4가지 주요 CNC 절단 기술 살펴보기

최근 몇 년 동안 CNC 절삭 기술의 발전은 급속도로 이루어졌습니다. 유연성과 공정 복합화로 금형 펀칭 방식을 대체하고 있으며 철도 차량용 스탬핑 부품 가공에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다.

널리 사용되는 유형에는 CNC 레이저 절단, CNC 플라즈마 절단, CNC 화염 절단 및 CNC 고압 워터젯 절단이 있습니다. 절단되는 재료에는 탄소강판, 스테인리스강판, 알루미늄 합금판 등이 있습니다.

CNC 레이저 커팅 기술

레이저 커팅 는 고에너지 레이저 빔을 사용하여 재료를 열 절단하는 고급 가공 방법입니다. 다양한 금속 및 비금속 시트를 절단할 수 있으며 철도 객차 제조에 널리 사용됩니다. 그림 3-47은 레이저 절단 판금 사진을 보여줍니다.

(1) 레이저 커팅의 원리

레이저 절단은 집중된 고에너지 레이저 빔으로 공작물을 조사하여 빠르게 녹거나 기화, 절제 또는 발화점에 도달하게 하는 것입니다. 동시에 용융된 재료는 빔과 동축으로 연결된 고속 기류에 의해 날아가면서 공작물을 절단합니다. 레이저 절단은 열 절단 방법 중 하나입니다.

(2) 레이저 커팅의 특징

1) 절단면은 0.15~0.4mm(플레이트 두께에 따라 다름) 범위로 좁고 표면에 수직으로 절단됩니다.

절단 표면이 매끄럽고 아름답고 열 영향 영역이 작고 공작물 변형이 적고 절단 정밀도가 높으며 절단 부품의 치수 정확도가 ± 0.05mm에 도달 할 수있어 높은 재료 활용이 가능합니다.

2) 일반적으로 교환 작업대가 장착되어 있어 절단 과정에서 연속 절단이 가능합니다. 그리고 절단 속도 는 최대 70m/분에 이르는 빠른 속도입니다. 비접촉식 절단 공정으로 다양한 형태의 부품을 절단할 수 있으며, 공정 중 소음이 적고 공해가 거의 발생하지 않습니다.

3) 얇은 시트 재료를 절단하는 품질은 좋고 속도는 빠르지 만 시트 두께가 증가함에 따라 절단 속도가 크게 감소하고 절단 섹션의 품질도 저하됩니다.

(3) 철도 객차 분야에서의 레이저 절단 적용

철도 객차 제조에서 레이저 절단 기술은 주로 두께 16mm 미만의 탄소강판과 두께 12mm 미만의 스테인리스 강판을 블랭킹하는 데 사용됩니다. 모든 블랭킹 기술 중에서 가장 높은 효율성과 최고의 정밀도를 자랑합니다.

CNC 플라즈마 아크 절단 기술

플라즈마 아크 절단은 고에너지 플라즈마 아크와 고속 플라즈마 흐름을 사용하여 용융 금속을 절단 부위에서 불어내어 연속적인 커프를 형성합니다. 빠른 절단 속도와 최소한의 공작물 변형으로 플라즈마 아크 절단은 다양한 금속 재료를 절단하는 데 적합합니다.

(1) 일반적인 플라즈마 아크 절단 방법

공기 플라즈마 아크 절단과 정밀 플라즈마 아크 절단이라는 두 가지 주요 방법이 있습니다.

1) 에어 플라즈마 아크 절단: 이것은 주로 탄소강, 스테인리스강 및 알루미늄 합금 스탬핑의 중간 공정에 사용되는 수동 플라즈마 아크 절단 기술로, 홀 절단, 슬롯 절단, 모서리 절단, 헤드 절단 및 이음새 절단과 같은 작업에 주로 사용됩니다.

2) 정밀 플라즈마 아크 절단: 두께가 30mm 미만인 탄소강, 스테인리스강 등의 소재를 절단할 수 있는 CNC 절단 기술입니다.

(2) 정밀 플라즈마 아크 절단 공정

이 공정은 모든 금속과 일부 비금속 재료에 적합합니다. 다음과 같은 경우에 효과적인 방법입니다. 스테인리스 스틸 절단알루미늄 및 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금, 기타 비철 금속을 절단할 수 있습니다. 최대 절단 두께는 180-200mm에 달할 수 있습니다.

현재 승용차 생산에서는 5-25mm 두께의 탄소강과 4-20mm 두께의 스테인리스강을 절단하는 데 사용됩니다.

(3) 플라즈마 아크 절단 공정 파라미터

여기에는 절단 전류, 절단 전압, 절단 속도, 가스 흐름 및 공작물에서 노즐 높이가 포함됩니다.

1) 절단 전류와 전압은 플라즈마 아크의 출력을 결정합니다. 플라즈마 아크의 출력이 증가하면 절단 속도와 절단 두께도 그에 따라 증가할 수 있습니다.

절단 전류는 일반적으로 판의 두께와 절단 속도에 따라 선택됩니다. 절단 전류가 너무 높으면 전극과 노즐이 쉽게 연소되어 이중 아크가 발생하고 V자형 커프가 형성될 수 있습니다.

2) 절단 전압이 높을수록 두꺼운 판재를 절단하는 데 유리하며 절단 효과가 더 좋습니다. 전류를 높이면 절단 두께와 속도를 높일 수 있지만 단순히 전류를 높이면 아크 컬럼이 두꺼워져 커프가 넓어집니다.

3) 절단 속도는 절단 생산성을 나타내는 주요 지표이며 절단 품질에 큰 영향을 미칩니다. 평평한 커프 표면에는 적절한 절단 속도가 중요합니다. 절단 속도는 재료 두께, 절단 전류, 가스의 종류와 흐름, 노즐 구조 등에 따라 달라집니다. 동일한 출력에서 절단 속도를 높이면 커프가 기울어집니다.

4) 가스 흐름은 노즐 조리개와 일치해야 합니다. 가스 유량을 적절히 증가시키면 아크의 열 압축 효과를 강화하여 플라즈마 아크를 더욱 집중시킬 수 있습니다. 이에 따라 절단 전압이 증가하여 절단 능력과 품질 향상에 도움이 됩니다.

5) 공작물에서 노즐의 높이는 일반적으로 6-8mm입니다. 공기 플라즈마 및 물 압축 플라즈마 아크의 경우 공작물에서 노즐의 높이가 6-8mm보다 약간 낮을 수 있습니다.

절단 거리가 증가하면 공간에 노출되는 플라즈마 아크 컬럼의 길이가 증가하여 유효 열이 감소하고 이중 아크가 발생할 가능성이 높아집니다. 거리가 너무 짧으면 노즐이 공작물과 쉽게 단락되어 연소되어 정상적인 절단 공정이 중단될 수 있습니다.

표 3-64 및 3-65는 각각 HiFoucs100 정밀 플라즈마 아크 절단으로 저탄소강 및 스테인리스강 절단에 대한 파라미터를 제공합니다.

(4) 플라즈마 아크 절단 품질

절단 품질은 주로 커프 폭, 커프 직각도, 커프를 기준으로 평가됩니다. 표면 거칠기, 줄무늬 깊이, 커프의 바닥 드로스, 커프의 열 영향 영역의 경도와 너비를 입력합니다.

좋은 절단의 기준은 폭이 좁고 직사각형 단면, 슬래그나 매달린 슬래그가 없는 매끄러운 표면, 절단 후 기계 가공에 방해가 되지 않는 표면 경도입니다.

표 3-64: 저탄소강용 HiFoucs100 미세 플라즈마 아크 절단 파라미터

표 3-65: 스테인리스강용 HiFoucs100 미세 플라즈마 아크 절단 파라미터

CNC 화염 절단 기술

(1) 화염 절단 원리

화염 절단은 가연성 가스의 열과 산소 불꽃을 절단 산소와 함께 사용하는 열 절단 공정을 말합니다. 불꽃에서 방출되는 열로 인해 절단 산소가 지속적으로 연소되어 금속을 녹입니다.

생성된 용융 금속과 산화물은 절단 산소 불꽃에 의해 생성된 운동 에너지에 의해 날아가면서 절단을 형성합니다.

(2) 화염 절단 유형

주요 유형에는 수동 절단, 반자동 절단, CNC 화염 절단이 있습니다.

(3) 화염 절단 적용

주로 탄소강판 절단에 사용되며 스테인리스강판 절단에는 적합하지 않습니다. 수동 절단은 프로파일 및 성형 부품의 사후 절단과 품질 요구 사항이 낮은 간단한 형상 및 공작물 절단에 사용됩니다.

반자동 절단은 두꺼운 판재 직사각형의 작은 부품을 절단하는 데 사용됩니다. CNC 화염 절단은 복잡한 모양의 부품 절단에 적용할 수 있습니다.

(4) 화염 절단 공정 파라미터

여기에는 예열 화력, 산소 압력, 절단 속도, 노즐과 공작물 간 거리, 절단 각도 등이 포함됩니다.

1) 예열 화력은 화염 절단 품질에 영향을 미치는 중요한 공정 매개변수입니다.

일반적으로 절단 시에는 중성 불꽃 또는 약간 산화되는 불꽃을 선택해야 하며 불꽃의 강도는 적당해야 합니다. 예열 불꽃은 공작물의 두께, 절단 노즐의 유형 및 공작물의 품질 요구 사항에 따라 선택해야 합니다.

예열 화력은 판의 두께에 따라 증가해야 합니다. 옥시-아세틸렌 예열 화력과 절단판 두께의 관계는 표 3-66에 나와 있습니다.

표 3-66: 옥시-아세틸렌 예열 화력과 절단판 두께의 관계

2) 절단 산소 압력은 절단 노즐의 종류와 크기에 따라 다르며, 공작물의 두께에 따라 산소 압력을 선택할 수 있습니다. 권장값은 표 3-67에 나와 있습니다.

절단 산소 압력이 너무 높으면 절단면이 넓고 거칠어지며, 압력이 너무 낮으면 절단 과정이 느려지고 슬래그가 달라붙을 수 있습니다.

실제 절단에서 최적의 절단 산소 압력은 윈드라인을 해제하는 방법을 사용하여 결정할 수 있습니다. 윈드 라인이 가장 깨끗하고 길 때 적절한 값이며 최상의 절단 효과를 얻을 수 있습니다.

표 3-67: 산소 압력 절감을 위한 권장 값

3) 절단 속도는 공작물의 두께 및 절단 노즐의 형태와 관련이 있으며 일반적으로 공작물의 두께가 증가함에 따라 느려집니다. 절단 속도는 절단되는 금속의 산화 속도에 맞게 조정해야 합니다. 속도가 너무 느리면 절단 위쪽 가장자리가 녹고, 너무 빠르면 과도한 지연이 발생하거나 절단에 실패할 수도 있습니다.

절단 작업에서 용융 슬래그 스파크가 절단에서 떨어지는 방향을 관찰하여 절단 속도를 제어할 수 있습니다. 스파크가 수직으로 또는 약간 앞으로 배출되면 정상 속도입니다. 표 3-68은 CNC 옥시-아세틸렌 불꽃 절단 속도에 대한 파라미터 표입니다.

표 3-68: CNC 산소-아세틸렌 화염 절단 속도 파라미터 표

4) 노즐과 공작물 사이의 거리는 공작물의 두께와 예열 불꽃의 길이에 따라 결정됩니다.

거리가 너무 짧으면 절단 상단 가장자리에서 용융 및 탄화가 발생하고 노즐이 튄 자국으로 인해 쉽게 막혀 역효과가 발생할 수 있습니다.

거리가 너무 크면 절단 전면 가장자리의 가열 효과가 약해져 예열이 불충분해지고 절단 산소의 유량이 감소하여 슬래그 제거가 어려워지고 절단 품질에 영향을 미칩니다.

동시에 절단에 유입되는 산소의 순도가 감소하여 항력과 절단 폭이 증가합니다. 예열 불꽃의 중심은 일반적으로 공작물 표면에서 2~4mm 떨어져 있어야 합니다. 노즐과 공작물 표면 사이의 권장 거리 표는 표 3-69에서 확인할 수 있습니다.

표 3-69: 노즐과 공작물 표면 사이의 권장 거리

5) 절단 기울기 각도는 절단 속도와 드래그 양에 직접적인 영향을 미칩니다.

6) CNC 옥시-아세틸렌 화염 절단에 대한 매개 변수는 표 3-70에서 확인할 수 있습니다.

표 3-70: CNC 옥시-아세틸렌 화염 절단 파라미터 표

(5) CNC 화염 절단 프로그래밍

CNC 화염 절단으로 절단된 단면의 정확성을 보장하고 절단 결함을 방지하려면 프로그래밍할 때 다음 사항을 염두에 두어야 합니다:

1) 아크 시작점은 후속 가공이 진행될 절단면에 설정해야 합니다.

2) 프로그래밍하는 동안 아크 시작점과 종료점의 교차점을 특별히 처리하여 공정 돌출부를 남깁니다. 이 돌출부는 절단 후 후속 가공 또는 연삭을 통해 제거할 수 있습니다.

3) 프로그래밍하는 동안 날카로운 모서리는 절단 결함을 방지하기 위해 호로 전환해야 합니다.

4) 한 번의 절단으로 두 부품의 절단을 동시에 완료하는 공유 엣지 절단을 사용하여 생산 효율과 재료 활용도를 향상시킵니다.

5) 후판 절단의 경우, 아크 시작부터 절단 완료까지 중단 없이 절단을 진행합니다. 절단 변형을 방지하기 위해 재료의 가장자리에서 래치처럼 시작하여 아크를 시작하십시오.

(6) 화염 절단 슬래그 처리 공정

버스의 옥시-아세틸렌 화염 절단에 대한 후속 처리 기술 스탬핑 부품 수동 청소, 수동 연마, 샷 블라스팅 및 기계식 드럼 청소가 포함됩니다.

(7) CNC 화염 절단 지그

CNC 화염 절단은 재료를 그리드 위에 놓아야 합니다. 절단되는 재료의 두께에 따라 그리드 형태가 달라질 수 있습니다. 포인트 접촉 그리드는 절단 결함을 크게 줄여 절단 단면의 정밀도와 제품의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

고압 워터젯 커팅 기술

고압 워터젯 절단은 다양한 금속과 비금속을 절단할 수 있는 새로운 절단 방식입니다. 절단 공정에서 열 영향 영역이 발생하지 않고 절단 모서리의 재료가 변하지 않으며 절단 정밀도가 높아 정밀도가 요구되는 부품 가공에 적합합니다.

(1) 고압 워터젯 커팅의 원리

물을 초고압(100~400MPa)으로 가압한 다음 스로틀 구멍(0.15~0.4mm)을 통해 분사하는 방식입니다. 수압 위치 에너지는 워터젯 운동 에너지로 변환되고(유속은 최대 900m/s까지 가능), 고속으로 집중된 물줄기의 침식 작용이 절단에 사용됩니다.

(2) 고압 워터젯 커팅의 종류

고압 워터젯 커팅에는 순수 워터 타입과 연마제 타입의 두 가지 유형이 있습니다.

1) 순수형 고압 워터젯 절단은 노즐에서 분사되는 고속 워터젯만을 사용하여 절단합니다. 절단 능력이 상대적으로 낮고 비금속 연질 재료 절단에 적합합니다. 사용되는 수압은 200~400MPa입니다.

2) 연마형 고압 워터젯 절단은 혼합 튜브를 통해 연마 입자를 워터젯에 혼합하여 절단용 연마 워터젯을 형성하는 방식입니다. 연마 워터젯에서 워터젯은 연마 입자를 가속하는 캐리어 역할을 합니다.

연마재는 질량이 크고 경도가 높기 때문에 연마 워터젯의 운동 에너지가 커서 강력한 절단 성능을 제공합니다.

(3) 고압 워터젯 커팅의 특징

1) 넓은 절단 범위. 거의 모든 금속과 비금속, 특히 다양한 열 절단 방법으로 절단하기 어렵거나 불가능한 재료를 절단할 수 있습니다.

2) 열 영향이 없습니다. 물의 냉각 효과로 인해 절단 된 공작물은 열 변형이나 열 영향 영역을 생성하지 않으며 재료 특성이 변경되지 않습니다. 합금강 및 비철금속과 같은 열에 민감한 재료를 절단하는 데 특히 적합합니다.

3) 높은 절단 품질. 절단 표면에 버나 슬래그가없고 수직이고 평평하며 매끄럽고 찢어 지거나 경화 현상이 없습니다. 얇은 금속판을 절단할 때 말림이 없습니다.

4) 좁은 절단 폭. 순수 물 절단시 워터 제트의 직경은 일반적으로 0.1~0.5mm 사이이며 연마 유형의 노즐 구경은 약 1.2 ~ 2.5mm로 중첩 된 부품 절단시 재료 활용도를 높이는 데 유리합니다.

5) 절단은 공작물의 어느 지점에서나 시작하거나 중지 할 수 있으며 절단 구멍을 비교적 쉽게 시작할 수 있습니다. 절단 백래시가 작고 절단 헤드는 로봇으로 조작하기 쉬우 며 3D 모양의 공작물을 절단하는 데 사용할 수 있습니다.

6) 인체에 유해한 유독가스, 분진 등이 발생하지 않으며 특히 석면, 섬유 소재 및 각종 합성 섬유 소재 가공에 적합합니다.

해상 석유 시추 및 석유 추출 플랫폼, 정유 공장, 대형 석유 및 가스 저장 탱크 구역, 석유 및 가스 파이프라인 등 화기 사용이 엄격히 금지된 구역에서는 안전하게 절단할 수 있습니다.

7) 고압 워터젯 절단의 단점은 장비 비용이 다른 절단 형태보다 높고, 단단한 재료를 절단 할 때 절단 속도가 낮고, 절단 정밀도가 기계 가공에 비해 약간 떨어지고, 일부 절단 상황에서는 폐수를 처리해야하며, 연마 유형의 절단 비용이 더 높다는 점입니다.

(4) 고압 워터젯 절단의 품질 수준

표3-71 고압 워터젯 절단의 품질 수준