절삭 가공은 대표적인 기계 가공 방법 중 하나로 주로 금속을 커터로 자르거나 깎는 가공을 말합니다. 연필 깎기나 목재를 깎는 것을 연상하면 이해하기 쉽습니다. 이 글에서는 절삭 가공의 종류와 절삭 가공으로 제작할 수 있는 부품을 소개해 드리겠습니다. 그리고 절삭 가공에 흔히 사용되는 재료와 가공·설계 포인트에 대해서도 알려드리겠습니다.
목차
절삭가공이란?
절삭 가공이란 공구를 이용하여 모재(母財)를 깎아 원하는 형상을 만드는 가공입니다. 공구 또는 공작물을 회전시키면서 형상 가공을 진행합니다.
공작물을 고정하여 공구를 회전시키는 가공 방법을 「전삭」이라고 하고, 공작물을 회전시켜 공구를 맞추는 가공 방법을 「선삭」이라고 합니다.
가공 대상이 되는 모재(母財), 즉 소재는 철이나 스테인리스 등의 금속부터 알루미늄·황동과 같은 비철 금속, 나아가 카본이나 수지(엔지니어링 플라스틱) 등의 비금속까지 다양합니다.
절삭 가공은 정밀도 높게 복잡한 형상도 제작 가능하며, 후술하는 선반이나 밀링 머신, 머시닝 센터 등의 공작 기계를 사용하면 간단한 드릴링부터 복잡한 3차원 형상까지 폭넓게 제작할 수 있습니다.
최근에는 공작기계의 디지털화나 자동화가 진행되고 있지만, 같은 기종이어도 각각의 공작기계에 「개성」이 있습니다. 오퍼레이터는 기계의 개성에 맞추어 파라미터를 미세 조정함으로써 고정밀 가공이 가능해집니다.
또한 소재에 따라 경도 등 특성이 다르기 때문에 회전 속도나 이송 속도 등의 절삭 조건, 혹은 공구 그 자체를 바꿀 필요가 있습니다. 예를 들어, 알루미늄은 비교적 부드럽고 가공하기 쉬운 재료이지만 스테인리스 스틸은 단단하고 가공하기 어려운 재료입니다. 또한, 절삭시에 발생하는 열이나 절삭칩의 처리 등 재료 특성에 따른 적절한 가공 조건의 설정이 중요합니다.
절삭 가공은 소성 가공이나 사출 성형과 달리 금형의 준비가 불필요하기 때문에 다품종 소량 생산이나 프로토타입(시제품)에 적합합니다.
절삭가공의 종류
절삭 가공은 선반 가공(선삭 가공) , 밀링 가공 , 드릴링 가공의 크게 3종류로 나눌 수 있습니다. 선반 가공은 공작물을 회전시켜 깎는 공작 방법이고, 밀링 가공이나 드릴링 가공은 공구(커터)를 회전시켜 깎는 공작 방법입니다.
선반 가공(선삭 가공)
선반 가공(선삭 가공)에서는 공작물을 고속으로 회전시켜 거기에 커터를 닿게 하여 재료를 깎습니다. 공작물이 회전하기 때문에 원통형 부품을 제작하는 데 적합합니다. 원통의 바깥 부분을 깎거나 원통 내부에 구멍을 뚫고 수나사를 가공합니다. 수동으로 다양한 가공을 하는 범용 선반과 컴퓨터 프로그램에 의해 움직여 가공하는 NC 선반, CNC 선반이 있습니다.
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밀링 가공
밀링 가공 에서는 고정된 공작물에 고속으로 회전하는 커터를 대고 가공합니다. 정면 밀링, 엔드밀, 홈 밀링, 플레인 밀링 등의 공구로 면을 깎아내거나 단이나 홈을 파내는 등 다양한 가공이 가능합니다. 공구 교환이나 공구 제어 등을 모두 수동으로 하는 범용 밀링 머신이나 공구 제어를 자동으로 하는 NC 밀링 머신, 공구 교환도 자동으로 하는 MC(머시닝 센터)가 있습니다. NC나 MC 중에는 공구의 위치뿐만 아니라 공구나 공작물의 기울기를 제어하는 3축 가공기나 5축 가공기라고 불리는 가공기도 있습니다. 원통형을 가공하는 선반과 달리 블록 형상의 재료로부터 복잡한 형상을 깎아내거나 홈이나 구멍 등의 가공을 하는 등 폭넓은 가공이 가능합니다.
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드릴링 가공(볼반)
일반적으로는 드릴링 가공(볼반)은 홀을 가공할 뿐이라고 생각하기 쉽지만 사용하는 공구에 따라 다양하게 가공할 수 있습니다. 홀의 정밀도를 높이는 리머와 홀 내경을 넓히는 보링, 나사 절삭 가공 등입니다.
절삭 가공의 장점과 단점
절삭 가공에는 다음과 같은 장점과 단점이 있습니다.
장점
- 고정밀 가공이 가능
- 복잡한 형상의 가공에 대응 가능
- 금속에서 수지까지 다양한 재료에 대응 가능
- 한개부터 양산까지 유연한 수량 대응 가능
- 표면 거칠기를 세밀하게 제어할 수 있습니다
- 후가공이 적고, 즉시 사용 가능
단점
- 소재를 깎아 내기 때문에 재료의 낭비가 많다
- 가공 시간이 길고 비용이 높아지기 쉽다
- 공구 마모로 인한 소모품 교체 비용 발생
- 열에 의한 변형이나 타는 현상이 발생할 수 있음
- 버 발생으로 후처리 필요
- 복잡한 형상일수록 공구가 간섭되어 가공이 제한적이다
이러한 장단점을 고려하여 제품의 요구 정밀도나 생산 수량, 비용 등을 종합적으로 판단한 다음 절삭 가공의 채용을 검토할 필요가 있습니다. 특히 고정밀도나 복잡한 형상이 요구되는 소량 생산에 최적입니다.
절삭 가공의 주의점
절삭 가공을 할 때는 공구와 재료의 마찰에 의해 열이 발생합니다. 그 때문에 열에 약한 재료의 경우, 변형이 생기거나 재료의 성질이 변할 수도 있습니다. 이러한 경우에는 절삭유나 냉각수를 사용하거나 가공 속도를 조정하는 등의 과정이 필요합니다.
또한 가공 후 발생하는 버에 주의가 필요합니다. 재료나 가공의 종류에 의해 발생 상황은 다를 수 있지만 절삭 가공에서는 버가 발생할 가능성이 높다고 생각하면 됩니다. 버가 있으면 부품의 기능을 방해하거나 사용자나 가공자가 부상을 입는 경우도 있습니다. 미리 버를 어떻게 처리하면 좋을지 생각해 둘 필요가 있습니다.
절삭 가공을 할 수 없는 것은 도자기처럼 깨지기 쉬운 취성(Brittleness)이 높은 소재나 고무처럼 점성이 강하고 탄력이 있는 소재입니다. 절삭 가공은 다른 금속 재료와 목재, 일부 수지 재료 등 매우 광범위한 재료를 가공할 수 있습니다. 그러나 재료에 따라 절삭하기 어렵거나 절삭 가공 비용이 높아지기 때문에 주의가 필요합니다. 기본적으로 딱딱한 것은 깎기 어렵고 비용이 오른다고 생각하면 됩니다.
절삭 가공에 사용되는 재료
철강 재료
S45C와 SS400과 같은 일반적인 철강 재료는 절삭 가공의 재료로도 매우 자주 사용됩니다. 단, 담금질 등의 표면 처리를 하게 되면 딱딱해 지기 때문에 담금질은 절삭 가공 후에 실시하는 것이 일반적입니다.
스테인리스계 재료
SUS304 등의 스테인리스강도 절삭 가공이 가능하지만, 일반적인 철강 재료에 비해 단단하기 때문에 공구의 수명이 짧아집니다. 또한 가공에 시간이 걸리기 때문에 비용도 높아집니다.
알루미늄
A2017(듀랄민)이나 A5056 등의 알루미늄계 재료는, 기본적으로 매우 절삭 가공하기 쉬운 소재입니다. 그러나 철 재료 등에 비해 강도가 떨어지거나 재료 자체의 비용이 높아지기 쉽습니다. 또한 용접 등 다른 가공에는 적합하지 않을 수 있으므로 주의가 필요합니다.
수지
엔지니어 플라스틱이라고 불리는 공업용 수지도 절삭 가공을 할 수 있습니다.
ABS나 폴리에틸렌등의 소재로 기어를 제작하거나, 시제품으로서 절삭 가공품을 사용하는 경우도 있습니다.
또 PET나 아크릴, 폴리카보네이트 등의 투명 수지 소재는 복잡한 형상을 깎아내는 것은 부적합하나 타공이나 노치 등의 절삭 가공이 가능합니다. 투명 수지의 판에 관통 구멍을 뚫어 기계와 볼트로 고정하는 등의 활용이 가능합니다.
기타
티타늄이나 인코넬, 텅스텐 등은 매우 단단한 금속으로 가공이 어렵습니다. 특별한 이유가 없는 한 절삭 가공에서는 이러한 재료를 사용하지 않는 것이 좋습니다.
주요 재질의 가공 방법
알루미늄 절삭 가공
알루미늄은 철에 비해 가볍고 중량당 단가가 높은 것이 특징입니다. 때문에 경량화를 목적으로 고급 스포츠카의 바디 패널이나 엔진의 실린더 블록 등에 사용됩니다.
알루미늄의 장점은 다음과 같습니다.
- 비중이 작다(알루미늄：2.7 g/cm³, 철：7.8 g/cm³)
- 가공성이 우수하다
- 방열성이 높다(열전도율이 높음)
알루미늄은 가공성이 뛰어난 재질입니다만, 절삭 가공할 때에 주의해야 하는 것이 구성인선(Built-up edge)입니다. 알루미늄은 열전도율이 높고 방열성이 높다고 하지만 가공품의 형상이나 종류에 따라서는 표면이 용착해 공구의 날끝에 부착합니다. 이것을 구성인선(Built-up edge)이라고 합니다.
구성인선(Built-up edge)을 방지하려면 에어 블로우를 사용하여 칩을 자주 제거하거나 절삭유를 다량으로 뿌려 절삭유에 칩을 띄워 제거해야 합니다.
스테인리스 절삭 가공
스테인리스의 가장 큰 특징은 녹슬지 않는 특성(내식성이 높은 것)입니다. 같은 환경에서 사용하는 경우, 철에는 도장이나 도금이 필요해도 스테인리스라면 그대로 사용할 수 있는 경우도 있습니다.
스테인리스의 장점은 다음과 같습니다.
- 내식성이 높음
- 강도가 높다(인장 강도 SS400：400MPa, SUS304：520MPa)
- 내열성이 높다(500℃ 정도까지라면 인장 강도를 유지)
스테인리스는 난삭재로 분류되는 재료입니다. 그 이유는 열전도성이 낮기 때문에 가공시에 발생하는 열이 공구로부터 모재에 전해지지 않고, 공구에 열이 가해지기 때문입니다. 따라서 공구의 수명이 단축됩니다.
또, SUS304나 SUS316등의 오스테나이트계 스테인리스는 가공 경화를 일으키기 쉬운 것이 특징입니다. 가공 경화란 일단 소성 변형시킨 뒤 같은 방향으로 힘을 가하면 항복점이 상승하여 소성 변형하기 어려워지는 현상입니다. 즉, 가공을 진행해 가는 동안에 항복점이 높아져(재료가 단단해져) 가공하기 어려워집니다.
탄소 절삭 가공
탄소의 특징은 가벼움과 강도를 겸비하는 것입니다. 따라서 경기용 자전거나 항공기 등 가벼움과 강도를 모두 필요로 하는 곳에서 사용됩니다.
탄소의 장점은 다음과 같습니다.
- 비중이 작다(1.5~1.8 g/cm³)
- 강도가 높다(인장 강도 SS400:400MPa, 탄소 섬유(TORAY T300):3,530MPa)
- 내식성이 높다(부식하지 않음)
탄소도 난삭재로 분류되는 재료입니다. 수지와 탄소의 복합 재료인 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)는 강도가 높기 때문에 탄소 입자가 공구를 깎아 수명을 급격히 저하시킵니다. 또, 절삭중에 발생하는 칩(분진)이 공작기계의 베어링의 접동부에 침입하면 마모 뿐만 아니라 인체에 들어가는 경우 폐를 손상시킬 우려가 있습니다.
황동 절삭 가공
황동은 구리와 아연의 합금이며 부드럽고 잘 늘어나는 특징이 있습니다. 따라서 복잡한 형상으로 가공하기 쉽고 3차원 곡면이 많은 금관악기 등에 사용됩니다.
황동의 장점은 다음과 같습니다.
- 전신성이 뛰어난
- 부드럽다
- 방열성이 높다(열전도율이 높음)
황동은 절삭하기 쉬운 재료이지만 용해 온도가 낮고 칩이 날끝에 부착하기 쉽기 때문에 유성 냉각수로 절삭날을 냉각하거나, 경사각이 큰 초경 소재의 공구로 고속 절삭할 필요가 있습니다. 참고로 경사각은 단면에 있어서 축방향으로 연직의 선과 칼의 경사변(경사면)이 이루는 각입니다.
절삭 가공품을 설계할 때의 포인트
절삭 가공의 현장 시선으로부터 구체적인 설계의 포인트를 2개를 소개합니다.
코너 R 설계
절삭 가공에서는 「커터가 회전하는 것」에 의해 칼의 반경분만큼의 R(코너R)이 반드시 생기면서 회전합니다.
특히 3면 벽으로 둘러싸인 모서리에는 어딘가에 코너R이 생깁니다.
이러한 형상을 가공할 경우에는 반드시 어디에 코너R이 생겨도 되는지 도면 중에 명기해 주십시오. 어디에도 지시가 없으면 제작이 불가할 수도 있습니다.
가공을 고려한 홀 설계
절삭 가공에서 가장 문제가 되기 쉬운 것이 홀입니다. 특히 홀 가공에서 아래홀 관련은 자주 발생하는 문제입니다. 나사홀로 하여도 리머홀을 뚫어도 우선은 아래홀을 뚫는 것이 필요합니다.
관통홀이라면 문제가 적지만 도중에 구멍이 막혀 있는 “멈춤홀”에 탭이나 리머의 가공을 실시하는 경우는 주의가 필요합니다.
이번에는 주요 포인트 두 가지만 소개했습니다만 그 외에는 가공 형상의 깊이나 언더컷, 단 교체를 가능한 한 줄이는 등의 설계 포인트도 있습니다.
가공방법을 선택하는 방법(판금과의 차이점)
절삭 가공은 금속을 깎아내어 성형하는 수법으로, 높은 치수 정밀도나 복잡한 입체 형상의 부품의 제작에 적합합니다. 한편, 판금 가공은 금속판을 자르거나 굽히거나 용접하여 성형하는 수법으로, 비용과 납기의 단축에 유효한 경우도 있습니다. 목적에 따라 가공 방법을 선택하는 게 좋습니다.
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절삭가공으로 제작할 수 있는 부품
절삭 가공으로 만들 수 있는 부품이란 어떤 형상일까요? 대표적인 부품 예를 소개합니다.
1~2축 가공품
한 방향에서 구멍을 뚫거나 홈을 내는 형상이 가장 간단하게 제작할 수 있는 형상 중 하나입니다. 홀가공과 같이 1축 방향에서만 가공하거나 같은 높이로 윤곽을 가공하거나, 홈을 넣거나 하는 평면적인 가공도 비교적 간단한 가공입니다. 아래의 예와 같이 평평한 판에 나사홀이나 드릴홀 등을 가공하기만한 베이스 플레이트나 일부 노치, 모따기 처리한 블록 등이 전형적입니다. 홀이나 노치와 더불어 윤곽, 포켓(홈)의 가공도 가능합니다.
다면 가공품
1~2축 가공품을 1방향만이 아니라 여러 방향에서 처리한 것 같은 가공품입니다. 아래의 왼쪽 그림과 같이 한 방향에서 윤곽 형상, 홀 가공, 포켓 가공, 노치 가공하는 것 외에 가로 방향에서도 홀 가공 처리했습니다. 아래의 오른쪽 그림의 하우징은 가로 방향에서 홈 가공을 한 뒤 다른 방향에서 홀 가공 처리했습니다. 이와 같은 가공은 소재를 뒤집어 방향을 바꿔 각각의 방향에서 형상 가공을 합니다. 한 방향부터 가공 처리한 후 소재를 뒤집어 다시 고정하는데 이러한 작업을 설정 교체라고도 합니다.
3축 가공
한 방향에서 가공해도 매끄러운 국면(자유 곡면 등)을 깎는 방법을 3축 가공이라고 합니다. 곡면을 따라 볼 엔드밀이라는 선단이 둥근 커터를 이동하여 마감합니다. 왼쪽 그림과 같이 자유 곡면을 가진 부품은 물론 오른쪽 그림과 같이 사람이나 동물을 스캔한 듯한 곡면도 가공할 수 있습니다. 곡면을 따라 3차원적으로 동시에 주축을 움직여야 하므로 3차원 가공에 대응한 CAM(Computer Aided Manufacturing)이라는 전용 애플리케이션으로 NC 프로그램을 작성합니다. 사출 성형 부품 등의 금형 절삭 가공 등에서도 자주 사용되는 가공 방법입니다.
다축 가공품
블록형이 아닌 전체적으로 복잡한 형상을 한 부품도 가공할 수 있습니다. 소재를 여러 방향으로 다시 고정하거나 5축 가공기라는 최신 기계를 사용하면 다면적인 복잡 형상 제작이 가능합니다.
항공기 부품 등에서 자주 쓰이는 가공 방법입니다.
아래 그림과 같이 자유 곡면과 홀 가공 등이 조합되어 있어 보스가 서 있거나 전체적으로 살 두께가 얇은 형태로 되어 있는 등 복잡하고 얇은 구조가 많은 것이 특징입니다.
동시 다축 가공
최신 5축 가공기나 복합 가공기 중에도 공구의 움직임과 함께 소재도 동시에 빙글빙글 회전시키면서 가공하는 동시 가공에 의해서만 가공할 수밖에 없는 형상도 있습니다.
왼쪽 그림과 같은 로터 블레이드라는 형상(동시 4축)이나 오른쪽 그림과 같은 임펠러 형상(동시 5축)이 전형적입니다. 이와 같이 일정한 소재 방향만으로는 가공이 어려운 형상 가공에도 절삭 가공은 강점을 발휘합니다.
산업별 절삭가공품 제품사례
자동차 부품의 절삭 가공 사례
다양한 자동차 부품에서 절삭 가공이 사용됩니다. 외관 중 알기 쉬운 것은 알루미늄 휠입니다. 휠은 차체를 지지하고 부드럽게 회전하는 역할을 합니다. 디자인성이 높을수록 절삭 가공의 가공 난이도도 높아집니다.
또, 최근 대두하고 있는 것이 전기차(EV)입니다. EV에는 가솔린차에서 사용하지 않는 주행용 모터가 있어 모터 코어(철심)를 제조하기 위한 금형을 만드는데 절삭가공이 이용됩니다.
의료 기기, 의료 업계의 절삭 가공의 사례
골절 상태에 따라 뼈를 고정하기 위해 금속 볼트가 사용됩니다. 이 볼트는 스테인리스나 티타늄을 절삭 가공하여 만들어집니다. 볼트를 제작할 때 선반으로 「나사 절삭 가공」을 하거나 나사 절삭 가공 전용의 「나사 절삭반」을 사용합니다.
항공우주산업 절삭가공 사례
카본(CFRP)은 강도와 가벼움이 요구되는 항공우주산업에서 이용되고 있습니다. 항공기의 경우, 주 날개나 꼬리날개, 동체에도 사용되고 그 밖에는 인공위성의 안테나나 태양광 패널에도 사용되고 있습니다. 또한 로켓의 선단부(페어링)의 일부에도 CFRP가 사용되고 있습니다.
정리
절삭 가공의 공작 기계에는 가공물을 회전시켜 가공하는 선반, 가공물을 고정하고 커터를 회전시켜 가공하는 밀링 머신, 홀을 가공하는 드릴링 가공이 있습니다. 목적으로 하는 형상에 따라 가공기의 종류와 가공 축의 수 등을 선택합니다. 철강 재료나 알루미늄계 재료, 수지 등 폭넓은 재료를 가공할 수 있지만 도기처럼 깨지기 쉬운 소재나 고무처럼 탄력과 끈기 있는 소재는 가공하기 어렵습니다. 절삭 가공품을 설계할 때는 가공기의 성질이나 커터의 형상을 고려하면서 설계해야 합니다. 한국미스미 meviy에서는 스틸 및 알루미늄, 스테인리스, 수지 소재를 절삭 가공할 수 있습니다. 지금 바로 3D CAD 데이터를 meviy에 업로드하여 견적 받아 보세요.
