CNC 사이클 시간이 숨어 있는 곳은 대개 황삭 공정입니다. 도면상으로는 단순해 보이는 포켓도 실제 공작물에 적용되면 과도한 절삭, 신중한 이송 속도 조절, 열 관리 문제 등이 이어지는 긴 공정이 될 수 있습니다. 흔히 HEM으로 줄여 부르는 고효율 밀링(High Efficiency Milling)은 이송 속도와 축 방향 절삭 깊이를 높이는 동시에 커터의 접촉을 적절히 제어함으로써 이러한 문제를 해결합니다.

그 결과는 놀라울 정도일 수 있습니다. 『 Modern Machine Shop』지에 실린 고효율 밀링 기법에 관한 기사에 따르면, 일부 응용 분야에서는 황삭 사이클 시간을 최대 80%까지 단축할 수 있지만, 이는 대개 특정 부품 형상에만 해당된다고 합니다.

그럼에도 불구하고, 이것이 바로 CNC 기계에서 황삭 사이클 시간을 단축하고자 하는 가공 업체들이 고효율 밀링을 HEM 가공 전략의 주류로 삼게 된 이유를 설명해 줍니다. 공작물, 기계, 공작물 고정 장치, 절삭 공구 및 CAM 서로 잘 조화를 이룰 때, HEM은 공구에 가해지는 집중 응력을 줄이면서도 더 빠르게 재료를 제거할 수 있습니다.

고효율 밀링이란 무엇인가요?

HEM은 기존의 많은 황삭 방식에 비해 횡방향 절삭 깊이는 얕게, 축방향 절삭 깊이는 깊게 설정하고 이송 속도를 더 높게 적용하는 황삭 전략입니다. 간단히 말해, 절삭 공구는 횡방향으로는 더 좁은 폭으로 절삭하고, 축방향으로는 더 깊게 절삭하며, 공작물을 더 빠르게 통과합니다.

이러한 조합이 중요한 이유는 절삭날의 더 넓은 영역에 열과 마모를 분산시키기 때문입니다. ‘Machining Doctor’에 따르면, 밀링 절삭 깊이에는 두 가지 차원이 있습니다. 하나는 공구 축에 수직인 ‘반경 방향 절삭 깊이’이고, 다른 하나는 공구 축을 따라 이루어지는 ‘축 방향 절삭 깊이’입니다. HEM 방식에서는 반경 방향 절삭이 줄어들고 축 방향 절삭이 깊어지는 방향으로 균형이 이동합니다.

주요 용어는 다음과 같습니다:

• 방사형 절삭 깊이(RDOC): 공구가 재료를 가로질러 옆으로 얼마나 들어가는지 나타내는 값입니다.
• 축 방향 절삭 깊이(ADOC): 공구가 중심선을 따라 얼마나 깊게 절삭하는지를 나타냅니다.
• 칩 부하: 각 톱니가 제거하는 재료의 두께.
• 접촉각: 특정 지점에서 커터가 공작물과 접촉하는 비율.

중량급 일반 황삭 가공에서는 일반적으로 큰 스텝오버와 얕은 축방향 절삭 깊이를 사용하는 것이 일반적입니다. HEM의 경우, 반경 방향 절삭 깊이는 줄이고 축방향 절삭 깊이는 늘립니다. 케나메탈(Kennametal)은 자사의 동적 밀링 엔드밀이 낮은 반경 방향 접촉과 전체 절삭 길이를 위해 설계되었다고 설명하는데, 이는 이 전략의 기본이 되는 기계적 원리를 잘 보여줍니다.

목적은 절삭력을 보다 예측 가능하게 유지하고, 날 길이를 더 많이 활용하며, 공구에 가해지는 하중이 급격히 증가하는 것을 방지하는 데 있습니다. 그렇기 때문에 HEM은 흔히 ‘일정한 접촉 방식’으로 설명되곤 합니다. 목표는 특히 접촉이 급격히 증가할 수 있는 모서리, 슬롯, 포켓 등의 특정 부위에서 커터에 과도한 하중이 가해지는 것을 방지하는 것입니다.

학술 연구 결과도 이 원칙을 뒷받침하고 있습니다. 트로코이드형 공구 경로 계획에 관한 연구에 따르면, 일정한 접촉각을 유지하는 것이 고효율 밀링의 안정성을 높이는 방법 중 하나로 제시되며, 특히 절삭공구의 접촉각 변화로 인해 채터 현상이 발생하거나 절삭 효율이 저하될 수 있는 경우에 더욱 그렇습니다.

수치로 보는 HEM의 황삭 시간 단축 효과

HEM의 가장 두드러진 성과는 황삭 사이클 시간 단축입니다. 적절한 적용 분야에서 이점은 세 가지 효과가 시너지 효과를 발휘함으로써 얻어집니다.

첫째, 스텝오버를 작게 설정하면 반경 방향 절삭력이 감소합니다. 공구가 재료에 깊게 파고들지 않으므로 과부하 없이 더 빠르게 이동할 수 있습니다. 둘째, 축 방향 절삭 깊이를 깊게 하면 홈 길이를 더 많이 활용하게 되어, 마모가 공구 끝부분에 집중되는 대신 커터 전체에 고르게 분산됩니다. 셋째, 반경 방향 칩 두께를 얇게 하면 적절한 칩 두께를 유지하면서 치아당 프로그램된 이송량을 늘릴 수 있습니다.

이것이 바로 HEM이 단순히 공구를 절삭 부위에 더 세게 밀어 넣는 방식이 아닌, 분당 더 많은 재료를 제거할 수 있는 비결입니다. 커터는 넓고 느린 절삭 대신, 더 높은 이송 속도와 더 깊은 절삭 깊이로 좁고 정밀하게 절삭합니다.

간단한 예를 통해 총 작업 시간 단축량이 공작물에 따라 달라지는 이유를 살펴볼 수 있습니다. 어떤 공작물의 경우, 황삭에 40분, 정삭에 10분, 공구 교환, 프로빙 및 취급에 5분이 소요된다고 가정해 봅시다. HEM이 황삭 시간을 60% 단축하면 총 사이클 시간은 55분에서 31분으로 줄어듭니다. 황삭 시간이 80% 단축되면 총 사이클 시간은 23분으로 줄어듭니다.

이 역시 상당한 비용 절감 효과이지만, 동시에 “80% 더 빠른 황삭”과 “80% 더 빠른 전체 공작 사이클”이 서로 다른 주장인 이유도 보여줍니다. HEM은 황삭이 가공 프로그램에서 큰 비중을 차지하고, 재료 제거량이 많으며, 기계, 공작물 고정 장치 및 공구가 해당 전략을 지원할 수 있을 때 가장 큰 효과를 발휘합니다.

트로코이달 밀링 설명

트로코이달 밀링은 가장 잘 알려진 HEM 공구 경로 방식 중 하나입니다. 공구의 전체 폭을 사용하여 재료를 일직선으로 깎아내는 대신, 공구는 일련의 고리 모양 또는 원호 모양의 궤적을 따라 이동합니다. 각 원호 궤적에서 제어된 양의 재료가 제거된 후, 공구가 전진하여 이 동작을 반복합니다.

이를 통해 방사형 절삭 접촉 면적을 최소화하고, 더 일정한 칩 부하를 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 슬롯 가공, 포켓 가공, 좁은 내부 모서리 가공 시, 또는 전체 폭으로 절삭할 경우 과도한 열과 힘이 발생할 수 있는 경질 소재를 가공할 때 특히 유용합니다.

Seco Tools는 트로코이달 밀링을, 낮은 반경 방향 절삭 깊이와 높은 축 방향 절삭 깊이를 활용하여 공구 직경보다 넓은 슬롯을 가공하는 나선형 공구 경로 전략으로 설명합니다. 또한 Seco는 이 방식의 장점으로 반경 방향 칩 얇아짐, 더 빠른 이송 속도, 향상된 정밀도, 그리고 더 긴 공구 수명을 꼽고 있습니다.

트로코이달 밀링은 가공 속도는 물론 공구 수명과 공정 안정성도 향상시킬 수 있습니다. 커터가 절삭 부위에 깊게 파고드는 경우가 거의 없습니다. 공구가 높은 접촉 상태에서 머무르는 시간이 줄어들고, 칩이 더 쉽게 배출되며, 프로그램에서 갑작스러운 부하 급증을 피할 수 있습니다.

또한 이스카(Iscar)는 트로코이달 밀링이 깊은 슬롯, 포켓 및 캐비티 가공에 효과적일 뿐만 아니라, 티타늄이나 고온 초합금과 같이 가공이 어려운 소재를 가공하는 데 있어 유망한 방법이라고 강조합니다.

대표적인 사용 사례로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 전체 폭으로 절삭할 경우 공구에 과부하가 걸릴 수 있는 깊은 홈.
• 모서리가 뾰족한 포켓으로, 이곳에서는 교전이 급격히 격화된다.
• 재료 제거량이 많은 항공우주, 의료 및 금형 부품.
• 스테인리스강, 티타늄, 니켈 합금과 같은 내구성이 뛰어난 소재.
• 변형 제어 능력이 중요한 장거리 작업용 공구.

공작물의 황삭 깊이가 매우 얕거나, 공작물 고정력이 약하거나, 기계 가속도가 낮거나, 추가 경로 길이가 높은 이송 속도로 얻는 이점보다 더 큰 영향을 미치는 부위가 있는 경우에는 이 방법이 그다지 유용하지 않습니다.

오늘 바로 적용할 수 있는 5가지 HEM 전략

가볍게 방사형으로 접촉하는 것부터 시작하세요

가장 먼저 취해야 할 실질적인 조치는 스텝오버를 줄이는 것입니다. 많은 HEM 공구 경로는 커터 직경의 작은 비율만큼만 반경 방향으로 가공한 다음, 축 방향 절삭 깊이와 이송 속도를 높여 재료 제거율을 향상시킵니다.

실무상의 기준으로, 샌드빅 코로만트는 트로코이달 밀링 시 최대 반경 방향 절삭 깊이가 커터 직경의 20%를 초과하지 않도록 할 것을 권장합니다. 정확한 값은 공구 직경, 홈 수, 가공 재료, 기계 출력, 공구 돌출량 및 절삭유 공급 방식에 따라 달라집니다.

라디얼 절삭 깊이를 줄이면 측면 하중은 감소하지만, 치아당 프로그램된 이송량과 실제 칩 두께 간의 관계도 달라집니다. 이는 바로 다음 전략으로 이어집니다.

방사형 칩 얇아짐 현상 설명

방사형 접촉이 줄어들면, 칩의 두께가 치아당 설정된 이송량에서 예상되는 것보다 얇아집니다. 이송량을 조정하지 않으면 공구가 깨끗하게 절삭하지 못하고 마찰만 일으킬 수 있습니다. 이로 인해 열이 발생하고, 표면 마감이 나빠지며, 조기 마모가 일어납니다.

WIDIA에 따르면, 방사형 절삭 폭이 40% 이하일 경우 평균 칩 두께가 줄어들기 때문에 이를 보정하기 위해 이송 속도를 높여야 한다고 설명합니다. 칩 두께가 적정할 때만 가벼운 방사형 절삭이 제대로 작동하기 때문에, 이는 HEM 가공 전략에서 가장 중요한 세부 사항 중 하나입니다.

‘Machining Doctor’의 칩 두께 감소 가이드에는 동일한 근본적인 문제가 설명되어 있습니다. 즉, 반경 방향 절삭 깊이가 커터 반경보다 작을 경우, 칩 부하가 톱니당 이송량보다 작아집니다. 실질적으로, 스텝오버가 작다고 해서 커터가 자동으로 올바르게 절삭되고 있는 것은 아닙니다. 실제 칩 두께에 맞춰 이송량을 설정하지 않았다면, 커터가 칩과 마찰을 일으키고 있을 수 있습니다.

프로그래머들이 명심해야 할 실질적인 교훈은 간단합니다. 기존의 이송 속도를 HEM 공구 경로에 그대로 적용해서는 안 됩니다. 공구 데이터, 칩 두께 계산기, CAM 지침 및 안전한 검증 절차를 활용해야 합니다.

플루트의 길이를 더 많이 활용하세요

HEM은 더 깊은 축방향 절삭을 수행하도록 설계되었습니다. 이 가공 전략은 커터 끝부분이 마모되는 대신, 하중을 더 넓은 절삭날 영역에 분산시킵니다. 적절한 설정을 통해 이 방법을 적용하면 절삭량을 늘리면서 동시에 공구 수명을 연장할 수 있습니다.

그렇다고 해서 모든 가공 작업을 최대 플루트 길이로 수행해야 한다는 뜻은 아닙니다. 공구 돌출량, 홀더 강성, 기계 상태, 공작물 설정 등이 모두 중요한 요소입니다. 리치가 긴 공구의 경우, 절삭 깊이를 줄이고 진동 여부를 주의 깊게 관찰해야 합니다. 반면, 길이가 짧고 강성이 높은 설정의 경우, 축 방향으로 더 깊게 절삭할 때 HEM이 거친 가공에서 가장 큰 이점을 발휘하는 경우가 많습니다.

원리는 간단합니다. 절삭 공구가 절삭날의 더 많은 부분을 안전하게 활용할 수 있다면, 가공 공정은 단계적 절삭 횟수를 줄이고, 더 긴 홈 길이에 걸쳐 열을 분산시키며, 한 번의 통과당 더 많은 재료를 제거할 수 있습니다.

적합한 커터를 선택하세요

범용 엔드밀도 가벼운 가공에는 사용할 수 있겠지만, HEM 가공에서는 해당 전략에 맞게 설계된 공구를 사용하는 것이 더 효과적입니다. 견고한 코어 형상, 적절한 홈 수, 우수한 칩 배출 성능, 가변 헬릭스 또는 가변 피치 설계, 그리고 가공 재료에 적합한 코팅이 적용된 솔리드 카바이드 엔드밀을 선택하십시오.

강철 및 더 단단한 합금의 경우, 홈 수가 많을수록 HEM 공법에서 사용되는 더 가벼운 칩 부하와 더 높은 이송 속도를 효과적으로 처리할 수 있습니다. 알루미늄의 경우, 일반적으로 홈 수는 적고 칩 배출 능력이 뛰어난 것이 더 중요합니다.

공구 선택은 전체 설정을 고려해야 합니다. 케나메탈(Kennametal)의 동적 밀링 커터 가이드라인은 칩 관리, 내부 절삭유 옵션, 소재별 플루트 형상 등의 특징을 강조합니다. HEM 공정은 높은 이송 속도로 얇은 칩을 대량으로 생성하는 경우가 많기 때문에 이러한 세부 사항이 중요합니다.

안정적인 홀더에 장착된 짧고 견고한 커터는 일반적으로 리치(reach)가 긴 공구보다 더 과감한 축방향 접촉을 견딜 수 있습니다. 가속도가 제한된 기계의 경우, 명목상 스핀들 출력이 충분해 보일지라도 작은 호를 그리거나 방향을 전환할 때 부드러운 움직임을 유지하기 어려울 수 있습니다.

칩 및 발열 관리

HEM은 칩을 깨끗하게 배출하는 데 달려 있습니다. 칩이 재순환되면 절삭날이 손상되고 표면이 흠집 나며 공구 부하가 증가할 수 있습니다. 소재와 커터에 따라 에어 블라스트, 공구 관통형 냉각유 또는 고압 냉각유가 필요할 수 있습니다.

알루미늄의 경우, 대개 칩을 제거하고 절삭날에 칩이 쌓이는 것을 방지하는 것이 최우선 과제입니다. 강재 및 내열 합금의 경우, 절삭유 사용 전략은 공구, 코팅 및 절삭 조건에 따라 달라집니다. 공구 공급업체의 지침을 따르고, 스핀들 부하, 소음, 칩 색상, 공구 마모 및 공작물 표면 마감을 확인하여 가공 기계에서 그 효과를 검증하십시오.

깊은 포켓이나 슬롯에서는 칩 배출이 특히 중요합니다. 이러한 가공 부위에서는 칩이 커터 근처에 갇혀 있을 수 있으며, 이로 인해 안정적인 HEM 전략이 불안정한 전략으로 바뀔 수 있습니다. 기계 소리가 변하거나 스핀들 부하가 증가하거나, 절삭 부위에 칩이 쌓이기 시작하면, 이송 속도를 다시 높이기 전에 가공 강도를 낮추고 칩 배출을 원활하게 해야 합니다.

CAM HEM을 어떻게 실용적으로 만드는가

고효율 밀링의 어려움은 개념은 간단하지만 프로그래밍이 복잡할 수 있다는 점입니다. 훌륭한 HEM 공구 경로는 모서리 부분에서의 절삭 접촉을 제어하고, 커터에 가해지는 갑작스러운 부하를 피하며, 진입 및 이탈 이동을 적절히 관리하고, 칩 두께를 일정하게 유지하며, 공회전 시간을 최소화해야 합니다.

단순한 형상을 넘어서는 경우, 이를 수동으로 처리하기는 어렵습니다. 최신 CAM 공구 접촉 급증을 줄이고 모서리나 좁은 부위를 통과할 때의 움직임을 조정하는 공구 경로를 계산함으로써 이를 지원합니다.

오토데스크의 ‘Adaptive Clearing’ 설명서에 따르면, 이 전략은 공구와 주변 재료 간의 접촉을 일정하게 유지하면서, 방향의 급격한 변화를 최소화하는 절삭 방식을 사용한다고 합니다. 오토데스크는 이를 통해 공구 파손 가능성을 줄이고 공구 수명을 연장할 수 있다고 설명합니다.

Mastercam‘Dynamic Motion’ 페이지에서는 절삭 접촉 원리, 더 작은 스텝오버, 일정한 칩 두께를 기반으로 한 유사한 접근 방식을 설명하고 있습니다. Mastercam 이러한 공구 경로가 더 높은 이송 속도를 지원하며, 실제 적용 환경에서 더 빠른 황삭 및 포켓 가공 사이클을 구현할 수 있다고 Mastercam .

Siemens CAM 또한 ‘3D 적응형 황삭(3D Adaptive Roughing)’을 깊은 절삭과 일정한 공구 하중을 가능하게 하는 고성능 절삭 전략으로 설명하며, 이 전략은 경질 소재 가공 시 사이클 시간을 최대 60%까지 단축할 수 있다고 밝히고 있습니다.

또한 AI CAM 프로그래머가 가공 전략을 더 신속하게 평가할 수 있도록 지원하는 데에도 활용될 수 있습니다. CAM 기존 CAM 내에서 가공 전략과 공구 경로를 생성하는 데 도움을 주며, 프로그래머는 이를 검토하고 조정한 후 기계로 작업을 전송할 수 있습니다.

핵심은 제어입니다. HEM은 여전히 시뮬레이션을 거쳐 공작물 고정 상태를 확인하고, 안전성을 검증한 뒤 실제 기계에 맞게 조정되어야 합니다. 소프트웨어는 탄탄한 출발점을 마련하는 데 도움이 될 수 있지만, 가공 기술자의 판단이 여전히 핵심입니다.

다음은 첼름스포드 공장에서 자유 형상 요소가 포함된 복잡한 항공우주 부품에 적용하는 몇 가지 고급 기술을 보여주는 영상입니다:

HEM에서 흔히 저지르는 실수와 이를 피하는 방법

스텝오버를 너무 많이 사용하는 경우

가장 흔한 실수는 HEM을 단순히 이송 속도를 높인 기존의 황삭 가공처럼 취급하는 것입니다. 반경 방향 접촉량이 너무 크면 절삭력이 급격히 증가하고, HEM의 효과를 보장하는 공구의 안정성이 떨어집니다. 처음에는 보수적으로 시작하고, 칩 형성, 공구 마모 및 스핀들 부하가 안정적으로 유지되는 것으로 확인된 후에야 이송 속도를 높여야 합니다.

칩 얇아짐 현상 무시하기

작은 스텝오버에는 이송 보정이 필요합니다. 이 보정이 없으면 공구가 표면에 마찰을 일으키고 열이 발생하여 조기에 고장 날 수 있습니다. 이로 인해 프로그램이 문서상으로는 안전해 보이지만, 실제 기계에서 실행할 때는 성능이 저하될 수 있습니다.

부적절한 공구 형상 선택

칩 배출이 원활하지 않거나, 스틱아웃이 과도하거나, 홈 수가 부적절한 커터는 전체 가공 전략을 제한할 수 있습니다. 커터를 가공 재료, 포켓 깊이, 반경 방향 접촉부, 절삭유 공급 방식에 맞춰 선택해야 합니다.

약한 핸드를 지나치게 공격적으로 플레이하는 것

HEM은 반경 방향 절삭력을 줄여주지만, 강성의 필요성을 없애주지는 않습니다. 공작물 고정, 공구 홀더의 품질, 스핀들 상태 및 기계의 가속도 등이 모두 결과에 영향을 미칩니다. 설정이 유연한 경우, 사이클 시간을 단축하기 전에 축 방향 절삭 깊이, 반경 방향 절삭 깊이 또는 이송 속도를 줄이십시오.

코너에서 커터에 과도한 하중이 가해지도록 내버려 두는 것

모서리 부분에서는 절삭 접촉이 급격히 증가하는 경우가 많습니다. 일정한 절삭 접촉을 유지하고, 모서리 부분으로의 스텝오버를 줄이며, 커터가 너무 깊게 파고드는 것을 피하는 공구 경로를 사용하십시오. 공구 경로를 시뮬레이션하고, 좁은 내부 반경 부위를 주의 깊게 확인하십시오.

전체 주기를 잊어버리다

HEM은 황삭 공정을 혁신할 수 있지만, 이는 전체 공정의 일부에 불과합니다. 정삭 가공, 공구 교체, 프로빙, 디버링, 적재 및 검사는 여전히 총 생산량에 영향을 미칩니다. 개선 효과를 정확하게 측정할 수 있도록, 변경 전후의 전체 사이클 시간을 추적하십시오.

결론

고효율 밀링은 CNC 공작기계에서 황삭 사이클 시간을 단축하는 가장 실용적인 방법 중 하나입니다. 핵심 전략은 간단합니다. 반경 방향 접촉 면적을 줄이고, 축 방향 접촉 면적을 늘리며, 칩의 두께 감소 현상을 고려하고, 공구 부하를 안정적으로 유지하는 공구 경로를 사용하는 것입니다.

HEM을 단순히 더 빠른 이송 속도로만 보는 것이 아니라, 종합적인 가공 전략으로 접근할 때 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 공구를 소재에 맞게 선정하고, 칩 배출을 제어하며, 경로를 시뮬레이션하고, 안전하게 검증한 후 전체 사이클 시간을 측정해야 합니다. 공작물이 조건에 잘 부합할 경우, HEM을 통해 황삭 공정을 프로그램에서 가장 느린 단계에서 생산성 향상을 위한 가장 큰 기회 중 하나로 전환할 수 있습니다.

가공 전략 수립 방식을 검토 중인 팀의 경우, CAM 활용하면 기존 CAM 내에서 공구 경로를 생성할 수 있어, 프로그래머들이 설정, 검증 및 공정 개선에 더 많은 시간을 할애할 수 있습니다.

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