절삭 가공이란 무엇인가? 방법, 재료 및 DFM 팁

항공기 엔진 부품부터 수술용 임플란트에 이르기까지, 전 세계 정밀 부품의 대부분은 절삭 가공 방식을 사용하여 만들어집니다.

3D 프린팅 기술이 아무리 발전했더라도, 산업계는 여전히 정확성, 강도 및 반복성을 위해 절삭 가공에 의존하고 있습니다. 따라서 이번 블로그 게시물에서는 절삭 가공이란 무엇이며, 어떻게 이루어지는지, 그리고 오늘날에도 여전히 중요한 이유를 설명하겠습니다.

절삭 가공이란 무엇인가요?

절삭 가공은 단단한 소재에서 재료를 제거하여 부품을 만드는 방식입니다. 블록, 빌릿 또는 판재를 사용하여 절삭 공구로 불필요한 부분을 깎아냅니다. 일반적인 가공 작업으로는 드릴링, 연삭, 밀링, 선삭 등이 있으며, 이러한 작업은 CNC 시스템으로 제어됩니다. 이 공정을 통해 금속, 플라스틱, 복합재료 등 다양한 소재에 대해 정밀한 공차(보통 0.01~0.025mm)와 매끄러운 표면 마감을 구현할 수 있습니다.

현대 생산에서 절삭 가공은 어떤 역할을 할까요?

절삭 가공은 시제품 제작, 대량 생산 및 맞춤형 툴링 분야에서 지배적인 위치를 차지합니다. 자동차, 항공우주 및 의료 부품의 80% 이상이 신뢰성, 정밀도 및 다양한 소재 활용성을 위해 절삭 가공을 사용합니다. 적층 가공 방식이 성장하고 있음에도 불구하고, 대부분의 물리적 제품, 특히 고강도 또는 정밀 공차를 요구하는 부품은 완성 전에 일부 절삭 가공 공정을 거쳐야 합니다.

참조 : 적층 제조 vs. 절삭 제조

절삭 가공의 작동 원리 - CAD 모델에서 완제품까지

디지털 디자인을 물리적 구성 요소로 변환하는 과정은 이전 단계를 기반으로 구축되는 정밀하고 다단계적인 워크플로를 따릅니다.

디자인 및 CAD 모델링

절삭 가공 공정은 재료, 형상 및 주요 공차를 명시한 상세한 3D CAD 모델에서 시작됩니다. 이 단계에서 설계자는 부품의 생산 가능성을 확보하기 위해 벽 두께 및 공구 접근성과 같은 제조상의 현실적인 요소를 고려하여 비용이 많이 드는 수정 작업을 피해야 합니다.

CAM 프로그래밍 및 툴패스 생성

캠 소프트웨어 Fusion 360이나 SolidWorks CAM과 같은 소프트웨어를 사용하여 최종 CAD 모델을 기계 명령(G 코드)으로 변환합니다. 이 소프트웨어는 최적의 공구 경로를 생성하고 이송 속도 및 절삭 속도와 같은 매개변수를 계산합니다. 예를 들어 알루미늄 가공에는 150~300m/min의 표면 속도가 적합하지만, 경도가 높은 강철은 공구 수명을 보존하기 위해 더 느린 속도(80~180m/min)가 필요합니다.

기계 설정 및 고정

다음으로, 기계공은 바이스나 고정구를 사용하여 원자재 블록을 고정하고 절삭 공구를 장착합니다. 이러한 설정은 모든 작업에 대한 정확한 기준점(G54)을 설정하는 데 매우 중요합니다. 또한 열과 열팽창을 제어하기 위해 냉각수 선택도 완료됩니다.

참조 : CNC 가공에서의 공작물 고정 방법

절단, 검사 및 마무리

마지막으로 기계가 G 코드를 실행하여 재료를 절삭함으로써 완성된 부품을 드러냅니다. 작업자는 캘리퍼를 사용하여 가공 중 검사를 실시하여 정확도를 확인할 수 있습니다. 가공 후 부품은 마무리 공정을 거칩니다. 양극 산화 처리외관 및 성능에 대한 최종 사양을 충족하기 위해 디버링 또는 열처리를 수행합니다.

At RICHCONN저희 기계공들은 고정 장치 설치부터 공구 교체까지 전체 설정 과정을 관리하며, CMM 검사와 같은 첨단 측정 기술을 활용합니다. 이를 통해 모든 부품이 첫 생산부터 사양을 충족하도록 보장합니다.

핵심 절삭 가공 방법

현대 제조 공정은 각각 특정 형상과 정밀도 요구 사항에 특화된 여러 가지 개별적인 절삭 가공 공정에 의존합니다.

CNC 가공 및 자동화

CNC 가공은 미리 프로그래밍된 G 코드를 사용하여 마이크론 수준의 정밀도로 재료를 제거하는 작업을 자동화합니다. 수동 방식과 달리 CNC 시스템은 탁월한 반복성을 제공합니다. 이를 통해 각 부품이 CAD 모델과 ±0.025mm 이내의 정밀도로 일치하도록 연속 생산이 가능합니다. 이러한 정밀도는 몇 가지 특수 작업을 통해 구현되는데, 이에 대해서는 지금부터 살펴보겠습니다.

CNC 밀링

밀링은 회전하는 다날 절삭날을 사용하여 고정된 공작물에서 재료를 제거하는 가공 방식입니다. 일반적으로 3~5축을 갖춘 이러한 기계는 브래킷이나 하우징과 같은 비대칭 각기둥형 부품 가공에 가장 적합합니다. 또한 슬롯, 포켓, 3D 윤곽선과 같이 축 동시 이동이 필요한 복잡한 형상 가공도 가능합니다.

CNC 선반 및 선삭

선회 선반 가공은 고정된 단일 절삭 공구에 대해 공작물을 고속으로 회전시키는 방식입니다. 이 방법은 부싱, 패스너, 샤프트와 같은 원통형 부품을 제조하는 데 표준적으로 사용됩니다. 선반은 지속적인 접촉을 유지함으로써 밀링 가공에 비해 우수한 동심도와 진원도를 얻을 수 있습니다.

드릴링, 보링 및 리밍

드릴링은 초기 구멍을 만들지만 정밀도가 제한적이고(IT11~IT13) 표면 조도가 거칠다(Ra 6.3~12.5µm). 보링은 기존 구멍을 정밀한 직경과 더 나은 동심도로 확장한다. 리밍은 최종 마무리 작업으로, 구멍을 정밀한 공차(IT7~IT9)와 매끄러운 표면(Ra 0.8~3.2µm)으로 가공한다.

참조 : https://richconn.com/cnc-drilling-vs-cnc-boring/

연삭 및 표면 마감 작업

연삭은 연마 휠을 사용하여 최소한의 재료만 제거하는 공정입니다. 이를 통해 ±0.002mm만큼 정밀한 공차를 구현할 수 있습니다. 이는 기존 절삭 공구로는 가공하기 어려운 경화 금속에 필수적인 공정입니다. 또한, 이 공정을 통해 마찰이 적고 완벽한 밀봉이 요구되는 접합면에 매우 중요한 초정밀 표면 조도(Ra <0.4µm)를 얻을 수 있습니다.

첨단 및 비전통적 절삭 가공 공정

기존의 도구를 넘어, 첨단 공정을 사용하여 다루기 어려운 재료와 복잡한 형상을 처리합니다.

방전 가공(EDM)

EDM은 물리적 접촉이 아닌 제어된 전기 스파크를 사용하여 경화된 공구강(HRC 60 이상)과 같은 전도성 재료를 침식합니다.

전극과 가공물 사이의 간격을 정밀하게 유지함으로써(일반적으로 5~50µm), 날카로운 내부 모서리를 가진 복잡한 형상을 가공할 수 있으며 ±0.005mm만큼 정밀한 공차를 구현합니다. 또한, 연마 작업 없이도 Ra 0.1~0.8µm에 달하는 탁월한 표면 조도를 제공합니다.

레이저 절단 및 조각

레이저 절단 이 기술은 400W에서 12kW에 이르는 고에너지 빔을 사용하여 재료를 높은 정밀도로 녹이고 기화시킵니다. 빠른 속도가 장점이며, 폐기물을 최소화하면서 정밀하고 세밀한 형상을 구현할 수 있습니다. 금속 및 비금속 재료, 특히 판재 가공에 효과적이지만, 열영향부가 약간 발생할 수 있습니다.

워터젯 커팅

이 방법은 최대 90,000psi의 고압수를 사용하며, 종종 가넷과 같은 연마재를 혼합하여 사용합니다. 이 방법의 가장 큰 장점은 냉간 절단 공정이기 때문에 열영향부(HAZ)가 발생하지 않는다는 것입니다. 따라서 재료의 구조적 무결성을 유지할 수 있어 열에 민감한 합금, 복합재료 및 석재 가공에 적합합니다.

하이브리드 가공 시스템

하이브리드 시스템은 적층형 3D 프린팅과 절삭식 CNC 밀링과 같은 다양한 가공 방식을 하나의 설비에서 결합합니다. 이를 통해 복잡한 형상의 부품을 적층 방식으로 제작한 후, 핵심 접합부를 정밀한 공차로 가공할 수 있습니다. 이러한 공정은 항공우주 및 의료 분야의 고부가가치 부품 생산에서 재료 낭비를 크게 줄이고 생산 기간을 단축합니다.

절삭 가공용 재료

절삭 가공은 효율적이고 효과적인 생산을 위해 적절한 재료 선택이 필수적입니다. 재료 선택은 비용, 공구 제작, 그리고 가공된 부품의 최종 품질에 영향을 미칩니다.

금속 및 합금

잘 알려진 절삭 가공 금속으로는 알루미늄, 티타늄, 강철, 스테인리스강, 구리 합금 및 니켈 초합금이 있습니다. 알루미늄과 구리 합금은 가공 속도가 빠른 반면, 강철, 티타늄 및 초합금은 강성, 강도 및 내식성을 우선시합니다.

엔지니어링 플라스틱 및 복합재

엔지니어링 플라스틱은 우수한 내화학성을 갖춘 경량 소재입니다. 나일론이나 PEEK와 같은 소재는 고성능과 정밀한 공차를 요구하는 맞춤형 부품 제작에 사용됩니다. 유리 섬유와 같은 충전재를 사용한 복합 소재는 강도가 향상되지만 특수 금형이 필요합니다.

가공물 소재 형태 및 선택

절삭 가공은 스톡이라고 하는 단단한 가공물로 시작됩니다. 이 원자재는 봉, 블록 또는 판과 같은 형태로 제공됩니다. 적절한 스톡 크기와 모양을 선택하면 가공 시간을 최소화하고 재료 낭비를 줄이며 전체 생산 비용을 낮출 수 있습니다.

재료 특성이 공구 및 매개변수에 미치는 영향

각 재료의 경도, 화학적 성질 및 열전도율은 절삭 속도, 공구 선택 및 윤활 요구 사항에 직접적인 영향을 미칩니다. 티타늄과 같은 경도가 높은 재료는 과열을 방지하기 위해 초경 공구와 제어된 이송 속도가 필요합니다. 반대로 알루미늄과 같은 연질 재료는 더 빠른 가공이 가능하지만 깨끗한 표면 마감을 위해서는 정밀한 형상이 요구됩니다.

절삭 가공에서의 제조 용이성 설계

제조 용이성을 고려한 설계(DFM)는 재료 제거가 핵심인 모든 절삭 가공 공정에서 비용을 관리하는 데 도움이 됩니다.

공차, 맞춤 및 기하학적 치수

절삭 가공에서 정밀한 공차는 재료 제거 비용과 시간을 증가시키기 때문에 항상 좋은 것은 아닙니다. 예를 들어 ±0.025mm의 공차는 정밀한 절삭이 필요하기 때문에 표준 공차에 비해 비용이 네 배나 더 들 수 있습니다. 따라서 정밀한 공차는 기능적으로 필요한 경우에만 적용해야 합니다.

밀링 및 선삭 가공을 위한 설계 특징

표준 공구를 사용할 수 있도록 설계하십시오. 내부 반경을 충분히 크게(이상적으로는 캐비티 깊이의 3분의 1 이상) 하여 더 크고 단단한 절삭 공구를 사용할 수 있도록 하십시오. 깊은 포켓은 피하고, 깊이 대 너비 비율을 4:1로 유지하는 것이 일반적인 지침입니다.

부품 설계도를 저희와 공유해 주시면, RICHCONN 가공 비용과 시간을 증가시킬 수 있는 특징을 지적하고, 부품을 밀링 또는 선삭하기 쉽게 만드는 작고 실용적인 조정 방안을 제안할 수 있습니다.

설치, 공구 교체 및 고정 장치 복잡성 최소화

절삭 가공 공정에서 모든 기계 설정은 비용, 시간 및 오류 위험을 증가시킵니다. 모든 형상에 가능한 한 적은 방향에서 접근할 수 있도록 부품을 설계하십시오. 이렇게 하면 가공 중 공작물을 고정하는 데 필요한 고정 장치가 간소화됩니다.

시제품 및 생산을 위한 비용 절감형 설계 팁

공구 교체 횟수를 최소화하기 위해 구멍 크기와 같은 특징을 표준화하십시오. 표준 원자재 크기에 맞는 치수로 부품을 설계하십시오. 이렇게 하면 재료 제거량이 줄어들어 시간을 절약하고 폐기물을 최소화할 수 있습니다.

엔지니어들이 흔히 저지르는 실수와 이를 피하는 방법

절삭 가공에서 발생하는 대부분의 불량품과 재작업은 몇 가지 반복적인 설계 오류에서 비롯되는데, 이에 대해 지금부터 살펴보겠습니다.

1. 허용 오차 및 표면 마감 요구 사항을 과도하게 명시함

모든 형상에 엄격한 공차를 적용하면 견적이 부풀려집니다. 예를 들어 표준 공차인 ±0.1mm를 ±0.01mm로 줄이면 필요한 검사와 기계 속도 저하로 인해 비용이 세 배로 늘어날 수 있습니다. 가공 비용을 절감하려면 중요한 밀봉면이나 접합면에만 엄격한 공차를 적용해야 합니다.

2. 공구 접근 및 공작물 고정 제약 조건 무시

깊은 포켓, 날카로운 내부 모서리, 그리고 숨겨진 형상은 공구 접근을 제한합니다. 깊은 형상 가공에는 긴 공구가 필요하여 불량률과 채터링이 증가하고, 언더컷 가공에는 특수 공구나 5축 가공기가 필요하여 비용이 상승합니다. 따라서 CAD/CAM 시뮬레이션을 통해 가공 가능성을 사전에 검증하고, 표준 공구 접근이 용이하도록 설계하여 셋업 시간과 생산 시간을 단축해야 합니다.

3. 가공하기 어려운 재질 등급 사용

가공하기 어려운 소재를 명확한 필요성 없이 선택하면 비용과 납기가 증가합니다. 초합금이나 경화강은 절삭 속도가 느리고 공구 마모가 빨라 사이클 시간과 공구 비용이 늘어납니다. 많은 경우, 더 부드럽고 흔한 합금을 사용하면 비용을 절감하면서 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

At RICHCONN 저희는 귀사의 자재 선택 사항을 검토하고, 요구 사항을 충족하면서도 기계 가공 효율이 더 높은 대체재를 제안해 드릴 수 있습니다.

4. 명확한 기하공차(GD&T), 도면 또는 제조 관련 참고 사항을 제공하지 않음

기준점이 명확하지 않은 모호한 도면으로 인해 기계공은 정렬을 추측해야 합니다. 이로 인해 불량품이 발생하는 경우가 많습니다. 해결책을 구현하십시오. 기하 치수 및 공차(GD&T) 참조 평면과 주요 특징 간의 관계를 명확하게 정의합니다. 또한, 명확한 문서화는 해석 오류를 제거하고 비용이 많이 드는 불필요한 소통을 줄입니다.

5. 후처리, 마무리 및 2차 가공 작업을 간과함

엔지니어들은 종종 아노다이징과 같은 표면 처리가 부품에 물리적인 두께를 더한다는 사실을 잊곤 합니다. 이러한 두께 증가는 정밀 가공 후 형상이 실제 크기보다 작아지는 원인이 될 수 있습니다. 이를 보정하기 위해 항상 가공 전 치수에서 예상되는 코팅 두께를 빼야 합니다.

절삭 가공의 장점 및 한계

감산 방식은 타의 추종을 불허하는 정밀도를 제공하지만, 가산 방식과 마찬가지로 기하학적 제약을 받습니다.

장점

• CNC 가공은 일반적으로 ±0.025mm 이하의 정밀도를 유지하며, 이는 일반적인 정밀도를 뛰어넘는 수준입니다. 3D 인쇄.
• 이 제품은 Ra 1.6~3.2µm 정도의 탁월한 표면 조도를 제공하며, 미세 조도를 통해 Ra 0.4µm까지 낮출 수 있습니다.
• 정밀 가공된 부품은 모든 방향에서 균일한 특성을 가지며 등방성 강도를 유지합니다.

제한 사항

절삭 가공 방식은 복잡한 내부 구조나 유기적인 형태를 가공하는 데 어려움을 겪습니다. 절삭 공구가 내부 채널, 깊은 공동 또는 기타 갇힌 공간에 쉽게 도달하지 못하기 때문입니다. 또한 특이한 디자인은 고정 장치 제작을 더욱 어렵게 만듭니다. 이러한 경우 적층 제조 또는 3D 프린팅이 대부분 더 효과적입니다.

리드 타임, 확장성 및 비용 고려 사항

절삭 가공은 프로그래밍 및 고정 장치 설치로 인해 초기 설정 비용이 높지만, 생산량이 증가함에 따라 단위당 비용이 감소합니다. 100개 이상의 수량에서는 CNC 가공이 일반적으로 더 경제적입니다. 첨가제 제조하지만 복잡한 부품의 경우 재료 낭비가 심해 비용 효율성이 떨어질 수 있습니다.

절삭 가공 vs 적층 가공 및 성형

빠른 참조 표

제품 특장점	감산(CNC)	적층형(3D 프린팅)	성형(사출/단조)
프로세스 원리	재료 제거	층층이 쌓아 올리기	힘으로 모양을 만들거나 성형하는 방식
재료 폐기물	높음	높음	최소의
툴링 비용	중간 (절단기/고정장치)	낮음(도구 필요 없음)	높은 (금형/다이)
기하학적 유연성	도구 접근에 의해 제한됨	거의 무제한	곰팡이 의존성
음량	낮음에서 중간	낮은 (프로토타입 제작)	높은 (대량 생산)
표면 처리	우수한	거친 표면(레이어 라인)	좋음 (부드러움)

주요 요점

• 탁월한 강도와 매끄러운 마감을 갖춘 정밀 부품을 원하신다면 절삭 가공 방식을 선택하십시오.
• 복잡한 내부 형상이나 신속한 프로토타입 제작에는 적층 제조 방식을 활용하십시오.
• 간단한 금속 부품을 매우 대량 생산하기 위한 성형 공정을 선택하십시오.

절삭 가공 기술의 산업적 활용

절삭 가공은 정밀도와 재료의 다양성 덕분에 중요 산업 분야에서 고성능 부품을 생산하는 주요 방법으로 남아 있습니다.

자동차, 항공우주 및 방위 부품

이러한 산업 분야에서는 극한의 스트레스와 온도를 견뎌야 하는 안전 필수 부품이 필요합니다. 절삭 가공을 통해 티타늄 및 인코넬과 같은 고강도 소재를 엔진 블록, 터빈 블레이드, 항공기 기체 등으로 가공하며, 이때 공차는 ±0.005mm까지 정밀해야 합니다. CNC 가공의 신뢰성은 이러한 부품들이 엄격한 ISO 및 표준을 충족하도록 보장합니다. AS9100 표준.

의료 기기 및 임플란트

제조업체들은 생체 적합성 임플란트를 제작하기 위해 티타늄(Ti-6Al-4V)과 PEEK 소재에 CNC 가공 기술을 활용합니다. 이 공정을 통해 뼈 나사, 고관절, 수술 기구 등에 필요한 매끄럽고 기공이 없는 표면을 만들 수 있습니다. 이는 궁극적으로 세균 증식을 방지하고 골융합을 보장합니다.

생산 라인용 툴링, 금형 및 지그

절삭 가공은 대량 생산을 가능하게 하는 내구성 있는 툴링을 제작하는 데 필수적입니다. 경도가 높은 공구강(HRC 50 이상)은 CNC 밀링 및 EDM 가공을 통해 복잡한 사출 금형과 다이캐스팅 금형으로 가공되어 거울처럼 매끄러운 표면 마감을 구현합니다.

에너지 부문

가스 터빈 및 풍력 터빈을 포함한 발전 설비에는 크고 내구성이 뛰어난 부품이 필요합니다. CNC 보링 및 터닝 밀링기는 가혹한 환경에서 연속 작동을 견딜 수 있는 대형 샤프트와 기어박스 하우징을 가공합니다.

일반 가공 부품

특수 분야 외에도 절삭 가공은 수많은 일반 부품을 만드는 데 사용됩니다. 브래킷, 맞춤형 기어, 하우징, 풀리 및 샤프트와 같은 품목은 모든 유형의 기계 및 소비재에 사용하기 위해 일상적으로 가공됩니다.

복잡한 가공 부품

첨단 다축 CNC 기계는 매우 복잡한 형상을 제작할 수 있도록 해줍니다. 이러한 절삭 가공 방식을 통해 임펠러, 의료용 보철물, 첨단 광학 부품과 같이 복잡한 3D 윤곽과 표면을 가진 부품을 생산할 수 있습니다.

전문가에게 절삭 가공 서비스를 받으세요

중요도가 높은 프로젝트의 경우 ISO 인증을 받은 정밀도를 갖춘 파트너를 찾는 것이 매우 중요합니다. 절삭 가공은 부품이 엄격한 사양을 충족하도록 철저한 품질 관리가 요구됩니다. ISO 9001 인증을 받은 기업, 예를 들어 Richconn 이러한 신뢰성을 제공합니다. 그들은 전문가를 제공할 수 있습니다. CNC 밀링 및 터닝 서비스 ±0.005mm만큼 정밀한 허용 오차를 갖습니다.

합계하기

절삭 가공은 정밀한 공차와 뛰어난 표면 마감을 구현하는 데 있어 여전히 최고의 표준으로 여겨집니다. 항공우주용 합금부터 엔지니어링 플라스틱에 이르기까지, 이러한 공정은 중요 부품에 탁월한 구조적 안정성을 보장합니다.

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