MANUSsim을 활용한 inox 304 슬롯 밀링 최적화

Inox 304 슬롯 밀링 가공은 열 축적과 표면 가공경화로 인해 어려움이 잦으며, 절삭력에 대한 심층적인 제어 단계가 부족할 경우 공구 마모가 급격히 증가할 수 있습니다. 본 기사에서 SDE Tech는 MANUSsim 소프트웨어를 활용한 inox 304 슬롯 밀링 최적화 프로세스를 분석하여, 기계 동역학을 효과적으로 제어하고 표준 CAM 프로그램의 한계를 근본적으로 해결하는 방법을 제시합니다.

1. 기존 슬롯 밀링 공정의 현황 분석

최적화 효과를 평가하기 위해, 기계 가공 현장에서 일반적으로 적용되는 표준 가공 시나리오를 기준으로 분석을 진행합니다.

• 절삭 공구: 초경 엔드밀 4날(4-flute Carbide Endmill)
• 가공 소재: inox 304
• CAM 설정 절삭 조건: 주축 회전수(S) = 2500 RPM, 이송 속도(F) = 400 mm/min

발생하는 기술적 문제점: 일반적인 CAM 환경에서는 주축 회전수(S)와 이송 속도(F)가 전체 공구 경로에서 고정값으로 유지됩니다. 실제 가공 과정에서는 다음과 같은 세 가지 주요 문제가 발생합니다.

• 진입부 충격 하중(Entry Shock): 공구가 소재에 처음 진입할 때 절삭력이 0에서 최대값으로 순간적으로 증가하여, 절삭날에 기계적 충격을 유발합니다.
• 비제어 절삭력 변동: 코너 구간이나 절삭 방향이 변경되는 위치에서 공구의 물림각(Engagement Angle)이 변하면서 절삭력이 불규칙하게 변동되고, 그 결과 공구 마모가 불균일하게 진행됩니다.
• 열 축적 문제: inox 304는 열전도율이 낮아 발생한 열이 칩을 통해 효과적으로 배출되지 못하고 절삭날에 집중되며, 이로 인해 과열 및 코팅 손상이 발생합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 아래에서는 MANUSsim 플랫폼 기반으로 수행된 4단계 최적화 프로세스를 통해 구체적인 개선 방법을 제시합니다.

2. 공구 진입부에서의 절삭력 안정화

공구가 소재와 처음 접촉하는 진입 구간(Entry) 은 가공 공정에서 가장 민감한 단계입니다. 절삭 이론에 따르면, 무부하 상태에서 부하 절삭 상태로의 급격한 전환은 큰 충격 하중을 발생시킵니다.

MANUSsim 기반 분석: MANUSsim의 알고리즘 분석 결과, 공구 날이 inox 304의 측면과 접촉하는 순간 방사 방향 힘(Radial Force) 이 급격히 상승하는 현상이 확인됩니다. inox 304는 재료 강성이 높기 때문에, 이러한 충격 하중은 가공 시작 직후 단 몇 초 만에 절삭날 모서리에서 미세 치핑(micro-chipping) 을 유발할 수 있습니다.

• 최적화 솔루션: MANUSsim은 G-code에 자동으로 개입하여, 공구 진입 영역에서 이송 조건을 지능적으로 제어합니다.
• 동작 원리: 공구와 소재 간의 안전 거리 모니터링(일반적으로 최초 접촉 구간 약 2mm)
• 제어 방식: 이송 속도(F)를 400 mm/min에서 200 mm/min으로 자동 감소(절삭 하중 약 50% 저감)
• 적용 효과: 이송 속도를 낮춤으로써 절삭력 증가가 선형적으로 진행되어 충격(shock) 현상이 제거됩니다. 공구는 안정적으로 소재에 진입한 후, 다시 정상 절삭 조건으로 가속되어 가공을 이어갑니다. 이를 통해 진입부에서의 공구 손상을 근본적으로 방지하고, 이후 공정 전반의 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

3. 실제 절삭 두께에 기반한 이송 속도 제어

Inox 304 가공 시 공구 파손을 유발하는 주요 원인 중 하나는 공구 미끄럼으로 인한 표면 가공경화 현상입니다. 이는 칩 두께(Chip Thickness)가 지나치게 얇을 때 발생하며, 절삭력이 재료의 항복 한계를 넘지 못해 공구가 절삭하지 못하고 표면을 미끄러지듯 문지르는 현상으로 이어집니다.
MANUSsim 분석 결과:원호 보간이나 협소한 코너 구간에서 일반적인 CAM 프로그램은 이송 속도(F)를 일정하게 유지합니다. 그러나 실제 절삭 기하 형상에 의해 이러한 구간에서는 유효 칩 두께가 크게 감소하게 됩니다.

• 최적화 해법: MANUSsim은 공구 경로 전 구간에서 칩 두께를 실시간으로 계산합니다.
• 동작: 공구가 제거하는 재료량이 적은 구간(칩 두께가 최적 임계값 이하일 때)에서 이송 속도(F)를 자동으로 소폭 증가
• 목적: 칩 두께를 절삭 메커니즘이 유지되는 최소 수준 이상으로 확보하여, 공구 날이 항상 새로운 재료에 안정적으로 절입되도록 보장
• 결과: Inox 304 표면의 가공경화 현상을 효과적으로 방지하며, 불필요한 마찰열을 제거함으로써 공구 수명이 약 30~40%까지 연장되는 것이 실제 데이터로 확인되었습니다.

4. 안정성 선도(Stability Lobes)를 활용한 공진 진동 제거

자가여진(Chatter)은 CNC 가공에서 생산성과 표면 품질을 제한하는 핵심 요인입니다. Inox 304와 같은 연성이 높은 소재의 경우, 절삭 과정에서 발생하는 여기 주파수가 공작기계–공구–지그 시스템의 고유 진동수와 일치할 때 진동이 발생합니다.
MANUSsim 분석:기계 동역학 분석 모듈을 기반으로 MANUSsim은 작업 주파수 대역을 스캔하고, 초기 설정값인 주축 회전수 2500 RPM이 진동 안정성 선도의 피크 영역(불안정 영역, unstable zone)에 근접해 있음을 확인했습니다.

• 최적화 솔루션: MANUSsim은 안정성 선도(Stability Lobes Diagram)를 기반으로 주축 회전수 조정을 제안합니다.
• 조정안: 주축 속도를 2650 RPM으로 상향하거나, 2350 RPM으로 하향 조정
• 기술적 근거: 회전수를 이동시킴으로써 절삭 주파수가 진동 진폭이 최소화되는 ‘안정 영역(stable pocket)’에 위치하도록 유도
• 결과: 기계는 더욱 안정적이고 부드럽게 동작하며 절삭력이 균일하게 유지됩니다. 가공 후 공작물 표면은 높은 표면 조도를 확보하고, 채터로 인한 줄무늬 흔적이 제거되어 후가공(연마·폴리싱) 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다.

5. 열 발생 제어 및 공구 코팅 보호를 통한 inox 304 슬롯 밀링 최적화

절삭 영역의 온도는 공구 코팅(coating) 수명에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소입니다. inox 304 슬롯 밀링 공정에서는 공구가 소재에 둘러싸인 상태로 절삭이 진행되기 때문에 열 방출이 제한되며, 이로 인해 열 충격 또는 코팅 연소 현상이 쉽게 발생할 수 있습니다.
MANUSsim 분석 결과: MANUSsim은 절삭 동력과 소재 특성을 기반으로 한 열 발생 계산 모델을 통합하고 있습니다. 이를 통해 공구가 협소한 영역에서 연속 절삭을 수행하며 허용 온도를 초과하는 구간을 정확히 식별합니다.

• 최적화 솔루션: 시뮬레이션된 열 분포 맵을 기반으로, MANUSsim은 다음과 같은 기술적 개입 방안을 제안합니다.
• 방안 1: 짧은 휴지 구간(micro-pauses) 또는 비절삭 이동(air cut)을 삽입하여 공구 날이 주변 환경 또는 절삭유를 통해 충분히 냉각될 시간을 확보
• 방안 2: 공구 경로의 투영 벡터(Vector)를 조정하여 절삭날의 접촉 지점을 지속적으로 변화시킴으로써, 절삭날 전체에 열을 균일하게 분산
• 결과: 국부적인 과열 현상을 효과적으로 억제하고 공구 코팅의 무결성을 보호함으로써, 공구의 날카로움을 더 오랜 시간 유지할 수 있습니다. 이는 곧 공구 수명 연장과 안정적인 inox 304 슬롯 밀링 품질 확보로 이어집니다.

MANUSsim을 활용한 inox 304 슬롯 밀링 최적화는 기업이 데이터 기반 가공(Data-driven Machining)으로 전환할 수 있도록 지원하며, 공진 진동을 효과적으로 제거하고 공구 수명을 획기적으로 연장합니다.
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