CNC 절단 작업에서 스테인리스강으로 작업해 본 적이 있다면 안정적이고 부드러운 절단이 버, 공구 떨림, 일관되지 않은 절단, 심지어 손상된 작업물까지 얼마나 빨리 엉망진창으로 변할 수 있는지 아실 것입니다. 수년간의 현장 경험을 갖춘 CNC 스테인리스강 절단 공급업체로서 저는 모든 일반적인 안정성 문제를 보아왔고, 더 중요하게는 작고 자주 간과되는 요인들이 어떻게 합산되어 작업의 성패를 좌우하는지 배웠습니다. 예를 들어 고객이 304 스테인리스강 솔리드 바 배치가 고르지 않게 나온다고 불평할 때 가장 먼저 기계 설정을 확인하는 것이 아니라 스테인리스강 절단 안정성에 지속적으로 영향을 미치는 5가지 핵심 요소를 추적합니다. 이를 간단하고 실행 가능한 용어로 분류하여 우리가 수백 명의 제작업체를 위해 고친 골치 아픈 문제를 피할 수 있도록 합시다.
첫째, 종종 가장 과소평가되는 것은 재료 자체입니다. 등급뿐만 아니라 표면 상태와 야금학적 특성도 마찬가지입니다. 스테인레스강은 모든 금속에 적용할 수 있는 것이 아니며 그 독특한 특성은 대부분의 불안정성 문제의 근원입니다. 탄소강과 달리 스테인리스강은 열전도율이 낮습니다. 즉, 절단 중에 발생하는 모든 열이 칩이나 기계로 분산되지 않고 절삭날 바로 옆에 머물며 용강이 공구에 달라붙는 구성인선(BUE)으로 이어집니다. 니켈 함량이 더 높은 316L 스테인리스의 경우 문제는 더욱 심각합니다. 연성이 더 높기 때문에 압력을 가하면 깨끗하게 절단되기보다는 왜곡됩니다. 한번은 316L 스테인리스 샤프팅을 10,000달러에 주문했는데 물결 모양 절단으로 인해 거부당했던 고객이 있었습니다. 문제는 CNC 기계가 아니라 탄소강용으로 설계된 블레이드와 함께 304에 사용한 것과 동일한 절단 매개변수를 사용하고 있다는 것이었습니다. 또한 스테인리스는 다른 금속보다 가공 경화 속도가 더 빠르며, 특히 절삭 속도가 너무 높거나 이송 속도가 너무 낮은 경우 더욱 그렇습니다. 이는 도구가 재료를 통과하면서 다음 패스에서 절단해야 하는 단단하고 얇은 층을 생성하여 도구 압력이 증가하고 떨림이 발생하고 심지어 도구가 파손될 수도 있음을 의미합니다. 기계 설정을 조정하기 전에 항상 스테인리스 강의 등급, 인장 강도, 냉간 가공인지 열간 압연인지 확인하세요. 열간 압연 스테인리스는 초기 접촉을 더욱 거칠게 만드는 스케일링된 표면을 가지고 있으므로 안정성을 유지하려면 더 공격적인 모서리나 느린 초기 공급이 필요합니다.
두 번째 중요한 요소는 절단 도구와 블레이드 디자인이며, 이는 너무 많은 제작자가 모서리를 자르는 영역입니다. 모든 CNC 절단 블레이드가 스테인레스강에 동일하게 제작되는 것은 아니며 일반 블레이드를 사용하면 불안정해질 수 있습니다. 블레이드 유형에 대해 먼저 이야기해 보겠습니다. 스테인리스강의 경우 높은 열을 처리하고 BUE에 저항할 수 있는 블레이드가 필요합니다. 이것이 바로 서멧 팁 블레이드 작업에서 솔리드 바 절단을 위해 서멧 팁 블레이드를 자주 사용하는 이유입니다. 서멧(Cermet)은 세라믹과 금속 입자를 결합해 초경합금보다 내열성이 높아 스테인리스 절단 시 예리함이 더 오래 유지됩니다. 블레이드의 톱니 개수도 중요합니다. 톱니 수가 너무 적고 각 톱니가 엄청난 양의 재료를 제거해야 하므로 높은 압력과 진동이 발생합니다. 너무 많으면 치아가 칩으로 막혀 끌림과 고르지 않은 절단이 발생합니다. 대부분의 스테인리스강 솔리드 바의 경우 인치당 톱니 수(TPI)가 10~14개이고 바 직경에 맞게 약간 조정된 블레이드를 권장합니다. 바가 두꺼울수록 TPI가 더 적게 필요하고, 얇은 시트에는 더 많은 TPI가 필요합니다. 또 다른 중요한 결정은 냉간 절단 마이터 톱, 냉간 절단 원형 톱 또는 냉간 날을 사용할지 여부입니다. 콜드 컷 마이터 쏘는 핫 톱보다 낮은 표면 속도로 작동하는 블레이드를 사용하므로 열 발생이 훨씬 적습니다. 이는 BUE의 위험을 완전히 제거하므로 스테인리스강에 적합합니다. 우리는 고객들이 열간 톱에서 냉절단 마이터 톱으로 전환하고 하룻밤 사이에 버 발생률이 90%까지 떨어지는 것을 보았습니다. 마찬가지로 콜드 블레이드는 스테인리스강에 이상적인 저속, 고토크 절단을 위해 특별히 설계되었습니다. 재료를 찢지 않고 깨끗하게 자르는 데 도움이 되는 포지티브 경사각을 갖춘 특수한 톱니 형상을 가지고 있습니다. 올바른 칼날이 없는 CNC 스테인레스 스틸 절단 설정을 사용하는 경우 가장 정밀한 기계라도 불안정한 절단이 발생합니다.
셋째, CNC 스테인리스강 절단에서는 기계 설정과 강성이 타협할 수 없습니다. 스테인레스강은 다른 금속에 비해 진동(채터링)이 발생하기 쉽기 때문에 일관되고 견고한 가공이 필요합니다. 10년 된 CNC 기계가 2024 알루미늄을 챔피언처럼 돌리고 있지만 304 스테인리스 스틸에 닿으면 수다를 떨기 시작하는 가게를 몇 번이나 방문했는지 알 수 없습니다. 첫 번째 확인은 작업물 고정입니다. 스테인리스강이 전체 절단 경로를 따라 단단히 고정되지 않으면 도구 압력으로 인해 휘어져 절단이 일관되지 않게 됩니다. 길고 단단한 바의 경우 각 끝에서 바 길이의 1/3 간격으로 두 개의 바이스 클램프를 사용하고 절단 중간에 처짐을 방지하기 위한 중앙 지지대를 사용하는 것이 좋습니다. 바이스 압력도 미세한 선입니다. 너무 빡빡하면 벽이 얇은 스테인리스 튜브가 왜곡될 수 있습니다. 너무 느슨하면 움직임이 생깁니다. 다음은 기계 자체입니다. 스핀들의 런아웃(회전할 때 블레이드가 흔들리는 정도)은 0.002인치 미만이어야 합니다. 아주 작은 양의 런아웃이라도 톱니 맞물림이 고르지 않아 이송 속도가 변하고 떨림이 발생합니다. 소량의 알루미늄에는 벨트 구동 스핀들이 적합할 수 있지만, 고정밀 스테인리스강 절단에는 벨트 미끄러짐과 런아웃이 없기 때문에 직접 구동 스핀들이 훨씬 더 안정적입니다. 절삭유 공급은 종종 간과되는 기계 설정의 또 다른 부분입니다. 스테인레스강은 절삭날을 시원하게 유지하고 칩을 씻어내기 위해 대량 절삭유가 필요하지만 부품에 절삭유를 뿌리는 것만으로는 충분하지 않습니다. 절삭 영역을 직접 겨냥한 노즐이 필요합니다. 칩이 블레이드와 작업물 사이에 끼면 연마재 역할을 하여 재료에 흠집을 내고 공구 압력을 증가시킵니다. 우리는 스테인레스강에 윤활성이 높은 합성 절삭유를 사용하도록 항상 고객에게 권장합니다. 왜냐하면 수용성 오일보다 마찰을 더 줄여 절단이 더 부드러워지기 때문입니다.
넷째, 절삭 매개변수(속도, 이송 속도, 절삭 깊이)는 탄소강 작업에서 복사하는 것이 아니라 스테인리스강에 맞게 특별히 보정해야 합니다. 스테인리스가 아닌 일반 강철에 최적화된 기계 제조업체의 사전 설정된 매개변수를 사용하기 때문에 많은 제작업체가 잘못되는 부분이 바로 여기에 있습니다. 절단 속도부터 시작해 보겠습니다. 304 스테인리스강의 경우 서멧 블레이드의 이상적인 표면 속도는 분당 약 150-200 표면 피트(SFPM)입니다. 316L의 경우 약 120-180SFPM으로 약간 낮습니다. 너무 빨리 달리면 가장자리가 과열되어 몇 분 만에 무뎌져 소음이 발생합니다. 너무 느리고 가공 경화층이 너무 빨리 형성됩니다. 이송 속도도 똑같이 중요합니다. 이는 IPT(치당 인치) 단위로 측정되며 스테인리스강의 경우 0.008-0.012 IPT를 권장합니다. 이송 속도가 너무 낮고 톱니가 절단 대신 가공 경화층과 본질적으로 마찰하여 열과 BUE가 발생합니다. 너무 높으면 날이 부러지거나 작업물이 바이스에서 빠져 나올 위험이 있습니다. 절단 깊이는 또 다른 요소입니다. 대부분의 CNC 스테인레스강 절단 작업의 경우 단일 패스는 두께가 2인치 미만인 솔리드 바에 이상적입니다. 너무 깊게 절단하면(얇은 바의 경우 1/4인치 이상) 블레이드에 과도한 반경 방향 압력이 가해져 블레이드가 편향되고 고르지 않게 절단됩니다. 두꺼운 바의 경우 두 번의 부분 패스가 더 좋습니다. 먼저 1/8인치 황삭 패스를 한 다음 약간 느린 속도로 마무리 패스를 하여 절단을 부드럽게 합니다. 나는 2인치 316L 바에서 완전한 깊이 절단을 하고 있던 고객을 기억하는데, 그의 절단은 매번 공차에서 0.005인치 벗어났습니다. 두 번의 패스로 전환하면 추가 시간이나 비용 없이 0.001인치 이내로 이동할 수 있습니다.
다섯 번째이자 종종 마지막 요소는 절단 후 처리 및 준비이며, 이는 다음 절단의 일관성에 직접적인 영향을 미칩니다. 스테인레스 스틸 칩은 길고 끈끈하며 날카롭기 때문에 기계나 칼날에 남아 있으면 향후 절단 시 큰 문제를 일으킬 수 있습니다. 모든 작업 후에는 비연마성 솔벤트로 블레이드를 청소하여 쌓인 칩 재료와 냉각수 잔여물을 제거해야 합니다. 더러운 날은 톱니의 날카로움을 감소시키고 마찰을 증가시켜 다음 작업물의 불안정한 절단을 초래합니다. 또한 여러 개의 스테인리스강 배치를 절단하는 경우 서로 다른 등급을 구분해야 합니다. 블레이드를 청소하지 않고 316 직전에 304를 절단하면 가공 경화 또는 BUE가 발생하여 부드러운 316 절단이 망가질 수 있습니다. 한때 작은 304 패스너가 무작위로 거부되는 대량 고객이 있었습니다. 그 공장에서는 패스너가 작동되기 직전에 316개의 솔리드 바를 가동하고 있었으며 블레이드에 남은 니켈 기반 잔여물이 304개 부품에 BUE를 유발한 것으로 나타났습니다. 등급 간 간단한 청소로 문제가 완전히 해결되었습니다.
결국 CNC 스테인리스강 절단의 절단 안정성은 하나의 완벽한 솔루션이 아니라 이 5가지 요소의 균형을 맞추는 것입니다. 단일 맞춤형 바 작업을 하든, 1,000개 주문을 하든 시간을 내어 재료 등급을 확인하고, 올바른 블레이드(예: 일반 옵션 대신 스테인리스용으로 설계된 냉간 절단 원형 톱 또는 냉간 블레이드)를 사용하고, 기계 강성을 확인하고, 매개변수를 보정하고, 작업 간 청소를 수행하면 대부분의 안정성 문제가 제거됩니다. 일관되지 않은 절단, 과도한 버 또는 공구 떨림을 처리하는 경우 CNC 기계의 속도나 이송을 조정하는 것뿐만 아니라 시작해야 할 영역입니다.
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참고자료
ASM 인터내셔널. (2019). 스테인레스강 가공. ASM 핸드북, 16권: 가공.
데이빔, 일본(2015). 스테인레스강 가공: 기본 및 응용. 뛰는 것.
Tonshoff, 홍콩, 그 외 여러분. (1992). 스테인레스강 가공 시 피삭재 재료 및 공구 마모. CIRP 연대기 - 제조 기술.