[논문]항공용 티타늄 합금 가공 공정의 지속가능성 평가

이진혁; 김호영; 윤해성

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.12.073

항공용 티타늄 합금 가공 공정의 지속가능성 평가
Sustainability Analysis in Titanium Alloy Machining 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.12, 2019년, pp.73 - 81

이진혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 김호영 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 윤해성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium alloys have been spotlighted in numerous industries owing to their superior mechanical properties, such as high specific strength. However, the high heat and wear resistance of titanium alloys also lower their machinability and limit the wider application of the material. Many researchers have investigated the processing of titanium alloys, and it is required to evaluate the effectiveness and efficiency of developed technologies. From this perspective, this research studied sustainability in titanium alloy machining. The power consumption of the machine was measured during the process and analyzed in terms of process parameters and individual machine components. Here, an end mill specially designed for titanium was also investigated and compared with a general-purpose cutting tool. Based on the experimental results, a model was constructed to predict the power consumption of the overall process. It is expected that this study will contribute to the more effective and efficient processing of titanium alloys.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가공 공정의 지속가능성을 평가하기 위해, 이 연구에서는 범용공구와 티타늄 전용공구를 이용하여 다양한 가공 조건에서 티타늄 합금 가공 시 전력과 표면 조도의 변화를 분석하였다. 이를 통해 전력 소모를 예측할 수 있는 경험 모델을 구축하고 최적가공 조건을 도출할 수 있었다.
이러한 결과를 바탕으로 추후에는 보다 다양한 난삭재 가공 공정과 함께 에너지 저감 기법에 관한 연구를 진행할 계획이다. 가공 조건의 조정과 더불어 기계설계 개선 등 다양한 저감 전략을 시험해보고자 한다. 예컨대 이 연구에서는 상시 구동되는 절삭유 펌프가 전체 전력 소모의 26% 정도를 차지하였는데, 이를 적절하게 제어할 수 있다면 가공품질을 잃지 않으면서 보다 효율적인 가공을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
연구를 통해 절삭 가공 시 소모되는 전력을 다양한 조건에서 분석하여 공구 특성에 따른 가공품질과 전력 소모 특성을 비교함으로써, 전력 소모를 예측할 수 있는 모델을 개발하고 나아가 보다 지속 가능한 가공전략을 개발하고자 하였다.
이러한 관점에서, 이 연구는 다양한 가공 조건에 따른 표면 조도와 전력 소모 변화를 분석하여 경험 모델을 구성하고, 공정의 지속가능성 데이터를 확보하고자 하였다. 이 과정에서 일반적인 금속 가공에 널리 이용되는 범용공구(논문에서 generalpurpose tool로 표기)와, 특별히 설계된 티타늄 전용공구(논문에서 specially designed tool로 표기)의 성능과 전력 소모를 비교함으로써 티타늄 가공 공정의 지속가능성을 평가하였다.
한편, 가공 조건별로 전력 소모는 대단히 유의미한 변화를 보였으며, 이에 가공 조건을 변수로써 임의의 조건에서 전력 소모를 예측할 수 있는 모델을 구성하고자 하였다. 우선 실험을 통해 측정하는 전력은 배전반에서 측정하여 장비 전체가 소모하는 전력이므로, 장비 구동에 이용되는 기계 전력(P_MACHINE)과 순수하게 가공 공정에서 비롯되는 절삭 전력(P_CUTTING)으로 나누어^[6] 각각을 분석하였다.

제안 방법

다양한 가공 조건에서 가공성 변화를 관찰하기 위해 가공 변수로 주축 회전속도, 이송속도, 절삭 깊이(ap), 절삭 폭(ae) 4가지를 선정하였고, Table 1에 나와 있는 바와 같이 3수준의 실험을 1/3반복 일부실시법으로 수행(각 공구당 27개 실험 조건, 각 조건당 3회 반복)하였다.
한편, 재료제거율에 대한 전체 비에네지의 데이터를 활용하여 에너지 관점에서 최적의 가공전략을 도출하였다. 4가지 가공인자에 따른 전체 비에너지를 모델링하고, 민감도 분석을 통해 각각 인자의 영향을 분석하였다. 식 (2)와 (3)에서 볼 수있듯, 전체 비에너지 관점에서 가공 시 주축 회전속도는 낮을수록, 이송속도는 높을수록 단위 부피의 제거 당 소모되는 에너지는 증가하는 경향을 보였다.
, Japan)를 사용하였고 모재로는 150× 150× 10t (mm) 크기의 항공용 Ti-6Al-4V (ASTM B265 Grade 5, SejinTitanium, Korea)을 사용하였다. 공구로는 Fig. 2에 나온 바와 같이 범용 엔드밀(TSE-4120M-TT5515, TaeguTec Ltd., Korea)과 티타늄 가공 전용으로 개발 된 부등분할 엔드밀(SED-4120U-TT5515, TaeguTec Ltd., Korea)을 각각 사용하고 공구에 의한 차이를 관찰하고자 하였다. 공구의 제품 번호에 나와있듯, 4날의 직경 12 mm 엔드밀이며 재종은 TT5515로 동일하나 공구 형상에서 다소 차이를 갖는다.
. 그래프에서 관찰되는 peak은 테이블, 혹은 주축의 급가속/감속에서 관찰되며, 때로는 3상 전력시스템에서 마치 음의 전력을 소모하는 것과 같이 표현되기도 하나, 이 연구에서는 특정 동작 중의 평균값을 취하여 기계 전력 모델을 구성하였다.
아울러 지속가능성 평가를 위해 전력량계(PAC4200, Siemens Industry Inc., ermany)를 공작기계의 배전반에 부착하여 기계 전체의 사용 전력을 측정하였고, 가공성 평가의 지표로써 표면 조도 측정기(stylus-tip radius 2 υm , SJ-410, Mitutoyo Corp., Japan)로 가공된 표면의 거칠기를 측정하였다.
3의 그래프는 임의의 다섯 가지 가공 조건에 따른 표면 조도를 공구 종류별로 나타낸 것이다. 언급하였듯 하나의 가공 조건에서 3회의 반복실험을 진행하였고, 이때의 표면 조도 평균과 표준 편차를 나타내었다.
에너지 관점에서 최적의 가공전략을 도출하기 위해, 재료제거율(material removal rate, MRR)에 따른 절삭 전력과 단위 부피 제거 당 소모되는 비에 너지(specific energy)를 비교하였다.
우선 기계 전력 모델을 구성하기 위해, 장비가 일정 동작을 반복하게 하고 단순히 장비를 켰을 때 일정하게 소모되는 기본전력(P_BASIC)과 동작 시 소모되는 전력을 비교함으로써 특정 동작에 드는 전력을 분석하였다.
한편, 가공 조건별로 전력 소모는 대단히 유의미한 변화를 보였으며, 이에 가공 조건을 변수로써 임의의 조건에서 전력 소모를 예측할 수 있는 모델을 구성하고자 하였다. 우선 실험을 통해 측정하는 전력은 배전반에서 측정하여 장비 전체가 소모하는 전력이므로, 장비 구동에 이용되는 기계 전력(P_MACHINE)과 순수하게 가공 공정에서 비롯되는 절삭 전력(P_CUTTING)으로 나누어^[6] 각각을 분석하였다.
이러한 관점에서, 이 연구는 다양한 가공 조건에 따른 표면 조도와 전력 소모 변화를 분석하여 경험 모델을 구성하고, 공정의 지속가능성 데이터를 확보하고자 하였다. 이 과정에서 일반적인 금속 가공에 널리 이용되는 범용공구(논문에서 generalpurpose tool로 표기)와, 특별히 설계된 티타늄 전용공구(논문에서 specially designed tool로 표기)의 성능과 전력 소모를 비교함으로써 티타늄 가공 공정의 지속가능성을 평가하였다. 사용된 티타늄 전용 공구는 특히 가공 시 진동을 억제하기 위해 절삭날이 부등분할(unequal division) 되고 고 헬릭스각(high helix angle)을 갖도록 설계된 공구이다 (Fig.
최적점에서 모델로써 계산한 비에너지가 최소가 되는 경향을 분석하기 위해, 절삭 영향과 장비영향을 분리하였다. Fig.
한편, 재료제거율에 대한 전체 비에네지의 데이터를 활용하여 에너지 관점에서 최적의 가공전략을 도출하였다. 4가지 가공인자에 따른 전체 비에너지를 모델링하고, 민감도 분석을 통해 각각 인자의 영향을 분석하였다.

대상 데이터

장비로는 3축 공작기계 (ROBODRILL -K10C, FANUC Corp., Japan)를 사용하였고 모재로는 150× 150× 10t (mm) 크기의 항공용 Ti-6Al-4V (ASTM B265 Grade 5, SejinTitanium, Korea)을 사용하였다.

성능/효과

(rpm)은 주축의 회전속도, [coolant]는 절삭유 펌프의 구동 여부(1 (구동) 또는 0 (구동 안함)), feedz+와 feedz-는 각각 양과 음의 방향으로 z축의 구동 속도이다. x, y축을 움직이는 경우는 속도에 상관없이 추가 전력 소모가 무시할 만 하였다.
식 (2)와 (3)에서 feed는 절삭 방향으로의 이송 속도이다. 공구에 따라 계수의 차이가 일부 있었으며, 특히 절삭 폭과 깊이의 교호작용이 있는 것으로 분석되었다. 식에서는 모든 변수가 0일 때 음의 값을 갖도록 표현되었는데, 이는 보간 식을 구성할 때 나오는 값으로서 수백 W에 이를 수 있는 절삭 전력 값의 범위와 비교하였을 때 오차 전력 범위 안에 포함될 수 있는 값으로 사료된다.
가공 시 절삭유 펌프가 항상 구동되고 있어 여기서는 약 520 W 정도를 상시 소모하며, 절삭으로 야기되는 부하로부터 추가 전력을 소모하고 그 차이로써 절삭 전력 모델을 구성할 수 있다. 공구에 따른 절삭 전력의 차이는 크지 않으나, 티타늄 전용공구가 범용공구에 비해 약 10-50W의 전력을 더 소모하는 것으로 관찰되었다.
그래프에서 범용공구와 티타늄 전용공구의 결과를 비교하면 평균값의 차이는 전체적으로 미미한 수준이지만 결과의 편차에서 다소 차이가 있으며, 특히 범용공구에서 비교적 큰 편차의 표면 조도값이 측정되었다. 이는 두 공구가 절삭날 반경 (edge radius)에서는 크게 차이가 없으나, 전용공구의 부등분할 및 고 헬릭스각이 절삭진동을 억제하는데 효과가 있어^[5], 공정을 안정화했기 때문으로 사료된다.
49%로 범위 중 최댓값을 가질 것으로 예상된다. 그러나 최적점보다 재료 제거율을 증가시킬 경우 비에너지의 비율이 범용공구 51.07%, 티타늄 전용공구가 54.88%로 다소 감소하였다. 이는 재료제거율이 감소했을 때도 마찬가지이며, 전체 비에너지에서 기계 전력의 영향을 최소화함으로써 에너지를 저감할 수 있음을 알 수 있다.
또한 최적 조건의 가공 조건과 실험의 기준이 되었던 0수준의 중간 가공 조건(750 rpm, feed 80 mm min^-1, a_p: 2mm, a_e: 7mm)과의 조합을 비교하였을 때, 최적점에서 소모되는 비에너지는 0수준 가공 조건 대비 범용공구 42.32%, 티타늄 전용공구 43.33%의 저감이 있었다.
예측값의 peak는 급속이송에서 비롯되었으며, 공구가 모재에 접촉하는 순간부터 완전히 절입되는 순간 사이에서 다소간의 오차를 가진다. 모델을 분석한 결과, 범용공구에 대한 정확도가 96.89%, 티타늄 전용공구에 대한 정확도가 97.64%로, 구성된 모델로써 공구에 상관없이 전력을 잘 예측할 수 있었다.
이러한 결과를 종합하였을 때, 표면 조도는 가공 변수에 따라 유의미한 차이를 보이지 않았으나, 범용공구 대비 전용공구가 보다 일정하게 우수한 품질을 보임을 알 수 있다.
가공 공정의 지속가능성을 평가하기 위해, 이 연구에서는 범용공구와 티타늄 전용공구를 이용하여 다양한 가공 조건에서 티타늄 합금 가공 시 전력과 표면 조도의 변화를 분석하였다. 이를 통해 전력 소모를 예측할 수 있는 경험 모델을 구축하고 최적가공 조건을 도출할 수 있었다. 같은 조건에서 티타늄 전용공구는 범용공구 대비 10-50 W의 전력을 추가로 소모하나, 이는 전용공구의 기하학적 특성인 고 헬릭스각에 의한 것이며 전체 소모 전력인 500-900 W 대비 비교적 작은 수준이다.
총 전력이 최소가 되는 조건은 범용공구 와 티타늄 전용공구 모두 재료제거율이 가장 작은 조건으로 선정되었으나, 비에너지가 최소가 되는 가공 조건은 민감도 분석에서의 최적점이 선정되었다.
42%를 차지했다. 최적조건에서는 전체 비에너지 대비 가공 비에너지의 비율이 범용공구 65.56%, 티타늄 전용공구 68.49%로 범위 중 최댓값을 가질 것으로 예상된다. 그러나 최적점보다 재료 제거율을 증가시킬 경우 비에너지의 비율이 범용공구 51.

후속연구

그러나 주어진 실험 범위내에서 절삭 폭과 깊이의 교호작용이 있어 무작정 재료제거율을 증가시키는 것이 에너지효율을 높인다고 보기 어려우며, 또한 더 험한 가공 조건의 사용은 공구마모 증가에 큰 영향을 미칠 것이다. 실제로 보다 높은 재료제거율의 가공 조건을 실험하려 하였으나, 일부 조건에서 급작스러운 공구 파손이 발생하여 보다 넓은 범위의 가공 조건의 영향을 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
가공 조건의 조정과 더불어 기계설계 개선 등 다양한 저감 전략을 시험해보고자 한다. 예컨대 이 연구에서는 상시 구동되는 절삭유 펌프가 전체 전력 소모의 26% 정도를 차지하였는데, 이를 적절하게 제어할 수 있다면 가공품질을 잃지 않으면서 보다 효율적인 가공을 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 연구를 통해 가공 공정의 지속가능성에 대한 보다 깊은 재고와 함께 보다 효율적인 가공 공정 개발에 기여할 수 있게 되기를 기대한다.
이러한 결과를 바탕으로 추후에는 보다 다양한 난삭재 가공 공정과 함께 에너지 저감 기법에 관한 연구를 진행할 계획이다. 가공 조건의 조정과 더불어 기계설계 개선 등 다양한 저감 전략을 시험해보고자 한다.
예컨대 이 연구에서는 상시 구동되는 절삭유 펌프가 전체 전력 소모의 26% 정도를 차지하였는데, 이를 적절하게 제어할 수 있다면 가공품질을 잃지 않으면서 보다 효율적인 가공을 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 연구를 통해 가공 공정의 지속가능성에 대한 보다 깊은 재고와 함께 보다 효율적인 가공 공정 개발에 기여할 수 있게 되기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	티타늄 합금의 가공 공정상의 문제를 보완하기 위한 연구는 무엇이 있는가?	이렇듯 높은 내열성과 내마모성으로부터 발생하는 가공 공정상의 문제를 보완하기 위하여, 티타늄 합금 전용공구 개발, 레이저 보조 가공(laserassisted machining)을 비롯한 융합공정 개발, 고압분사냉각(high pressure coolant cooling), 극저온냉각(cryogenic cooling) 가공 공정 개발 등 다양한 연구가 이루어져 오고 있다[4].
	티타늄 합금의 장점은?	티타늄 합금은 일반적으로 높은 강도와 내부식성, 무독성, 고온에서의 안전성 등 여러 우수한 특징을 갖고 있으며[1,2], 기계구조에서 생체의료까지 다양한 분야의 주목을 받고 있다. 특히 여타의 금속재료에 비해 대단히 높은 비강도(specific strength)를 가지고 있어 항공우주 분야를 중심으로 재료의 활용을 위해 많은 시도가 이루어져 왔다.
	티타늄 합금 가공 시 전력과 표면 조도의 변화를 범용공구와 비교 분석한 결과는?	이를 통해 전력 소모를 예측할 수 있는 경험 모델을 구축하고 최적가공 조건을 도출할 수 있었다. 같은 조건에서 티타늄 전용공구는 범용공구 대비 10-50 W의 전력을 추가로 소모하나, 이는 전용공구의 기하학적 특성인 고 헬릭스각에 의한 것이며 전체 소모 전력인 500-900 W 대비 비교적 작은 수준이다. 그러나 두 공구로 가공한 품질을 비교하면 전용 공구의 우수성이 잘 드러난다. 수행한 실험 범위내에서 표면 조도를 측정하였을 때 그 평균값은 가공 조건에 따라 유의미한 변화 추세를 보이지 않았고 공구 간 차이도 미미한 편이었으나, 범용공구의 경우 거칠기가 일정하지 않아 비교적 큰 범위의 편차와 함께 큰 버를 발생시켰다. 이는 범용공구 대비 전용공구에서 달라진 기하가 우수한 가공성 확보에 효과가 있음을 보여주는 결과이다. 전력 소모 모델 측면에서는 두 공구 모두 일반적으로 재료제거율이 증가함에 따라 보다 많은 전력을 추가로 소모하였다. 그러나 주어진 실험 범위내에서 절삭 폭과 깊이의 교호작용이 있어 무작정 재료제거율을 증가시키는 것이 에너지효율을 높인다고 보기 어려우며, 또한 더 험한 가공 조건의 사용은 공구마모 증가에 큰 영향을 미칠 것이다. 실제로 보다 높은 재료제거율의 가공 조건을 실험하려 하였으나, 일부 조건에서 급작스러운 공구 파손이 발생하여 보다 넓은 범위의 가공 조건의 영향을 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.

참고문헌 (9)

Kim, G. H., "A Study on Characteristics of Cutting by Conditions in Titanium Machining," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 12, No. 1, pp. 84-89, 2013.

원문보기 상세보기
Bae, M. W., "A Study on Wear Characteristics of Cutting Tools in a Titanium Roughing Cut Machining," Transactions of the KSAE, Vol. 24, No. 1, pp. 67-73, 2016.

원문보기 상세보기
Park, D .G., Kim, T. H., and Jeon, E. C., "Determination of Flow Stress and Cutting Force Prediction of Ti-6Al-4V Material for 3D Printer using S-K Constitutive Equation," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 17, No. 6, pp. 68-74, 2018.

원문보기 상세보기
Shokrani, A., Al-Samarrai, I., and Newman, S. T., 2019, "Hybrid Cryogenic MQL for Improving Tool Life in Machining of Ti-6Al-4V Titanium Alloy," Journal of Manufacturing Processes, Vol. 43, Part A, pp. 229-243, 2019.

상세보기
Sakata, S., Kadota, T., Yamada, Y., Nakanishi, KJ., Yoshioka, H., Suzuki, N., and Kakinuma, Y., "Chatter Suppression in Parallel Turning with Uneuqal Pitch using Obwerver based Cutting Force Estimation," Proceedings of the 12th International Manufacturing Science and Engineering Conference, Vol. 3: Manufacturing Equipment and Systems, ASME, No. V003T04A056, 2017.
Yoon, H. S., Singh, E., and Min, S., "Empirical Power Consumption Model for Rotational Axes in Machine Tools," Journal of Cleaner Production, Vol. 196, pp. 370-381, 2018.

상세보기
Yoon, H. S., Lee, J. Y., Kim, M. S., Kim, E., Shin, Y. J., Kim, S. Y., Min, S., and Ahn, S. H., "Power Consumption Assessment of Machine Tool Feed Drive Units," International Journal of Precision Engineering and Manufacutring-Green Technology, article in press, 2019.
Ozturk, E. Ozkirimli, O., Gibbons, T., Saibi, M., and Turner, S., "Prediction of Effect of Helix Angle on Cutting Force Coefficients for Design of New Tools," CIRP Annals-Manufuring Technology, Vol. 65, Issue 1, pp. 125-128, 2016.

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Zhang, X. Q., Woon, K. S., and Rahman, M., "Comprehensive Materials Processing," Newnes, Vol. 11, pp. 201-220, 2014.

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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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