개요
이런 상황을 경험해 보신 적이 있습니까? 프로그램은 원활하게 실행되고, 공구 경로도 정확하며, 공작기계에서 측정한 값도 사양을 충족합니다. 하지만 가공물을 기계에서 꺼내면 한쪽 모서리가 말려 올라가고 가운데 부분이 휘어집니다. 결국 그 가공물은 폐기해야 합니다.
이 가이드에서는 근본 원인을 분석합니다. 어떤 형태가 가장 취약한지, 어떤 재료가 문제를 일으킬 가능성이 가장 높은지, 그리고 가장 중요하게는 실제 작업 현장에서 실제로 효과적인 해결책은 무엇인지 살펴봅니다.
뒤틀림의 5가지 근본 원인 CNC 가공
CNC 가공 부품이 변형되는 이유는 무엇일까요? 다섯 가지 이유가 있습니다. 하나씩 살펴보겠습니다.
1. 재료 제조 과정에서 발생하는 잔류 응력
원자재에는 숨겨진 문제점이 있습니다. 압연, 단조, 압출 등의 공정은 금속이나 플라스틱 내부에 응력을 고착시킵니다. 이러한 힘들은 블록 내부에서 서로 균형을 이루며, 결과적으로 부품은 평평하게 놓입니다.
CNC 가공이 시작되어 재료가 제거되면 이러한 균형이 깨집니다. 잔류 응력이 방출되고 부품이 움직이기 시작하며 휘어지고 구부러집니다.
CNC 가공은 응력 해소 과정으로 작용합니다. 부품은 기존에 존재하던 상태에 반응할 뿐입니다.
2. 열에 의한 팽창 (열 효과)
절단 작업은 열이 발생합니다. 이 열은 고르게 분포되지 않으며 예측하기 어렵습니다.
공구가 마찰을 일으킨다. 칩이 열을 발산하기도 하고, 발산하지 못하기도 한다.
부품의 각 부분은 서로 다른 속도로 가열됩니다. 고온의 재료는 팽창하는 반면 저온의 재료는 팽창하지 않습니다. 이러한 팽창률의 차이로 인해 내부 응력이 발생합니다.
벽 두께가 얇은 부분에서는 상황이 훨씬 더 심각합니다. 이러한 부분은 재료의 양이 적어 열을 효과적으로 흡수하고 발산할 수 없습니다. 결과적으로 더 빨리 가열되고, 더 급격하게 팽창하며, 더 심한 변형을 겪게 됩니다.
3. 클램핑/작업 고정력
부품을 바이스에 평평하게 놓고 단단히 고정했습니다. CNC 가공 중에는 모든 것이 정상적으로 보였습니다.
가공이 완료된 후 클램프를 풀었다. 가공물은 원래 모양으로 되돌아갔다. 이때 가공물의 모양은 더 이상 평평하지 않았다.
이것은 탄성 변형입니다. 절삭 과정에서 클램핑력으로 인해 공작물이 휘어집니다. CNC 기계는 휘어진 형상을 가공합니다. 클램핑력이 제거되면 공작물은 원래의 굽은 상태로 돌아갑니다. 얇은 링을 과도하게 클램핑하는 것이 대표적인 예입니다. 기계에서 꺼냈을 때는 원형이지만, 즉시 탄성에 의해 타원형으로 되돌아갑니다.
4. 낮은 공작물 강성
어떤 부분들은 너무 흐물거려요. 길고 얇은 벽, 지지대가 없는 넓고 평평한 바닥. 절삭 공구가 아래로 누르면 재료가 반발하지만, 충분히 강하지 않아서 휘어져 버립니다.
공구가 변형된 모양을 깎아냅니다. 그런 다음 공구는 계속 움직입니다. 재료는 원래 위치로 되돌아갑니다. 이 시점에서 바닥면은 더 이상 평평하지 않고 측면 벽도 더 이상 직선이 아닙니다.
핵심은 강성을 절삭력으로 나눈 비율에 있습니다. 이 값이 낮으면 CNC 가공에서 뒤틀림이 거의 불가피합니다.
5. 부적절한 공구 경로 및 절삭 전략
프로그래밍이 잘못되면 가공물이 변형될 수 있습니다. 결국 CNC 기계는 사람이 아니기 때문에 단지 지시를 따를 뿐입니다.
절삭 깊이가 과도하면 절삭력이 증가합니다. 상향 절삭과 하향 절삭 밀링 중 잘못된 선택을 하면 응력이 증가할 수 있습니다. 완충 절삭이 부족하면 공작물이 안정화될 기회가 없습니다. 황삭 가공된 표면이 고르지 않게 됩니다. 정삭 가공 시 한쪽 면에서만 재료가 제거됩니다. 이러한 경우 응력 불균형이 즉시 나타납니다.
이 다섯 가지 원인은 개별적으로 작용하는 것이 아니라 서로 복합적으로 작용합니다. 고온에서 응력을 받은 재료를 가공하고, 너무 세게 조이고, 가공물 자체가 변형되기 쉬운데다가, 여기에 부적절한 가공 경로 계획까지 더해지면 어떻게 될까요? 그런 가공물은 결국 실패할 수밖에 없습니다. 이것이 바로 그 이유입니다.
변형되기 쉬운 8가지 모양
일부 형상은 CNC 가공 과정에서 특히 변형되기 쉽습니다. 따라서 설계자는 처음부터 이러한 형상을 피해야 합니다.
| 셰이프 | 1차 고장 모드 | 빠른 수정 |
| 얇은 벽과 갈비뼈 | 굽힘, 진동 자국 | 지지 탭, 방사형 결합 감소 |
| 얇은 바닥 및 포켓형 바닥 | 컵 모양, 솟아오르다 | 재고를 남겨두고 단계별로 마무리하세요. |
| 길고 가는 부품(높은 길이/직경비) | 비틀린, 바나나 모양 | 뒤집기, 스트레스 해소 주기 |
| 크고 평평하고 얇은 판 | 돔형, 엣지 리프트 | 진공 고정 장치, 상승 밀링 전용 |
| 비대칭 C자형 또는 U자형 부품 | 다리 벌리기 또는 오므리기 | 황삭 후 클램핑, 나머지 패스 |
| 얇은 플랜지 및 돌출부 | 처짐, 수다 | 부드러운 턱으로 뒷받침하고 돌출부를 줄이세요. |
| 얇은 벽 튜브 및 실린더 | 타원형으로 가늘어지는 벽 | 맨드릴 지지, 균형 잡힌 절단 |
| 자금력이 풍부한 부품 | 바닥 뒤틀림, 벽 기울어짐 | 나선형 경사로, 나머지 마무리 |
이제 각 형상을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. CNC 가공 시 변형이 발생하기 쉬운 형상을 파악하면 프로그래밍을 시작하기 전에 문제를 발견하는 데 도움이 됩니다.
얇은 벽과 갈비뼈
이러한 구조는 항공우주 장비 하우징이나 전자 장비 케이스에서 흔히 볼 수 있는데, 벽이 높고 상대적으로 얇은 형태입니다. 절삭력이 가해지면 벽이 옆으로 휘어지면서 진동과 굽힘이 발생합니다.
얇은 바닥 및 포켓형 바닥
공구가 홈을 깎을 때, 바닥면은 얇고 공기 외에는 지지대가 없습니다. 절삭력은 아래쪽으로 작용하여 바닥면을 휘게 합니다. 공구가 지나간 후에는 바닥면이 원래 위치로 되돌아오면서 바닥면이 평평하지 않게 됩니다.
길고 가는 부품(높은 길이/직경비)
긴 축이나 가느다란 빔을 상상해 보세요. 가공 과정에서 부품은 자체 무게 때문에 휘어집니다. 공구에서 멀어지면서 휘어지죠. 가운데 부분보다 양 끝 부분에서 재료가 덜 제거됩니다. 결국 완성된 부품은 바나나처럼 휘어지게 됩니다.
크고 평평하고 얇은 판
크고 평평한 판재는 단순해 보이지만 실제로는 그렇지 않습니다. 원판이나 블랭크에 남아 있는 잔류 응력이 고르게 해소되지 않고, 가장자리가 말려 올라가거나 중앙 부분이 불룩해지며, 결국 전체 가공물이 휘어질 수 있습니다.
비대칭 C자형 또는 U자형 부품
이 모양들은 한쪽 면이 열려 있습니다. 두 개의 "다리"는 열린 끝부분에서 연결되어 있지 않습니다. 클램핑 힘이 두 "다리"를 안쪽으로 밀어 넣어 절단을 완료합니다. 클램핑 힘이 해제되면 다리가 원래 위치로 되돌아가면서 열린 부분의 치수가 변합니다.
얇은 플랜지 및 돌출부
이 부분은 바깥쪽으로 돌출되어 있으며 한쪽 면에서만 지지됩니다. 절삭력은 자유단에 하향 압력을 가하여 플랜지가 처지게 하고, 이로 인해 채터링이 발생하고 표면 조도가 매우 저하됩니다.
얇은 벽 튜브 및 실린더
얇은 벽으로 이루어진 원형 부품은 겉보기와는 다릅니다. 외면을 가공한 후 응력이 해소되면서 원형이 늘어나고 변형되어 타원형이 되거나, 부품이 공구에서 멀어지면서 휘어짐으로 인해 벽 두께가 고르지 않게 됩니다.
자금력이 풍부한 부품
깊은 캐비티는 공구 돌출부를 길게 만듭니다. 공구 끝부분이 휘어질 수는 있지만, 진짜 문제는 나머지 바닥면과 측면에 있습니다. 불균일한 절삭은 불균형을 초래하여 바닥면의 변형과 측벽의 기울어짐을 유발합니다.
CNC 가공 시 발생하는 뒤틀림을 방지하는 첫 번째 단계는 이러한 형태를 조기에 파악하는 것입니다. 형태마다 필요한 전략이 다르므로, 아래 표에 제시된 간단한 해결 방법을 참고하시기 바랍니다.
특별한 주의가 필요한 재료
어떤 재료는 안정적이지만, 어떤 재료는 그렇지 않습니다. CNC 가공 시 어떤 재료가 변형되는지 아는 것은 폐기물을 크게 줄이는 데 도움이 됩니다.
알루미늄(6061-T6, 7075-T6) - 압연 응력
압연 공정은 알루미늄 내부에 응력을 발생시킵니다. 알루미늄 판이 롤러 사이에 압착되면서 표면은 인장 응력을 받는 반면, 내부는 압축 응력을 받게 됩니다. 이 시점에서 가공물은 평평한 상태입니다. 이후 가공 과정에서 가공물의 한쪽 면에서 재료가 제거됩니다. 그러면 균형이 깨지고 부품이 즉시 변형됩니다.
스테인리스강판(304, 316) - 가공 경화
이 소재는 절단 시 경화됩니다. 표면층은 단단해지지만 중심부는 그렇지 않습니다. 이러한 경도 차이로 인해 응력 차이가 발생합니다. 얇은 스테인리스강 부품은 기계에서 비틀어져 떨어져 나가는 것으로 악명이 높습니다.
티타늄(5등급) – 낮은 강성 + 복원력
티타늄은 탄성 계수가 낮습니다. 다시 말해, 쉽게 휘어지지만 원래대로 강하게 되돌아온다는 뜻입니다. 절삭 압력이 가해지면 부품이 휘어지고, 공구는 휘어진 모양대로 절삭합니다. 그런데 부품이 다시 원래대로 되돌아오면서 원래 모양과 다른 변형된 형태를 만듭니다. 티타늄 CNC 가공은 매일같이 어려운 싸움을 벌여야 하는 작업입니다.
경화 공구강 – 열 유도 상변화
절삭 과정에서 발생하는 열은 미세 구조를 변화시킬 수 있습니다. 표면이 변형되고, 부피도 약간 변합니다. 이러한 작은 변화가 큰 응력을 발생시켜 부품이 휘어지고 뒤틀리게 됩니다. 경화강은 이러한 문제를 미리 알려주지 않습니다. 단지 가공 후 휘어진 덩어리 형태로 나타날 뿐입니다.
황동 및 쾌삭동 - 압출 응력
이러한 재료는 종종 압출 성형됩니다. 압출 공정은 결정립 방향과 내부 응력을 고정시킵니다. 기계 가공은 이러한 응력을 불균일하게 해소합니다. 부품이 변형되고, 때로는 크게 변형되기도 합니다.
플라스틱(나일론, 아세탈, 초고분자량) - 열 및 크리프
플라스틱은 금속보다 열전도율이 낮아 절삭 부위는 뜨거워지지만 주변 재료는 차가운 상태를 유지합니다. 이러한 온도 차이로 인해 응력이 발생하고, 시간이 지남에 따라 부품이 변형됩니다. 처음에는 검사대에 올려놓았을 때 이상이 없어 보이지만, 한 시간 후에는 변형되어 버립니다. 이것이 바로 CNC 가공으로 제작된 플라스틱 부품이 예상보다 자주 변형되는 이유입니다.
탄소 섬유 복합재 – 이방성 응력
섬유는 한 방향으로 배열되어 있고, 매트릭스가 이 섬유들을 고정하고 있습니다. 부품 내부의 응력은 모든 방향에서 동일하지 않습니다. 기계 가공 과정에서 섬유가 절단되면, 남은 구조는 응력을 재배열합니다. 얇은 복합재 부품은 예측할 수 없는 방식으로 뒤틀립니다.
마그네슘 주조품 – 불균일 냉각 응력
주물이 식으면서 바깥쪽이 먼저 굳고 안쪽은 나중에 굳습니다. 중심부가 표면을 잡아당기면서 응력이 발생하고, 이 응력은 가공 과정에서 그대로 유지됩니다. 충분한 양의 재료를 제거하면 균형이 무너져 주물이 변형됩니다.
불안정한 재료는 응력 완화, 다른 가공 경로 또는 둘 다를 필요로 합니다. 재료 특성을 무시하면 CNC 가공 중 뒤틀림이 불가피해집니다.
뒤틀림 방지 방법 – 실용적인 전략
변형된 부품을 수리하는 것은 번거로울 뿐만 아니라 비용도 많이 듭니다. 문제가 발생하기 전에 예방 조치를 취하면 시간과 노력을 절약할 수 있습니다. CNC 가공 과정에서 변형을 방지하는 방법을 각 단계별로 살펴보겠습니다.
가공 전: 재료 준비
자재는 일반적으로 잔류 응력을 가진 채로 출하됩니다. 이러한 응력은 절단 전에 해소되어야 합니다.
열 응력 제거 방법은 가공물을 오븐에 넣어 가열하고 일정한 온도로 유지한 다음 천천히 냉각하는 방식입니다. 이 과정을 통해 내부 응력이 해소됩니다. 진동 응력 제거 방법은 가공물에 진동을 가하는 방식입니다. 진동의 진폭은 원자들이 재배열될 수 있을 정도로 작습니다. 극저온 처리는 극저온을 이용합니다. 재료가 균일하게 수축하면서 잔류 응력이 균형을 이룹니다.
블랭크의 황삭 가공 치수를 제어하는 것도 응력 완화에 도움이 됩니다. 대형 블랭크를 최종 치수에 가깝게 황삭 가공한 후, 일정 시간 동안 방치하여 자연적인 변형을 거치게 하고 최종 가공을 진행합니다. 이러한 변형은 최종 제품 가공 과정이 아닌, 블랭크가 방치되는 기간 동안 발생합니다.
작업 고정 및 고정
클램핑력은 양날의 검과 같습니다. 클램핑력이 너무 약하면 가공 중에 공작물이 움직이고, 너무 강하면 공작물이 탄성 변형을 일으킵니다. 클램핑력을 놓으면 공작물이 원래대로 되돌아가면서 휘어지게 됩니다.
저력 클램핑이 해결책입니다. 공작물을 고정하는 데 필요한 만큼의 힘만 가하고, 필요 이상으로 힘을 가하지 마십시오.
진공 컵은 평평한 공작물에 적합합니다. 진공 컵은 국부적인 압력 지점을 발생시키지 않고 균일한 흡착력을 제공합니다. 부드러운 흡착 립은 공작물의 형상에 밀착되어 흡착력을 넓은 면적에 분산시킵니다. 임베딩 왁스는 정밀하거나 불규칙한 형상의 공작물에 적합합니다. 공작물을 왁스에 매립하여 고정시키기 때문에 별도의 클램핑력이 필요하지 않습니다.
도구 경로 전략
개별적인 편집보다는 편집 순서가 더 중요합니다.
먼저 황삭 가공을 합니다. 모든 표면에 가공 여분을 남겨둡니다. 그런 다음 응력 제거 가공을 합니다. 마지막으로 정삭 가공을 합니다. 황삭 가공은 내부 응력의 대부분을 해소하고, 응력 제거 가공은 나머지 응력을 제거합니다. 정삭 가공에서는 얇은 층만 제거하는데, 이 층은 CNC 가공 시 변형을 유발할 만큼의 응력을 가지고 있지 않습니다.
적응형 밀링 또는 트로코이드 밀링은 판도를 바꿉니다. 공구는 가벼운 방사형 절삭을 수행하며 원형 경로를 따라 이동합니다. 칩 두께는 일정하게 유지되고, 절삭력과 발열량도 낮습니다. 또한, 가공물의 변형도 발생하지 않습니다.
클라임 밀링과 기존 밀링 중 어떤 방식이 더 좋을까요? 클라임 밀링은 공구를 가공물 쪽으로 밀어 넣는 방식이고, 기존 밀링은 공구를 가공물에서 멀리 당기는 방식입니다. 변형 방지 측면에서는 클라임 밀링이 더 효과적입니다. 절삭력이 아래쪽, 즉 테이블 쪽으로 작용하기 때문입니다. 얇은 벽면 쪽으로 작용하는 것이 아닙니다.
절삭 매개변수 및 냉각
냉각수는 열을 제거하지만 열 충격을 발생시키기도 합니다. 절삭 부위가 뜨거워지면 냉각수가 닿아 표면은 빠르게 식지만 중심부는 여전히 뜨거운 상태를 유지합니다. 이러한 온도 차이로 인해 응력이 발생합니다. 공기 분사는 칩을 제거하고 열 충격 없이 냉각 효과를 제공합니다.
열순환을 피하십시오. 부품을 가열했다가 식히고 다시 가열하는 과정을 반복하지 마십시오. 각 순환 과정은 스트레스를 가중시킵니다. 절삭 조건은 처음부터 끝까지 일정하게 유지하십시오.
다단계 가공
CNC 가공 시 재료 제거가 고르지 않아 부품이 변형될 경우, 한 번만 설정하는 것보다 두 번 설정하는 것이 더 낫습니다.
양면 가공 전략은 응력 균형을 유지하는 데 도움이 됩니다. 먼저 한쪽 면을 황삭 가공한 다음, 공작물을 뒤집어 반대쪽 면을 황삭 가공합니다. 다시 뒤집습니다. 각 단계에서 양쪽 면의 재료를 번갈아 제거합니다. 이렇게 하면 응력이 균형을 이룹니다.
희생 지지대는 임시적인 것입니다. 가공 전에 얇은 벽면 부분에 보강 리브나 러그를 추가하십시오. 최종 가공 단계에서 지지대를 제거합니다. 가공하는 동안 공작물은 강성을 유지합니다. 지지대는 흔적 없이 제거됩니다.
이러한 전략들은 서로 연관되어 작용합니다. 재료 전처리로 초기 응력을 줄이고, 적절한 공작물 고정으로 탄성 반동을 방지하며, 지능형 공구 경로를 통해 절삭력을 최소화하고, 적절한 냉각으로 열 축적을 제어합니다. 또한, 단계별 가공 시퀀스를 통해 재료 제거량을 균형 있게 조절합니다. 이 모든 것을 결합하면 CNC 가공 시 발생하는 뒤틀림 현상을 영구적으로 방지할 수 있습니다.
고귀한 – 정밀 CNC 가공 플라스틱 가공 및
당사의 핵심 처리 능력
앞 절에서 언급된 형태와 재료들 말이죠? 저희는 매일 그것들을 다룹니다.
CNC 가공 서비스
플라스틱 가공 서비스
- 엔지니어링 플라스틱의 CNC 가공: PEEK, POM, ABS, 나일론, UHMW, PTFE
- 대량 생산을 위한 플라스틱 사출 성형
- 후 처리디버링, 열처리, 표면 마감
품질 인증 – 뒤틀림 방지 보장
| 인증 | 범위 | 그것이 당신에게 의미하는 것 |
| ISO 9001:2015 | 품질 관리 시스템 | 일관된 프로세스, 문서화된 스트레스 해소 프로토콜 및 추적 가능한 검사 |
| ISO 13485:2016 | 의료기기 품질 관리 | 엄격한 공정 관리 – 미세한 변형조차 허용되지 않는 이식형 의료기기 및 수술 도구에 필수적입니다. |
FAQ
CNC 가공 후 휘어진 부품을 수정할 수 있나요?
경우에 따라 다릅니다. 프레스 교정이나 열 교정은 연성이 있는 금속에 효과적입니다. 하지만 CNC 가공 후 변형된 부품을 수리하는 것은 애초에 변형을 방지하는 것보다 항상 비용이 더 많이 듭니다.
열처리가 항상 뒤틀림을 방지하나요?
아니요. 어닐링은 잔류 응력을 감소시키지만 완전히 제거하지는 못합니다. 어닐링 후에도 재료가 고르지 않게 제거될 경우 CNC 가공 시 뒤틀림이 발생할 수 있습니다.
왜곡이 더 나쁜가요? 5축 3축 가공과 비교했을 때 어떤 차이가 있을까요?
본질적으로는 그렇지 않습니다. 기계 종류보다는 재료 제거 과정에서의 공정 전략과 응력 균형이 더 중요합니다. 잘못된 공구 경로 계획은 어떤 기계에서든 CNC 부품의 변형을 초래합니다.
뒤틀림 없이 안정적으로 가공할 수 있는 가장 얇은 벽 두께는 얼마입니까?
정해진 기준치는 없습니다. 재질, 벽 높이, 절삭력, 허용 오차에 따라 달라집니다. 알루미늄의 경우, 높이 20mm당 두께 1mm를 기준으로 시작하는 것이 안전합니다.
