Cutting Process CAD/CAM

(1)

Bong-Kee Lee

School of Mechanical Systems Engineering Chonnam National University

8. Cutting Process

Cutting Process

 공장기계의 운동생성

– 절삭공구와 공작물 간의 적절한 상대운동을 제공함으로써 요구되는 표면을 생성

– 즉, 절삭공구 위에 만들어진 절삭날로 공작물의 층을 제거 하는 상대운동

• 칩: 피삭재에서 제거된 부분

(2)

School of Mechanical Systems Engineering CAD/CAM

 공장기계의 운동생성

– 주운동(절삭운동)

• 공작기계에 의해 또는 수동으로 공구와 공작물에 상대운동을 일 으키는 주요 운동으로 공구면은 공작물에 접근함

• 통상적으로 기계가공의 총 동력의 대부분을 사용함

– 이송운동

• 주운동에 추가적으로 반복적이거나 연속적인 칩 제거를 위해 또 는 원하는 형상 특성을 가지는 가공면 생성을 위하여 공구 또는 공작물에 제공되는 운동

• 기계가공을 수행하기 위한 총 동력의 일부분을 사용함

– 위치결정운동

Cutting Process

 운동생성에 의한 분류

– 단인 공구를 사용하는 공작기계

• 선반, 보링 머신(수직, 수평), 셰이핑 머신(셰이퍼), 플레이닝 머신 (플레이너)

– 다인 공구를 사용하는 공작기계

• 드릴링 머신(드릴 프레스), 밀링 머신(수평, 수직), 브로칭 머신, 특 수 나사 가공기

– 연삭숫돌을 사용하는 공작기계

• 평면 연삭기(수평, 수직), 원통 연삭기, 내면 연삭기

(3)

 단인 공구

– 절삭부(칩 생성 요소)와 생크(shank)로 구성

– 선반, 터릿 선반(turret lathes), 플레이너, 셰이퍼(shaper), 보링 밀 등의 공작기계에 사용

• 공구면: 칩이 그 위로 흘러가는 공구의 면

• 공구 여유면: 공작물에 생성된 표면이 지나가는 면

• 절삭날: 절삭을 수행하는 날

• 날끝: 주절삭날과 부절삭날의 교점

Cutting Process

 단인 절삭에서의 절삭운동

– 공작물에 대한 상대적인 공구의 움직임 – 합절삭 운동: 주운동 + 이송운동

• 동시에 일어나는 주운동과 이송운동 으로부터 야기되는 운동

• 합절삭 속도각, η: 주운동과 합절삭 운동 사이의 각도

 

^v ^v

v v

e e









 0 cos



(4)

κ_r

 단인 절삭에서의 절삭운동

– 단인 공구 작업

• 주절삭날각, κ_r: 주요 공구각 중의 하나

• 미변형 칩두께, a_c: 절삭날 위의 한 점에 서 제거될 재료의 두께로 동력에 영향

• 이송물림, a_f: 이송운동에서 공작물에 대한 공구의 순간 맞물림량 (단인 절삭, a_f=f)

r f

c a

a  sin

κ_r

Cutting Process

 단인 절삭에서의 절삭운동

– 단인 공구 작업

• 미변형 칩두께

• 미절삭 칩 단면적

• 후방물림(절삭깊이), a_p

– 공작물에 대한 공구의 순간절입 – 단인 절삭 작용에서 제거되는 재료의 깊이를 결정

r r

f

c a f

a  sin  sin

p

c fa

A 

(5)

 전형적인 선반 작업

– 원통 선삭, 면삭, 보링, 외부 나사가공 절삭, 절단

• 주요 표면: 공작물 표면, 가공면, 순간표면

원통선삭 면삭

Cutting Process

 전형적인 선반 작업

외부 나사가공 절삭

절단 보링

(6)

 전형적인 선반 작업

– 원통 선삭

공구날 끝의 절삭속도 (n_w: 공작물의 회전속도) 절삭속도의 최대값 평균 절삭속도

금속 제거율: 평균 절삭속도 x 미절삭칩 단면적

w mn

d

w wn

d

 

2

m w w av

d d v n 

 

m w p w

m p p m w p

m w w p f av c w

d n fa Z

d a a d n fa

d d a n a v A Z















 

 2

Cutting Process

 전형적인 선반 작업

– 원통 선삭

p_s: 공작물의 단위체적을 제거하는 데 필요한 에너지 (공작물(재료, 소재)에 의존하는 값)

절삭가공에 필요한 동력 공작기계에 의해 소모된 전력

(η_m: 공작기계 모터와 구동 시스템의 총 효율)

w s

m pZ

P 



 



 



e m m m m

e P

P

P P 



(7)

 다인 공구

– 두 개 이상의 절삭부분(칩을 생성하는 요소)을 포함한 공 구

• 대부분의 다인 공구는 회전하도록 되어 있음

• 테이퍼(원추형) 또는 평행한 (원통형) 생크(shank)를 가지거나, 주 축 또는 아버가 삽입될 수 있도록 구멍을 가지고 있음

• 예. 드릴, 리머, 밀링 커터, 브로치 등

Cutting Process

 드릴링 머신(드릴 프레스)

– 공구가 회전

– 회전축과 평행한 이송

– 드릴링 머신의 일반적인 작업

• 내부 원통면(구멍 가공)을 생성 하기 위한 트위스트 드릴에 의한 드릴링

(8)

 드릴링 머신(드릴 프레스)

– 트위스트 드릴

• 두 개의 절삭날로 구성되며, 각 날이 공작물을 분담하여 절삭함

• 미변형 칩두께, a_c

• 가공시간, t_m

(l_w: 가공할 구멍의 길이, n_t: 공구의 회전속도)

r c

f r f c

a f

a f a

a



 2sin

2 sin











t w

c fn

t  l

Cutting Process

 드릴링 머신(드릴 프레스)

– 트위스트 드릴

• 금속 제거율, Z_w (단면적 x 이송속도)

• 이미 뚫려져 있는 구멍(d_w)을 확장하는 경우

t m f m

w d v d fn

Z ² ²

4 4



 





m w



t

w d d fn

Z ² ²

4 



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 드릴링 머신(드릴 프레스)

– 트위스트 드릴

• 절삭날 날끝(주절삭날의 바깥쪽 반지름)에서 최대 절삭속도

• 절삭날 중심부에 형성되는 치즐 에지(chisel edge)

– 절삭속도가 0 이기 때문에 절삭에 불리한 위치이나, 구멍의 품질에 거의 영향을 주지 않음

– 공작물을 밀고 들어가서 절삭날에 의해 소재를 바깥으로 밀면서 제 거함

– 절삭날에 의해 제거되는 칩들은 드릴 홈(flute)을 따라 배출됨

• 지름의 다섯 배 보다 짧은 길이의 구멍을 만드는 데 적합함 – 그 외의 경우, 건드릴링 머신 등의 특수 드릴 머신을 이용함

Cutting Process

 수평밀링 머신

– 밀링 커터가 주축에 의해 회전 되는 수평의 축(arbor)에 설치

– 공구가 회전되고(C-운동) 공작물은

연속적으로 이송됨(X’- 또는 Y’-운동)

– 일반적으로 상향 절삭을 이용

(10)

 수평밀링 머신

공구 1회전 시 공작물 이동거리, 이송(f) 이송물림(a_f)

최대 미변형 칩두께(a_cmax)

t f

n f v

N a_f  f

t e t f t e t e t f c

t e t e

t f f

c

d a Nn

v d a d a Nn a v

d a d a

Nn v N a f

a

~2 2

2 cos 1 sin

sin sin sin

2 max

2 2

max



 











 

















 



t e

d a 1 2 cos 

Cutting Process

 수평밀링 머신

절삭공구의 이동거리 (공작물의 길이, l_w) 가공시간(t_m)

금속 제거율(Z_w)



t e



e

w a d a

l  

 

f e t e w

m v

a d a

t l  



f p e

w aa v

Z 

(11)

 수직밀링 머신

– 주축의 방향이 수직인 밀링머신

– 수평, 수직, 경사면 등 다양한 종류의 절삭가공이 수행 가 능

Cutting Process

 수직밀링 머신

공구 1회전 시 공작물 이동거리, 이송(f) 이송물림(a_f)

최대 미변형 칩두께(a_cmax)

t f

n f v

N a_f  f

t f f

c Nn

v N a f a_max  

f t w

m v

d t l  가공시간

(12)

 연삭숫돌

– 연삭기(그라인더, grinder)에 장착되어 고속으로 회전하며 연삭 작업을 수행

• 원통형, 디스크형, 컵형 등

• 재료 제거가 주 목적인 거친 그라인딩 혹은 최종 표면 마무리 작 업에 이용

– 구성요소

• 입자(실리콘 카바이드, 산화 알루미늄 등), 입도, 결합도, 조직, 결 합재(레지노이드, 비트리파이드 등)

Cutting Process

 수평 평면연삭기

– 주운동: 숫돌의 회전(C-운동)을 위한 수평축 – 주이송: 작업 테이블의 왕복운동(X’-운동, 횡이송) – 기타 이송

• 인피드(in-feed) 이송(-Y-운동): 칼럼 아래로 숫돌헤드를 이송

• 종이송(Z’-운동): 주축에 평행하게 테이블을 이송

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 수평 평면연삭기

금속 제거율

가공시간(횡이송 연삭)

가공시간(플런지 연삭)

스파킹 아웃(sparking-out)

: 이송과 관계없이 탄성회복량을 연삭하여, 연삭작용이 더 이상 발생하지 않도록 하는 작업

trav p

w fa v

Z 

r w

m fn

t b

2

s r w

m t

fn t  b 

2