가공 후 템퍼링: 슬롯이 닫히나요?

가공 후 템퍼링 처리는 위치 결정 부품을 제작하는 데 깔끔한 방법인 것처럼 보인다.

부품은 열처리 공정에 들어가기 전에 이미 완성된 상태이며, 열처리 사이클을 통해 도면에서 요구하는 경도를 얻게 된다. 이후에는 경화된 재료를 다시 절삭할 필요가 전혀 없다. 문제는 도면에서 규정한 모든 치수가 부품 수명 중 가장 큰 응력이 가해지는 시점 이전에 이미 설정되었다는 데 있다. 그리고 이 부품에서 가장 중요한 특징들은 주변에 재료가 가장 적은 부분들이다.

작업 번호 260414004는 스테인리스강으로 제작된 위치 결정 및 고정 장치 부품을 생산하는 업체로부터 2023년 10월에 도착했다. 이 업체의 이전 협력업체는 정확히 동일한 방식으로 제작했었다. 그러나 열처리 후 돌아온 부품들을 확인해 보니, 좁은 측면 슬롯이 부분적으로 닫혀 있었고, 중앙 포켓 아래의 얇은 웹은 더 이상 평탄하지 않았으며, 여러 개의 탭 홀이 볼트나 나사를 조이기 어려울 정도로 변형되어 있었다. 연성 상태에서 벤치에서 측정했을 때는 모든 부품이 허용 오차 범위 내에 있었다.

사진 속 부품은 다음 생산 라운드에서 제작된 것이다. 약 110mm 길이, 20mm 높이의 1Cr17Ni2 마르텐사이트 스테인리스 정위 부품으로, 중앙에 약 55mm 너비의 직사각형 포켓을 밀링 가공하여 바닥면에 얇은 웹을 남겼으며, 양쪽 끝에는 각각 약 25mm와 30mm 길이의 돌출부가 있다. 각 돌출부에는 탭 홀 하나와 작은 핀 홀 하나가 있으며, 한쪽 끝은 홈이 파여 있고 측면에는 좁은 슬롯이 밀링 가공되어 있다. 매트한 숯회색 표면과 그 위의 희미한 무늬는 코팅이 아니라 열처리 후의 마감이다.

이 부품의 역할은 무엇인가?

세 가지 작업을 수행하며, 그중 두 가지는 가장 얇은 금속 부위에서 담당한다.

양쪽 끝부분이 정위 기능을 한다. 그 표면들이 고정장치가 기준으로 삼는 면이므로, 반드시 동일한 평면상에 위치해야 한다. 한쪽 끝부분이 다른 쪽보다 높게 위치하면 부품이 고정장치 위에서 흔들리게 되고, 이로 인해 모든 측정값이 움직이는 기준점에서 도출된다.

포켓 내 웹은 제어된 바닥면이다. 포켓은 부품이 설계된 대로 작동하도록 하기 위해 웹(web)을 충분히 얇게 남기되, 하중을 받았을 때 움직이지 않을 정도로 강성 있게 가공된 깊이로 밀링된다. 웹은 부품에서 가장 얇은 부분으로, 하중에 의해 처지는 첫 번째 구간이 된다.

탭 홀(tapped hole)과 핀 홀(pin hole)이 인터페이스이다. 탭 홀은 부품을 고정하는 패스너를 수용하고, 핀 홀은 부품의 위치를 정확히 맞추는 다웰(dowel)을 수용하며, 두 홀 모두 매번 파이처(fixture)와 정확히 정렬되어야 한다.

좁은 슬롯과 톱니 모양의 끝단을 추가하면 전체 그림이 완성된다. 즉, 정밀도가 얇은 벽면에 달려 있는 부품으로, 열처리 사이클을 거치기 전에 가공된 것이다.

왜 담금질(tempering) 전에 밀링을 하면 부품이 변할까?

밀링은 응력을 불균일하게 해제시키며, 특히 포켓 가공이 응력 해제를 가장 심하게 유발한다.

바는 제조 과정에서 압연으로 인해 내부 응력이 고정된 상태로 도착하며, 절단 작업은 그 응력을 매번 재조정한다. 한 면에 평면을 밀링 가공하면 균형이 바뀌고, 부품 중앙에 포켓을 밀링 가공하면 또 다른 방식으로 균형이 바뀐다. 이는 단면 중심부의 재료를 제거하여 남은 하중을 외측 벽이 지지하게 만들기 때문이다.

그 결과, 절삭 공구가 떠난 직후 부품은 기하학적으로 정확하지만, 출발 시점과는 다른 내부 하중을 받게 된다. 아직까지는 눈에 보이는 변화가 전혀 없다. 부품은 단지 움직이기 위해 준비된 상태일 뿐이다.

포켓과 슬롯은 부품을 강성 있게 유지하던 재료를 제거한다.

직사각형 포켓과 좁은 슬롯은 모두 부품을 곧게 유지하던 금속을 제거하는 형상이다. 포켓을 가공하기 전에는 부품이 실린더 형태의 단면을 가지며, 벽면은 옆쪽 재료에 의해 구속된다. 가공 후에는 웹(web)이 얇은 바닥이 되고, 슬롯 양쪽의 랜드(land)는 서로 상대적으로 자유롭게 움직일 수 있다.

그것이 바로 기능들의 전체적인 목적이고, 또한 순서가 중요한 이유이기도 하다. 구조를 자유롭게 해주는 기능은 이미 움직임을 끝낸 부위에서 절단되어야 하며, 그렇지 않으면 그 기능이 허용하는 움직임은 나중에, 완성된 부위에서 일어난다.

열 사이클은 절삭 공구가 시작한 움직임을 완료한다.

담금질 및 템퍼링은 제어된 열 사이클이며, 이와 같은 부품의 경우 부품이 겪는 가장 큰 응력 사건이다. 가열 과정에서는 내부 응력이 재배열되며, 담금질 과정에서는 경화된 구조가 고정되고, 템퍼링 과정에서는 도면에서 요구하는 경도로 부품이 조정된다. 각 단계는 재료가 원하는 형태로 안정화될 수 있는 또 다른 기회를 제공한다.

고체 부품의 경우 움직임은 남아 있는 부분에 의해 흡수된다. 얇은 웹과 좁은 슬롯이 있는 부품에서는 움직이는 부위가 바로 도면의 허용오차를 규정하는 부위이며, 이는 움직일 수 있는 유일한 부위이기 때문이다.

수정을 위해 남겨둔 정리 여유량이 전혀 없다.

밀링 후 템퍼링 방식이 효율적으로 느껴지는 이유는 마무리 절삭을 재료가 잘 절삭되는 상태에서 수행하기 때문에 공구 수명이 길고, 표면 품질이 깨끗하며, 절삭 속도를 빠르게 낼 수 있기 때문이다. 단점은 부품이 열처리로 이동할 때 제거할 여분의 재료가 전혀 남아 있지 않다는 점이다.

공정 사이클이 완료된 후에는 위치가 이동한 특징이 더 이상 조 Roughing 문제로 간주되지 않는다. 부품은 도면에서 지정한 경도에 도달했으며, 이동은 이미 완성된 형상 내에서 발생하므로 이를 보정하려면 여유 재료가 부족할 수 있는 특징에 대해 경화된 재료를 절삭해야 한다. 이것이 공정 순서가 감수하는 타협이며, 본 부품에서는 정책 차원이 아니라 특징별로 개별적으로 결정된다.

이와 같은 부품에서 가장 많이 이동하는 두 가지 특징

좁은 슬롯과 그 너비

슬롯은 이전에 연결되어 있던 두 개의 영역을 분리하며, 슬롯을 절단하면 이들 사이의 제약이 해제된다. 그 후 발생하는 주기 동안 각 영역은 주변 응력에 따라 움직이고, 이들 사이의 간격은 변한다: 일반적으로 좁아지지만, 가끔씩 벌어지기도 하며, 길이 방향 전반에 걸쳐 동일한 정도로 변하는 경우는 드물다.

조립 시 나타나는 증상은 명확하다. 부드러운 상태의 부품에 슬롯으로 쉽게 끼워졌던 맞물림 인서트가 열처리 후에는 슬롯을 통과하지 못한다. 원인은 인서트 자체도 아니고 도면 오차도 아니다. 슬롯의 공칭 폭은 정확하나 유효 폭은 그렇지 않으며, 부드러운 상태에서 측정한 검사로는 이를 확인할 수 없다.

탭 홀, 그 측면 여유량 및 내부에 형성된 산화피막

탭 홀은 주기 중에 동시에 두 가지 방식으로 변화한다. 재료의 이동과 표면 반응에 따라 나사산 형상이 약간 왜곡되며, 이로 인해 체결 부품이 의존하던 측면 여유량이 감소한다. 또한 열처리된 표면은 나사산 내부에 얇은 산화피막을 남기는데, 이는 나사가 체결될 때 반드시 절삭해야 하는 부분이다.

두 가지 효과가 모두 같은 방향을 가리킨다. 열처리 전에는 나사를 편안하게 받아들일 수 있었던 구멍이, 이제는 나사가 절반 정도 들어간 시점에서 끼어버린다. 조립 기술자가 억지로 밀어 넣으면 나사산이 손상되고, 태핑 작업을 탓하게 된다. 그러나 태핑은 정확했으며, 단지 해당 구멍이 이제 다른 부품에 속하게 되었을 뿐이다.

부품은 어떻게, 단계별로 제작되었는가?

단계 1 — 부품을 대략적으로 가공한 후 응력 완화를 거친 다음 최종 가공을 실시한다

부품은 1Cr17Ni2 막대재에서 모든 면에 균일한 여유량을 두고 대략적으로 가공한 후, 최종 절삭 전에 안정화 시간을 갖춘다. 먼저 대부분의 재료를 제거하고, 그에 따른 변형이 일어난 후에야 치수에 맞춰 절삭을 수행함으로써, 가장 심한 변형이 여전히 재료를 제거할 수 있는 상태에서 발생하게 한다.

단계 2 — 대칭적인 절삭 패스로 면과 포켓 웹을 최종 가공한다

표면과 포켓은 부품 주위에서 균형 잡힌 재료 제거 방식으로 밀링 가공되며, 한쪽 면에서만 재료를 제거하는 방식이 아닙니다. 또한 포켓 바닥은 도면에서 지정한 웹 두께가 남도록 절삭됩니다. 포켓을 단면 중앙부에서 바깥쪽으로 절삭함으로써 커터가 작업 중일 때 벽면에 균일하게 하중이 작용합니다.

3단계 — 도면에서 지정한 경도로 담금질 및 템퍼링

부품은 도면에서 지정한 경도까지 완전한 담금질 및 템퍼링 사이클을 거치며, 이 과정을 통해 적용 분야에 필요한 내마모성과 변형 저항성이 확보됩니다. 이 단계에서 부품은 가장 큰 치수 변화를 겪게 되며, 이후 모든 공정은 이 사실을 전제로 계획됩니다.

4단계 — 열처리 사이클 후 양 끝부분의 표면 가공

양 끝부분은 열처리 후 한 번의 세팅으로 표면 가공되어, 위치 결정용 표면들이 동일한 평면상에 형성됩니다. 이 공정은 부품이 고정구 내에서 평탄하게 안착되도록 하는데 필수적이며, 위치 결정용 표면이 동일 평면을 유지하려면 열처리 사이클 이전에 수행할 수 없습니다.

단계 5 - 사이클 완료 후 슬롯 폭 마무리

슬롯은 처리 전에 대략 가공되고, 처리 후에 정확한 폭으로 마무리된다. 따라서 슬롯에 대한 최종 절삭은 이미 이동한 부품에서 수행된다. 양쪽 벽 두께는 동시에 점검되며, 폭은 맞지만 중심에서 벗어난 슬롯은 인서트를 제대로 장착하지 못해 여전히 불량이 된다.

단계 6 - 태핑된 구멍을 재가공하고 리드인을 절삭

태핑된 구멍은 사이클 완료 후 플랭크 청소 간극을 복원하고 열처리로 인해 변형된 표면을 플랭크에서 제거하기 위해 재가공된다. 또한 리드인은 다시 절삭되어 고정부품이 정확히 직각으로 삽입될 수 있도록 한다. 이는 더 큰 규격으로 재태핑하는 것이 아니라, 최초 절삭 이후 형상이 변한 부품에 대해 도면에서 요구하는 원래의 나사 형상을 복원하는 것이다.

단계 7 - 완성된 면에서 핀 구멍을 드릴링 및 리밍

핀 구멍은 가공된 단부에서 드릴링 및 리밍하여 가공하므로, 그 위치는 지그가 사용하는 표면을 기준으로 설정된다. 이 작업을 사이클 완료 후에 수행함으로써 다웰이 비뚤어지지 않고 정확히 삽입되도록 한다.

단계 8 - 톱니 제거 후, 부품을 실제 사용될 상태로 검사

모든 밀링 단계에서 슬롯 가장자리와 노치를 톱니 제거한다. 최종 검사는 포켓 깊이 및 웹 두께, 두 단부의 공면성, 슬롯 폭 및 위치, 탭 구멍 및 핀 구멍, 표면 상태를 포함하며, 연성 상태 측정값을 근거로 추정하지 않고 완성된 부품 자체에서 실시한다.

1,500개 생산량에서 측정한 사항은 무엇인가?

확인	사양	1,500개 부품 전체에서 규격 유지
끝부분 부품	한 평면 상의 위치 결정 면	사이클 완료 후 한 번의 세팅으로 단부 가공
주머니	도면 깊이 준수, 웹 평탄	웹 두께는 도면 규격 준수
슬롯	폭 및 위치 준수	처리 전 거친 표면, 처리 후 완성됨
탭 가공된 구멍	손으로 조이기 시작하고 회전시킬 수 있는 고정부품	가공 사이클 후 재가공, 인서트 각도 재절삭
핀 구멍	정확한 위치와 직각 유지, 다웰 핀 완전 삽입	면 가공된 끝단에서 드릴링 및 리밍 가공
경도	도면 범위 내, 균일함	제어된 열처리 사이클로 담금질 및 템퍼링
홈 및 단차	도면에 따라	절단 및 점검 완료
가장자리	모서리 처리 완료, 이물질 없음	모든 공정 단계에서 모서리 처리 완료, 슬롯 가장자리 및 노치 부위 포함
마감	매트한 석탄 회색, 균일한 무늬	동일 로트 내 일관성 확보

20일 이내 1500개 부품 출하. 고객 보고에 따르면, 위치 지정 면이 동일 평면 상에 안착되었고, 고정용 부속품을 손으로 쉽게 조일 수 있었으며, 다웰 핀이 정확히 삽입되었고, 재작업 없이 고정장치가 완전히 조립되었다.

자체 시험 운전에서 발견한 결함

당사의 시제품은 효율적인 방식으로 제작하였다: 먼저 목표 치수로 밀링한 후 열처리를 실시하였다. 모든 시제품은 연성 상태에서 최종 검사를 통과하였으나, 일부는 열처리 사이클 후 조립되지 않았다.

슬롯 변화가 첫 번째 징후였다. 시제품 단면 측정 결과, 슬롯 폭이 도면 허용 범위를 초과하여 감소하였고, 슬롯 양측 랜드가 길이 방향으로 서로 다른 정도로 이동하여 벤치에서 깔끔하게 맞물리던 슬롯이 더 이상 인서트를 수용하지 못하였다. 두 번째 징후는 탭 홀이었는데, 고정용 부속품이 초기에는 손으로 쉽게 들어갔으나, 나사산 중간부에서 갑자기 걸렸으며, 이 나사산은 열처리 사이클 전 측정 시 형상이 정상이었다.

세 가지 변경 사항이 양산에 반영되었다. 슬롯과 탭드 보어 가공 공정을 열처리 후면으로 이동시켰으며, 슬롯은 열처리 전에 대략 가공하고 열처리 후에 정밀 가공하였고, 나사는 열처리 후에 절삭하였다. 끝단부는 한 번의 세팅으로 열처리 사이클 후에 베이스 면을 가공하여 위치 결정 면을 하나의 평면으로 만들었고, 핀 보어에 안정적인 기준을 제공하였다. 또한 검사 게이트를 이동시켜 완성 부품에서 해제 측정을 수행하도록 하였는데, 이는 변위를 유발하는 공정 이전에 실시되는 검사는 사실상 검사가 아니기 때문이다.

시범 생산과 양산 사이에서 슬롯 및 나사 관련 불만 사항이 모두 사라졌고, 소프트 상태 측정치와 완성 부품 측정치 간 차이도 발생하지 않게 되었다.

경화 및 정밀도가 요구되는 부품에 대해 비교한 세 가지 제조 경로

경로	중요 특징이 절삭될 때	치수적 위험	경도 유지 품질	적용 분야
대략 가공 → 템퍼링 → 정밀 가공	베이스 면, 슬롯, 보어는 열처리 사이클 후에 도면의 경도를 갖는 재료에서 절삭된다.	가장 낮음. 최종 절삭은 이미 변형이 완료된 부품에서 수행되기 때문이다.	보존됨: 마무리 절삭은 경량이며 부품이 이미 경화 상태이기 때문임	얇은 웹, 좁은 슬롯 또는 정밀한 보어를 가진 부품에 적용되는 가공 경로
규격에 맞게 밀링한 후 담금질 후 템퍼링	모든 절삭을 소프트 상태에서 수행하며, 열처리는 최종 공정	가공 여유가 없고 재절삭이 없는 얇은 부분 및 자유 형상 부위에서 가장 높은 정밀도 확보	소프트 상태 절삭을 유지하므로 가공 속도가 빠르고 깨끗함	얇은 부분이나 밀착 슬롯이 없는 단순한 고체 부품
사전 열처리된 바재료에서 직접 가공	가공 후 열처리 공정을 전혀 수행하지 않음	이동성 측면에서는 가장 낮은 수준이지만, 원재료 상태가 모든 형상 요소에 적합해야 함	공급된 바재료의 상태에 의해 결정되므로 도면이 그 상태를 수용해야 함	도면 경도 요구사항을 재고 부품으로 충족할 수 있고, 형상이 단순한 부위

가운데 행은 견적서상 가장 저렴해 보이지만 재작업 비용은 가장 높다. 이는 견고한 부품에 대해 타당한 선택일 수 있으나, 본 부품의 경우 포켓과 슬롯 때문에 부적절하다. 구조를 자유롭게 해주는 특징들이 바로 도면 허용오차를 규정하는 특징들이기 때문이다.

자주 묻는 질문

밀링 가공된 슬롯이 열처리 후 왜 닫히는가?

슬롯 가공 시 두 랜드를 연결하던 재료가 제거되므로, 열처리 사이클 동안 각 랜드는 주변 내부 응력에 따라 움직이게 된다. 그 결과 두 랜드 사이 간격이 변하며, 일반적으로는 좁아지고, 길이 방향 전체에서 균일하게 좁아지지는 않는다. 열처리 전 폭 기준으로 측정되었던 슬롯은 열처리 후에도 동일한 폭을 유지한다고 가정할 수 없다.

왜 경화 후 탭 홈이 나사 삽입을 허용하지 않는가?

한 번에 두 가지 이유가 있습니다. 가공 주기 동안 재료가 이동하면서 나사산 형상이 왜곡되어, 볼트가 의존하던 측면 간 여유가 사라지고, 열처리된 표면에는 나사가 절단해야 하는 얇은 산화막이 측면에 남습니다. 주기 후 나사산을 다시 다듬으면 형상이 복원되고 측면이 깨끗해지며, 입구부를 다시 절삭하면 볼트가 정확히 정렬된 상태에서 시작할 수 있습니다.

열처리 전에 가공해야 하나요, 아니면 후에 해야 하나요?

가공 주기 후 구조를 자유롭게 해주는 특징들을 가공하고, 주기 전에 대부분의 재료를 가공합니다. 열처리 전에 거친 가공을 수행하면 가공 속도가 빠르고 공구에도 부담이 적습니다. 반면, 열처리 후 얇은 웹, 좁은 슬롯 또는 정밀한 보어를 마감 가공하면 이러한 특징들이 허용오차 범위 내에서 유지됩니다. 가공 순서는 각 특징별로 결정되며, 해당 특징의 허용오차가 재료 이동량에 비해 매우 엄격할 경우 반드시 열처리 후에 가공해야 합니다.

얇은 포켓 웹을 가공 주기 동안 평탄하게 유지하는 방법은 무엇인가요?

거친 절삭 시 웹을 여유 있게 남겨 두고, 포켓을 가공할 때 제거량을 부품 한쪽이 아니라 부품 주변으로 균형 있게 분배한 후, 사이클 완료 후 웹을 마무리 가공함으로써 이미 안정된 부품에서 최종 절삭을 수행한다. 열처리 전에 웹을 최종 두께로 절삭하는 것은 재료의 이동이 없을 것이라는 가정과, 그만큼 얇은 구간에서는 실제로 이동이 발생할 수 있다는 모순을 내포한다.

도면에 무엇을 기재해야 하나요?

가공 및 열처리 후 부품이 재작업 대상이 되지 않도록 하기 위한 여섯 가지 핵심 사항:

1. 부품 공급 시 요구되는 경도를 명시하고, 이 경도가 기계 가공 후 열처리로 달성되는지 아니면 공급된 바재의 원래 경도를 사용하는지 명시할 것.

2. 동일 평면상에 위치해야 하는 면들을 명시하고 허용오차를 제시하여, 작업장에서 사이클 완료 후 한 번의 세팅으로 해당 면들을 동시에 선반 가공할 수 있도록 할 것.

3. 슬롯의 폭과 위치를 허용오차와 함께 명시하고, 이 폭이 열처리 후 적용됨을 반드시 명기할 것.

4. 포켓 하부의 웹 두께를 허용오차와 함께 명시할 것. 이 두께는 포켓 바닥의 이동량을 결정하기 때문이다.

5. 나사산 규격을 명시하고, 처리 후 보어는 깨끗해야 하며 완전히 채워져야 하며, 체결부품은 손으로 쉽게 조여질 수 있어야 한다.

6. 처리된 표면 마감이 그대로 사용 가능할 것인지, 아니면 기능 면에서 반점이 제거되어야 할 것인지를 명시한다.

열처리 이전 가공은 실수가 아니다. 이를 편의 차원이 아니라 공정 순서 결정으로 간주하는 것이, 고정장치에 들어가는 부품과 다시 돌아오는 부품을 구분하는 핵심이다. 어느 특징들이 이동 가능할지 판단하여, 그러한 특징들은 공정 주기의 후반부에 배치하면, 형상은 절삭공구와 냉각 사이의 경쟁이 아니라 안정적으로 유지된다.