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문제 정의
- 나노유체 MQL 을 적용한 마이크로/메소 밀링가공 실험을 수행하고 측정된 표면거칠기 비교를 통한 가공 특성 분석을 수행하였다. 또한, 유체 MQL 가공을 위한 MoS2 나노입자의 제작 및 물리적 특성에 관한 고찰도 수행하였다.
- 마이크로 밀링 가공 실험을 통한 성능평가를 위해 Table 1에 정리되어 있는 것과 같이 MQL 절삭유체와 압축공기가 분사되는 4가지 실험을 설계하였다. 본 실험 연구에서는 MQL 뿐만 아니라 압축냉각공기의 윤활 및 냉각 효과도 함께 검토하였다.
- 본 연구에서는 MQL 기계가공의 성능적 한계를 극복하고자 MoS2 나노유체 MQL 을 적용한 마이크로 밀링가공 특성에 관한 실험적 분석을 수행하였다. 즉, 가공성능의 극대화를 위해 데스크톱 크기의 메소 스케일 기계가공 시스템을 구현하여 MQL 과 압축냉각공기를 사용한 마이크로 밀링가공 기초 실험, MoS2 나노 유체제작 및 MoS2 나노유체를 이용한 MQL 마이크로 밀링가공 실험이 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 데스크톱 크기의 메소 스케일 기계가공 시스템을 구현하여 압축냉각공기, MQL 및 MoS2 나노유체 MQL 을 적용한 마이크로/메소 밀링가공 실험을 수행하고 측정된 표면거칠기 비교를 통한 가공 특성 분석을 수행하였다. 또한, 유체 MQL 가공을 위한 MoS2 나노입자의 제작 및 물리적 특성에 관한 고찰도 수행하였다.
- MQL 기반 기계 가공특성을 규명하기 위해 건식, 압축냉각공기 및 MQL 마이크로 밀링 가공 실험을 수행하였다. Fig 2는 구현된 데스크톱 크기의 메소 스케일 MQL 기계가공 시스템 실험장치로서 전체크기는 210 x 190 x 220 mm 이다.
- 마이크로 밀링 가공 실험을 통한 성능평가를 위해 Table 1에 정리되어 있는 것과 같이 MQL 절삭유체와 압축공기가 분사되는 4가지 실험을 설계하였다. 본 실험 연구에서는 MQL 뿐만 아니라 압축냉각공기의 윤활 및 냉각 효과도 함께 검토하였다.
- 2 l/min 이며, MQL 유체의 분무량 20 cc/hr 이다. 마이크로 밀링 가공 실험을 구현하기 위해 상향절삭(Up-milling) 방법을 적용하였으며 공구 이송방향의 좌측에서 압축냉각공기가, 우측에서 파라핀오일 MQL 유체가, 분사되도록 실험장치를 구성하였다. 다음 Table 2는 상기한 구체적인 실험 조건을 나타내고 있다.
- 본 실험을 수행한 후 표면조도 측정장비를 사용하여 밀링 가공면 표면거칠기(Ra)를 측정하였다. Fig.
- 이후 분쇄된 MoS2 입자에 카놀라유를 첨가하여 상기한 건식 볼밀링과 동일한 구동조건에서 습식 볼밀링 작업을 수행하였다.
- 4 에 도식적으로 나타나 있다. 우선 분쇄되지 않은 7g 의 MoS2 분말과 15g 열경화 강구를 사용하여 800RPM 의 조건에서 건식 볼밀링을 수행하였다. 이때 30 분 가동 및 15 분 휴지조건으로 72 시간 동안 본 작업을 수행하였다.
- 우선 분쇄되지 않은 7g 의 MoS2 분말과 15g 열경화 강구를 사용하여 800RPM 의 조건에서 건식 볼밀링을 수행하였다. 이때 30 분 가동 및 15 분 휴지조건으로 72 시간 동안 본 작업을 수행하였다. 이후 분쇄된 MoS2 입자에 카놀라유를 첨가하여 상기한 건식 볼밀링과 동일한 구동조건에서 습식 볼밀링 작업을 수행하였다.
- Fig. 2 에 주어진 메소 스케일 기계가공 시스템에서 MoS2 나노유체 MQL 을 적용한 마이크로 밀링가공 실험을 수행하였으며, 가공 조건으로는 건식, 일반 MQL, 나노유체 MQL 및 압축 냉각공기가 고려되었다. 일반 MQL 의 경우 파라핀유를 사용하였고, 나노유체 MQL 의 경우 3.
- 일반 MQL, 나노유체 MQL 각각의 유량은 10 cc/hr, 스핀들 속도는 20,000 RPM, 이송률은 80 mm/min, 절삭 깊이는 20 um 으로 고정되었다. 절삭 길이는 1 회 가공당 20 mm 로 설정하였으며, 각각의 실험당 총 4 번의 마이크로 밀링 가공이 수행되었다.
- 본 실험은 Table 4와 같이 압축공기의 유무와 MQL 공급 유무 및 분무 유체의 종류에 따라 설계되었다. 실험의 관측인자는 표면 거칠기이다.
- 나노유체 MQL 을 적용한 마이크로 밀링가공 특성에 관한 실험적 분석을 수행하였다. 즉, 가공성능의 극대화를 위해 데스크톱 크기의 메소 스케일 기계가공 시스템을 구현하여 MQL 과 압축냉각공기를 사용한 마이크로 밀링가공 기초 실험, MoS2 나노 유체제작 및 MoS2 나노유체를 이용한 MQL 마이크로 밀링가공 실험이 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- MQL 기반 기계 가공특성을 규명하기 위해 건식, 압축냉각공기 및 MQL 마이크로 밀링 가공 실험을 수행하였다. Fig 2는 구현된 데스크톱 크기의 메소 스케일 MQL 기계가공 시스템 실험장치로서 전체크기는 210 x 190 x 220 mm 이다. Fig.
- Fig 2는 구현된 데스크톱 크기의 메소 스케일 MQL 기계가공 시스템 실험장치로서 전체크기는 210 x 190 x 220 mm 이다. Fig. 2에서 알 수 있듯이 공작물의 가공을 위해 최대 80,000RPM의 회전속도를 갖는 BLDC 전기 스핀들 (E-800Z)을 사용하였고, 공작물 및 공구의 이송장치로는 DC 선형 슬라이드(MX80S)와 PZT 선형 슬라이드 (AID45000E)를 사용하였으며, 제어장치로는 PMAC 컨트롤러를 사용하였다.
- 본 실험에 적용된 MQL 분무 장비(CF01)는 유량 2-20 cc/hr 의 성능 범위를 가지고 있으며, 압축냉각공기의 공급을 위하여 볼텍스 튜브 (SMVT 10008)를 사용하였다. 본 장비는 최저온도 -30℃ 의 압축냉각공기를 분사할 수 있다.
- 실험에 사용된 시편은 SK-41C 강이며 밀링 공구는 직경 1.0mm를 갖는 초경재질의 티타늄 코팅 엔드밀 공구를 사용 하였다. BLDC 전기 스핀들의 회전속도는 7,000 RPM, 공구의 이송속도는 80 mm/min로 고정하였다.
- 본 실험에 적용된 나노유체는 MoS2 입자를 이용하여 제작되었다.
- MoS2 분말(크기 3-5 µm)을 나노크기의 입자로 분쇄하기 위하여 볼밀링 장비(Pulveristte 7)를 사용하였다.
- 볼밀링 가공 시 입자에 충격을 주기 위한 재료로 열경화된 강구가 사용되었다. 습식 볼밀링 작업을 위하여 카놀라유와 유화제로는 레시틴이 사용되었다. MQL 절삭유로는 파라핀 오일이 사용되었다.
- 습식 볼밀링 작업을 위하여 카놀라유와 유화제로는 레시틴이 사용되었다. MQL 절삭유로는 파라핀 오일이 사용되었다. 그리고 초음파 발생장비를 이용하여 나노유체의 혼합에 사용하였다.
- 2 에 주어진 메소 스케일 기계가공 시스템에서 MoS2 나노유체 MQL 을 적용한 마이크로 밀링가공 실험을 수행하였으며, 가공 조건으로는 건식, 일반 MQL, 나노유체 MQL 및 압축 냉각공기가 고려되었다. 일반 MQL 의 경우 파라핀유를 사용하였고, 나노유체 MQL 의 경우 3.2 절에서 제작된 MoS2 나노유체를 사용하였다.
- 본 실험은 초경재질의 텅스텐 코팅 엔드밀 공구를 사용하였고, 공구의 지름은 500 um 이다. 실험용 시편은 SK-41C 강을 사용하였다.
- 본 실험은 초경재질의 텅스텐 코팅 엔드밀 공구를 사용하였고, 공구의 지름은 500 um 이다. 실험용 시편은 SK-41C 강을 사용하였다. Table 3 은 구체적인 실험조건을 기술하고 있다.
- 본 실험은 Table 4와 같이 압축공기의 유무와 MQL 공급 유무 및 분무 유체의 종류에 따라 설계되었다. 실험의 관측인자는 표면 거칠기이다.
성능/효과
- (1) 최근 선진국의 환경보호 정책인 그린라운드(Green Round)나 ISO 14000 에서 작업환경에 대한 규제가 더욱 강화되는 현재 상황에서 친환경 생산기술의 개발은 대외 경쟁력 확보를 위해 반드시 고려되어야 한다.
- 이는 압축 냉각공기에 의한 윤활효과가 MQL에 비하여 상대적으로 미약하여 냉각효과만이 작용한 것으로 추정된다. MQL 과 압축냉각공기를 동시에 적용시킨 경우 표면거칠기 측정 결과는 일반 MQL 가공보다 좋지 않은 것으로 나타났는데 이는 밀링 가공 실험 시 압축냉각공기와 MQL 을 동시에 적용하는 경우, 각각의 압력의 차이로 인하여 MQL 의 분사 지점의 정확성이 상대적으로 낮아진 것으로 예상된다.
- 5(b)의 건식 볼밀링 후 MoS2 입자가 현저히 작아지는 것을 확인 할 수 있으며, Fig. 5(c)와 같이 습식 밀링을 할 경우 건식밀링의 입자보다 입자들의 균일도가 더 높아지는 것을 확인할 수 있다.
- 7에 표면거칠기의 측정결과가 주어져 있다. Fig. 7에서 알 수 있듯이 건식 가공보다 압축냉각공기, 일반 MQL 및 나노유체 MQL 을 적용시킨 밀링 가공의 경우 상대적으로 표면거칠기가 더 우수한 것으로 확인되었다.
- 또한, 압축냉각공기를 일반 MQL 및 MoS2 나노유체 MQL 과 동시에 적용시키면 더 좋은 표면거칠기 결과를 얻을 수 있었다. 특히, Fig.
- (1) 마이크로 밀링가공 기초 실험을 통하여 MQL 및 압축냉각공기의 적용에 의한 시편의 표면거칠기 향상을 확인하였다.
- 입자를 이용한 나노유체 제작이 수행되었다. MoS2 입자의 볼밀링 및 초음파 혼합과정을 통해 나노입자가 제조되었으며 전자현미경 사진촬영을 통하여 입자의 크기가 50nm 와 500nm 사이인 것을 확인하였다.
- (3) 제작된 MoS2 나노유체를 적용한 MQL 마이크로 밀링가공 실험이 수행되었으며, 나노유체 MQL 과 압축냉각 공기가 동시에 적용된 마이크로 밀링가공의 경우 표면거칠기 향상효과가 가장 큰 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 실험의 각 실험당 가공횟수가 4 번으로 제한적이었기 때문에 많은 가공이 수행될 경우 이러한 경향성이 더욱 강하게 나타날 것으로 기대된다.
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