경사각을 빠르고 정확하게 측정하는 방법

경사각이란?

절삭 공구의 바이트 선단에 설치된 팁에는 공작물(피삭물)을 깎을 때에 칩을 흘려 보내는 「경사면」이 설치되어 있습니다. 「경사각」이란 절삭되어 있는 공작물의 면(기준면)과 절삭 공구가 마찰할 때 칩을 흘려 보내는 면(경사면)이 이루는 각도를 말합니다.

A

기준면(칩)

B

경사각

C

경사면

D

팁(공구)

E

절삭 방향

F

공작물

또한 바이트 선단의 각도를 「바이트각」이라고 합니다. 또한 팁칩(공구)의 경사면과는 반대측(그림의 아래쪽)에 위치하는 면을 「여유면」이라고 하고 공작물과의 각도를 「여유각」이라고 부릅니다. 이것은 공구가 공작물을 방해하지 않기 위해 필요한 각도입니다.

엔드밀의 경사각, 포지티브 형상·네거티브 형상이란?

프레이즈 가공에 사용되는 엔드밀은 날끝 형상의 경사각에 의해 주로 포지티브 형상(포지 형상·정)·네거티브 형상(네거 형상·부)이라고 불립니다.
대부분의 경우 날끝에 절삭 저항이 적은 포지티브 형상을 선택합니다. 그러나 고경도 강 등의 가공에는 날끝 강도가 필요하므로 네거티브 형상의 경사각의 엔드밀을 선택하는 경우가 있습니다. 각각의 대표적인 형상과 특징은 다음과 같습니다.

포지티브 형상

A

경사각 = 포지티브

B

경사면(칼날 뒤)

C

날 끝

D

여유면

포지티브 형상의 경사각 특징

• 절삭 날 형상이 날카롭고 절삭 저항이 적다.
• 저속 가공에서도 양호한 가공면 거칠기를 얻을 수 있다.
• 용착이나 뽑기 쉬운 연질재(구리·알루미늄·스테인리스·수지·원료·조질강 등)에 적합하다.

네거티브 형상

A

경사각 = 네거티브

B

경사면(칼날 뒤)

C

날 끝

D

여유면

네거티브 형상의 경사각 특징

• 저속 가공에서는 절삭 저항이 높지만 가공면 거칠기가 저하된다.
• 고속 가공에서는 양호한 가공면 거칠기를 얻을 수 있다.
• 치핑이 발생하기 쉬운 고경도의 재료(고경도 강·주철 등)에 적합하다.

또한 선단이 반구형인 볼 엔드밀에서는 선단 날의 비틀림각을 네거티브 형상으로 함으로써 날끝의 심을 두껍게 할 수 있습니다. 이를 통해 높은 강성을 얻을 수 있습니다.

바이트각·경사각·여유각과 가공의 관계, 측정의 중요성

절삭 가공에서는 공작물(피삭물)에 공구를 끼워 넣고 안으로 밀어 넣는(이동)것으로 절삭을 실시합니다. 원하는 가공을 위해서는 「바이트각」외에 공구의 진행 방향에는 칩을 퍼내도록 「경사각」이 절삭 후의 마무리면에 공구가 접촉하지 않도록 「여유각」을 적절히 설정해야 합니다. 각각의 각도와 가공의 주요한 관계를 아래에 정리합니다.

이와 같이 공구의 각 부위의 각도와 공작물의 가공 효율·가공 정밀도·마무리 그리고 공구의 수명에 크게 관련이 있습니다. 또한 공구의 마모 등에 의해 이러한 각도에 변화가 생기기 때문에 공구의 형상 측정은 가공 품질이나 가공 효율의 유지·향상에 매우 중요합니다.

기존에 경사각을 측정할 때의 과제

경사각을 측정은 공구의 여러 부분 중에서도 경사각이 부적절한 경우 공구의 소모나, 데드 메탈의 부착, 마무리면 거칠기의 불량 및 제품 수명이 짧아지는 원인이 되기 때문에 특별히 정확하게 측정해야 합니다.
기존에는 윤곽 형상 측정기나 마이크로스코프 등이 경사각 측정에 이용되고 있었습니다만 다음과 같은 과제가 있었습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 경사각 측정 과제

윤곽 형상 측정기란 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 덧그리며 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다.
최근에는 프로브 대신 레이저를 이용하여 비접촉으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 공구의 경사각 측정에서는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

• 각도가 너무 작기 때문에 스타일러스의 프로브이 대상 물체에서 빠져 버려 정확한 값을 측정할 수 없습니다.
• 경사면을 재연마해도 선으로 측정하여 평가하므로 조정 후의 상태가 적절한지 판단하기가 어렵습니다.

경사각 측정의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 대상 물체를 지그로 고정하는 데 시간이 걸립니다. 또한 입체적인 대상 물체・측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정하기 때문에 대상 물체나 측정 부분을 선택하는 등의 과제가 있습니다.

이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 비접촉으로 3D 형상을 측정할 수 있어 각도 특성에 강하다

윤곽 형상 측정기를 이용한 측정에서는 대상 물체 표면에 바늘로 접촉하면서 선으로 측정하기 때문에 가파른 각도의 작고 복잡한 형상의 대상 물체를 측정하기가 어렵습니다.

한편 「VR 시리즈」라면 비접촉으로 순식간에 대상 물체의 3D 형상을 면으로 스캔하여 측정할 수 있습니다. 따라서 대상 물체의 각도 특성에 강하고 정확한 형상을 순식간에 파악해 3차원 형상이나 임의의 부분의 프로파일 데이터를 얻을 수 있습니다. 따라서 스로 어웨이 칩은 물론 엔드밀과 같은 미세하고 복잡한 형상과 각도 특성을 가진 공구의 측정에 큰 장점이 있습니다.

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장점 2: 트레이서빌리티에 대응하는 측정 시스템

「VR 시리즈」는 대상 물체의 형상을 순간적으로 정확하게 스캔하여 측정합니다.
그 측정 결과는 국가표준 트레이서빌리티 체제를 기초로 하고 있습니다.
XYZ 트레이서빌리티에 대응한 게이지는 JCSS 인정 사업자의 기준 스케일로 연결되어 언제든지 그 자리에서 정확한 교정이 가능해 기준에 맞춰 신뢰성 높게 측정할 수 있습니다.

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요약: 측정이 어려웠던 공구의 경사각 측정을 비약적으로 개선·효율화

VR 시리즈라면 비접촉으로 순식간에 대상 물체의 3D 형상을 스캔하여 측정 할 수 있습니다. 적절한 가공에 필수적인 공구의 경사각도 스테이지에 놓기만 하면 쉽고 정확하게 측정할 수 있습니다. VR 시리즈를 도입하는 장점은 다음과 같습니다.

• 기존 접촉식 측정기와는 달리 대상 물체의 형상이나 사이즈, 측정 부분의 각도 특성에 관계없이 정확하게 측정할 수 있습니다.
• 디지털 마이크로스코프에서는 불가능했던 트레이서빌리티 체계에 접속하여 국가 기준에 근거한 신뢰성이 높은 형상 측정을 실현. 장소에 관계없이 언제든지 교정할 수 있습니다.

이와 같이 가공 품질과 가공 효율 그리고 공구의 수명에 관련된 경사각을 포함한 공구의 정확한 형상을 순식간에 측정할 수 있는 「VR시리즈」.
물론 공구뿐만 아니라 가공된 공작물(워크)의 정확한 3D 형상도 순식간에 측정할 수 있습니다.「VR 시리즈」는 가공 현장에서 일련의 워크 플로우를 비약적으로 효율적으로 만들고 품질과 생산성을 향상시키는 툴입니다.

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