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문제 정의
- 물론, 고압분사에 의한 절삭유의 비산으로 인해 작업장의 환경오염이 불가피한 상황이 초래되나 이는 오일미스트 집진기를 설치를 통해 해결할 수 있는 문제이다. 따라서 본 연구는 실제 실험을 통해 칩을 제거할 수 있는지에 대한 검증차원에서 연구를 수행하고자 한다.
- 이러한 경우 작업자가 가공이 끝날 때 까지 반복된 작업을 수행해야 되며, 연속칩을 걷어낼 때 제품에 손상을 초래할 수 있고, 작업자 또한 안전사고를 당할 수 있는 위험에 놓여 있는 것이 현실이다. 따라서 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 고압 분사 홀더를 적용하여 실제 현장에서 적용가능한지 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 칩 감김 현상 방지를 위한 절삭유 고압 분사 holder를 적용하여 절삭가공을 수행하였고, 저압으로 분사될 때와의 칩 발생형태와 인서트 마멸상태를 비교분석하였다. 칩 브레이커의 형태와 절삭속도를 적절히 선정하면 연속 칩을 피할 수 있는데 본 연구에서는 연속 칩의 생성을 피할 수 없어 본 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- Fig. 4는 본 연구에 적용되는 고압홀더 시스템인 수직선반은 HNK사의 NT-12/16F를 사용하였고, 고압펌프는 최대 500 bar까지 압력을 생성할 수 있도록 제작하여 수직선반과 연결하여 홀더에 고압의 절삭유를 공급할 수 있도록 시스템을 구성하였다.
- 12는 이송에 따른 INCONEL718용 인서트 마멸상태를 나타낸 SEM촬영 결과이다. SM45C의 경우 인서트의 마모가 거의 발생하지 않아 생략하였고, INCONEL718에 대한 결과만 분석하였다. 절삭유가 저압으로 분사될 경우 인서트 끝부분에 불필요한 찌꺼기가 충분히 제거되지 않아 분석하기에 어려움이 있었다.
- 본 연구에 적용되는 고압홀더의 구조는 Fig. 3과 같은 형태를 가지고 있으며, 분사노즐은 조립식으로 설계하여 기존 홀더 형태의 변형을 최소화 하였다. 또한 가공상의 어려음으로 절삭유 통로가 유동특성에 의한 유로로 설계되지 못하고 드릴링을 통한 직선형태의 유로를 가지고 있다.
- 본 연구에서는 칩 감김 현상 방지를 위한 절삭유 고압 분사 holder를 적용하여 절삭가공을 수행하였고, 저압으로 분사될 때와의 칩 발생형태와 인서트 마멸상태를 비교분석하였다. 칩 브레이커의 형태와 절삭속도를 적절히 선정하면 연속 칩을 피할 수 있는데 본 연구에서는 연속 칩의 생성을 피할 수 없어 본 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 15mm 정도 오버커팅이 발생하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Fig. 2와 같은 칩 절단 개념을 도입하여 고압홀더 개발에 대한 접근방법을 채택하였다. 특히, 항공기 엔진에 사용되는 부품에 대한 가공소재의 경우 국내에서 생산되지 않고 전량 수입되어 원청업체에서 사급될 경우 불량으로 인한 비용 손실이 발생하게 된다.
- 이송에 따라 발생하는 칩의 형태를 비교하기 위하여 절입깊이를 0.25mm로 하고, 이송을 각각 0.15mm/rev, 0.25mm/rev로 하여 가공 시 발생하는 칩의 형태를 비교 분석하였다.
- 이송에 따른 인서트 마멸상태를 비교하기 위하여 절입깊이를 0.5mm로 하고 이송을 각각 0.15mm/rev, 0.25mm/rev로 하여 INCONEL718용 인서트 마멸 상태를 비교 분석하였다.
- 절삭유의 공급압력에 따라 발생하는 칩의 형태를 비교하기 위하여 이송(feed)과 절입깊이(depth)의 조건을 동일하게 한 후(feed: 0.15mm/rev, depth: 0.25mm) 절삭유 공급압력이 10bar 일 때와 300bar 일 때 각 피삭재 소재에 따라 가공시 발생하는 칩의 형태를 비교 분석하였다. Fig.
- 절입깊이에 따라 발생하는 칩의 형태를 비교하기 위하여 이송을 0.25mm/rev로 하여 절입깊이를 각각 0.25mm, 0.5mm로 하여 가공시 발생하는 칩의 형태를 비교 분석하였다.
- 절입깊이에 따른 인서트 마멸상태를 비교하기 위하여 이송을 0.25mm/rev로 하고 절입깊이를 각각 0.25mm/rev, 0.5mm/rev로 하여 INCONEL718용 Insert 마멸상태를 비교 분석하였다.
대상 데이터
- Table 1에서는 실험에 사용된 두 종류의 피삭재(SM45C, INCONEL718)의 기계적 성질을 나타내고 있으며, Table 2는 가공조건을 나타낸 것이다. 가공에 사용된 인서트는 피삭재의 재질이 SM45C인 경우는 미국 K사의 KC9110를 사용하였고, INCONEL718인 경우는 동사의 KC5010을 사용하였다.
- Table 1에서는 실험에 사용된 두 종류의 피삭재(SM45C, INCONEL718)의 기계적 성질을 나타내고 있으며, Table 2는 가공조건을 나타낸 것이다. 가공에 사용된 인서트는 피삭재의 재질이 SM45C인 경우는 미국 K사의 KC9110를 사용하였고, INCONEL718인 경우는 동사의 KC5010을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 가공실험을 통하여 여러 가지 가공조건 하에서 발생하는 칩의 형태를 분석한 결과, 고압(300bar)으로 절삭유를 분사하고, 이송이 작을수록 칩이 짧아 졌으며 절입깊이가 5mm이상 일 때 칩 brake가 작용하여 칩이 짧아지는 것을 확인할 수 있었다.
- (2) 주사현미경(SEM) 촬영을 통하여 가공 후의 인서트 마멸상태를 확인하였고, SM45C에 비하여 난삭재인 INCONEL718 가공에 사용된 인서트의 마멸이 심한 것을 확인할 수 있었다. 또한 고압으로 절삭유가 분사될 경우 인서트 마멸 정도가 다소 덜한 것을 확인할 수 있었고, 이송과 절입깊이가 커질수록 인서트에 큰 힘이 걸려 마멸정도가 심한 것을 관찰할 수 있었다.
- 300bar로 절삭유가 공급되었을 때 이송에 따라 발생하는 칩을 보면 이송이 0.25mm/rev일 때 칩의 길이가 0.15mm/rev일 때 보다 약간 긴 것을 확인 할 수 있다. 이는 칩의 두께가 두꺼워져 칩이 피삭재로부터 떨어져 나갈 가능성이 줄어들기 때문인 것으로 판단된다.
- 8은 이송에 따라 발생하는 INCONEL718 소재의 칩 형태를 나타낸 것이다. INCONEL718의 경우는 항복강도가 높기 때문에 이송에 관계없이 가공시 변형이 발생하지 않아 규칙적인 형태의 칩이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
- INCONEL718의 경우에도 절삭유 압력에 따른 마멸 상태에 차이는 크지 않지만 고압으로 절삭유를 분사했을 때가 다소 마멸이 덜한 것을 확인할 수 있었다. 고압으로 분사되는 절삭유에 의한 힘이 인서트가 칩을 밀어내는데 도움을 주어 인서트의 마멸이 다소 덜하긴 하지만 인서트가 밀어내는 힘에 비하면 절삭 유가 가지는 힘이 상대적으로 미소하기 때문에 인서트 마멸상태에는 큰 차이가 없는 것이라 판단된다.
- SEM 촬영결과, 피삭재가 SM45C인 경우 절삭유 공급압력에 따른 인서트 마멸상태에 별다른 차이가 없음을 확인 할 수 있었다. 또한 두 압력조건하에서 인서트의 마멸도 거의 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
- 10은 절입깊이에 따라 발생하는 INCONEL718 소재의 칩 형태를 나타낸 것이다. SM45C와 마찬가지로 저압이며 절입깊이가 0.25mm일 때 칩의 길이가 긴 것을 확인하였고, 절입 깊이가 0.5mm일 때는 칩이 짧게 절단되는 것을 확인할 수 있었다. 고압에서도 SM45C의 경우와 마찬가지로 절입깊이가 0.
- 두 가지 소재에 대한 실험에서 공통적으로 절입깊이가 큰 경우 칩이 더 짧게 절단되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 절삭유의 압력에 의해 칩이 제거된 것이 아니라 절입깊이가 크면 인서트에 있는 칩 브레이커 기능이 작동되어 칩이 짧아진 것이라 판단된다.
- 고압으로 분사되는 절삭유에 의한 힘이 인서트가 칩을 밀어내는데 도움을 주어 인서트의 마멸이 다소 덜하긴 하지만 인서트가 밀어내는 힘에 비하면 절삭 유가 가지는 힘이 상대적으로 미소하기 때문에 인서트 마멸상태에는 큰 차이가 없는 것이라 판단된다. 따라서 본 실험을 통하여 난삭재 가공에 있어서는 고압 절삭유 분사가 공구수명을 늘리는데 어느 정도 도움이 됨을 확인할 수 있었다.
- (2) 주사현미경(SEM) 촬영을 통하여 가공 후의 인서트 마멸상태를 확인하였고, SM45C에 비하여 난삭재인 INCONEL718 가공에 사용된 인서트의 마멸이 심한 것을 확인할 수 있었다. 또한 고압으로 절삭유가 분사될 경우 인서트 마멸 정도가 다소 덜한 것을 확인할 수 있었고, 이송과 절입깊이가 커질수록 인서트에 큰 힘이 걸려 마멸정도가 심한 것을 관찰할 수 있었다.
- SEM 촬영결과, 피삭재가 SM45C인 경우 절삭유 공급압력에 따른 인서트 마멸상태에 별다른 차이가 없음을 확인 할 수 있었다. 또한 두 압력조건하에서 인서트의 마멸도 거의 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이는 SM45C 소재의 강도가 낮아 절삭 가공 시 인서트에 힘이 적게 작용하기 때문이다.
- 15mm/rev이며 저압에서는 앞서 언급한 것과 같이 불규칙하게 긴 형태의 칩이 발생하였다. 반면에 동일한 조건에서 이송만 0.25mm/rev로 증가 시켰을 때 발생하는 칩은 규칙적인 형태인 것을 확인 할 수 있었다. 이는 칩이 두꺼워져서 변형이 거의 발생하지 않았기 때문이다.
- 본 연구에서 기술개발에 대한 범위와 접근방법은 생산현장에서 발생되는 불량원인을 파악한 결과 Inconel alloy계열에 대한 선삭공정시 칩의 배출이 원활하지 않아 공구와 제품 사이에 끼이는 경우가 발생하였다. 또한 공구가 밀리면서 파손되어 그루브 내에 원주방향으로 0.
- 본 연구의 발단은 칩 블로킹을 해소할 수 있는 대표적인 방법인 고압분사홀더를 Fig. 2(b)와 같은 개념으로 칩과 인서트 사이에 고압절삭유를 분사하여 칩을 상면으로 밀어냄으로써 칩말림현상을 해소하기 위해 고압분사홀더의 핵심부품인 노즐에 대한 연구를 통해 칩 제거에 가장 유리한 노즐을 설계하고, 이를 적용한 고압홀더로 다양한 조건의 칩을 제거할 수 있는지 유한요소해석을 이용하여 예측한 결과 충분히 칩을 제거할 수 있는 것으로 선행연구를 통해 확인하였다(6).
- 절삭유 공급압력에 따라 발생하는 칩의 형태 분석을 통해 고압 절삭유 분사를 통한 난삭재인 INCONEL718의 칩 감김현상을 방지 할 수 있음을 확인하였다.
- 반면 절삭유가 고압으로 분사될 경우 고압 절삭유에 의하여 찌꺼기가 충분히 제거되어 인서트 표면의 상태를 분석하기 용이하였다. 절삭유가 300bar로 공급된 경우를 보면 이송이 커질수록 표면에 마찰이 심하지는 것을 확인할 수 있었다. 이송이 회전 당 인서트가 들어가는 반경 방향거리임을 감안하면 인서트가 깊이 들어갈수록 큰 힘이 작용하여 마멸이 심해지는 것을 알 수 있다.
- 그림에서 확인 할 수 있듯이 절삭유의 공급압력이 높아 고압으로 절삭유가 분사될 경우 발생하는 칩의 길이가 저압으로 공급될 때 보다 훨씬 짧은 것을 확인 할 수 있었다. 특히 극한 인장강도가 상대적으로 낮은 SM45C의 경우 INCONEL718에 비하여 발생하는 칩의 길이가 더 짧은 것을 확인할 수 있었다. 또한 저압에서 INCONEL718에 비하여 SM45C 소재의 칩의 형태가 불규칙한 특징을 보였다.
후속연구
- 고압분사홀더를 사용하여 고속의 절삭유가 인서트 상면과 칩의 하면 사이에 ‘절삭유압 웨지’ 효과를 발생시켜 칩과 인서트의 접촉영역을 냉각시키는 작용을 하고, 칩을 인서트 상면에서 밀어내고 인서트 상면영역에서의 마모를 감소시켜 칩이 작은 조각으로 절단되는 작용을 도우며 칩을 절삭 영역에서 제거하는 장점이 있다. 특히, 난삭재의 황삭 가공시 기존의 일반 절삭유 공급 방식에 비해서 절삭 속도를 높일 수 있을 것으로 기대 된다. 이외에 칩이 공구 주변에 감겨 공구교환을 방해하는 경우를 미연에 방지하는 효과가 있다.
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