[논문]Slitting Knife의 손상에 미치는 마모의 영향

남기우; 김철수; 안석환

doi:10.9726/kspse.2016.20.4.005

[국내논문] Slitting Knife의 손상에 미치는 마모의 영향
The effect of wear on the damage of slitting knife 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.20 no.4, 2016년, pp.5 - 11

남기우 (부경대학교 재료공학과) , 김철수 (부경대학교 학연협동기계공학) , 안석환 (중원대학교 메카트로닉스학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed the damage to a slitting knife after cutting steel sheets. Damages to the structure were observed and wear tests were conducted. In addition, the degradation on the damaged and undamaged parts was compared with a micro Vickers hardness test. Weibull statistical analysis was carried out in order to evaluate the reliability of the micro Vickers hardness measured data. Spalling of the edge portion occurred by degradation during use over a long period. Rough parts in the specimens were caused by damage because the slitting knife was used for 1 year. The friction coefficient and wear loss at the damaged parts of the knife edge were slightly larger from shock due to repetitive cutting operation. The micro Vickers hardness followed a two-parameter Weibull probability distribution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

을 행하였다. 더불어 파손부의 조직을 관찰하여 원인 분석과 함께 마모시험을 통하여 손상에 미치는 마모의 영향^12,15,16)을 살펴보는 것을 목적으로 하였다. 또한 손상부위와 그렇지 않은 부위의 마이크로 비커스경도를 측정하여 열화정도를 비교하였다.
또한 손상부위와 그렇지 않은 부위의 마이크로 비커스경도를 측정하여 열화정도를 비교하였다. 이들 마이크로 비커스경도값을 이용한 2-parameter Weibull 분포^8,9)를 조사한 결과를 보고한다.

가설 설정

들어온 원자재는 대치규격, 초기입고규격 사이즈를 유지하고 있고 이것을 원규격, 즉 사용목적에 맞는 규격의 폭으로 절단하는 과정이 슬리팅 (slitting) 공정이다.²⁾ 이때 일반적인 지관형 커터(circular Knife)는 날을 날카롭게 깍아 제품을 절단한다. 하지만 이와 달리 슬리팅 나이프(slitting knife)는 일정한 부품 형상을 가지도록 절단하여야 하기 때문에 지관커터에 비하여 두께를 두껍게 유지하여야 하며 이로 인해 커터날로 절단하기에는 곤란하다.

제안 방법

따라서 슬리팅 나이프용 소재로서는 내마모성 및 내열성에 우수하여 금형용 소재로서 많이 이용되어지고 있는 SKD61강^3,4)을 주로 사용한다. 특히 슬리팅 나이프의 내마모성과 충격에 견디는 인성을 유지하기 위하여 2단 템퍼링열처리를 실시하여 사용한다. 한⁵⁾ 등의 유한유소해석을 통한 슬리팅 가공에 관한 연구는 있으나 실제 현장에서의 실사용에 의한 마모손상 관련 연구는 거의 없는 실정^6,13)이다.
본 연구에서는 상기에 언급하였듯이 강판 절단용으로 사용되는 슬리팅 나이프에 대하여, 이미 경년사용으로 인하여 손상된 부품을 그대로 이용하여 파손 분석⁶⁾을 행하였다. 더불어 파손부의 조직을 관찰하여 원인 분석과 함께 마모시험을 통하여 손상에 미치는 마모의 영향^12,15,16)을 살펴보는 것을 목적으로 하였다.
더불어 파손부의 조직을 관찰하여 원인 분석과 함께 마모시험을 통하여 손상에 미치는 마모의 영향^12,15,16)을 살펴보는 것을 목적으로 하였다. 또한 손상부위와 그렇지 않은 부위의 마이크로 비커스경도를 측정하여 열화정도를 비교하였다. 이들 마이크로 비커스경도값을 이용한 2-parameter Weibull 분포^8,9)를 조사한 결과를 보고한다.
1010℃에서 25분 동안 퀜칭한 후 유냉을 하고, 그런 다음 1차 템퍼링을 560℃에서 120분간 공냉 처리 실시 후 2차 템퍼링을 560℃에서 120분간 공랭으로 재차 실시하였다. 이는 퀜칭 후 인성이 부족해지므로 템퍼링을 통하여 인성 회복을 위해 2회의 고온템퍼링을 실시하였다.
Slitting knife edge의 손상된 부위를 정밀히 관찰하기 위하여 70배 및 300배 배율로서 SEM 촬영을 하였다. 또한 조직관찰을 위하여 시험편을 경면연마한 후 5% FeCl₂+증류수 95%의 엣칭액을 사용하여 금속현미경 관찰을 실시하였다.
Slitting knife edge의 손상된 부위를 정밀히 관찰하기 위하여 70배 및 300배 배율로서 SEM 촬영을 하였다. 또한 조직관찰을 위하여 시험편을 경면연마한 후 5% FeCl₂+증류수 95%의 엣칭액을 사용하여 금속현미경 관찰을 실시하였다.
슬리팅 나이프의 마모손상을 알아보기 위하여 마모시험을 행하였다. 마모시험은 구름미끄럼마모시험기(BRW140)를 사용하였다.
이때 상대재는 분말고속도공구강 HAP72를 사용하였다. 시험조건은 무윤활조건으로 부하하중 1.5 kg, 마찰시간 1시간 30분으로 하여 내부, 표면, 표면 손상부(edge part)에서 각각 실시하였다.
슬리팅 나이프의 여러 부위에 대하여 마이크로 비커스경도(micro Vickers hardness)를 측정하였다. 압입하중 500 g, 압입시간 10 sec로 내부, 손상부 내부, 표면, 손상부 측의 표면, 손상부의 5곳으로 나누어 각각 5회씩 측정하였다.
슬리팅 나이프의 여러 부위에 대하여 마이크로 비커스경도(micro Vickers hardness)를 측정하였다. 압입하중 500 g, 압입시간 10 sec로 내부, 손상부 내부, 표면, 손상부 측의 표면, 손상부의 5곳으로 나누어 각각 5회씩 측정하였다.
먼저, 부품제작공정 현장에서 1년간의 경년사용으로 인하여 손상된 슬리팅 나이프의 손상부위를 채취하여 조직을 관찰하였다.
슬리팅 나이프 엣지에서 마모에 의한 박리현상이 발생한 원인을 알아보기 위하여 손상부와 모재부에서의 미세조직을 관찰하였다. Fig.
무윤활조건, 부하하중 1.5 kg, 마찰시간 1시간 30분으로 슬리팅 나이프의 내부(inside; 슬리팅 나이프의 안지름에 가까운 쪽), 표면(surface; 슬리팅 나이프의 바깥지름에 가까운 쪽), 손상부(knife edge)의 3곳으로 나누어 마모시험을 실시하였다.
슬리팅 나이프의 5곳의 장소에서 마이크로 비커스경도를 측정하였다. 마이크로 비커스경도시험은 압입하중 500 g, 유지시간 10 sec로 하여 각 장소에서 각각 5회 측정하였다.
슬리팅 나이프의 5곳의 장소에서 마이크로 비커스경도를 측정하였다. 마이크로 비커스경도시험은 압입하중 500 g, 유지시간 10 sec로 하여 각 장소에서 각각 5회 측정하였다. 측정된 곳은 내부, 표면, 손상부, 손상부 내부, 손상부측의 표면이다.

대상 데이터

1은 본 연구에 사용된 슬리팅 나이프의 외관을 나타낸다. 본 연구에는 슬리팅 나이프의 파손 분석이 목적이므로 부품제작 현장에서 1년간 실사용 후 경년열화에 의해 표면박리가 발생한 제품을 그대로 사용하였다. Fig.
본 연구에 사용된 재료는 금형용 강 소재인 SKD61강으로서 그 일반적인 화학성분을 Table 1에 나타낸다. Fig.
슬리팅 나이프의 마모손상을 알아보기 위하여 마모시험을 행하였다. 마모시험은 구름미끄럼마모시험기(BRW140)를 사용하였다. 이때 상대재는 분말고속도공구강 HAP72를 사용하였다.
마모시험은 구름미끄럼마모시험기(BRW140)를 사용하였다. 이때 상대재는 분말고속도공구강 HAP72를 사용하였다. 시험조건은 무윤활조건으로 부하하중 1.
마이크로 비커스경도시험은 압입하중 500 g, 유지시간 10 sec로 하여 각 장소에서 각각 5회 측정하였다. 측정된 곳은 내부, 표면, 손상부, 손상부 내부, 손상부측의 표면이다. Fig.

데이터처리

상기 Fig. 9에 나타내어진 측정된 각 장소에서의 마이크로 비커스경도의 분포에 차이가 발생하고 있기 때문에 이와 같이 변동하는 마이크로 비커스경도값에 대하여 최약링크 가설을 적용하여 2-파라미터 와이블분포(2-parameter Weibull distribution)에 따른 통계적 분석을 실시하였다. 식 (1)은 2-파라미터 와이블분포를 나타낸다.

성능/효과

10으로부터 내부의 형상계수는 약 53과 47로서 비교적 높게 나타나 분산이 적은 편이었으나 열처리한 표면은 약 19 정도로서 가장 작은 값을 나타내었다. 손상측의 표면에서는 약 35 정도를 나타내었으나, 손상부는 약 72로서 측정 부위 중에서 가장 높은 값을 나타내었다. 측정된 값들은 와이블분포에 잘 따르고 있다.
1) 장시간의 경년사용에 의한 열화현상으로 슬리팅 나이프의 엣지(edge) 부분에 박리(spalling) 손상이 발생하였다.
2) 마모시험으로부터 마찰계수와 마모손실량은 반복되는 연속 절단 작업으로 인한 박리현상에 의하여 손상부인 슬리팅 나이프 엣지(slitting knife edge)에서 다소 크게 나타났다.
3) 마이크로 비커스경도는 연속적인 작업으로 인하여 슬리팅 나이프 엣지에 경년열화가 발생하였고 이로 인해 박리가 발생한 손상부(damaged part)에서 가장 낮은 값을 나타내었다.
4) 슬리팅 나이프의 마이크로 비커스경도는 2-파라미터 와이블분포에 잘 따랐다.
일반적으로 퀜칭 후 인성이 부족해지므로 템퍼링을 통하여 인성 회복을 하게 된다. 본 연구의 시료에서도 퀜칭 후 560℃에서 연속 2번의 고온템퍼링을 하여 강도와 인성이 우수한 템퍼링 마르텐사이트조직이 형성된 것을 알 수 있다. 전반적으로 손상부의 조직이 모재부의 조직과 비교하여 구상화조직이 다소 조대화되어 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬리팅 나이프의 작동원리는 무엇인가	따라서 이와 같은 이유로 슬리팅 나이프는 외경공차 및 두께공차를 엄격히 제한하고 있으며 마이너스 공차를 허용하지 않을 만큼 정밀도를 유지해야 할 필요가 있다. 슬리팅 나이프의 작동원리는 말려져 들어온 원자재 강판 코일을 제품 성형의 크기에 맞게 절단하기 위하여 상하부의 금형에 강판을 통과시키면서 세로방향으로 절단을 하는데 가위의 양날과 같이 상부에 위치한 금형에 체결된 슬리팅 나이프가 하부에 고정된 홈이 파여진 단일 금형 위를 회전하면서 절단하는 원리이다. 단 슬리팅 나이프의 두께로 자르는 것이 아니라 하부의 금형 홈과 상부의 슬리팅 나이프 엣지(slitting knife edge) 부분과의 전단력에 의하여 절단작업이 이루어지는데 커터날이 치수정밀도가 높은 많은 양의 강판 절단에 이용되어지고, 비용절감을 위한 반복적인 절단작업으로 인하여 슬리팅 나이프의 엣지부분의 취약한 부분에 먼저 마모손상이 발생해서 수명이 저하된다.
	슬리팅 공정은 무엇인가	원자재가 입고되면 제일 먼저 슬리팅 라인(slitting line)으로 들어간다. 들어온 원자재는 대치규격, 초기입고규격 사이즈를 유지하고 있고 이것을 원규격, 즉 사용목적에 맞는 규격의 폭으로 절단하는 과정이 슬리팅 (slitting) 공정이다.2) 이때 일반적인 지관형 커터(circular Knife)는 날을 날카롭게 깍아 제품을 절단한다.
	슬리팅 나이프용 소재로 SKD61강을 주로 사용하는 이유는 무엇인가	슬리팅 나이프의 작동원리는 말려져 들어온 원자재 강판 코일을 제품 성형의 크기에 맞게 절단하기 위하여 상하부의 금형에 강판을 통과시키면서 세로방향으로 절단을 하는데 가위의 양날과 같이 상부에 위치한 금형에 체결된 슬리팅 나이프가 하부에 고정된 홈이 파여진 단일 금형 위를 회전하면서 절단하는 원리이다. 단 슬리팅 나이프의 두께로 자르는 것이 아니라 하부의 금형 홈과 상부의 슬리팅 나이프 엣지(slitting knife edge) 부분과의 전단력에 의하여 절단작업이 이루어지는데 커터날이 치수정밀도가 높은 많은 양의 강판 절단에 이용되어지고, 비용절감을 위한 반복적인 절단작업으로 인하여 슬리팅 나이프의 엣지부분의 취약한 부분에 먼저 마모손상이 발생해서 수명이 저하된다. 또한 절단작업에 의한 부품 정밀도에도 영향을 미치고 있다. 따라서 슬리팅 나이프용 소재로서는 내마모성 및 내열성에 우수하여 금형용 소재로서 많이 이용되어지고 있는 SKD61강3,4)을 주로 사용한다.

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