[정밀가공]칩유동(chip flow) 특성

 칩 생성에 영향을 미치는 요인들에는 공작물의 재질(연질/경질), 절삭속도, 절삭깊이, 공구의 형상(공구의 경사각, 공구의 전면과 절삭방향 수직면 사이각), 칩의 변형전 두께,칩과 공구의 경사면간의 마찰정도 등이 있습니다. 절삭공정의 칩유동 특성에 대해서 논하기 위해서는 먼저 칩생성 기구에 따라 절삭력, 소요동력, 절삭온도가 변하게 된다는 사실을 설명하는 것으로 가능할 것 같습니다. 여기서 중요한 부분은 cutting tool에 따라 달라질 수 있다는 것입니다. 이는 공작물을 가공할 때 발생하는 현상으로 완벽히 제어한다기 보다 얼마나 덜 발생하게 할 것인가에 초점을 맞출 수 밖에 없으며, 이는 피삭제 보다는 실질적으로 가공하는 도구(tool)의 선정에 의해 영향을 많이 받는 버(burr)와 유사한 점이라고 볼 수 있습니다. 이러한 절삭공구의 주요 물성치로는 고온 경도, 인성과 충격강도, 열 충격 저항, 내마멸성, 화학적 안정성과 불황성 등이 있습니다.

 가공 시 생성되는 칩의 종류는 유동형칩(Flow Type Chip), 전단형칩(Shear Type Chip), 균열형칩(Crack Type Chip), 열단형 칩(Tear Type Chip) 등이 있습니다. 또 연속형칩, 구성인선칩(built-up edge), 불연속형 칩, 칩말림 등으로 나누기도 합니다.

 

 먼저 유동형 칩의 경우 연한 재질을 고속으로 절삭할 때 나타나는 칩 형태로 칩이 유동하는 것처럼 연속적으로 생성되는 것을 말합니다.

 

유동형 칩

 

 그림을 보며 메커니즘을 설명해보면, 공구가 A에서 B로 진행하고 공작물의 ABCD 부분에서 전단소성변형이 발생하여 BC면을 따라 미끄러지게 됩니다. 이때 새로운 칩 A’B’C’D’가 생성되게 되고 이러한 과정이 반복되며 유동형칩이 만들어지게 됩니다. 이러한 유동형 칩은 절삭저항의 변동이 거의 없기 때문에 가공면이 깨끗하며 전단소성변형에의한 칩의 미끄럼 발생간격이 매우 좁다는 특징을 가집니다. 또 칩이 공작물로부터 분리되지 않고 공구 경사면에서의 마모가 심하기도 합니다.

 

 전단형 칩은 비교적 단단한 재질을 약간 느린 절삭속도로 절삭할 때 나타내는 칩 형태로 일정한 간격을 두고 두께가 고르지 않는 칩들이 분리된 상태로 생성되는 것을 말합니다.

 

전단형 칩

 

 그림을 보며 메커니즘을 설명해보면, 절삭이 진행되고 전단각이 감소되며 전단 스트레인이 증가하게 됩니다. AB 면에서 주기적인 전단파괴가 일어나 공작물로부터 분리가 일어나서 생성됩니다.

 

 균열형 칩의 경우 백주철과 같이 취성이 큰 재질을 절삭할 때 나타나는 칩형태로 절삭력을 가해도 거의 변형을 하지 않다가 임계압력 이상이 될 때 순간적으로 균열이 발생되면서 생성됩니다.

 

균열형 칩

 

 그림을 보며 메커니즘을 설명해보면, 공구가 A에서 A’로 진행되면 공작물의 AA’C 부분이 작은 조작으로 분리되게 됩니다. 이때 비스듬히 A’에서 B’(표면)으로 순간적으로 균열이 발생하게 됩니다. 균열형 칩은 공구 진행에 따라 단속적으로 절삭이 진행되고 절삭저항의 변동이 매우 적습니다. 균열파괴에 의해 절삭면이 얻어지므로 깨끗한 마루리면을 얻을 수 없고 공구선단에서 심한 마모가 발생합니다. 또 공구경사면을 미끄러지는 마찰력은 작아 공구 경사면의 마모는 적습니다.

 

 열단형 칩의 경우 매우 연한 재질을 절삭할 때 나타나는 칩 형태로 영어 단어에서 알 수 있듯이 공구가 진행함에 따라 진행선의 아래쪽 방향으로 찢어짐(tear)이 일어나 마무리면에 뜯어진 형태를 가지게 되는 칩을 말합니다. 열단형 칩의 형태는 아래의 사진과 같습니다.

 

열단형 칩

 

 이러한 여러 가지 칩들의 형태에 영향을 미치는 요소들을 간단히 정리해보면, 공작물 재료의 변형능, 절삭속도, 상면경사각이 클수록 유동형 칩이 발생되고 칩의 두께가 클수록 열단형 칩이 생성되는 경향이 있습니다.

 

 또 다른 칩 종류인 연속형칩, 구성인선칩(built-up edge), 불연속형 칩, 칩말림을 간단히 설명하면 다음과 같습니다.

연속형칩은 대체로 연성인 재료에서 발생하고 절삭속도가 크거나 경사각이 큰 경우에 발생합니다. 재료의 변형은 주 전단부라고불리는 좁은 영역을 따라서 발생하고 공구와 칩 사이의 큰 마찰로 인해 이차 전단부가 발생하게 됩니다.

 

구성인선(built-up edge)

 

 구성인선은 공작물 재료의 층으로 구성되어 있습니다. 표면을 거칠게 만드는 주요 인자이기도 하지만 얇고 안정적인 구성인선은 공구경사면을 보호함으로써 공구의 마멸을 감소시키기도 합니다. 칩의 일부가 높은 온도와 압력에 의해 공구 끝에 융융착되어 형성되며 일부는 가공 중 칩과 함께 덜어져 나가나 일부는 가공물의 표면에 남습니다. 이러한 구성인선 생성을 감소시키기 위해서는 절삭속도를 증가시키고, 절삭깊이를 감소시키며 경사각을 크게 해주는 등의 일들을 해줘야 합니다.

 

 불연속형 칩은 서로 단단히 혹은 느슨하게 연결된 마디들로 구성되어 있으며 취성과 연관되어 있습니다. 취성이 큰 가공재료나 단단한 첨가물, 불순물이 있는 가공재료를 가공할 때 생성되며 절삭속도가 매우 낮거나 매우 높은 경우, 큰 절삭깊이를 가지는 경우나 작은 경사각을 가지는 경우에도 생성됩니다.

 

 칩말림의 경우 금속재료뿐만 아니라 비금속 재료까지 모든 절삭 공정에서 관찰되며 칩이 공작물 표면에서 분리될 때에 굽은 형태로 생성되는 것을 말합니다. 긴 연속형 칩은 엉키는 경향이 있어 가공 작업을 방해하며 위험 요소가 될 수 있기 때문에 피하는 것이 좋습니다.