[논문]극저온 냉각 및 나노유체 극미량 윤활을 적용한 티타늄 합금의 선반 절삭가공 특성에 관한 연구

김진우; 김정섭; 이상원

doi:10.7736/kspe.2017.34.3.185

극저온 냉각 및 나노유체 극미량 윤활을 적용한 티타늄 합금의 선반 절삭가공 특성에 관한 연구
Experimental Characterization of Turning Process of Titanium Alloy Using Cryogenic Cooling and Nanofluid Minimum Quantity Lubrication 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.34 no.3, 2017년, pp.185 - 189

김진우 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 김정섭 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 이상원 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, titanium alloys have been widely used in aerospace, biomedical engineering, and military industries due to their high strength to weight ratio and corrosion resistance. However, it is well known that titanium alloys are difficult-to-cut materials because of a poor machinability characteristic caused by low thermal conductivity, chemical reactivity with all tool materials at high temperature, and high hardness. To improve the machinability of titanium alloys, cryogenic cooling with LN2 (Liquid Nitrogen) and nanofluid MQL (Minimum Quantity Lubrication) technologies have been studied while turning a Ti-6Al-4V alloy. For the analysis of turning process characteristics, the cutting force, the coefficient of friction, and the surface roughness are measured and analyzed according to varying lubrication and cooling conditions. The experimental results show that combined cryogenic cooling and nanofluid MQL significantly reduces the cutting forces, coefficients of friction and surface roughness when compared to wet condition during the turning process of Ti-6Al-4V.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Table 2에는 실험 설계 결과가 주어져 있으며 냉각조건으로 2수준(상온, 극저온)과 윤활조건으로 2수준(MQL, hBN MQL)을 고려하여 총 6가지의 실험 경우를 도출하였다.
본 연구에서는 수평형 선반에 극저온 냉각 및 hBN 나노유체 극미량 윤활 시스템을 구성하여 윤활 및 냉각조건 변화에 따라 총 6가지 실험을 설계 후 선반절삭가공 특성평가를 수행하였다. 가공특성 평가를 위한 관측인자로는 절삭력, 마찰계수, 표면거칠기를 선정하였고 실험 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
공구의 경사각(α)은 -5o이며 강도가 비교적 높은 난삭재인 티타늄합금의 가공을 수행하기 위해 음(−)의 경사각을 적용하였다.
절삭가공 공정에서 가공면의 표면거칠기는 제품의 최종 품질과 아주 밀접한 연관이 있기 때문에 가공성능 평가에 있어서 주요한 관측인자이다. 따라서 본 실험을 진행한 후 가공이 완료된 티타늄 합금 시편에 3D 레이저 스캐닝 현미경(VK-X Series, Keyence)을 적용하여 가공면의 표면거칠기를 측정하였다. 이 때 표면거칠기는 중심선 평균거칠기인 R_a 값으로 나타내었다.
공구 홀더를 통해 공급된 액화질소는 홀더 내부를 순환한 후 배출된다. 또한 가공 시 X, Y, Z축 방향의 절삭력 측정을 위해서 3축 공구동력계(Multicomponent Dynamometer Type 9275B, Kistler)를 사용하였다. MQL 분사노즐은 공구와 소재 사이에서 45^o의 분사 각도 및 30 mm의 분사거리를 갖도록 설치되었다.
본 실험을 통한 티타늄 합금의 선반 절삭가공 특성 분석을 위한 관측인자로 절삭력, 마찰계수, 표면거칠기를 선정하였으며 냉각 및 윤활 조건에 따라 측정한 실험 결과를 분석 하였다.
본 연구에서는 수평형 선반에 극저온 냉각 및 hBN 나노유체 극미량 윤활 시스템을 구성하여 윤활 및 냉각조건 변화에 따라 총 6가지 실험을 설계 후 선반절삭가공 특성평가를 수행하였다. 가공특성 평가를 위한 관측인자로는 절삭력, 마찰계수, 표면거칠기를 선정하였고 실험 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 육방정 결정구조를 가지며 윤활성이 뛰어난 hBN (Hexagonal Boron Nitride) 입자를 식물성 오일에 첨가해 제조된 나노유체를 절삭유로 활용한 나노유체 MQL 및 액체질소를 활용한 극저온 냉각 기반 티타늄 합금의 선반 절삭 가공시스템을 구성하였고 총 6가지 실험을 설계한 후 윤활 및 냉각조건에 따른 선반 절삭가공의 특성평가를 수행하였다. 실험 결과를 통해 극저온 냉각과 나노유체 MQL을 동시에 적용한 경우의 선반절삭가공 시 절삭력의 감소, 마찰계수의 감소 및 표면거칠기의 개선효과를 확인하였다.
25 mm/rev, 2 mm이다. 선반 절삭 가공실험의 절삭조건은 공구 제조사의 권장조건과 기초 실험을 통해 선정하였고 절삭길이는 70 mm로 외경 정삭 가공을 수행하였다. 극저온 조건 실험을 위해 액체질소(LN2)는 1.
절삭력 측정을 위해서 3축(X, Y, Z) 공구동력계를 이용하였으며 절삭력 측정 시 신호 데이터의 Sampling Rate는 1 kHz이다. 수집한 절삭력 신호에 Moving Average 기법을 적용하여 각 실험 경우에 있어서 X, Y, Z 축 방향의 절삭력을 구하였다. Fig.
실험 수행에 있어서 Wet 조건에서는 Flood 방식으로 공급되는 수용성 절삭유를 사용하였고 MQL과 hBN MQL 조건에서는 극미량 미스트 형태로 식물성 오일 절삭유를 분사하였다. LN2 조건에서는 액체질소가 외부 공급탱크에서 노즐을 통해 공구 홀더에 공급되었다.
액체질소의 적용을 통한 냉각 효과의 확인을 위해 선반 절삭가공 실험에 있어서 공구인 인서트 내에 장착된 열전대를 이용하여 각 실험 경우에 있어서의 온도를 측정하였다. 액체질소를 사용한 경우인 LN2, LN2 + MQL, LN2 + hBN MQL 조건에 있어서 측정온도는 각각 215^oC, 226^oC, 222^oC이며, 이는 액체질소를 사용하지 않은 MQL 및 hBN MQL 조건의 측정온도보다 약 150^oC가 낮다.

대상 데이터

Fig. 2에 주어져 있듯이 가공소재는 지름 50 mm의 원통형 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)으로 스핀들에 수평으로 고정시켰으며 선반 절삭공구는 PVD 코팅 인서트(CNMG 12 04 08-SM, Sandvik)로 공구 홀더에 장착하였다. 공구 홀더를 통해 공급된 액화질소는 홀더 내부를 순환한 후 배출된다.
MQL 미스트 분사장치는 유량 0.04 - 200 ml/min의 범위로 가공영역에 공급되며 윤활유로 사용한 나노유체(hBN 0.5 wt.%)의 제조를 위해 식물성 오일(NEO-01, NAOMI TECH)과 초음파분산기(VCX 750, Sonic&Materials)가 사용되었다.
선반 절삭 가공실험의 절삭조건은 공구 제조사의 권장조건과 기초 실험을 통해 선정하였고 절삭길이는 70 mm로 외경 정삭 가공을 수행하였다. 극저온 조건 실험을 위해 액체질소(LN2)는 1.5 MPa의 압력으로 공급되었다. MQL 분사를 위해 식물성오일과 hBN 나노유체(0.
1과 같이 구성하였다. 선반 절삭가공 실험 시스템은 터닝센터(HT 1200, DOOSAN)와 이송 및 제어장치(Vision 640i, DOOSAN) 그리고 데이터 획득 장치(Multichannel Charge Amplifier Type 5070, Kistler)로 구성하였고 가공 시 냉각 및 윤활을 위한 외부장치는 MQL 미스트 분사장치(UNIMA202F, UNIST)와 액화질소 공급탱크(XL-45, Taylor Wharton)이다. MQL 미스트 분사장치는 유량 0.
Table 1에는 선반 절삭가공 실험 조건이 주어져 있다. 실험에서 사용된 소재는 티타늄 합금이고 공구는 PVD 코팅 카바이드 인서트이며 절삭속도, 이송량 및 절삭깊이는 각각 60 m/min, 0.25 mm/rev, 2 mm이다. 선반 절삭 가공실험의 절삭조건은 공구 제조사의 권장조건과 기초 실험을 통해 선정하였고 절삭길이는 70 mm로 외경 정삭 가공을 수행하였다.

이론/모형

가공 시 마찰에 의한 영향을 분석 하기 위해서 3차원인 선반 절삭가공 공정을 2차원의 직교절삭으로 근사화 시킨 후 Merchant의 Cutting Force Circle 이론을 이용하여 가공 시의 마찰계수를 계산하였다.¹⁰ Cutting Force Circle 이론을 통해 식(1)과 식(2)의 관계식이 유도되었고 공구와 소재 사이에 작용하는 마찰계수를 식(3)을 통해 계산하였다.

성능/효과

(1) 절삭유의 사용 없이 극저온 액체질소 냉각만을 적용한 LN2 조건에서 절삭력, 마찰계수, 표면거칠기 분석결과 가공성능이 좋지 않은 것을 공통적으로 확인하였는데 이는 냉각작용은 유효하나 윤활작용의 부재로 인해 가공영역의 공구와 소재의 취성화를 야기하여 돌발적인 공구 파손, 마찰 증가, 표면거칠기 악화를 초래한 것으로 추정된다.
(2) 액체질소 기반 극저온 냉각과 순수 절삭유 및 hBN 나노유체의 극미량 분사를 동시에 적용한 경우는 절삭력, 마찰계수, 표면거칠기 관점의 특성 평가에 있어서 개선효과가 최대화됨을 확인하였는데 이는 액체질소에 의한 극저온 냉각을 통해 공구와 소재사이의 온도 상승을 억제하고 절삭유/나노유체 극미량 윤활을 통한 마찰 감소로 인해 얻는 효과로 판단된다.
Fig. 3에서 알 수 있듯이 Wet 조건과 비교하였을 때 극미량 분사를 적용한 MQL 및 hBN MQL 조건에서 각각 4.3%, 6.6%의 절삭력 감소를 확인할 수 있었다. 그리고 액체질소 냉각과 극미량 절삭유 윤활을 동시에 적용한 LN2 + MQL 및 LN2 + hBN MQL 조건에서는 각각 6.
Fig. 7에 주어진 정량적 표면거칠기 값 비교에 있어서 Wet 조건과 대비했을 때 LN2 및 MQL 조건에서는 표면거칠기 개선효과가 좋지 않은 것을 확인할 수 있었고, 특히 LN2 조건은 광학 현미경 사진 분석 결과에서 확인했듯이 표면이 떨어져 나간 영향으로 표면거칠기 값이 가장 높게 측정되었다. 이를 통해 절삭유의 사용 없이 액체질소 냉각만을 사용했을 때는 오히려 가공성능에 좋지 않은 영향을 미친다는 것을 다시 한 번 확인하였다.
MQL 조건과 hBN MQL 조건에서는 Wet 조건 대비 마찰계수가 각각 7.7%, 13.3% 감소하였고 특히 나노유체 극미량 윤활을 사용한 hBN MQL 조건이 다른 실험조건에 비해 가장 낮은 마찰계수를 나타내었다.
MQL 조건과 hBN MQL 조건을 비교했을 때 식물성오일에 나노입자를 첨가한 hBN MQL 조건이 Wet 조건 대비 표면거칠기 개선효과가 더 좋은 것을 확인하였다. 이는 앞서 분석한 절삭력과 마찰계수 분석 결과와도 일치한다.
6%의 절삭력 감소를 확인할 수 있었다. 그리고 액체질소 냉각과 극미량 절삭유 윤활을 동시에 적용한 LN2 + MQL 및 LN2 + hBN MQL 조건에서는 각각 6.6%, 8.1%의 절삭력 감소를 확인할 수 있다. 이를 통해 액체질소 냉각과 나노유체 극미량 윤활을 동시에 적용한 LN2 + hBN MQL 조건에서 가장 큰 절삭력 감소 효과가 있는 것으로 확인되었다.
또한 액체질소 냉각과 극미량(나노유체) 절삭유 윤활을 동시에 적용한 LN2 + MQL 및 LN2 + hBN MQL 조건에서도 각각 11.5%, 8.7%의 마찰계수 감소효과가 있는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에 주어진 연구 결과를 통해 일반 식물성오일에 나노입자를 첨가한 나노유체 극미량 분사 및 액체질소 냉각 분사를 동시에 적용한 경우 적절한 냉각과 윤활이 이루어져 난삭재인 티타늄 가공에 있어서 가공 성능이 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 육방정 결정구조를 가지며 윤활성이 뛰어난 hBN (Hexagonal Boron Nitride) 입자를 식물성 오일에 첨가해 제조된 나노유체를 절삭유로 활용한 나노유체 MQL 및 액체질소를 활용한 극저온 냉각 기반 티타늄 합금의 선반 절삭 가공시스템을 구성하였고 총 6가지 실험을 설계한 후 윤활 및 냉각조건에 따른 선반 절삭가공의 특성평가를 수행하였다. 실험 결과를 통해 극저온 냉각과 나노유체 MQL을 동시에 적용한 경우의 선반절삭가공 시 절삭력의 감소, 마찰계수의 감소 및 표면거칠기의 개선효과를 확인하였다.
액체질소 냉각과 미스트 형태의 극미량 절삭유 윤활을 동시에 적용한 LN2 + MQL 및 LN2 + hBN MQL 조건에서는 MQL 및 hBN MQL 조건과 비교했을 때 표면거칠기 값이 더욱 감소하는 것을 확인할 수 있다. 특히 LN2 + hBN 조건에서는 Wet 조건과 비교하였을 때 표면거칠기 값이 65.
1%의 절삭력 감소를 확인할 수 있다. 이를 통해 액체질소 냉각과 나노유체 극미량 윤활을 동시에 적용한 LN2 + hBN MQL 조건에서 가장 큰 절삭력 감소 효과가 있는 것으로 확인되었다.
7에 주어진 정량적 표면거칠기 값 비교에 있어서 Wet 조건과 대비했을 때 LN2 및 MQL 조건에서는 표면거칠기 개선효과가 좋지 않은 것을 확인할 수 있었고, 특히 LN2 조건은 광학 현미경 사진 분석 결과에서 확인했듯이 표면이 떨어져 나간 영향으로 표면거칠기 값이 가장 높게 측정되었다. 이를 통해 절삭유의 사용 없이 액체질소 냉각만을 사용했을 때는 오히려 가공성능에 좋지 않은 영향을 미친다는 것을 다시 한 번 확인하였다.
표면거칠기 분석을 통해 앞서 분석한 절삭력과 마찰계수 분석과 마찬가지로 극저온 냉각과 hBN 나노유체 극미량 윤활을 동시에 적용한 경우 냉각과 윤활이 동시에 효과적으로 적용되어 표면거칠기 개선효과가 최대화됨을 확인할 수 있었고 극저온 냉각과 순수 절삭유 극미량 윤활이 동시에 적용된 경우도 상당한 표면거칠기 개선효과가 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	티타늄 합금의 특징은?	최근 항공, 우주, 의료 산업에서 티타늄 합금은 높은 강도, 내부식성 등의 우수한 기계적 성질로 인해 널리 사용되고 있지만 낮은 절삭성으로 인해 가공하기 어려운 난삭재로 분류되고 있다.1
	나노유체 MQL 가공 기술의 어떤 단점 때문에 액체질소 냉각 방식이 연구되고 있는가	그러나 이러한 절삭유 및 나노유체 사용만으로는 가공 시 발생하는 열을 냉각시키기 부족하기 때문에 액체질소(Liquid Nitrogen, LN2) 냉각을 이용하여 극저온 조건에서 가공하는 극저온 냉각 가공 기술 또한 활발하게 연구 중이다. Venugopal 등은 극저온 냉각 조건에서 티타늄 합금 선반 절삭가공 시 공구마모 감소효과를 확 인하였고7 Yap 등도 극저온 냉각 조건에서 탄소강의 선반 절삭가공 시 마찰계수 감소 및 칩 형상 개선 효과를 확인하였다.
	티타늄 합금이 낙삭재로 분류되는 이유는?	최근 항공, 우주, 의료 산업에서 티타늄 합금은 높은 강도, 내부식성 등의 우수한 기계적 성질로 인해 널리 사용되고 있지만 낮은 절삭성으로 인해 가공하기 어려운 난삭재로 분류되고 있다.1

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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