기구쟁이 초보를 위한 기구설계 꿀팁
4. 절삭가공
절삭가공은 깎아서 만드는 방법입니다. 정밀한 형상을 가공하기 좋습니다.금속이나 딱딱한 물체를 정밀하게 가공하고 싶다면 절삭가공을 선택하시면 좋습니다. 예를 들어 노트북 프레임은 얇고 정밀하게 가공을 하기 위해 금속을 절삭가공하여 만드는 경우가 있습니다. 그리고 자동차 엔진도 절삭가공으로 마무리를 하고요. 플라스틱 부품을 찍어내는 형틀(금형)도 절삭가공으로 제작을 합니다.
정의
그렇다면 절삭가공이 정확히 무엇일까요? 절삭가공은 금속이나 플라스틱 등 가공하고자 하는 대상을 공구로 깎아내는 방법을 말합니다. 주로 금속을 많이 가공하는데요. 금속을 기준으로 요즘에는 기본적으로 0.05mm의 허용오차를 만족하기 때문에 만약 무언가를 정밀하게 만들고 싶다면 절삭가공이 좋은 선택지가 됩니다.
옛날에는 사람이 장비를 직접 조작하여 대상물을 깎아냈지만 지금은 대부분 CNC(Computer numerical control)라고 하여 장비가 3D 데이터를 토대로 대상물을 깎아내고 구멍을 뚫고 나사산을 만드는 등 자동으로 가공을 합니다. 또 MCT(Machining Center)라고 하여 공구를 자동으로 교환하는 장비를 많이 사용하고 있습니다.
절삭가공은 크게 2가지로 분류할 수 있습니다. 하나는 대상물은 그대로 있고 공구가 회전 및 이동하여 깎아내는 '전삭'이 있고 다른 하나는 대상물이 회전하고 공구가 이동하며 깎아내는 '선삭'이 있습니다. 여기서는 좀 더 범용적으로 쓰이는 전삭을 위주로 정리하도록 하겠습니다.
대상물
주로 사용하는 재료
알루미늄 합금: A5051, A6061-T6, A7075-T6
스테인리스 합금: STS303, STS304
마그네슘 합금: AZ31B
플라스틱: PC, POM
알루미늄 합금은 금속 재료 중에서 가장 많이 사용하며 특히 강도가 우수하고 내식성이 양호한 A6061-T6를 많이 사용합니다. 이때 A는 알루미늄, 6061은 합금 함량, T6은 열처리 과정을 의미합니다. 만약 이보다 더 강도가 높은 것을 원한다면 현존하는 알루미늄합금 중 강도가 가장 높은 A7075-T6를 사용합니다. 반대로 A50계열은 A60계열 보다 무른 성질이 있어 프레스 가공에 많이 사용하며 용접성도 우수합니다. 물론 절삭가공도 가능합니다.
스테인리스 합금은 주로 STS303, STS304를 많이 사용합니다. 스테인리스는 알루미늄보다 강도가 훨씬 높고 별도의 후처리를 안 해도 사용할 수 있다는 장점이 있지만 재료비와 가공비가 높고 알루미늄보다 무겁습니다. 참고로 현장에서는 간혹 명칭을 SUS로 표현하는 경우도 있으나 이는 일본 규격인 JIS을 따른 것이고 KS 규격대로 STS가 맞습니다.
마그네슘 합금은 주로 AZ31B를 사용합니다. 마그네슘은 보관 조건이 까다롭고 폐기물의 처리비용이 높으며 장비를 마그네슘 전용으로 사용해야 하고 마그네슘 자체도 가격이 높은 편이라 가공품의 단가가 다소 높은 편입니다. 또한 알루미늄 대비 마그네슘이 상대적으로 더 잘 깨지는 경향이 있고 반응성이 빠르기 때문에 가공 후 곧바로 표면처리를 해야 합니다. 그러나 A6061-T6(알루미늄) 보다 약 34% 가볍다는 장점이 있어 무게가 중요한 제품에 많이 사용합니다. 그런데 사용할 수 있는 후처리가 제한적이어서 외장재로는 사용하지 않는 추세이고 주로 내장부품으로 많이 사용합니다.
플라스틱은 PC, POM 등을 주로 사용합니다. 보통 금형비용이 높은 사출성형을 진행하기 전에 프로토타입으로 직접 깎아보는 경우가 많습니다.
저렴하게 제작하는 방법
공구교체시간 : 공구의 종류가 적게 사용하도록 설계
절삭시간 : 가능하면 큰 지름의 공구를 사용하도록 설계
절삭물 고정시간 : 가능하면 가공면의 수를 적도록 설계
절삭가공은 절삭하는 데 걸리는 시간에 비례해서 단가가 올라가기 때문에 가능하면 대상물의 형상은 단순하고 빠르게 가공할 수 있도록 설계하는 것이 좋습니다.
절삭가공품을 설계할 때 주의사항
최소 살두께는 1mm 이상이 좋음(업체 수준에 따라 결정)
가공 깊이는 공구 지름의 5배를 넘지 않을 것(H <=5D)
절삭가공은 정밀하게 가공이 가능하긴 하지만 공구가 빠르게 회전하면서 절삭을 하기 때문에 너무 얇은 형상은 가공 중에 변형이 생기기 쉽습니다. 그래서 가능하면 살 두께는 최소 1mm 이상으로 하는 것이 좋습니다. 물론 가공업체와 협의하여 가공 속도를 줄이거나 대상물을 안정적으로 고정하는 방법을 검토하는 등 다양한 방법을 사용하여 그 이하도 가능합니다.
그리고 가공하는 깊이는 공구 지름의 5배보다 작게 하는 것이 좋습니다. 왜냐하면 그 보다 더 깊게 가공을 하면 공구가 떨리기 시작하면서 정밀하게 가공하기 어렵고 심한 경우에는 가공 중에 공구가 파손되는 경우가 있기 때문입니다.
리드타임
절삭가공은 단품 자체를 가공하는 시간은 짧은 편이지만 업체 상황이나 형상에 따라 리드타임이 결정되는 경우가 많기 때문에 그때그때 업체에 문의해 보는 것이 가장 좋습니다. 일반적인 경우 형상이 단순하고 후처리가 필요 없다면 1주 안에도 가능합니다. 그러나 형상이 복잡하고 후처리가 필요한 경우에는 2~3주가 필요합니다.
