알루미늄은 가장 널리 사용되는 비철금속이며, 그 응용 분야는 계속해서 확대되고 있습니다. 70만 가지가 넘는 알루미늄 제품이 건설, 장식, 운송, 항공우주 등 다양한 산업 분야에 사용되고 있습니다. 이 글에서는 알루미늄 제품 가공 기술과 가공 중 변형을 방지하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.
알루미늄의 장점과 특징은 다음과 같습니다.
- 저밀도알루미늄의 밀도는 약 2.7g/cm³로, 철이나 구리의 밀도의 약 3분의 1에 해당합니다.
- 높은 가소성:알루미늄은 연성이 뛰어나 압출 및 연신과 같은 압력 가공 방법을 통해 다양한 제품으로 성형할 수 있습니다.
- 내식성:알루미늄은 자연 상태에서 또는 양극 산화 처리를 통해 표면에 보호 산화막을 형성하여 강철보다 뛰어난 내식성을 제공합니다.
- 강화하기 쉬움:순수 알루미늄은 강도가 낮지만, 양극 산화 처리를 통해 강도를 크게 높일 수 있습니다.
- 표면 처리를 용이하게 합니다:표면 처리는 알루미늄의 특성을 향상시키거나 변형시킬 수 있습니다. 양극 산화 처리는 알루미늄 제품 가공에 널리 사용되는 확립된 공정입니다.
- 우수한 전도성과 재활용성:알루미늄은 전기 전도성이 매우 뛰어나고 재활용이 용이합니다.
알루미늄 제품 가공 기술
알루미늄 제품 스탬핑
1. 냉간 스탬핑
사용되는 재료는 알루미늄 펠릿입니다. 이 펠릿은 압출기와 금형을 사용하여 한 번에 성형됩니다. 이 공정은 타원형, 정사각형, 직사각형과 같이 늘리는 방식으로는 구현하기 어려운 원기둥형 제품이나 다양한 형태를 만드는 데 이상적입니다. (그림 1은 기계, 그림 2는 알루미늄 펠릿, 그림 3은 완성된 제품을 보여줍니다.)
사용되는 기계의 톤수는 제품의 단면적과 관련이 있습니다. 텅스텐강으로 제작된 상부 다이 펀치와 하부 다이 사이의 간격이 제품의 벽 두께를 결정합니다. 프레스 작업이 완료되면 상부 다이 펀치에서 하부 다이까지의 수직 간격이 제품의 상단 두께를 나타냅니다. (그림 4 참조)
장점: 금형 제작 주기가 짧고, 신축 금형보다 개발 비용이 저렴합니다. 단점: 생산 공정이 길고, 공정 중 제품 크기 변동이 크며, 인건비가 높습니다.
2. 스트레칭
사용 재료: 알루미늄 판재. 연속 성형기와 금형을 사용하여 여러 번의 성형 공정을 거쳐 원하는 형상을 구현하며, 원기둥이 아닌 곡선형 알루미늄 제품 제작에 적합합니다. (그림 5는 기계, 그림 6은 금형, 그림 7은 제품 사진 참조)
장점:복잡하고 다양한 형태로 변형된 제품의 치수는 생산 과정에서 안정적으로 제어되며, 제품 표면은 더욱 매끄러워집니다.
단점:금형 비용이 높고, 개발 기간이 비교적 길며, 기계 선정 및 정밀도에 대한 요구 사항이 높습니다.
알루미늄 제품의 표면 처리
1. 샌드블라스팅(쇼트피닝)
고속으로 흐르는 모래의 충격을 이용하여 금속 표면을 세척하고 거칠게 만드는 공정.
이 알루미늄 표면 처리 방법은 가공물 표면의 청결도와 거칠기를 향상시킵니다. 그 결과, 표면의 기계적 특성이 개선되어 피로 저항성이 향상됩니다. 또한, 이러한 개선은 표면과 도포되는 코팅 사이의 접착력을 높여 코팅의 내구성을 연장합니다. 더불어 코팅의 평활도와 미관 개선에도 도움이 됩니다. 이 공정은 다양한 애플 제품에서 흔히 볼 수 있습니다.
2. 광택 작업
이 가공 방법은 기계적, 화학적 또는 전기화학적 기술을 사용하여 가공물의 표면 거칠기를 줄여 매끄럽고 광택 있는 표면을 만듭니다. 연마 공정은 크게 기계적 연마, 화학적 연마, 전해 연마의 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 기계적 연마와 전해 연마를 결합하면 알루미늄 부품에 스테인리스강과 유사한 거울 같은 마감 처리를 할 수 있습니다. 이 공정은 고급스럽고 간결하면서도 세련되고 미래지향적인 느낌을 부여합니다.
3. 와이어 드로잉
금속 와이어 드로잉은 알루미늄 판에 사포로 여러 번 선을 새겨 넣는 제조 공정입니다. 와이어 드로잉은 직선형 와이어 드로잉, 불규칙형 와이어 드로잉, 나선형 와이어 드로잉, 실형 와이어 드로잉 등으로 나눌 수 있습니다. 금속 와이어 드로잉 공정을 통해 미세한 선 하나하나가 선명하게 드러나 무광 금속 표면에 은은한 광택이 생기고, 제품은 미적인 아름다움과 기술력을 동시에 갖추게 됩니다.
4. 하이라이트 커팅
하이라이트 커팅은 고속 회전(일반적으로 분당 20,000회전)하는 정밀 조각기 스핀들에 장착된 다이아몬드 칼날을 사용하여 부품을 절삭하고 제품 표면에 국부적인 하이라이트 영역을 만드는 기술입니다. 절삭 하이라이트의 밝기는 밀링 드릴 속도에 영향을 받습니다. 드릴 속도가 빠를수록 절삭 하이라이트가 더 밝아집니다. 반대로 절삭 하이라이트가 어두울수록 칼자국이 생길 가능성이 높아집니다. 고광택 커팅은 아이폰 5와 같은 휴대폰에서 특히 흔히 볼 수 있습니다. 최근에는 일부 고급 TV 금속 프레임에도 고광택 커팅이 적용되고 있습니다.CNC 밀링첨단 기술과 양극 산화 및 브러싱 공정을 통해 TV는 세련된 디자인과 뛰어난 기술력을 자랑합니다.
5. 양극 산화 처리
양극 산화 처리는 금속 또는 합금을 산화시키는 전기화학적 공정입니다. 이 공정에서 알루미늄 및 그 합금은 특정 전해액에 전류를 흘려보내고 특정 조건을 적용하면 산화막이 형성됩니다. 양극 산화 처리는 알루미늄의 표면 경도와 내마모성을 향상시키고, 수명을 연장하며, 미관을 개선합니다. 이 공정은 알루미늄 표면 처리의 핵심 요소로 자리 잡았으며, 현재 가장 널리 사용되고 성공적인 방법 중 하나입니다.
6. 2색 양극
2색 양극 산화 처리는 제품의 특정 영역에 서로 다른 색상을 적용하는 공정을 말합니다. 이 2색 양극 산화 처리 기술은 복잡성과 높은 비용 때문에 텔레비전 업계에서는 드물게 사용되지만, 두 색상의 대비는 제품의 고급스럽고 독특한 외관을 더욱 돋보이게 합니다.
알루미늄 부품 가공 시 발생하는 변형에는 재료 특성, 부품 형상, 생산 조건 등 여러 요인이 영향을 미칩니다. 주요 변형 원인으로는 원자재 내부의 응력, 가공 중 발생하는 절삭력 및 열, 그리고 체결 시 가해지는 힘 등이 있습니다. 이러한 변형을 최소화하기 위해서는 특정 공정 조치와 숙련된 작업자의 기술이 필요합니다.
가공 변형을 줄이기 위한 공정 조치
1. 블랭크의 내부 응력을 줄입니다.
자연적 또는 인공적 노화와 진동 처리는 블랭크의 내부 응력을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 사전 가공 또한 이러한 목적에 효과적인 방법입니다. 머리 부분이 두껍고 귀 부분이 큰 블랭크의 경우, 상당한 여유분으로 인해 가공 과정에서 큰 변형이 발생할 수 있습니다. 블랭크의 과도한 부분을 사전 가공하여 각 영역의 여유분을 줄임으로써, 후속 가공 시 발생하는 변형을 최소화할 뿐만 아니라 사전 가공 후 존재하는 내부 응력도 완화할 수 있습니다.
2. 공구의 절삭 능력을 향상시키십시오.
공구의 재질과 기하학적 매개변수는 절삭력과 발열에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 부품의 가공 변형을 최소화하려면 적절한 공구 선택이 필수적입니다.
1) 공구의 기하학적 매개변수를 합리적으로 선택해야 합니다.
① 경사각:날의 강도를 유지하는 조건 하에서, 경사각은 적절하게 크게 선택해야 합니다. 이는 날카로운 날을 연마할 수 있을 뿐만 아니라, 절삭 변형을 줄이고 칩 배출을 원활하게 하여 절삭력과 절삭 온도를 낮출 수 있습니다. 음의 경사각을 가진 공구는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
② 후면 각도:백 앵글의 크기는 공구 뒷면의 마모와 가공면의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 절삭 두께는 백 앵글을 선택하는 중요한 조건입니다. 황삭 가공 시에는 높은 이송 속도, 큰 절삭 부하, 그리고 높은 열 발생으로 인해 공구의 열 방출이 원활해야 하므로 백 앵글을 작게 선택해야 합니다. 정삭 가공 시에는 날카로운 모서리가 필요하고, 공구 뒷면과 가공면 사이의 마찰을 줄여야 하며, 탄성 변형을 최소화해야 하므로 백 앵글을 크게 선택해야 합니다.
③ 나선각:밀링 작업을 원활하게 하고 밀링력을 줄이기 위해서는 나선 각도를 가능한 한 크게 선택해야 합니다.
④ 주 편향각:주 편향각을 적절히 줄이면 열 방출 조건을 개선하고 처리 영역의 평균 온도를 낮출 수 있습니다.
2) 도구 구조를 개선합니다.
밀링 커터 날 수를 줄이고 칩 배출 공간을 늘리십시오.
알루미늄 소재는 가공 중 높은 소성과 상당한 절삭 변형을 나타내므로, 더 넓은 칩 배출 공간을 확보하는 것이 필수적입니다. 즉, 칩 홈 바닥의 반경을 더 크게 하고 밀링 커터의 날 수를 줄여야 합니다.
절삭날의 정밀 연삭:
커터 날의 절삭날 표면 조도 값은 Ra = 0.4 µm 미만이어야 합니다. 새 커터를 사용하기 전에, 연마 과정에서 남은 미세한 톱니 모양이나 버(burr)를 제거하기 위해 고운 오일 스톤으로 커터 날의 앞면과 뒷면을 여러 번 부드럽게 연마하는 것이 좋습니다. 이는 절삭열을 줄일 뿐만 아니라 절삭 변형을 최소화하는 데에도 도움이 됩니다.
공구 마모 기준을 엄격하게 관리하십시오:
공구가 마모됨에 따라 공작물의 표면 조도가 증가하고 절삭 온도가 상승하며 공작물의 변형이 심화될 수 있습니다. 따라서 내마모성이 우수한 공구 재료를 선택하고 공구 마모량이 0.2mm를 초과하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 마모량이 이 한계를 초과하면 칩 발생으로 이어질 수 있습니다. 절삭 중에는 공작물의 변형을 방지하기 위해 온도를 일반적으로 100°C 이하로 유지해야 합니다.
3. 공작물의 고정 방식을 개선하십시오. 강성이 낮은 얇은 알루미늄 공작물의 경우, 다음과 같은 고정 방식을 사용하여 변형을 줄일 수 있습니다.
① 얇은 벽 부싱 부품의 경우, 3구 셀프 센터링 척이나 스프링 콜릿을 사용하여 레이디얼 클램핑을 하면 가공 후 풀 때 공작물이 변형될 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 더 큰 강성을 제공하는 축 방향 단면 클램핑 방식을 사용하는 것이 좋습니다. 부품의 내측 구멍을 위치시키고, 나사산이 있는 관통 맨드릴을 제작하여 내측 구멍에 삽입합니다. 그런 다음 커버 플레이트를 사용하여 단면을 클램핑하고 너트로 단단히 고정합니다. 이 방법은 외측 원을 가공할 때 클램핑 변형을 방지하여 만족스러운 가공 정밀도를 확보하는 데 도움이 됩니다.
② 얇은 판금 가공물을 가공할 때는 진공 흡착컵을 사용하여 균일하게 고정력을 확보하는 것이 좋습니다. 또한, 절삭량을 줄이면 가공물의 변형을 방지하는 데 도움이 됩니다.
또 다른 효과적인 방법은 가공물의 내부를 매체로 채워 가공 강성을 향상시키는 것입니다. 예를 들어, 3~6%의 질산칼륨을 함유한 요소 용융액을 가공물 내부에 부을 수 있습니다. 가공 후, 가공물을 물이나 알코올에 담가 충전재를 녹인 다음 부어내면 됩니다.
4. 프로세스의 합리적인 배치
고속 절삭 가공 시, 큰 가공 여유와 간헐적인 절삭으로 인해 밀링 공정에서 진동이 자주 발생합니다. 이러한 진동은 가공 정밀도와 표면 조도에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 결과적으로,CNC 고속 절삭 공정일반적으로 가공은 황삭, 반삭, 각도 세척, 정삭의 여러 단계로 나뉩니다. 높은 정밀도가 요구되는 부품의 경우 정삭 전에 2차 반삭 가공이 필요할 수 있습니다.
황삭 가공 후에는 부품을 자연 냉각시키는 것이 좋습니다. 이는 황삭 가공 중에 발생한 내부 응력을 제거하고 변형을 줄이는 데 도움이 됩니다. 황삭 가공 후 남는 가공 여유는 예상 변형량보다 커야 하며, 일반적으로 1~2mm입니다. 정삭 가공 단계에서는 가공면의 가공 여유를 균일하게 유지하는 것이 중요하며, 일반적으로 0.2~0.5mm입니다. 이러한 균일성은 가공 중 절삭 공구가 안정적인 상태를 유지하도록 하여 절삭 변형을 크게 줄이고 표면 품질을 향상시키며 제품 정밀도를 보장합니다.
가공 변형을 줄이기 위한 운영 기술
알루미늄 부품은 가공 과정에서 변형됩니다. 이러한 이유 외에도 실제 작업에서는 작업 방법 또한 매우 중요합니다.
1. 가공 여유가 큰 부품의 경우, 가공 중 열 방출을 개선하고 열 집중을 방지하기 위해 대칭 가공을 권장합니다. 예를 들어, 두께 90mm의 판재를 60mm로 가공할 때, 한쪽 면을 가공 직후 다른 쪽 면을 바로 가공하면 최종 치수의 평탄도 공차가 5mm에 달할 수 있습니다. 그러나 각 면을 최종 크기로 두 번씩 가공하는 반복 이송 대칭 가공 방식을 사용하면 평탄도를 0.3mm까지 개선할 수 있습니다.
2. 판재에 여러 개의 캐비티가 있는 경우, 캐비티를 하나씩 순차적으로 가공하는 방식은 바람직하지 않습니다. 이러한 방식은 부품에 불균일한 힘이 가해져 변형을 초래할 수 있습니다. 대신, 적층 가공 방식을 사용하여 한 층의 모든 캐비티를 동시에 가공한 후 다음 층으로 넘어가는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 부품에 응력이 고르게 분포되어 변형 위험을 최소화할 수 있습니다.
3. 절삭력과 열을 줄이기 위해서는 절삭량을 조절하는 것이 중요합니다. 절삭량의 세 가지 구성 요소 중 후삭량은 절삭력에 큰 영향을 미칩니다. 가공 여유가 과도하여 한 번의 가공 과정에서 절삭력이 너무 높아지면 부품 변형이 발생하고, 공작기계 스핀들의 강성이 저하되며, 공구 수명이 단축될 수 있습니다.
절삭량을 줄이면 공구 수명이 연장되지만 생산 효율이 저하될 수 있습니다. 하지만 CNC 가공에서 고속 밀링을 사용하면 이러한 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 절삭량을 줄이고 이송 속도와 공작기계 회전 속도를 높이면 가공 효율을 저하시키지 않으면서 절삭력을 낮출 수 있습니다.
4. 절삭 작업 순서는 중요합니다. 황삭 가공은 가공 효율을 극대화하고 단위 시간당 재료 제거율을 높이는 데 중점을 둡니다. 일반적으로 이 단계에서는 역밀링이 사용됩니다. 역밀링에서는 블랭크 표면의 과도한 재료를 가능한 한 가장 빠른 속도로, 가장 짧은 시간 안에 제거하여 마무리 가공 단계를 위한 기본 형상을 효과적으로 형성합니다.
반면, 마무리 가공에서는 높은 정밀도와 품질을 우선시하기 때문에 하향 밀링이 선호되는 기술입니다. 하향 밀링에서는 절삭 두께가 최대값에서 0으로 점차 감소합니다. 이러한 방식은 가공 경화를 크게 줄이고 가공 부품의 변형을 최소화합니다.
5. 얇은 벽의 가공물은 가공 중 클램핑으로 인해 변형되는 경우가 많으며, 이는 마무리 가공 단계에서도 여전히 문제점으로 남아 있습니다. 이러한 변형을 최소화하기 위해 마무리 가공 시 최종 크기에 도달하기 전에 클램핑 장치를 풀어주는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 가공물이 원래 형태로 복원된 후, 작업자의 감각에 따라 가공물을 제자리에 고정할 정도로만 부드럽게 다시 클램핑할 수 있습니다. 이 방법은 이상적인 가공 결과를 얻는 데 도움이 됩니다.
요약하자면, 클램핑력은 지지면에 최대한 가깝게 가해져야 하며, 공작물의 가장 강한 축을 따라 작용해야 합니다. 공작물이 풀리지 않도록 하는 것이 중요하지만, 최적의 결과를 얻기 위해서는 클램핑력을 최소화해야 합니다.
6. 캐비티가 있는 부품을 가공할 때는 밀링 커터가 드릴 비트처럼 재료에 직접 침투하지 않도록 하십시오. 이렇게 하면 밀링 커터가 칩을 배출할 공간이 부족해져 칩 제거가 원활하지 않거나, 과열, 팽창, 칩 붕괴 또는 부품 파손과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.
그 대신, 먼저 밀링 커터와 크기가 같거나 더 큰 드릴 비트를 사용하여 초기 절삭 구멍을 만드십시오. 그런 다음 밀링 커터를 사용하여 밀링 작업을 수행합니다. 또는 CAM 소프트웨어를 사용하여 나선형 절삭 프로그램을 생성할 수도 있습니다.
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게시 시간: 2024년 11월 27일