보고서 정보
주관연구기관 |
한국생산기술연구원 Korea Institute of Industrial Technology |
연구책임자 |
박경희
|
참여연구자 |
안호상
,
이상원
,
박형욱
,
이재형
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2020-11 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO202200006085 |
과제고유번호 |
1415164242 |
사업명 |
기계산업핵심기술개발사업(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-07-30
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키워드 |
극저온 가공.절삭공구.극저온 분사/제어 시스템.항공부품.공구 마모(마멸).액화질소.나노유체 윤활.티타늄.공구수명.가공성.
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초록
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최종목표
o 중절삭용 극저온 가공기 상용화를 위한 항공부품 등 수요기업의 양산부품 실증테스트 및 장비/모듈 사업화
- 수요기업 적용을 위한 극저온 분사/제어 시스템, 유틸리티 및 극저온 가공기 개발
- 다양한 수요부품 대응 극저온/나노MQL 공정기술, 가공프로세스 및 솔루션 개발
- 극저온 가공시스템 현장 적용을 위한 가공공정 분석 및 실증 테스트
개발내용 및 결과
o 극저온 홀더(툴링키트) 개발
- 일반장비에서 극저온 가공을 위한 극저온 홀더(BT, HSK) 성능보완
- 단열 보강
최종목표
o 중절삭용 극저온 가공기 상용화를 위한 항공부품 등 수요기업의 양산부품 실증테스트 및 장비/모듈 사업화
- 수요기업 적용을 위한 극저온 분사/제어 시스템, 유틸리티 및 극저온 가공기 개발
- 다양한 수요부품 대응 극저온/나노MQL 공정기술, 가공프로세스 및 솔루션 개발
- 극저온 가공시스템 현장 적용을 위한 가공공정 분석 및 실증 테스트
개발내용 및 결과
o 극저온 홀더(툴링키트) 개발
- 일반장비에서 극저온 가공을 위한 극저온 홀더(BT, HSK) 성능보완
- 단열 보강, 히터 장착, 베어링 윤활 방법의 개선을 통한 내구성 향상
o 극저온 분사/제어 시스템 상용화를 위한 컴팩트 분사 시스템
- 상용화 Compact 분사 시스템을 위한 상분리기, 압력조절기, Sol 밸브, 압력센서, 제어 핸들, PLC로 구성 최소화
o 다양한 형상가공을 위한 극저온 공급 채널이 구비된 공구
- 수요기업 가공 공정 적용을 위한 Indexable type 공구 개발
- 공구 업체와 연계하여 극저온 가공공구 일부 상용화(YG-1, 발터)
o 극저온 적용을 위한 상용 CAM 기반 툴패스 도출 및 테스트
- 상용 CAM을 이용하여 임펠러 형상 툴패스를 도출, 개발장비의 동시 5축 가공검증
o 극저온 가공기반 수요기업 양산모사 가공테스트 및 최적화
- [엔디티엔지니어링] 항공기 부품(티타늄합금) 가공 공정개선을 통한 극저온 가공 수행, 가공 시간 50% 감소
- [율곡] 항공기 부품(티타늄합금) 모사 가공 테스트 진행, 공구 수명 향상을 위한 기초 테스트 및 가공 경로 최적화, 극저온 냉각 적용, 공구 수명 최대 3배 증가
o 공구 상태 모니터링 시스템 개발
- 스핀들 전류/전압 및 가속도 센서 기반의 가공공정 모니터링 시스템과 가공성 분석 시스템을 통합하여 극저온 최적 가공조건 가이드라인 제시
o SUS304 소재의 극저온 냉각 가공성 테스트
- 스테인레스 스틸(SUS304)의 가공테스트를 통하여 습식 대비 극저온 가공의 공구수명 향상(최적화시 최대 42% 증가)
o 극저온 가공장비 핵심 모듈 성능향상
- 극저온 냉매 이송 배관과 스핀들의 연결부인 로타리 조인트부를 플랙시블 호스방식으로 구조 개선 및 구동부 내구성 향상
o Swivel 헤드타입 5축 극저온 가공기 개발(장비 라인업 추가)
- 빌트인 모터를 적용하여 10,000RPM 이상의 고속 회전이 가능한 스핀들, Swivel 타입의 헤드, 고속형 로타리 테이블을 개발 및 상용화하여 수요부품 대응 범위 확장
- 수요기업 실증을 위한 개발 장비의 가공 테스트
o 부가장치의 개선
- ATC 작동 안정성 및 회전반경 축소로 설치 공간 감소
- 칩과 절삭유의 비산 방지를 위한 Compact full splash 보완
o 가공 정밀도 향상을 위한 장비 특성 분석
- 열 변형에 의한 가공 정밀도 변화 특성을 분석하기 위해 칼럼에 10개의 온도 센서 부착, 가공/정지 상태에서의 온도와 장비의 진직도 측정(1.6~1.4um)을 통한 성능 확인
o 가공장비 자동 워밍업 프로그램 개발
- 워밍업 프로그램을 통해 장비의 정밀도를 최적 상태로 준비, 장비 휴지 기간에 따라 프로그램 작동 범위 자동 변경
o 장시간 극저온 가공테스트를 통한 장비 성능 확인
- 다수의 수요기업 부품 가공 테스트를 통한 극저온 가공기 실증 및 내구성 검증 (부품당 전체 가공 시간 578분)
o 현장 적용을 위한 나노유체 연속 공급 모듈 개발
- 대용량 나노유체 저장 탱크, 자동 급유, 나노입자 침전 방지 교반 장치, 나노유체 유량 레벨 경고, 나노유체 분사 유량 조절 기능을 갖춘 나노유체 분사 시스템 개발
- 분사 유량 조절 값과 분사 노즐의 수, 노즐 홀의 직경에 따른 분사 속도/압력 측정 및 테스트
o 극저온 기반 나노유체 MQL 테스트 조건 실증
- 제품 형상과 가공 경로/공구에 따른 나노유체 MQL의 분사 유량/분사 노즐 수/위치 등에 대한 최적화 테스트 진행, 수요기업 부품 형상 극저온 가공에 적용
- 실증 테스트를 통한 습식 대비 공구 수명 360% 향상 확인
o 극저온 기반 나노유체 MQL 적용 기계가공 DB 구축
- 개발된 5축 극저온 가공장비에서의 다양한 실증 테스트 데이터 정보를 바탕으로 기계가공 DB 구축
- 공정 정보, 가공변수, 가공결과에 세부 항목으로 분류하여 Microsoft server(MS-SQL)를 통해 DB 관리
- 구축된 DB를 활용하여 기계가공 작업자를 위한 가이드 서비스 개발, DB 활용 및 추가/관리 가능
o 극저온 가공 해석 모델을 기반으로 공정 별 가공 영역 제시
- 공구 마모(마멸) 모델은 Oxley의 예측 이론과 공구 형상 및 가공정보를 기반으로 Flank wear 값 도출, 극저온 환경에 대한 온도 변화 예측 및 적용
- 수요기업 부품 가공 공정에 쓰이는 공구에 대한 가공테스트 결과를 바탕으로 해석 모델의 정확도 분석을 통한 신뢰도 확보 (습식 4.1%, 극저온 6.1% 오차)
- 해석 모델을 기반으로 가공 영역 및 최적 조건을 도출하고 실험을 통해 검증 (시뮬레이션 신뢰도 77.7% 확보)
o 극저온 공정 실 가공 적용을 위한 가공조건 솔루션화
- 해석 결과(공구마모, 소재 제거율)를 고려하여 생산성 향상 조건 도출을 위한 프로그램 개발(Matlab GUI)
o 실험 기반 가공 데이터베이스(DB) 구축
- 티타늄 합금(Ti6Al4V) 소재 기준으로 가공 조건 및 냉각 조건별 가공 데이터 제시, 공구 수명 해석 결과의 최대 오차는 23.3%로 우수
o 항공기 부품 대응 극저온 가공기 실증 테스트
- 수요기업으로부터 소재/공정/공구경로/공구 등의 가공 정보를 기준으로 실증 테스트 진행, 극저온 냉각 적용성 검토와 공구 개발 및 공정 개선
- 수요기업 부품 극저온 환경에서의 장시간 가공을 통한 장비 안정성 확인(부품당 약 9시간의 가공시간 소요 및 다수의 시편테스트)
- 수요기업(엔디티이엔지) 부품의 극저온 가공 실증을 통해 수요기업 기준(품질, 내구성 등) 충족 (가공 편차 0.013mm, 0.041mm로 양품 판정)
기술개발 배경
o 항공 등의 수요기업은 소재의 난삭성 및 부품 난이도가 매우 높아 해외에서 검증이 완료된 유럽 및 일본산 5축 가공장비을 사용함에 따라 항공부품 양산장비의 해외의존도는 거의 100%에 육박하며 대일 수입의존도는 약 50% 이상으로 추정
o 난삭재 사용의 급격한 증가에 따라 해외 선진업체는 극저온 가공 등 신공정 개발 및 고출력/고토크 가공장비 및 난삭재 가공솔루션을 잇달아 출시 시장 선점
o 국내 난삭재관련 가공 및 장비 기술력 저하와 낮은 소재 대응력으로 인해 주력산업 및 신산업의 경쟁력 약화가 우려됨에 따라 소재/공정별 가공 원천기술 확보 시급
o 따라서 난삭재 대응 융·복합 가공기술 개발을 통해 가공관련 원천기술 및 신공정 융합 장비 개발로 산업 경쟁력 확보 필요
o 특히, 항공 등 첨단산업의 수주량이 급증하고 있으나 관련 국내 장비 기술 및 실증 부족으로 시장 진입 한계
핵심개발 기술의 의의
o 난삭재 가공관련 국내 원천기술 확보
- 국내 고경도 경량소재의 사용량이 급격히 증가하고 있는 가운데 난삭재 가공을 위한 공구, 소재, 공정기술 개발을 통한 신공정 원천기술 확보 및 안정화
- 특히, 항공 산업 등의 양산 현장에 적용할 수 있는 가공장비 원천기술 및 신뢰성 확보, 및 다양한 부품 대응이 가능한 가공장비 라인업 구축으로 가공장비 대응력 확보
o 개발 기술을 수요기업이 활용할 수 있는 실증테스트를 통해 Track record 확보
- 항공부품 산업은 높은 소재비 및 가공품질 요구로 인한 해외 High-end급 5축 가공장비의 높은 의존도를 탈피하기 위해 실증을 통한 현장 적용성 확보 가능
- 특히, 일본의 머시닝센터 수출규제(화이트리스트 국가 제외)에 따른 국내 부품가공 산업의 기술력 업그레이드 요구에 대응
- 선행과제에서 개발한 극저온 가공장비 및 모사가공 테스트를 통해 확보한 극저온 가공기술을 수요기업의 양산조건 및 현장 적용성을 고려한 극저온 가공장비의 성능보완 및 안정화로 극저온 가공시스템 상용화
- 또한, 다양한 수요기업군에 사업화 진행 및 High-end 장비 국산화에 기여 및 장비 국산화를 통해 수요기업의 장비 유지/관리 문제 극복 및 신규 양산라인 구축 시의 국내 장비업체의 대응력 향상
적용 분야
o 자동차, 항공, 우주 분야의 난삭재 부품가공 산업 및 금형, 의료 등 다양한 부품 가공 산업군에 적용 가능
(출처 : 초록 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 19
- 목차 ... 22
- 제1장 서론 ... 23
- 제1절 과제의 개요 ... 23
- 제2장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 37
- 제1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 37
- 제2절 개발 내용 및 개발 범위 ... 42
- 제3절 수행 결과의 보안등급 ... 95
- 제4절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 96
- 제3장 결과 ... 97
- 제1절 연구개발 최종 결과 ... 97
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 97
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 98
- 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 99
- 제2절 연구개발 추진 체계 ... 101
- 1. 기술개발 추진 체계 ... 101
- 2. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 101
- 3. 기술개발 편성도 ... 102
- 제3절 자체보안관리진단표 ... 103
- 제4절 안전관리 이행 현황 ... 106
- 1. 연구실 안전조치 ... 106
- 제4장 사업화 계획 ... 110
- 제1절 시장 현황 및 전망 ... 110
- 제2절 사업화 계획 ... 112
- 부 록 (시험성적서, 도면 및 설계도) ... 117
- 끝페이지 ... 127
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