경 25mm~500mm의 큰 구멍을 뚫는 데 사용됩니다.
심공 드릴은 일반적으로 구멍 깊이 대 직경 비율이 6보다 큰 공구를 말합니다. 일반적으로 사용되는 심공 드릴에는 건 드릴, BTA 심공 드릴, 제트 드릴, DF 심공 드릴 등이 있습니다. 카운터보어 드릴도 심공 가공에 일반적으로 사용됩니다.
리머는 3~4개의 톱니가 있으며 트위스트 드릴보다 더 단단합니다. 기존 구멍을 확대하고 가공 정밀도와 부드러움을 개선하는 데 사용됩니다.
카운터보어 드릴은 여러 개의 톱니가 있으며 다양한 유형의 접시머리 나사를 위한 카운터보어 구멍과 같이 구멍의 끝을 형성하거나 구멍의 바깥쪽 끝 표면을 평평하게 만드는 데 사용됩니다.
센터 드릴은 샤프트형 공작물의 중심 구멍을 드릴링하는 데 사용됩니다. 기본적으로 나선 각도가 매우 작은 트위스트 드릴과 카운터보어 드릴로 구성되며 복합 센터 드릴이라고도 합니다.
특정 홀 가공 작업을 위해 드릴을 선택할 때 공정 엔지니어는 홀 깊이를 우선적으로 고려해야 합니다. 가공된 홀의 깊이가 증가함에 따라 절삭 공정 중에 생성되는 칩의 부피도 비례하여 증가합니다. 홀 깊이와 칩 부피 사이의 이러한 관계는 깊은 홀 드릴링 작업에서 중요한 과제를 제시합니다.
효율적인 칩 배출은 모든 홀 가공 작업, 특히 깊은 홀 가공 작업의 성공을 위해 매우 중요합니다. 가공 중에 생성된 칩을 신속하고 효과적으로 배출하지 못하면 칩이 쌓여 드릴의 플루트를 막을 수 있습니다. 이러한 막힘은 여러 가지 해로운 결과를 초래할 수 있습니다:
이러한 문제를 해결하기 위해 파라볼릭 드릴은 심공 가공을 위한 탁월한 솔루션으로 부상했습니다. 포물선 드릴의 특징은 드릴 포인트에서 생크까지 점차 넓어지는 포물선 프로파일이 특징인 독특한 플루트 형상입니다. 이 혁신적인 디자인은 여러 가지 장점을 제공합니다:
심공 가공 작업에서 파라볼릭 드릴을 구현할 때는 절삭 파라미터, 절삭유 공급 방법(예: 관통 절삭유), 매우 깊은 구멍에서 펙킹 사이클이 필요할 수 있는 가능성 등의 추가 요소를 고려해야 합니다. 파라볼릭 드릴의 장점을 활용하고 적절한 가공 전략을 채택함으로써 제조업체는 다양한 재료와 응용 분야에서 심공 가공 공정의 효율성, 품질 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
특정 구멍을 뚫는 작업에 최적의 드릴 비트를 선택할 때 공정 엔지니어는 드릴 비트의 길이 대 직경(L/D) 비율을 고려해야 합니다. 이 중요한 파라미터는 가공할 구멍의 깊이와 드릴 비트의 직경 사이의 비율로 정의됩니다. 예를 들어, 38.1mm 깊이의 구멍을 뚫는 데 사용되는 직경 12.7mm 드릴 비트의 L/D 비율은 3:1입니다.
L/D 비율이 약 4:1 이하인 경우, 표준 트위스트 드릴 비트는 일반적으로 절삭 영역에서 칩을 효율적으로 배출합니다. 그러나 L/D 비율이 이 임계값을 초과하면 효과적인 가공을 위해 특별히 설계된 깊은 구멍 드릴 비트가 필요합니다.
L/D 비율이 4:1을 초과하면 표준 트위스트 드릴은 절삭 영역에서 칩을 배출하여 구멍 밖으로 배출하는 데 어려움을 겪습니다. 이로 인해 드릴의 플루트가 빠르게 막히기 때문에 "펙 드릴링"이라는 기술이 필요합니다. 이 방법은 드릴을 반복적으로 빼서 칩을 제거한 다음 다시 끼워 넣어야 하므로 공구 수명, 가공 효율성 및 홀 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 드릴을 빼고 다시 넣을 때마다 드릴이 방황할 위험이 증가하여 지정된 공차를 초과하는 대형 구멍이 발생할 수 있습니다.
심공 드릴링과 관련된 문제를 해결하기 위해 제조업체는 최근 몇 년 동안 두 가지 혁신적인 드릴 비트 디자인을 개발했습니다:
이 특수 드릴 비트는 칩 형성 및 배출을 향상시키는 최적화된 형상을 갖추고 있어 심공 드릴링 작업을 보다 효율적으로 수행할 수 있습니다. 포물선형 플루트 디자인은 칩 제어를 개선하고 절삭력을 줄여주며, 와이드 랜드 버전은 심공 작업에서 향상된 안정성과 직진성을 제공합니다.
심공 작업용 드릴 비트를 선택할 때 엔지니어는 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다:
파라볼릭 드릴 비트의 칩 배출 플루트는 연속 심공 드릴링 작업에 최적화된 독특한 파라볼릭 프로파일이 특징입니다. 이 설계를 통해 저탄소강, 다양한 알루미늄 합금, 구리 합금 등 경도가 25~26 HRC를 초과하지 않는 소재에서 최대 15:1의 길이 대 직경 비율을 사용할 수 있습니다.
예를 들어, 직경 12.7mm 포물선 드릴 비트는 최대 190mm 깊이까지 효과적으로 구멍을 뚫을 수 있어 탁월한 심공 드릴링 성능을 보여줍니다.
포물선형 플루트 형상은 기존 드릴 비트에 비해 훨씬 더 넓은 칩 배출 공간을 제공합니다. 이 향상된 설계는 절삭날에서 칩을 신속하게 제거하는 동시에 절삭 영역으로 절삭유가 더 많이 흐르도록 합니다. 따라서 심공 드릴링 작업에서 흔히 발생하는 마찰로 인한 열 축적과 칩 용접의 위험이 줄어듭니다.
또한 포물선형 설계는 전력 소비 감소, 토크 부하 감소, 가공 중 절삭 충격 최소화에 기여하여 전반적인 효율성과 공구 수명을 향상시킵니다.
파라볼릭 드릴 비트의 나선 각도는 일반적으로 36°-38°로, 표준 트위스트 드릴의 28°-30°보다 훨씬 더 가파른 것이 특징입니다. 이 증가된 나선 각도는 드릴의 형상이 더 공격적으로 "비틀어짐"을 나타내며, 이는 더 빠른 드릴링 속도와 더 효율적인 칩 배출과 직접적인 상관관계가 있습니다.
심공 가공 능력을 향상시키는 파라볼릭 드릴 비트의 또 다른 주요 특징은 더 두꺼운 웹(플루트를 연마한 후 남는 드릴 비트의 중앙 코어)입니다. 표준 트위스트 드릴의 웹은 일반적으로 드릴 직경의 약 20%를 차지하지만, 파라볼릭 드릴 비트의 웹은 전체 직경의 최대 40%를 차지할 수 있습니다.
심공 작업에서 이 두꺼운 웹은 드릴의 강성을 크게 높이고 공정 안정성을 향상시킵니다. 파라볼릭 비트의 드릴 포인트에는 종종 분할 포인트 설계가 통합되어 있어 절삭 효율을 저하시키지 않고 더 큰 직경의 웹을 사용할 수 있습니다. 또한 이 설계 기능은 홀 진입 초기 단계에서 드릴이 방황하는 것을 방지하여 홀 위치 지정 정확도를 향상시킵니다.
파라볼릭 드릴 비트는 일반적으로 고속강(HSS)으로 제조되며 TiN, TiAlN 또는 TiCN과 같은 고급 표면 코팅을 통해 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이러한 코팅은 특히 까다로운 재료나 고속 가공 조건에서 내마모성을 크게 개선하고 마찰을 줄이며 공구 수명을 연장할 수 있습니다.
냉간 가공 경화강 및 초합금과 같이 가공하기 어려운 소재의 심공 드릴링 문제를 해결하기 위해 주요 공구 제조업체들은 첨단 광폭 날개 파라볼릭 드릴을 개발했습니다. 이러한 드릴에는 까다로운 응용 분야에서 성능과 수명을 향상시키는 몇 가지 혁신적인 기능이 통합되어 있습니다.
기존 파라볼릭 드릴과 일부 특성은 공유하지만, 와이드 블레이드 버전은 최적화된 나선 각도(일반적으로 36°-38°)로 효율적인 칩 배출을 가능하게 합니다. 드릴의 코어는 두께가 증가하도록 설계되어 심공 가공 작업 시 뛰어난 강성과 안정성을 제공하며, 이는 엄격한 공차를 유지하고 드릴 이탈을 방지하는 데 매우 중요합니다.
와이드 블레이드 파라볼릭 드릴의 핵심 차별화 요소는 독특한 칩 플루트 형상과 절삭날 디자인에 있습니다. 절삭날이 칩 배출 플루트에 매끄럽게 결합되어 더욱 견고하고 견고한 절삭날 프로파일이 만들어집니다. 이러한 설계 혁신은 드릴의 구조적 무결성을 향상시킬 뿐만 아니라 원활한 칩 흐름을 촉진하여 칩 패킹과 그에 따른 드릴 고장의 위험을 줄여줍니다.
심공 드릴링 작업에서 마찰 열 발생은 절삭 날의 국부적인 연화 또는 어닐링으로 이어져 공구 마모를 가속화할 수 있습니다. 절삭 공구가 고온에서 경도를 유지하는 능력을 "고온 경도" 또는 "적색 경도"라고 합니다. 와이드 블레이드 파라볼릭 드릴은 일반적으로 고급 고속강(HSS) 합금으로 제조되며, 코발트가 풍부한 HSS는 극한 작업용으로 널리 사용됩니다.
5-8% 코발트를 함유한 코발트 고속강은 기존 HSS에 비해 열간 경도가 우수합니다. 이러한 특성은 특히 고온 절삭 조건에서 공구 수명을 연장하고 내마모성을 향상시킵니다. 또한 코발트 함량은 강철의 열전도율을 향상시켜 절삭 공정 중에 열을 더 효율적으로 방출할 수 있습니다.
성능을 더욱 향상시키기 위해 많은 와이드 블레이드 파라볼릭 드릴에는 TiAlN(티타늄 알루미늄 니트라이드) 또는 AlCrN(알루미늄 크롬 니트라이드)과 같은 특수 코팅이 적용되어 있습니다. 이러한 코팅은 추가적인 내마모성을 제공하고 마찰을 줄이며 열 방출을 개선하여 까다로운 심공 드릴링 작업에서 생산성과 공구 수명을 높이는 데 기여합니다.
고급 표면 코팅은 표준 파라볼릭 드릴과 와이드 블레이드 파라볼릭 드릴의 성능과 수명을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 다음 코팅은 최신 가공 작업에서 널리 사용됩니다:
티타늄 질화물(TiN) 코팅: 이 황금색 코팅은 드릴 비트의 수명을 크게 연장하고 홀 품질을 향상시킵니다. TiN 코팅 드릴 비트는 다양한 소재, 특히 강철 합금에서 고속 드릴링 작업에 탁월한 성능을 발휘합니다. 코팅의 낮은 마찰 계수(일반적으로 0.4-0.5)는 열 발생과 칩 접착력을 줄여 코팅되지 않은 공구보다 최대 30%의 절삭 속도를 제공합니다.
티타늄 카보나이트(TiCN) 코팅: 최적의 절삭 온도에서 TiCN 코팅 드릴 비트는 TiN 코팅에 비해 우수한 경도(최대 3000 HV), 강화된 인성 및 향상된 내마모성을 보여줍니다. 이 청회색 코팅은 철 소재, 특히 경화강을 고속으로 드릴링하는 데 이상적입니다. TiCN 코팅은 최대 400°C의 온도에서도 그 특성을 유지할 수 있어 절삭 속도와 이송 속도를 높일 수 있습니다.
그러나 비철금속을 가공할 때는 TiCN이 이러한 재료와 화학적 친화력이 높기 때문에 공구 마모가 가속화되고 공작물이 오염될 수 있으므로 주의가 필요합니다.
티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 코팅: 이 보라색-검정색 코팅은 특히 고온의 절단 환경에서 드릴 비트 성능을 크게 향상시킵니다. TiAlN은 고온에서 보호 알루미늄 산화물 층을 형성하여 최대 800°C까지 단열 및 산화 저항성을 제공합니다. 따라서 건식 및 거의 건식 가공을 효율적으로 수행할 수 있어 많은 응용 분야에서 냉각수의 필요성을 줄이거나 없앨 수 있습니다.
TiCN과 마찬가지로, TiAlN 코팅은 잠재적인 화학적 상호 작용으로 인해 비철금속 가공에는 적합하지 않습니다. 그러나 고강도 강철, 스테인리스강 및 티타늄 합금 가공에 탁월하여 이러한 소재의 비코팅 드릴에 비해 공구 수명이 최대 300%까지 향상됩니다.
심공 가공에서 드릴 비트의 절삭 성능과 공구 수명을 최대화하려면 특정 길이 대 직경(L/D) 비율에 따라 드릴링 속도와 이송 속도를 최적화하는 것이 중요합니다. 다음 지침은 다양한 L/D 비율에 대한 파라미터 조정에 대한 체계적인 접근 방식을 제공합니다:
L/D 비율이 4:1인 경우:
L/D 비율이 5:1인 경우:
L/D 비율이 6:1에서 8:1 사이인 경우:
이러한 감소는 심공 드릴링과 관련된 절삭력 증가, 열 발생 및 칩 배출 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다. 이는 일반적인 지침이며 특정 재료 특성, 절삭유 효율성 및 기계 강성에 따라 미세 조정이 필요할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
포물선 드릴 비트는 일반적으로 표준 트위스트 드릴 비트보다 2~3배 더 비싸지만, 심공 가공에서 뛰어난 성능(L/D 비율 > 4:1)으로 상당한 이점을 제공합니다:
이러한 이점은 종종 드릴링된 구멍당 비용을 낮추기 때문에 깊은 구멍을 가공할 때 기계 기술자가 파라볼릭 드릴 비트를 선호합니다. 이러한 특수 공구에 대한 초기 투자는 일반적으로 생산성 향상, 공구 교환 횟수 감소, 우수한 홀 품질로 상쇄되며, 특히 대량 생산 환경이나 스크랩 감소가 중요한 고가의 공작물 작업 시에는 더욱 그렇습니다.