박상준님의 글
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고속가공이라고 하면 그냥 일반적인 가공과 나누는 기준이 무었인가요?
절삭속도 인가요? 그렇다면 절삭속도가 얼마가 기준인가요?

----------------- [답 변] -------------------
안녕하십니까?

고속가공(High Speed Machining)의 개념은 1931년 독일의 Carl Salomon이 제안한 절삭속도와 공구마모와의 관계의 새로운 가설에서 시작되었습니다.

그는 알루미늄합금을 고속으로 절삭했을때 관찰된 사실을 근거로 "절삭속도가 증가함에 따라 절삭공구의 온도와 마모는 어느 특정값에 도달할때까지는 증가하나 그 특정영역을 지나면 가공속도가 증가해도 온도와 공구마모는 감소한다"가설을 제시했습니다.

흔히 가공속도는 소재 제거율(MRR: material removal rate)과 가공표면의 품질(quality)에 관련되어 보통 고속절삭이 될수록 MRR이 증가하고 가공표면의 질도 향상됩니다. 문제는 공구마모인데 그는 공구마모도 감소한다는 가설을 주장함으로써 그 당시에 가공계를 떠들석하게 했습니다.

하지만 이런 현상이 발생한 이유는 Carl Salomon이 실험한 알루미늄합금의 경우 고속 절삭시 공구와 chip의 경계(interface)는 국부적으로 용융온도에 달해 알루미늄의 온도가 변화가 없었던 것이었으며 공구마모 역시 알루미늄의 용융온도(660℃)에서는 심각하지 않았었기 때문입니다.

그의 주장이 성립하는 고속가공은 엄밀히 말해 피삭재가 "용융온도"에 달해 온도변화가 없어지는 정도의 절삭속도에서 가공하는 것을 의미합니다.

하지만 이는 모든 피삭재에 적용할 수 없는 개념입니다. 철계 금속을 고속절삭할 경우 피삭재가 용융온도에 달할정도(약 1500℃)의 고속가공은 실제로 불가능하며 이 온도에서는 공구의 마모도 매우 심각하기 때문에 실제로 고속가공의 장점을 얻을 수 없기 때문입니다(실제로 초경공구의 경우 약 800℃정도에서 경도저하가 심각하게 발생하고 공구의 마모도 현저해 집니다).

그러므로 현재는 고속가공의 개념상의 장점인 "공구마모가 그리 심하지 않은 온도에서의 고효율/고능률 절삭"을 추구하는 개념으로 수정되어 "주변형영역(primary deformation zone)에서 전단의 국부화(shear localization)가 현저히 발생하는 속도에서의 가공"으로 수정되었습니다.

이것에 대하여 조금 부연하면 위의 그림에서 고속절삭가공의 메카니즘이 조금 소개되었는데 다음과 같은 현상이 발생합니다.

Many metals exhibit hydrodynamic behaviour when worked at high pressures and velocities [Carpenter]
대부분의 금속은 높은 압력과 절삭속도로 가공될때 Hydrodynamic한 거동을 보입니다.
adiabatic softening [Zener and Holloman]
즉, 단열 연화현상이 발생합니다.
experimental evidence of adiabatic shear [Arndt]
또한 단열적인 전단 변형현상이 발생합니다. 이것이 전단의 국부화현상의 원인입니다.

대략, 칩이 형성되는 구역에서는(at the chip formation zone)
strain : order of 1, strain rate : 10^3-10^4/sec이고,
공구와 칩이 접촉하는 부분에서는(at the tool/chip interface)
starin : 20 and over이고 average strain rate : Dot gamma= V over {delta t}로 표현되며, 결론적으로 As cutting speed V is increased the lower resistance to chip flow leads to a thinner chip and a reduced cutting force. [P. Mathew] 즉, 절삭속도가 증가하면 칩의 유동에대한 저항이줄어 칩의 두께가 얇아지고 동시에 절삭력이 줄게됩니다.
절삭력이 줄게되면 여러가지의 장점이 발생합니다. 고속가공은 이렇한 장점을 얻기위한 가공법입니다.

히지만 이 역시도 모든 피삭재에 따라서 일의적으로 규정되는 것이 아니며 대부분 고속가공이라 함은 "현장에서 사용되는 가공속도보다 현저히 높은 상태에서의 가공"을 의미하는 용어로 전용되게 되었습니다.

최근 고속가공기의 개발과 공구 코팅기술의 발전으로 대략 자유곡면 볼 엔드(ball end mill)밀링의 경우 10,000rpm전후에서의 가공을 의미합니다(여기서 절삭속도 대신 rpm을 사용한 이유는 현장에서는 흔히 rpm을 기준으로 "절삭속도"를 말하고 있기 때문입니다. 물론 공구의 직경도 중요하지만 보통 이정도의 개념을 알아두시면 될 것 같습니다).

도움이 되었으면 합니다.

감사합니다.