브로칭

섬네일|upright=1.35|푸시 방식의 키홈 브로치; 왼쪽 끝으로 갈수록 이빨이 커지는 것을 볼 수 있다.
섬네일|upright|100px|조절식 스패너 끝에 가공된 키홈

브로칭(broaching)은 브로치(broach)라고 불리는 이빨 모양의 도구를 사용하여 재료를 제거하는 기계가공 공정이다. 브로칭에는 선형 브로칭과 회전 브로칭의 두 가지 주요 유형이 있다. 더 일반적인 공정인 선형 브로칭에서는 브로치를 공작물 표면에 대해 선형으로 이동시켜 절삭을 수행한다. 선형 브로치는 때때로 브로치로 줄여 부르기도 하는 브로칭 머신에서 사용된다. 회전 브로칭에서는 브로치가 회전하면서 공작물에 눌러져 축대칭 형상을 절단한다. 회전 브로치는 선반이나 스크루 머신에서 사용된다. 두 공정 모두 브로치의 한 번의 통과로 절삭이 수행되어 매우 효율적이다.

브로칭은 정밀 가공, 특히 비정형 형상이 필요할 때 사용된다. 일반적으로 가공되는 표면에는 원형 및 비원형 구멍, 스플라인, 키홈 및 평면이 포함된다. 일반적인 공작물에는 소형에서 중형 주조품, 단금품, 스크루 머신 부품 및 스탬핑품이 포함된다. 브로치는 비쌀 수 있지만, 대량 생산에는 일반적으로 다른 공정보다 브로칭이 선호된다.

브로치는 톱과 유사하게 생겼지만, 도구의 길이를 따라 이빨의 높이가 증가한다. 또한 브로치는 황삭, 준정삭, 정삭의 세 가지 구별되는 부분을 포함한다. 브로칭은 도구에 이송이 내장되어 있기 때문에 특이한 기계가공 공정이다. 가공된 표면의 프로파일은 항상 브로치 프로파일의 역이다. 스텝 또는 치당 이송이라고도 하는 치당 상승량(RPT)은 제거되는 재료의 양과 칩의 크기를 결정한다. 브로치는 공작물에 대해 이동하거나 그 반대로 이동할 수 있다. 모든 기능이 브로치에 내장되어 있으므로 복잡한 움직임이나 숙련된 노동 없이도 사용할 수 있다. 브로치는 실질적으로 일련의 단일점 절삭 공구들이 순서대로 배열되어 차례로 절삭하며, 그 절삭은 형삭반의 여러 번의 통과와 유사하다.

역사
브로칭의 개념은 1850년대 초로 거슬러 올라가며, 초기 적용은 도르래와 톱니바퀴의 키홈 절삭에 사용되었다. 제1차 세계 대전 이후 브로칭은 총신에 강선을 새기는 데 사용되었다. 1920년대와 30년대에는 형상 연삭 및 브로칭 머신의 발전 덕분에 공차가 강화되고 비용이 절감되었다.

공정
공정은 수행되는 브로칭 유형에 따라 달라진다. 표면 브로칭은 공작물을 고정된 표면 브로치에 대해 이동시키거나, 브로치를 공작물에 대해 이동시키는 방식으로 매우 간단하다.

내부 브로칭은 더 복잡하다. 이 공정은 공작물을 브로칭 머신에 장착되는 워크홀더라고 불리는 특수 치구에 고정하는 것으로 시작된다. 브로칭 머신 엘리베이터(브로치를 워크홀더 위로 이동시키는 부분)가 브로치를 공작물을 통해 내린다. 통과하면 브로칭 머신의 풀러(기본적으로 갈고리)가 브로치의 파일럿을 잡는다. 그런 다음 엘리베이터가 팔로워의 상단을 해제하고 풀러가 브로치를 공작물을 통해 완전히 당긴다. 그런 다음 공작물을 기계에서 제거하고 브로치를 다시 들어 올려 엘리베이터와 재결합한다. 브로치는 일반적으로 선형으로만 움직이지만, 나선형 스플라인이나 총신 강선을 만들기 위해 때때로 회전하기도 한다.

절삭유는 세 가지 이유로 사용된다.
 공작물과 브로치를 냉각시키기 위해
 절삭 표면을 윤활하기 위해
 이빨에서 칩을 세척하기 위해
강화된 석유 절삭유가 가장 일반적이다. 그러나 우수한 냉각, 청결성 및 불연성 때문에 고성능 수용성 절삭유가 사용되고 있다.

사용법
섬네일|브로칭된 공작물의 예. 여기서 브로칭 프로파일은 스플라인이다.

브로칭은 원래 내부 키홈 가공을 위해 개발되었다. 그러나 곧 브로칭이 대량 공작물의 다른 표면과 형상을 가공하는 데 매우 유용하다는 것이 밝혀졌다. 각 브로치는 단 하나의 형상을 절삭하는 데 특화되어 있기 때문에, 브로치는 공작물의 형상에 맞게 특별히 설계되거나 공작물이 표준 브로치 형상에 맞게 설계되어야 한다. 맞춤형 브로치는 일반적으로 대량 공작물에만 실현 가능하며, 브로치 제작 비용은 미화 15,000달러에서 30,000달러에 이른다.

브로칭 속도는 20에서 120 분당 표면 피트(SFPM)까지 다양하다. 이로 인해 전체 사이클 시간은 5에서 30초가 된다. 대부분의 시간은 복귀 스트로크, 브로치 취급, 공작물 적재 및 하역에 소요된다.

브로칭의 유일한 제한 사항은 가공할 표면의 길이에 걸쳐 장애물이 없어야 하고, 절삭할 형상이 여러 평면에서 곡선을 갖지 않아야 하며, 공작물이 관련된 힘을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 한다는 것이다. 특히 내부 브로칭의 경우 브로치가 들어갈 수 있도록 공작물에 먼저 구멍이 있어야 한다. 또한 내부 절삭의 크기에도 제한이 있다. 일반적인 내부 구멍은 직경이 범위일 수 있지만, 범위도 가능하다. 표면 브로치의 범위는 일반적으로 이지만, 가능한 범위는 이다.

공차는 일반적으로 ±0.002인치(±0.05mm)이지만, 정밀한 응용 분야에서는 ±0.0005인치(±0.01mm)의 공차를 유지할 수 있다. 표면 조도는 일반적으로 16에서 63 마이크로인치(μin) 사이이지만, 8에서 125μin 범위일 수 있다. 절삭면의 출구 쪽에 작은 버가 있을 수 있다.

브로칭은 황동, 청동, 구리 합금, 알루미늄, 흑연, 단단한 고무, 목재, 복합 재료, 플라스틱과 같은 부드러운 재료에서 가장 잘 작동한다. 그러나 연강 및 쾌삭강에서도 우수한 피삭성 등급을 가진다. 브로칭 시 피삭성 등급은 재료의 굳기와 밀접한 관련이 있다. 강철의 경우 이상적인 굳기 범위는 16에서 24 록웰 C (HRC) 사이이다. HRC 35보다 큰 굳기는 브로치를 빠르게 무디게 할 것이다. 브로칭은 스테인리스강 및 타이타늄과 같은 더 단단한 재료에서는 더 어렵지만, 여전히 가능하다.

유형
400px|오른쪽|테두리

브로치는 여러 가지 방법으로 분류될 수 있다.
 용도: 내부 또는 표면
 목적: 단일 또는 조합
 운동: 밀기, 당기기 또는 고정
 구조: 단단한, 조립식, 중공 또는 쉘
 기능: 황삭, 사이징 또는 버니싱

브로치가 충분히 크다면 조립식 또는 모듈식 구조를 사용하여 비용을 줄일 수 있다. 여기에는 브로치를 조각으로 생산하여 조립하는 것이 포함된다. 어떤 부분이 마모되면 전체 브로치 대신 해당 부분만 교체하면 된다.

대부분의 브로치는 고속도강 (HSS) 또는 특수강으로 만들어진다. 수명 연장을 위해 HSS에 티타늄 질화물 (TiN) 코팅이 흔히 사용된다. 무쇠를 브로칭하는 경우를 제외하고, 탄화 텅스텐은 첫 번째 통과에서 절삭날이 부러지기 때문에 치아 재료로 거의 사용되지 않는다.

표면 브로치
슬랩 브로치는 가장 간단한 표면 브로치이다. 평평한 표면을 절삭하기 위한 일반적인 도구이다.

슬롯 브로치 (G & H)는 다양한 치수의 슬롯을 높은 생산 속도로 절삭하는 데 사용된다. 여러 슬롯을 가공해야 할 때 슬롯 브로칭은 밀링보다 훨씬 빠르다. 이는 동일한 브로칭 머신에서 여러 브로치를 동시에 부품을 통해 작동시킬 수 있기 때문이다.

윤곽 브로치는 오목, 볼록, 캠, 윤곽 및 불규칙한 모양의 표면을 절삭하도록 설계되었다.

폿 브로치는 내부 브로치의 역방향을 절삭한다. 이들은 원통형 공작물의 외경을 절삭한다. 브로치가 장착되는 폿 모양의 고정 장치(종종 "폿"이라고 불림)에서 이름을 따왔다. 폿은 전체 길이에 걸쳐 여러 브로칭 도구를 동심으로 고정하도록 설계되었다. 브로치는 고정된 상태로 유지되며 공작물이 그를 통해 밀리거나 당겨진다. 이것은 일부 인볼루트 기어 및 외부 스플라인 및 슬롯 절삭을 위한 호브 절삭을 대체했다.

스트래들 브로치는 두 개의 슬랩 브로치를 사용하여 한 번의 통과로 공작물의 반대편에 평행한 표면을 절삭한다. 이 유형의 브로칭은 두 번의 절삭을 독립적으로 수행하는 것보다 더 정밀한 공차를 유지한다. 브로치가 여러 면에서 공작물을 "가로지른다(straddle)"는 사실에서 이름을 따왔다.

내부 브로치
섬네일|모듈식 브로치

솔리드 브로치는 가장 일반적인 유형이며, 하나의 단단한 재료로 만들어진다. 빨리 마모되는 브로치에는 셸 브로치가 사용된다. 이 브로치들은 솔리드 브로치와 유사하지만, 중앙에 맨드럴에 장착되는 구멍이 있다. 셸 브로치는 초기 비용이 더 많이 들지만, 브로치를 자주 교체해야 하는 경우 파일럿이 맨드럴에 있어 매번 교체할 필요가 없으므로 전체적으로 비용을 절감할 수 있다.

모듈식 브로치는 대형 내부 브로칭 응용 분야에 일반적으로 사용된다. 이들은 셸 브로치와 유사하게 여러 부품으로 구성된다. 이 설계는 솔리드 설계보다 제작 및 재연삭 비용이 저렴하고 유연성이 뛰어나기 때문에 사용된다.

내부 브로치의 일반적인 유형은 키홈 브로치(C & D)이다. 이것은 혼이라고 불리는 특수 고정 장치를 사용하여 브로치를 지지하고 부품을 브로치와 관련하여 적절하게 배치한다.

동심 브로치는 마이너 직경과 스플라인 형태를 모두 절삭하여 정밀한 동심을 보장하는 특수 스플라인 절삭 브로치이다.

절단 및 재절단 브로치는 얇은 벽 공작물을 절단하는 데 사용된다. 얇은 벽 공작물은 절단 중에 팽창한 다음 나중에 수축하는 경향이 있다. 이 브로치는 표준 황삭 날로 먼저 브로칭한 다음, 공작물이 수축할 때 파일럿 역할을 하는 "숨쉬는" 부분을 사용하여 이 문제를 극복한다. "숨쉬는" 부분 뒤의 날은 황삭, 준정삭 및 정삭 날을 포함한다.

설계
브로치의 기하학적 형태를 정의하기 위해 아래에 내부 유형이 표시되어 있다. 다른 브로치의 기하학적 형태도 유사하다.

1000px
400px

여기서:

P = 피치
RPT = 치당 상승량
nr = 황삭 날 수
ns = 준정삭 날 수
nf = 정삭 날 수
tr = 황삭 날의 RPT
ts = 준정삭 날의 RPT
tf = 정삭 날의 RPT
Ls = 샹크 길이
LRP = 후방 파일럿 길이
D1 = 치아 끝 직경
D2 = 치아 뿌리 직경
D = 치아 깊이 (0.4P)
L = 랜드 (절삭날 뒤) (0.25P)
R = 거렛 반경 (0.25P)
α = 훅 각도 또는 레이크 각도
γ = 백오프 각도 또는 여유각
Lw = 공작물 길이 (표시되지 않음)

섬네일|진행형 표면 브로치

브로치의 가장 중요한 특성은 각 치아에 의해 제거되는 재료의 양인 치당 상승량(RPT)이다. RPT는 브로치의 각 섹션(황삭 섹션(tr), 준정삭 섹션(ts), 정삭 섹션(tf))에 따라 달라진다. 황삭 치아는 대부분의 재료를 제거하므로 필요한 황삭 치아의 수가 브로치의 길이를 결정한다. 준정삭 치아는 표면 마무리를 제공하고 정삭 치아는 최종 마무리를 제공한다. 정삭 섹션의 RPT(tf)는 일반적으로 0이므로 첫 번째 정삭 치아가 마모되더라도 나중의 치아들이 사이징 기능을 계속한다. 쾌삭강의 경우 RPT는 범위이다. 표면 브로칭의 경우 RPT는 일반적으로 사이이고 직경 브로칭의 경우 일반적으로 사이이다. 정확한 값은 여러 요인에 따라 달라진다. 절삭량이 너무 크면 치아와 공작물에 너무 많은 스트레스를 가하고, 절삭량이 너무 작으면 치아가 절삭하는 대신 마찰한다. 스트레스를 줄이면서 RPT를 늘리는 한 가지 방법은 칩 브레이커를 사용하는 것이다. 이들은 칩을 부러뜨리고 특정 치아에 의해 제거되는 전체 재료량을 줄이도록 설계된 치아의 노치이다(위 그림 참조). 브로칭이 효과적이려면 공작물은 최종 절삭 치수보다 더 많은 재료를 가져야 한다.

훅(α) 각도는 절삭될 재료의 매개변수이다. 강철의 경우 15에서 20도 사이이며, 주철의 경우 6에서 8도 사이이다. 백오프(γ)는 치아가 공작물에 마찰되지 않도록 여유를 제공하며, 일반적으로 1에서 3도 사이이다.

단금품이나 주조품과 같이 치아당 깊은 절삭이 필요한 공작물을 방사형으로 브로칭할 때, 로터-컷 또는 점프-컷 설계를 사용할 수 있다. 이러한 브로치는 자유 이탈 또는 니블링 브로치라고도 불린다. 이 설계에서는 RPT가 두세 줄의 치아에 지정된다. 브로치가 작동하려면 해당 클러스터의 첫 번째 치아에 넓은 노치 또는 언더컷이 있고, 다음 치아에는 더 작은 노치(세 치아 설계의 경우)가 있으며, 마지막 치아에는 노치가 없다. 이를 통해 스트레스, 힘 및 동력 요구 사항을 낮게 유지하면서 깊은 절삭이 가능하다.

평평한 표면을 브로칭할 때 동일한 목표를 달성하기 위한 두 가지 다른 옵션이 있다. 첫 번째는 로터-컷 설계와 유사하며, 더블-컷 설계라고 알려져 있다. 여기서는 한 줄의 네 개의 치아가 동일한 RPT를 가지지만, 각 진행성 치아는 치아의 노치 때문에 절삭의 일부만 담당한다(아래 이미지 갤러리 참조). 다른 옵션은 진행형 브로치라고 알려져 있으며, 공작물의 중앙을 완전히 가공한 다음, 브로치의 나머지 부분이 바깥쪽으로 가공한다. 이 모든 설계는 표준 설계를 사용하는 경우보다 더 긴 브로치를 필요로 한다.

일부 원형 브로치의 경우 정삭 날 대신 버니싱 날이 제공된다. 이들은 실제로는 날이 아니라, 만큼 오버사이즈된 둥근 디스크일 뿐이다. 이로 인해 구멍이 적절한 크기로 버니싱된다. 이는 주로 비철금속 및 주철 공작물에 사용된다.

피치는 치아 구조, 강도 및 공작물과 접촉하는 치아 수를 정의한다. 피치는 일반적으로 공작물 길이를 기반으로 계산되므로 브로치는 항상 공작물과 적어도 두 개의 치아가 접촉하도록 설계될 수 있다. 피치는 브로치의 모든 치아에 대해 일정하게 유지된다. 피치를 계산하는 한 가지 방법은 다음과 같다.

브로칭 머신
섬네일|수평 브로칭 머신의 유압 실린더

브로칭 머신은 브로치를 미리 정해진 속도로 선형 운동시키고 브로치를 자동으로 다루는 수단을 제공하기만 하면 되므로 비교적 간단하다. 대부분의 기계는 유압식이지만, 몇몇 특수 기계는 기계적으로 구동된다. 기계는 움직임이 수평인지 수직인지에 따라 구별된다. 기계 선택은 주로 필요한 스트로크에 따라 결정된다. 수직 브로칭 머신은 스트로크가 보다 긴 경우가 거의 없다.

수직 브로칭 머신은 푸시 브로칭, 풀다운 브로칭, 풀업 브로칭 또는 표면 브로칭을 위해 설계될 수 있다. 푸시 브로칭 머신은 가이드 램이 있는 아버 프레스와 유사하다. 일반적인 용량은 5에서 50톤이다. 2개의 램 풀다운 머신은 가장 일반적인 유형의 브로칭 머신이다. 이 유형의 머신은 테이블 아래에 램이 있다. 풀업 머신은 테이블 위에 램이 있으며, 일반적으로 2개 이상의 램이 있다. 대부분의 표면 브로칭은 수직 머신에서 이루어진다.

수평 브로칭 머신은 풀 브로칭, 표면 브로칭, 연속 브로칭 및 로터리 브로칭을 위해 설계되었다. 풀 방식 기계는 기본적으로 더 긴 스트로크를 가진 수직 기계를 옆으로 눕힌 것이다. 표면 방식 기계는 브로치를 고정하고 공작물을 컨베이어 시스템에 장착된 고정 장치에 고정한다. 연속 방식 기계는 내부 브로칭에 적용된 것을 제외하고 표면 방식 기계와 유사하다.

수평 기계는 이전에 수직 기계보다 훨씬 더 흔했지만, 오늘날에는 구매되는 모든 브로칭 기계의 10%에 불과하다. 수직 기계가 더 인기가 있는 이유는 공간을 덜 차지하기 때문이다.

특정 브로칭 또는 키홈 기계가 없으면 브로칭은 종종 불가능하다. 현대 가공 센터 또는 동력 선반과 함께 사용할 수 있는 시스템이 없는 한 불가능하다. 이러한 추가 장비는 원샷 가공을 통해 키홈, 스플라인 및 톡스를 생산할 가능성을 열어준다.

로터리 브로칭
섬네일|절삭을 시작하는 로터리 브로치의 개략도.
브로치의 불규칙한 구멍 또는 외부 윤곽을 얻을 수 있는 다소 다른 절삭 공구 설계는 로터리 브로치 또는 워블 브로치라고 불린다. 이 유형의 브로칭의 가장 큰 장점 중 하나는 브로칭 머신이 필요 없다는 것이다. 대신 선반, 밀링 머신, 스크루 머신 또는 스위스 선반에서 사용된다.

로터리 브로칭에는 공구 홀더와 브로치라는 두 가지 공구 구성 요소가 필요하다. 브로치의 선행 (절삭) 날은 원하는 최종 모양과 일치하는 윤곽을 가지고 있다. 브로치는 자유롭게 회전할 수 있도록 특별한 공구 홀더에 장착된다. 공구 홀더는 공구의 회전축이 작업물의 회전축에 대해 약간 기울어지도록 공구를 고정하기 때문에 특별하다. 이러한 오정렬의 일반적인 값은 1°이다. 이 각도가 브로치가 공작물을 절삭하는 회전 날을 생성한다. 공작물 또는 공구 홀더가 회전한다. 공구 홀더가 회전하면 오정렬로 인해 브로치가 "흔들리는" 것처럼 보이는데, 이것이 워블 브로치라는 용어의 기원이다.

내부 브로칭의 경우 브로치 측면이 안쪽으로 구배되어 얇아진다. 외부 브로칭의 경우 측면이 바깥쪽으로 구배되어 포켓을 더 크게 만든다. 이 구배는 브로치가 끼이는 것을 방지한다. 구배는 오정렬 각도보다 커야 한다. 공작물이 회전하면 브로치가 공작물에 눌려 구동되며 공작물과 동기적으로 회전한다. 공구 홀더가 회전하면 브로치가 공작물에 눌리지만 공구 홀더에 의해 구동된다.

이상적으로는 공구가 절삭하는 속도와 동일한 속도로 전진해야 한다. 이상적인 절삭 속도는 다음과 같이 정의된다.

절삭 속도 [인치/회전(IPR)] = (공구 직경 [인치]) × sin(오정렬 각도 [도])

너무 빠르게 전진하면 공구가 막히게 되고, 반대로 너무 느리게 전진하면 단속적인 절삭 또는 지그재그 절삭이 발생한다. 실제로는 절삭 속도가 이상적인 속도보다 약간 느려서 공구의 비절삭 날에 가해지는 부하가 해제된다.

공구가 절삭될 때 약간의 나선형 움직임이 발생하여 공작물 바닥의 형태가 구멍 또는 윤곽 상단의 형태에 비해 회전할 수 있다. 나선형 움직임은 공구 몸체를 구속하고 날카롭게 절삭하는 것을 방해하므로 바람직하지 않을 수 있다. 이에 대한 한 가지 해결책은 절삭 중간에 회전을 반전시켜 공구가 반대 방향으로 나선형으로 움직이도록 하는 것이다. 기계를 반전시키는 것이 실용적이지 않다면, 절삭을 중단하는 것이 또 다른 가능한 해결책이다.

일반적으로 로터리 브로치는 푸시 또는 풀 브로치만큼 정확하게 절삭하지 못한다. 그러나 이러한 유형의 절삭 공구를 일반 공작기계에서 사용할 수 있다는 점은 매우 유리하다. 또한 푸시 또는 풀 브로치는 막힌 구멍에서 사용할 수 없는 반면, 로터리 브로치는 구멍 바닥에 칩을 위한 충분한 공간이 있는 한 사용할 수 있다.

 같이 보기 
 확공기

 각주 

 참고 문헌 
.
.
.

 외부 링크 
 로터리 브로치 동영상
 수동 프레스 사용 시연
 브로칭 머신 작동 방식

분류:절삭 공구
분류:금속 절단 도구