절삭 공구의 수명

1. 공구의 수명
   새로 예리하게 연삭된 공구를 사용하여 동일한 가공물을 일정한 조건으로 절삭하기 시작하여,
   더 이상 절삭하기 곤란할 때까지의 총 절삭 시간을 분(Min)으로 나타낸 것이며
   드릴 작업에서는 절삭한 구멍의 길이의 총합으로 나타내기도 한다.
   그러나 일반적으로 공구가 완전히 절삭되지 않을 때까지 사용하는 것은 재 연삭시의 용이성과
   연삭시간의 측면에서 경제적이지 못하므로, 합리적인 공구 수명의 판정이 필요하다.

2. 공구 파손의 형식
   공구는 물리 및 화학적 반응으로 인하여 마모가 생긴다.
   일반적으로 절삭공구의 파손, 즉 완전히 기능을 상실할 때에는 다음의 4 종의 형식으로
   분류할 수 있다.
   (b) 크레이터링 (Cratering) (c) 플랭크 웨어 (Flank Wear)   (d) 칩핑 (Chipping) (a) 온도 파손
   공구의 파손은 별개로 일어나는 것이 아니고, 대부분 동시에 발생된다.
　

  2.1 경사면 마모 (Cratering, 크레이터)
     Chip 이 공구의 경사면을 유동할 때 경사면의 마모 작용을 Creating 이라 하며
     이 때의 마모를 Crater 마모 , 마모되어 패인 부분을 Crater 라고 한다.
     Crater 자체는 문제가 되지 않으나 Crater가 크면 공구의 절삭날 부가 약하게 되어 파손될 수 있다.
     크레이터 마모를 줄이기 위한 방법은 다음과 같다.
     1) 절삭 공구 경사면 위의 압력을 감소시킨다 (경사각을 크게).
     2) 절삭 공구 경사면 위의 마찰 계수를 감소시킨다
       (경사면의 표면 거칠기를 양호하게 또는 윤활성이 좋은 냉각제 사용 등).

  2.2 여유면 마모 (플랭크 , Flanking)
     절삭 공구의 절삭면에 평행하게 마모되는 것을 의미하며,
    측면(flank)과 절삭면과의 마찰에 의하여 발생한다.
    주철과 같이 메진 재료를 절삭할 때나 분말상 칩이 발생할 때는 다른 재료를 절삭하는 경우보다
    뚜렷하게 나타난다.
　

  2.3 Chipping
   공구의 인선부의 일부가 미세하게 탈락되는 현상으로, 경사면 마모 및 여유면 마모와 같이
   천천히 진행되는 것이 아니라 갑자기 발생된다.
   밀링 작업 및 평삭 등과 같이 충격을 받는 경우에 일어나기 쉽고, 초경 합금 및 다이아몬드 등과 같이
   충격에 약한 공구재료를 사용할 경우에 특히 문제가 된다.
   이것을 주로 지배하는 것은 충격력의 크기와 공구재료의 절삭온도에서 충격강도(Impact Strength) 인데
   공구의 재료적 결함이나, 마모가 생길 때의 과열로 인하여 나타나는 미세한 균열이 원인이 되는
   경우가 많다.
　

2.4 온도 파손(temperature failure).      공구의 경도와 강도는 온도에 따라 다르다.      절삭 작업에서 절삭 속도가 크면, 절삭 온도가      상승하고 마모가 크게 된다.      마모가 증가되면 공구의 선단의 입력 에너지는      증가되고, 공구는 약하여 지면서 충분한 기능을      발휘하지 못하고 결국 파손이 일어난다.      이러한 파손은 급하게 진행되고, 쉽게 확인이      가능하다.     그러므로 공구의 수명은 온도의 상승과 더불어     감소되고 마모가 생기면서 절삭저항이 증가 된다.

 3. 절삭 공구 수명에 영향을 주는 주요 요소
    공구 수명에 영향을 미치는 요소로는
    공구각, 절삭 공구 재질, 절삭 속도, 가공 재료, 절삭 유제 등이 있다.
   3.1 공구각의 영향
     일반적으로 고속도강과 같이 열에 매우 민감한 절삭 공구에서 경사각이 증가하면 절삭 온도는
      낮아지므로 경사각이 공구 수명에 많은 영향을 미친다.
     고속도강은 인성이 크지만 경사각이 30 ° 보다 커지면 공구 인선의 강도가 부족하여 치핑의
     원인이 되어 공구 수명이 짧아진다.
     절삭 공구의 날 끝 반지름은 공구 수명과 가공면의 표면 거칠기에 영향을 미친다.
     인선 반지름은 1.5mm까지는 다듬질 면이 양호하지만 더 커지면 떨림과 진동이 발생하여
     공구 수명이 짧아진다.

              
                           공구 형상과 공구 수명의 관계
   3.2 절삭 속도의 영향
     절삭 속도가 어느 정도에서는 절삭열의 영향으로 마찰 계수가 감소하고 구성 인선이 발생하지
     않지만, 절삭 속도가 필요 이상으로 커지면 고온 경도 및 크레이터 마모의 증가로 인하여
     절삭 공구의 수명이 짧아진다.

   3.3 절삭 공구의 재료
     절삭 공구의 재료는 고온 경도, 경도, 인성, 내마모성, 열적 충격성 등 여러 가지의 조건을
     갖춘 것이 좋다.
     가공 재료와 절삭 공구 재료의 친화력이 적어지면 마모 저항이 향상된다.
     고속도강은 고온 경도가 낮아 절삭열이 낮은 상태에서 가공하는 것이 좋다.
     세라믹, CBN 공구 등은 특성상 비교적 절삭열이 높은 절삭 속도로 가공하는 것이 좋다.
　

   3.4 가공 재료의 영향
     가공 재료가 절삭 공구 수명에 영향을 미치게 되며, 경도, 인성, 마모, 강도 등 재료의 성분이나
     기계적 성질이 절삭 공구 수명에 영향을 미치게 된다.

   3.5 절삭유제의 영향
     칩이 경사면 위에서 일으키는 마찰이 공구 수명에 영향을 미치며, 절삭유제는 절삭할 때 발생하는
      절삭열을 감소시키고 마찰을 감소시켜 절삭 공구 수명을 연장한다.

 3. 공구의 수명 판정
   절삭공구의 수명을 판정절하는 방법에는 여러 가지가 있다
   다음 방법은 흔히 사용되는 대표적인 방법이다.
   1)  광택에 의한 판정
   2) Crater 마모와 Flank 마모에 의한 판정
   3) 가공물의 치수 변화에 의한 판정
   4) 절삭 저항 증대에 의한 판정

  3.1 광택에 의한 판정
    1) 공구가 마모되어 인선이 둔화되면 가공면에 육안으로 식별되는 광택이 있는 띠(band)가 생기면서
       정상적인 절삭이 이루어지지 않으며, 이 때까지의 절삭시간을 공구수명으로 보는 방법이다.
    2) 가공 중이나 가공 종료 후 육안으로 쉽게 판별할 수 있어 작업현장에서 고속도강 공구의
      판정으로 많이 사용된다.


       고속도강 공구의 광택에 의한 수명판정
 

  3.2 Crater 마모와 Flank 마모에 의한 판정:

  탄소 공구강을 사용할 때의 기준 마모량을 예를 들면 다음 표와 같다.

  초경합금 공구의 수명을 판정하는 마모 폭(VB)

 (참고) Flank 마모의 발달 과정.

    참고. Flank 마모에 의해서 공구수명을 판정할 때 다음 순서에 의하면 편리하다.

  1) 절삭시간과 마모대(마모 land)폭의 관계 graph를 그리고, 마모대가 0.3mm (H.S.S. 기준)인
    점에서 절삭속도(V₁, V₂, ...)에 대한 공구수명(t₁, t₂,....)을 구한다.


                                 절삭시간과 마모대폭
　

  2) 절삭속도에 대한 공구수명을 다음 그림과 같이 대수좌표에 옮긴다.

   
                    절삭속도와 공구수명
  1/n = (log t1 -log t2) / (log V2 -log V1)
      = log (t1 / t2) / log (V2 / V1)
    ∴ (t1 / t2) ⁿ = (V2 / V1)
    ∴ V1 ᆞt1 ⁿ = V2 ᆞt2 ⁿ = ... ... = C     
    ∴ Vᆞt ⁿ = C   ----- Taylor의 공구수명방정식

  Vᆞt ⁿ = C 에서 C는 t = 1 min 일 때의 V 값이다.
  n는 절삭조건에 따라 다르나 공구재료의 영향이 가장 크며, 일반적으로 사용되는 n 값은 다음과 같다.
    고속도강(H.S.S.): n = 0.05 ~ 0.3,
    초경합금(WC): n = 0.12 ~ 0.25,
    ceramics: n = 0.35 ~ 0.55
   기울기의 절대값 1/n 이 적을수록 절삭속도의 증가에 대한 공구수명의 감소가 적으므로
   공구수명의 관점에서 바람직하다.
   즉 n 이 클수록 좋다. 또한 C 값이 클수록 V 와 t 가 크게 되므로 양호한 절삭조건이라 할 수 있다.

 3.3 가공물의 치수 변화에 의한 판정:
   공구가 마모되면 원치 치수로 절삭이 된다.
   이와 같이 치수의 변화량이 일정량에 도달하게 되었을 때 공구 수면으로 한다.
   1) 구멍을 절삭하는 공구의 경우 마모되면 절삭된 구멍의 지름이 작아지는 경우가 발생된다.
   2) 유사한 방법으로 다듬질의 표면조도가 일정한 값 이상으로 될 때를 수명으로 하는 경우도 있다.

 3.4 절삭력 증대에 의한 판정:
   공구가 마모되어 감에 따라 절삭저항이 증대한다.
   주분력의 증가보다는 축분력(이송분력)과 배분력(반경 방향 분력)이 급증하며,
   이것으로 공구수명을 판정하는 것이다.