벽 두께와 필렛 설계는 CNC 부품에 있어 가장 영향력 있는 결정 중 하나입니다. 너무 얇으면 가공 중 부품이 변형되고, 하중 하에서 균열이 발생하며, 느린 이송과 특수 공구로 인해 비용이 3배 증가합니다. 이를 올바르게 설계하면 모든 주문에서 비용을 절약할 수 있습니다.
아래 표는 일반적인 CNC 재료의 절대 최소 및 권장 벽 두께를 보여줍니다. "최소"는 가능하지만 높은 불량률과 느린 가공이 수반됨을 의미합니다. "권장"은 합리적인 비용으로 안정적인 생산이 가능한 최적 범위입니다.
| 재료 | 절대 최소 | 권장 | 너무 얇을 경우의 문제 |
|---|---|---|---|
| 알루미늄 (6061, 7075) | 0.5 mm | 1.0 mm | 피쉬 가공 중 떨림, 벽이 커터에서 밀어냄, 치수가 허용 오차 밖으로 벗어남. 얇은 알루미늄 벽은 진동하여 불량한 표면 거칠기를 발생시킴. |
| 강철 (1045, 4140) | 0.8 mm | 1.5 mm | 0.5 mm에서 강철의 공구 처짐이 심함. 벽이 안쪽으로 휨. 더 단단한 강철은 이를 증폭시킴 — 공구가 절단 대신 마찰함. |
| 스테인리스강 (304, 316) | 0.9 mm | 1.5 mm | 스테인리스는 가공 경화가 빠름. 얇은 벽은 과열, 뒤틀림, 균열 가능성. 공구 마모가 급격히 가속됨. |
| 티타늄 (Ti-6Al-4V) | 1.0 mm | 1.5 mm | 티타늄은 낮은 열전도율을 가짐 — 얇은 부분에 열이 축적되어 열 변형 발생. 극히 느린 이송이 필요함. |
| 구리 및 황동 | 0.5 mm | 0.8 mm | 연한 재료가 도움이 됨 — 구리는 꽤 얇게 갈 수 있음. 하지만 매우 얇은 구리 벽은 취급 중 부서지기 쉬워 조립 전에 휠 수 있음. |
| 엔지니어링 플라스틱 (델린, 나일론, PEEK) | 0.4 mm | 0.8 mm | 플라스틱은 절단력 하에서 처짐. 얇은 벽은 공구에서 멀어져 구부러져 불일치한 치수를 발생시킴. PEEK는 더 단단하지만 비용이 10배 높음. |
절대 최소 외에도, 좋은 벽 설계를 관리하는 몇 가지 비율과 관계가 있습니다. 제조 중 예상치 못한 문제를 피하려면 이 규칙을 따르세요.
| 규칙 | 가이드라인 | 중요성 |
|---|---|---|
| 벽-특성 높이 비율 | 벽 두께는 인접 특성 높이 (베이스에서 위로 솟은 벽)의 최소 1/5이어야 함 | 길고 얇은 벽은 외팔보 빔처럼 작동함. 10mm 높이의 벽은 절단력에 대한 처짐을 저항하기 위해 최소 2mm 두께가 필요함. |
| 지지되지 않는 벽 높이 | 최대 지지되지 않는 높이 = 8× 벽 두께 (알루미늄), 5× 벽 두께 (강철) | 이 비율을 초과하면 가공 중 벽이 진동함. 벽을 두껍게 하거나 보강리브를 추가하세요. |
| 균일한 벽 두께 | 동일 부품의 벽 두께를 서로의 20% 이내로 유지 | 불균일한 벽은 열처리 중 차등 냉각 및 불균일한 잔류 응력 제거를 유발하여 뒤틀림을 발생시킴. |
| 코너 전이 | 두꺼운 부분과 얇은 부분 사이의 점진적 전이 | 급격한 두께 변화는 응력 집중점을 생성함. 다른 두께의 부분 사이를 전이할 때 필렛 또는 테이퍼를 추가하세요. |
| 리브 설계 | 리브 두께 = 0.6× 벽 두께; 리브 높이 ≤ 5× 리브 두께 | 두꺼운 리브는 반대면에 오목 자국을 생성하고 (주조에서) 가공 시간을 추가함 (CNC에서). 리브를 얇고 필렛 처리된 상태로 유지하세요. |
| 얇은 벽의 비용 영향 | 최소 두께 벽: 권장 두께 대비 +30–80% 가공 시간 | 얇은 벽은 감소된 이송, 스프링 패스, 종종 전문 공구를 사용한 여러 세팅이 필요함. 비용 페널티가 상당함. |
모든 CNC 엔드밀은 원통형이므로 날카로운 내부 코너를 절단할 수 없습니다. 달성할 수 있는 가장 작은 내부 코너 반지름은 공구 반지름과 같습니다. 이것은 CNC 가공의 가장 기본적인 제약 중 하나이며, 이를 무시하는 것은 가장 일반적인 설계 실수 중 하나입니다.
공구 형상: 6mm 직경의 엔드밀은 3mm 코너 반지름을 가집니다. 물리적으로 R3보다 작은 내부 코너를 만들 수 없습니다. 더 작은 반지름을 얻으려면 더 작은 공구가 필요합니다 — 이는 더 느린 가공, 더 많은 패스, 더 높은 비용을 의미합니다.
응력 집중: 날카로운 내부 코너는 응력 집중점입니다. 반복 하중 하에서 날카로운 코너는 피로 균열이 시작되는 곳입니다. 작은 필렛 (R0.5mm)만 추가해도 응력 집중이 크게 감소합니다. 항공우주 및 구조 애플리케이션에서 필렛은 선택이 아닙니다 — 부품 수명에 중요합니다.
공구 수명: 날카로운 내부 코너는 공구가 감속, 일시 정지, 방향 변경을 강제하며, 이 모든 것이 공구 마모를 증가시킵니다. 필렛 처리된 코너는 공구가 부드러운 호 경로를 유지할 수 있게 하여 공구 수명을 연장하고 표면 품질을 향상시킵니다.
| 공구 직경 | 코너 반지름 | 권장 내부 필렛 | 비용 수준 |
|---|---|---|---|
| φ16 mm (5/8") | R8 mm | R8 mm 이상 | 표준 (최저 비용) |
| φ10 mm (3/8") | R5 mm | R5 mm 이상 | 표준 |
| φ6 mm (1/4") | R3 mm | R3 mm 이상 | 표준 |
| φ4 mm (5/32") | R2 mm | R2 mm 이상 | 보통 |
| φ3 mm (1/8") | R1.5 mm | R1.5 mm 이상 | 보통 |
| φ2 mm | R1 mm | R1 mm 이상 | 높음 |
| φ1 mm | R0.5 mm | R0.5 mm | 프리미엄 (느리고 취약한 공구) |
| < φ1 mm (와이어 EDM 또는 전문) | R0.2 mm | R0.2–R0.5 mm | 매우 높은 비용 (특수 공정) |
필렛 반지름이 한 단계 작아질 때마다 더 작고 느린 공구와 더 많은 가공 패스가 필요합니다. 관계는 선형이 아닙니다 — 필렛 반지름을 절반으로 줄이면 해당 특성의 비용이 2배 이상으로 증가할 수 있습니다.
| 필렛 반지름 | 특성의 상대적 비용 | 이유 |
|---|---|---|
| R3–R6 mm | 1.0x (기준) | 표준 엔드밀, 빠른 재료 제거 |
| R1–R2 mm | 1.3–1.5x | 더 작은 공구, 더 많은 패스, 느린 이송 속도 |
| R0.5 mm | 1.8–2.5x | 취약한 공구, 매우 느린 이송, 잦은 공구 교체 |
| < R0.5 mm | 3.0–5.0x | 와이어 EDM 또는 전문 공구가 필요할 수 있음 |
외부 코너는 내부 코너의 반대입니다 — 공구가 쉽게 도달할 수 있으므로 날카로운 외부 모서리가 기술적으로 가능합니다. 하지만 가공된 부품에 날카로운 모서리를 그대로 두는 것은 실제로 거의 항상 나쁜 생각입니다.
업계 표준 모서리 브레이크는 달리 지정되지 않는 한 모든 날카로운 모서리에 0.5 mm (0.020") 모따기 또는 반지름입니다. 많은 기계 가공 업체가 이를 기본 버링 작업으로 자동 적용합니다. 이는 비용에 포함되며 별도의 지시가 필요하지 않습니다.
| 모서리 처리 | 사용 시기 | 참고 |
|---|---|---|
| 0.5 mm 모따기 (기본) | 대부분의 부품, 달리 지정되지 않은 모든 모서리 | 표준 버링. 기본 가격에 포함. 취급에 안전, 버(burr) 방지. |
| 0.5 mm 반지름 | 잡거나 가스켓에 밀착되는 모서리 | 반지름은 밀착면 및 사용자 접촉 모서리에 모따기보다 부드러움. |
| 모서리 브레이크 없음 (날카로움) | 절단 모서리 (칼날, 날), 선 접촉이 필요한 맞춤면 | 도면에 명시적으로 표시해야 함. 취급 위험 및 부상 가능성 증가. |
| 큰 반지름 (R2+) | 인체공학적 부품, 외관 코스메틱 표면 | 특정 공구 경로 필요. 표준 모서리 브레이크보다 약간 비용이 높음. |
모따기는 더 저렴하고 빠르게 적용할 수 있습니다 — 모따기 밀 또는 스폿 드릴로 한 번의 패스로 처리됩니다. 모따기는 맞물림 부품을 위치로 유도하므로 조립도 더 쉽습니다.
반지름 (외부 코너 필렛)은 모서리가 씰, 오링 또는 사람의 손과 접촉할 때 선호됩니다. 반지름은 응력을 더 잘 분산시키고 코스메틱 부품에서 더 좋게 보입니다. 하지만 볼 노즈 엔드밀 또는 특정 반지름 공구가 필요하여 공구 교체가 추가됩니다.
출형 각도 (금형에서 부품을 분리하기 위해 수직면에 적용되는 테이퍼)는 주로 주조, 단조, 사출 성형 및 박금판 성형에 관련됩니다. CNC 가공은 출형 각도를 요구하지 않습니다 — 공구가 모든 방향으로 자유롭게 절단하며 부품을 뽑을 금형이 없습니다.
하지만 드래프트나 테이퍼가 중요한 몇 가지 CNC 특정 상황이 있습니다:
| 특성 | 드래프트/테이퍼가 중요한 경우 | 가이드라인 |
|---|---|---|
| 테이퍼 구멍 | 테이퍼 핀, 다월 정렬, 자가 잠금 피트 | 테이퍼 각도를 지정 (예: 미터법 테이퍼 핀의 경우 1:50)하고 보링 바 또는 테이퍼 리머를 사용. |
| 원뿔형 특성 | 밸브 시트, 노즐 프로필, 카운터싱크 | 표준 카운터싱크 각도: 60°, 82°, 90°, 120°. 맞춤 각도는 전문 공구 필요. |
| 주조 블랭크에서의 CNC | 주조 블랭크로 시작하는 부품을 가공할 때 | 주조 자체에 드래프트가 필요하지만 CNC 가공이 이를 제거함. 스톡 허용량 계산 시 드래프트를 고려하세요. |
| 깊은 포켓 | 매우 깊은 포켓 (>직경의 4×)은 공구 처짐으로 인해 약간의 테이퍼가 발생할 수 있음 | 테이퍼를 피해야 하는 경우, 스프링 패스를 사용 (재료 제거 의도 없이 가벼운 피니시 컷). |
엔드밀이 포켓을 절단할 때 벽과 바닥이 만나는 코너에는 공구의 코너 반지름과 같은 반지름이 생깁니다. 이것이 바닥 반지름이며, 엔지니어링 도면에서 가장 흔한 혼란 원천 중 하나입니다.
표준 플랫 엔드밀은 작은 코너 반지름을 가집니다 (10mm 공구에서도 일반적으로 R0.5–R1.0mm). 불 노즈 엔드밀은 더 큰 코너 반지름을 가집니다 (R2–R6mm). 볼 노즈 엔드밀은 공구 직경의 절반과 같은 반지름을 가집니다.
포켓의 바닥 반지름은 항상 공구의 코너 반지름과 같습니다. 납작한 바닥 (R0)을 원한다면 날카로운 코너가 있는 플랫 엔드밀이 필요합니다 — 그리고 이것은 작은 크기에만 존재합니다. 진정으로 납작한 바닥의 큰 포켓을 위해서는 코너 정리를 위해 더 작은 공구를 사용해야 하며, 이는 가공 시간과 비용이 추가됩니다.
| 바닥 반지름 | 필요한 공구 | 상대적 비용 | 참고 |
|---|---|---|---|
| R3–R6 mm | 불 노즈 엔드밀 (φ10–16 mm) | 1.0x (기준) | 가장 빠른 재료 제거. 대부분의 애플리케이션에서 큰 반지름은 문제가 아님. |
| R1–R2 mm | 표준 플랫 엔드밀 | 1.0x | 대부분의 엔드밀은 R0.5–R1 코너를 표준으로 가짐. 이것이 일반적으로 얻는 바닥 반지름. |
| R0.5 mm | 작은 플랫 엔드밀 또는 코너 반지름 엔드밀 | 1.2–1.5x | 더 작은 공구로 클린업 패스 필요. 공구 교체 1회와 추가 가공 시간이 발생. |
| R0.2–R0.3 mm | 작은 엔드밀 + 신중한 공구 경로 | 1.5–2.0x | 취약한 공구, 느린 이송. 치수 정확도를 위해 여러 스프링 패스가 필요함. |
| R0 (날카로운 코너) | 와이어 EDM 또는 랩핑 | 3.0–5.0x | 표준 엔드밀로 불가능. 와이어 EDM 또는 수동 랩핑 필요. 비용을 정당화하기 어려움. |
아래 표는 벽, 필렛 및 반지름에 대한 다양한 설계 결정이 가공 비용에 어떻게 영향을 미치는지 요약합니다. 제조에 보내기 전에 설계를 검토할 때 빠른 참고로 사용하세요.
| 설계 특성 | 표준 사양 | 엄격/어려운 사양 | 비용 배수 |
|---|---|---|---|
| 벽 두께 (알루미늄) | ≥ 1.0 mm | 0.5–0.8 mm | 1.3–1.8x |
| 벽 두께 (강철) | ≥ 1.5 mm | 0.8–1.2 mm | 1.4–2.0x |
| 내부 필렛 반지름 | R3–R6 mm | R0.5 mm 이하 | 1.8–3.0x |
| 포켓 바닥 반지름 | R1–R3 mm | R0 (날카로움) | 3.0–5.0x |
| 모서리 브레이크 | 0.5 mm 모따기 (기본) | 날카로운 모서리 (브레이크 없음) | 1.0x (취급 위험 증가) |
| 외부 반지름 | 날카로움 또는 0.5 mm 브레이크 | 큰 코스메틱 반지름 (R5+) | 1.1–1.3x |
| 깊은 포켓 종횡비 | 깊이 ≤ 4× 폭 | 깊이 > 6× 폭 | 1.5–2.5x |
| 길고 얇은 벽 | 높이 ≤ 5× 두께 | 높이 > 8× 두께 | 1.5–2.0x |
다음은 고객 도면에서 가장 자주 볼 수 있는 벽 두께 및 필렛 오류입니다. 이를 피하면 부품이 더 저렴하고, 더 강하며, 더 빠르게 생산됩니다.
| # | 실수 | 결과 | 올바른 접근 |
|---|---|---|---|
| 1 | R0 내부 코너 지정 | 표준 엔드밀로 불가능. 기계공이 와이어 EDM을 사용하거나 설계 변경을 요청해야 함. 프로젝트가 지연됨. | 모든 내부 코너에 ≥ R0.5 mm 필렛 반지름이 있어야 함. 표준 공구 크기에 맞춤 (R1, R1.5, R2, R3). |
| 2 | 동일 특성에 불균일한 필렛 반지름 | 여러 공구 교체가 필요함. 세팅 시간과 비용이 추가됨. | 가능하면 포켓 특성당 하나의 필렛 반지름을 사용하세요. 부품 전체를 단일 공구 반지름으로 표준화하세요. |
| 3 | 두꺼운 부분에 인접한 매우 얇은 벽 | 인접 두꺼운 부분의 응력으로 인해 가공 중 얇은 벽이 뒤틀리거나 처짐. 치수 부적합. | 벽 두께를 균일하게 유지하세요. 두꺼운 부분과 얇은 부분 사이에 점진적 전이를 추가하세요. |
| 4 | 작은 바닥 반지름의 깊은 포켓 | 길고 얇은 공구가 처짐. 불량한 표면 거칠기, 부정확한 치수, 공구 파손. | 바닥 반지름을 포켓 깊이에 비례하여 늘리세요. 깊은 포켓은 더 큰 바닥 반지름을 가져야 함. |
| 5 | 모서리 브레이크 미지정 | 업체가 기본 0.5 mm 브레이크를 적용 — 대부분 괜찮지만 날카로운 모서리가 필요한 경우 부품이 이미 잘못 제조됨. | 날카로운 모서리가 필요한 경우 명시적으로 표시하세요. 필요하지 않은 경우 도면 메모에 "BREAK SHARP EDGES 0.5 mm MAX"를 추가하세요. |
| 6 | CNC 부품에 드래프트 각도 지정 | 기계공이 혼동함. 드래프트는 주조/성형 부품용. CNC는 테이퍼를 절단할 수 있지만 "드래프트"는 금형을 암시함. | 실제 테이퍼 각도를 치수 지정으로 표시하세요 (예: "1:50 테이퍼" 또는 "2° 포함 각"), "드래프트"가 아님. |
| 7 | 특성 깊이에 대해 가능한 공구 반지름보다 작은 필렛 | 20mm 깊이의 포켓에 R0.5 코너는 1mm 공구가 필요하며, 너무 길고 유연함. 공구가 부러지거나 처짐. | 경험 법칙: 공구 닿음은 공구 직경의 8×를 초과하지 않아야 함. 깊은 포켓에는 더 큰 필렛 반지름을 사용하세요. |
| 8 | 얇은 벽에서 양극처리/도장 두께 무시 | 벽이 0.6 mm 공칭이고, 양극처리가 면당 25 μm 추가 (총 0.05mm), 이제 0.7mm — 하지만 허용 오차 누적이 나머지를 소모함. | 벽 계산에 표면 처리 두께를 고려하세요. 최소 벽 사양에 2× 코팅 두께를 추가하세요. |
| 9 | 밀폐 포켓의 날카로운 바닥 코너 (R0) | 오링 또는 실런트가 날카로운 코너에 제대로 안착할 수 없음. 누설 경로 형성. | 씰, 가스켓 또는 오링을 수용하는 모든 포켓에 최소 R0.5–R1.0 바닥 반지름을 지정하세요. |
| 10 | 벽 두께를 명시적으로 지정하지 않음 | 벽 두께는 파생 치수 — 포켓 깊이와 바닥 위치에 의존함. 모호함으로 인해 분쟁 발생. | 최소 벽 두께를 도면에 직접 중요 치수로 표시하세요, 특히 얇은 벽의 경우. |