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문제 정의
- 본 논문에서는 하드터닝 공정에 있어서 건식가공과 Nano-MQL 및 극저온 처리를 적용한 공구의 마모 실험을 통하여 가공조건 및 윤활조건에 따른 공구마모를 비교 분석하고자 한다.
제안 방법
- 3.1 절의 실험을 통해서 안정적인 공구마모 현상을 보여주는 300m/min의 절삭속도로 절삭거리 변화에 따른 공구마모를 관찰하고, Nano-MQL에 의한 공구마모 저감 효과를 확인하기 위하여 건식가공 결과와 비교하였다. Fig.
- N123L1-0800-RE)을 사용하였다. 가공속도 증가에 따른 공구마모 특성을 분석하기 위하여 가공조건은 절삭깊이 0.1mm, 회전당 이송속도 0.1mm/rev로 고정한 후 절삭속도(Vc)를 135, 200, 250, 300, 500m/min로 변경하면서 가공실험을 건식으로 수행하였으며, 이때의 절삭거리는 총 이송거리 350mm를 감안할 때 1.1km가 된다.
- 가공에 사용한 CBN 공구의 공구마모는 3D형상 측정 레이저 현미경(KEYENCE corp., VK-X200)을 이용하여 관찰 및 측정하였다.
- 극저온처리(cryogenic treatment)한 CBN 공구의 공구마모 특성을 분석하기 위하여 동종의 공구를 액화질소(liquid nitrogen)에 10분간 침전시킨 직후에 동일한 가공깊이(0.1mm), 이송속도(0.1m/rev)와 가공속도(300m/min)에서 건식으로 가공실험을 수행하였다.
- 윤활조건에 따른 공구마모 특성 분석을 위해서 절삭깊이와 이송속도는 이전과 동일하게 고정하고 가공속도를 앞선 가공속도 증가에 따른 공구마모 특성 분석을 통해 건식가공에 적용 가능한 상한선이라고 판단되는 300m/min으로 선정한 후 건식과 Nano-MQL 방식에 대해서 가공거리를 1.1, 1.65, 2.2km로 변경하면서 가공실험을 수행하였다. Nano-MQL방식은 윤활유에 나노입자(nano-particle)를 혼합하여 미스트(mist) 형태로 분사하는 방식으로서 MQL 분사 장치(Unistkorea corp.
- 한편, 극저온 처리가 공구에 미치는 영향을 분석하기 위해 극저온 처리 공구의 하드터닝 실험을 진행하였고 다른 윤활조건과 비교하기 위해 동일한 가공조건을 사용하였다. Fig.
대상 데이터
- , UNIMAX 210F)의 압축 공기 압력은 5bar, 오일 유량은 3ml/min로 설정하였다. 실험에 사용된 나노입자는 너비 1~15um, 높이 10nm사이즈의 graphene nano platelet (XGscience corp., xGnP M5)을 사용하였고,14 식물성 오일(Unistkorea corp., unist 210)에 0.1wt% 혼합하였으며, MQL 분사 노즐은 공구와 칩 사이의 접촉면을 향하게 Fig. 1과 같이 설치하였다.
- 실험에 사용된 피삭재는 직경 100mm의 AISI 4140환봉으로, 열처리를 통해 약 60HRC의 표면경도를 갖고 있으며, 절삭공구는 내열성이 높은 CBN (Sankvik corp. N123L1-0800-RE)을 사용하였다. 가공속도 증가에 따른 공구마모 특성을 분석하기 위하여 가공조건은 절삭깊이 0.
성능/효과
- 1. 절삭속도 300m/min부터 급격한 크래이터마모의 발생을 보이며 500m/min에서는 급격한 인선파괴가 발생하였다. 크래이터마모의 증가로 공구인선부분의 두께가 감소하면서 인선 파괴가 발생한 것으로 판단된다.
- 2. 절삭속도가 증가할수록 가공칩의 컬(Curl) 반경이 증가하였고, 이는 칩과 공구의 접촉면적을 증가시켜 마찰에 의한 절삭온도 증가, 결과적으로 공구마모가 가속화되는 것으로 보인다.
- 3. Nano-MQL의 공구마모는 건식공정보다 적게 나타났다. Nano-particle을 함유한 MQL은 공구와 가공칩간의 마찰을 감소시켜 공구마모를 줄 일 수 있으나, Nano-MQL 가공시의 칩배출 문제는 윤활작용을 방해하여 마모 저감효과를 나타내지 못했다.
- 4. 극저온 처리(cryogenic treated)는 공구의 마모 저항을 증가시켜 건식보다 낮은 크래이터 마모를 보여주었고, 이는 간단한 극저온 처리로 하드터닝의 주요 공구파손의 원인인 크래이터 마모를 줄일 수 있다는 것을 보여준다.
- 이와 같은 문제는 Nano-MQL 가공시 칩 배출을 원활히 할 수 있는 공구의 칩브레이커(chip breaker)나 가공칩 배출장치의 사용으로 해결될 수 있다. 따라서, 본 실험의 1pass 결과에서 보듯이 가공칩 문제를 제외하면 Nano-MQL 가공이 크래이터 마모를 급격히 감소시키는 것을 확인할 수 있다.
- 52um)의 경우 보다 작게 나타났다. 이는 간단한 극저온 처리로 CBN공구의 마모 저항을 증가시키고 결과적으로 공구마모를 감소시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 공구의 극저온 처리는 하드터닝의 주요 공구파손의 원인인 크래이터마모를 줄일 수 있어 하드터닝 공정에 매우 효과적일 것으로 판단된다.
- 6에 정리하였다. 절삭속도가 증가에 따라 긁힘 마모에 의한 점진적인 여유면마모가 진행되고, 또한 절삭속도 300m/min에서 급격한 크래이터마모가 발생한 것과는 대조적으로 여유면마모는 비교적 안정적(steady)으로 진행되는 것으로 보아 공구파손에는 크게 영향을 미치지 못한 것으로 판단된다.
- 이는 간단한 극저온 처리로 CBN공구의 마모 저항을 증가시키고 결과적으로 공구마모를 감소시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 공구의 극저온 처리는 하드터닝의 주요 공구파손의 원인인 크래이터마모를 줄일 수 있어 하드터닝 공정에 매우 효과적일 것으로 판단된다.
후속연구
- Nano-particle을 함유한 MQL은 공구와 가공칩간의 마찰을 감소시켜 공구마모를 줄 일 수 있으나, Nano-MQL 가공시의 칩배출 문제는 윤활작용을 방해하여 마모 저감효과를 나타내지 못했다. 향후 가공칩 배출을 고려한 공정연구가 지속되어야 할 것으로 사료된다.
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