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3.1 칩의 형성
3.1.1 칩의 형태와 종류
칩의 형태는 공작물 재질, 공구 경사각, 절삭 깊이, 절삭 속도, 절삭유제 등에 영향을 받는다.
일반적으로 칩이 공작물에서 분리되는 형태는 아래의 3가지로 구분한다 (Rosenhain, Sturney).
① 유동형 칩 (Flow Type Chip)
공구경사면을 따라 연속적으로 발생하는 형태의 칩을 말한다.
전단면(칩에 전단응력이 발생하는 면)은 거의 평면에 가까우며, 전단면 아래 부분에서는 결정 조직 변화가 거의 없고, 전단면에서 극히 심한 변형을 받게 된다.
칩은 전단면에서 변형된 후에 공구 경사면을 따라 이동하고, 공구 경사면과의 마찰로 약간 변형하는 외에는 거의 변형 없이 공구로부터 떨어져 나간다.
절삭저항과 절삭온도의 변동이 극히 적고, 가공면이 양호하므로 가능하면 유동형 칩을 발생하도록 절삭조건을 선정할 필요가 있다.
보통 연성재료를 경사각이 큰 공구로 절삭깊이를 작게하고 고속 절삭할 때 발생한다.
② 전단형 칩 (Shear Type Chip)
유동형과 열단형의 중간 형태로 공구의 진행에 따라 공작물이 압축되면서 변형되고, 어느 한계에 이르면 전단을 일으켜 칩이 분리된다.
유동형에서는 슬립현상이 균일하게 진행되는데 비해 전단형은 주기성을 갖고 변하며, 변형이 최대가 될 때 전단면에서 칩이 파단된다.
열단형보다는 절삭저항 및 절삭온도의 변화가 적고 가공면도 대체로 양호하나, 때에 따라 공구 날끝에서 공작물 내부로 향한 균열이 생기므로 가공면 거칠기가 나빠진다.
보통 어느 정도 취성이 있는 재료인 4-6 황동, 화이트 메탈 등의 절삭에서 잘 발생하지만, 경우에 따라 탄소강과 같이 유동형 칩이 잘 생기는 재료의 절삭에서도 절삭깊이가 크고 경사각이 작으면 발생할 수 있다.
③ 열단형 칩 (Tear Type Chip)
유동형과 전단형과는 달리 공구의 진행에 따라 공구 전방의 공작물이 강하게 압축되어 날끝부터 전방으로 균열이 생기고, 이어서 진행 방향 앞쪽의 어느 면에 전단이 일어나서 칩이 분리된다.
즉, 열단형 칩은 균열과 전단의 두 작용에 의하여 생긴다고 볼 수 있다.
주로 공작물의 점성으로 인하여 칩이 공구 경사면에 눌러붙어 유동하지 않기 때문에 발생한다.
균열과 파단이 반복적으로 진행되기 때문에 전단형보다 절삭저항의 변동폭이 훨씬 커져서 진동이 심하고 또 가공면에 균열의 흔적이 남기 때문에 표면 가공 상태도 매우 불량하다.
또한, 가공면에 잔류응력이 커서 시간의 경과에 따라 가공면이 변형할 수 있기 때문에 정밀 가공에는 여러 관점에서 부적합한 형상의 칩이다.
주로 순철, 순수 알루미늄, 순동 등과 같이 연성이 매우 큰 재료를 절삭할 때 공구 경사면과의 마찰이 심하여 칩이 응착하기 쉬운 조건에서 발생한다.
특히 여린 재료에서는 이 균열이 공구 날끝부터 공작물 표면까지 순간적으로 발생하게 되는데, 이것을 열단형과 구분하여 균열형 칩(Crack type chip)이라고 부르기도 한다.
일종의 취성 파괴로 볼 수 있으며, 전단형의 특별한 예로 볼 수도 있다.
균열의 흔적이 가공면에 남게 되므로 가공면이 거칠며, 보통 주철 등의 절삭에서 발생하기 쉽다.
이 균열은 공구 상면 경사각이 작으면 수평에서 상방향으로 생기지만, 경사각이 크면 균열이 하방향으로 생겨 가공면에 요철이 생기고 절삭저항도 심하게 변동한다.
실제에 있어서 칩의 형태는 명확하게 구분하기 어려운 중간형 및 복합형이 많이 발생하며, 피삭재의 고유한 성질에 의해 형태가 정해지는 경우가 많지만, 절삭조건이나 절삭유제 등으로 어느 정도 유동형에 접근시키는 것이 가능하다.
가장 이상적인 칩 처리 형태는 유동형 칩을 발생시키고, 그 칩을 칩 브레이커로 절단하는 것이라고 할 수 있다.
◆ 이외에 Ernst 의 분류에 따라 칩의 형태를 아래와 같이 3종으로 구분하기도 한다.
① 불연속형 (Discontinuous Chip)
② 연속형이며 구성인선 없는 형 (Continuous Chip Without Built-up Edge)
③ 연속형이며 구성인선 있는 형 (Continuous Chip With Built-up Edge)
3.1.2 구성 인선 (Built-up Edge)
연강, 스테인리스 강, 알루미늄 등 유연한 재료를 절삭할 때, 절삭날에 매우 단단한 물질이 부착해 가공면에 흠이 생기는 경우가 있다.
F. Schwerd는 고속 현미경 사진으로 이를 분석해 칩의 일부가 날에 부착해 이것이 실질적인 절삭을 행하고 있음을 밝혔다 (1931) .
이것을 구성인선이라 부르며, 주기적으로 발생, 성장, 분열, 탈락 의 과정을 반복한다.
주기는 매우 짧아 1/10~1/200 초 정도이고, 절삭속도가 빨라지면 감소하며, 어느 속도 이상이 되면 발생하지 않는다 (연강의 경우 약 120~150 m/min).
황삭에서 안정된 구성인선은 공구날을 보호하여 공구 수명을 연장시키는 경우가 있지만, 일반적으로 구성 인선은 가공면을 거칠게 하고 공구 수명을 단축시키는 등 절삭에 악영향을 미친다.
1) 구성인선 방지 대책
- 공구 경사각 (Rake Angle)을 크게 한다.
- 절삭속도를 빠르게 한다.
- 윤활 기능이 뛰어난 비수용성 절삭유제를 사용하여 칩과 공구 경사면간의 마찰을 줄인다.
- 칩과 친화성이 낮은 세라믹, 서멧 등의 공구 재료를 사용한다.
- 절삭 깊이를 작게하고, 이송 속도를 빠르게 한다.
- 공작물을 가열하여 온도를 높인 상태에서 가공한다.
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