[논문]티타늄 합금 소재 저속 영역 극저온 가공 특성 연구

김도영; 김동민; 박형욱

doi:10.7736/kspe.2017.34.4.237

티타늄 합금 소재 저속 영역 극저온 가공 특성 연구
Study on Characteristics of Cryogenic Machining Process of Titanium Alloy at a Low Cutting Speed 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.34 no.4, 2017년, pp.237 - 241

김도영 (울산과학기술원 기계공학과) , 김동민 (울산과학기술원 기계공학과) , 박형욱 (울산과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Cryogenic machining uses liquid nitrogen (LN2) as a coolant. This machining process can reduce the cutting temperature and increase tool life. Titanium alloys have been widely used in the aerospace and automobile industries because of their high strength-to-weight ratio. However, they are difficult to machine because of their poor thermal properties, which reduce tool life. In this study, we applied cryogenic machining to titanium alloys. Orthogonal cutting experiments were performed at a low cutting speed (1.2 - 2.1 m/min) in three cooling conditions: dry, cryogenic, and cryogenic plus heat. Cutting force and friction coefficients were observed to evaluate the machining characteristics for each cooling condition. For the cryogenic condition, cutting force and friction coefficients increased, but decreased for the cryogenic plus heat condition.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(1) ‘건식’, ‘극저온’, ‘극저온 + 소재 가열’ 조건에서 직교 절삭 가공 실험이 수행되었다.
M&I CNC사의 Desk CNC를 사용하여 실험을 진행하였고, 가공 속도는 실험 장비의 이송 속도를 통해 구현되었다.
위 공구동력계는 절삭 방향 기준 5 kN까지 측정 가능하다. 가열 판 및 액체 질소에 의한 공구동력계의 손상 및 오류 발생을 최소화하기 위해, 공구동력계와 가열 판 사이에 테프론 소재로 제작된 보호 판을 위치시켰다. 실험 장치의 전체적인 구성은 Fig.
극저온 가공 시 절삭 가공 특성을 파악하기 위해, 다양한 절삭유 분사 조건에서 극저온 직교 절삭 가공 실험을 수행하였다. 절삭 부하 및 마찰 계수가 결과 값으로 사용되었다.
다양한 가공 속도 조건의 직교 절삭 가공 실험에서 가공 소재 하단에 부착된 공구동력계를 통한 절삭 부하 측정이 수행되었다. 두 방향에 위치하는 절삭 부하가 측정되었으며, 이에 해당하는 절삭 부하는 Fc(Cutting Force)와 Ft(Thrust Force)이다.
본 연구는 총 세 가지 절삭유 분사 조건에서 실험이 수행되었다. ‘건식(Dry)’ 조건은 절삭유를 사용하지 않는 공정이다.
일반적인 티타늄 가공의 경우 고속 영역에서 가공 실험이 수행되어, 저속 영역에서의 절삭 메커니즘에 대한 연구가 부족하다. 본 연구에서는 2.1 m/min 이하의 저속 영역에서 극저온 직교 절삭 가공 실험이 수행되었다. 저속 영역에서 절삭이 이루어 지는 경우, 낮은 칩 배출 속도가 나타난다.
본 연구에서는 Ti-6Al-4V 소재에 대해 극저온 직교 절삭 가공 실험 수행 후, ‘건식’ 조건과 그 결과 값을 비교 분석하였다.
‘극저온 + 소재 가열(Cryogenic + Heat)’ 조건은 가공 소재를 특정 온도로 가열 시킨 후 극저온 가공을 수행하는 공정이다. 이를 위해, 구리 소재로 이루어진 가열 판을 제작하였고, 가공 시편 하단 부에 해당 가열 판을 부착하였다. 가열 판은 중심부에 직경 10 mm의 구멍 2개를 갖는다.
해당 구멍에 가열 기구를 삽입하여, 가열 판의 온도를 조절한다. 절삭 가공 시 발생하는 절삭 부하를 측정하기 위해, 가열 판의 하단에 공구동력계(KISTLER, Type 9257B)를 부착하였다. 위 공구동력계는 절삭 방향 기준 5 kN까지 측정 가능하다.
총 세 가지(‘건식’, ‘극저온’, ‘극저온 + 소재 가열’)의 조건에서 연구를 수행하였으며, 가공 시 발생하는 절삭 부하 및 공구와 칩 사이 마찰 계수를 도출하였다.

대상 데이터

절삭 공구는 SANDVIK사의 초경(Non-Coating) 재종의 공구가 사용되었다. 액체 질소 분사 노즐의 경우, 아세탈 소재를 사용 하여 제작되었다. 분사 직경을 2.
적절한 액체 질소의 유입은 극저온 가공의 효과를 명확히 보여 줄 수 있다. 위 실험에서는 대표적인 티타늄 합금 소재인 Ti-6Al-4V 소재가 사용되었다. 총 세 가지(‘건식’, ‘극저온’, ‘극저온 + 소재 가열’)의 조건에서 연구를 수행하였으며, 가공 시 발생하는 절삭 부하 및 공구와 칩 사이 마찰 계수를 도출하였다.
절삭 공구는 SANDVIK사의 초경(Non-Coating) 재종의 공구가 사용되었다. 액체 질소 분사 노즐의 경우, 아세탈 소재를 사용 하여 제작되었다.
직교 절삭 가공 실험을 수행하기 위해, Ti-6Al-4V 소재 기준 시편을 제작하였다. 가공 영역의 절삭 두께를 1 mm로 고정하였다.

데이터처리

총 세 가지(‘건식’, ‘극저온’, ‘극저온 + 소재 가열’)의 조건에서 연구를 수행하였으며, 가공 시 발생하는 절삭 부하 및 공구와 칩 사이 마찰 계수를 도출하였다. 각 조건 별로 도출된 결과 값들에 대해 비교 분석을 수행하였다.

성능/효과

(2) ‘건식’ 조건에 비해 ‘극저온’ 조건에서 높은 절삭 부하 및 마찰 계수가 나타났다.
(3) ‘건식’ 조건에 비해 ‘극저온 + 소재 가열’ 조건에서 낮은 절삭 부하 및 마찰 계수가 나타났다.
(4) 가공 속도의 변화는 절삭 부하 및 마찰 계수에 영향을 미치지 않았다.
따라서 Ti-6Al-4V 소재 절삭 가공 시 공구 수명 향상을 위해, ‘극저온 + 소재 가열’ 조건에서 해당 공정을 수행하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
측정된 마찰 계수는 절삭유 분사 조건에 따라 큰 변화가 나타 났다. ‘극저온’ 조건의 경우, ‘건식’ 조건에 비해 마찰 계수가 55.

후속연구

고속 영역에서의 티타늄 합금 가공 실험을 수행하고, 위 조건의 영향력 여부에 대한 분석 연구가 요구된다. 분석 결과를 토대로 최적 분사 조건을 도출할 필요성이 있다.
추후 연구 진행에서는 ‘극저온 + 소재 가열’ 조건에서의 공기층 형성 여부에 관한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	티타늄 합금의 특징은 무엇인가?	티타늄 합금은 우수한 기계적 물성으로 인해 항공 및 자동차 산업에서 각광을 받는 소재이다. 하지만, 해당 합금은 낮은 열전 도도를 가진 소재로, 절삭 가공 시 높은 가공 열이 발생하고, 이는 공구 수명 감소 현상을 초래한다.
	난삭재에서 공구 수명 감소 현상을 해결하기 위해 어떠한 방법을 사용하는가?	난삭재란 소재 특성상 절삭 가공이 어려운 소재를 일컫는다. 난삭재에 발생하는 위 문제를 해결하기 위해 습식 가공, CO2 분사 가공, (Minimum Quantity Lubrication, MQL) 분사 가공 등의 가공 방법들이 소개되고 있으며, 그 중 하나가 극저온 가공이다.
	티타늄 합금의 단점은 무엇인가?	티타늄 합금은 우수한 기계적 물성으로 인해 항공 및 자동차 산업에서 각광을 받는 소재이다. 하지만, 해당 합금은 낮은 열전 도도를 가진 소재로, 절삭 가공 시 높은 가공 열이 발생하고, 이는 공구 수명 감소 현상을 초래한다.1-3 이러한 특성으로, 티타늄 합금은 난삭재로 분류되어 있다.

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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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