극저온 냉각 및 나노유체 극미량 윤활을 적용한 티타늄 합금의 선반절삭가공 특성에 관한 연구

2.1 실험 장치 구성

냉각 및 윤활조건에 따른 선반 절삭가공 특성 분석을 위해 전체 실험 시스템을 Fig. 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 0.04 - 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.

Fig. 1

Entire experimental system with cryogenic cooling (LN2) and nanofluid (hBN) MQL supply units

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. 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°의 분사 각도 및 30 mm의 분사거리를 갖도록 설치되었다.

Fig. 2

Detailed view of the turning experimental system including the insert, workpiece, MQL nozzle and LN2 supply unit

2.2 실험 조건 및 설계

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. 극저온 조건 실험을 위해 액체질소(LN2)는 1.5 MPa의 압력으로 공급되었다. MQL 분사를 위해 식물성오일과 hBN 나노유체(0.5 wt.%)가 사용되었고 분사 압력 0.5 MPa, 분사유량 0.6 ml/min, 분사각도 45°로 가공영역에 분사되었다.

Table 1

Experimental conditions

Table 2에는 실험 설계 결과가 주어져 있으며 냉각조건으로 2수준(상온, 극저온)과 윤활조건으로 2수준(MQL, hBN MQL)을 고려하여 총 6가지의 실험 경우를 도출하였다.

Table 2

Experimental design

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. Table 3에는 MQL 오일과 hBN 나노유체의 물리적 특성이 주어져 있다.

Table 3

Characteristics of MQL oil and hBN nanofluid

3.1 절삭력(Resultant Cutting Forces)

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. 3은 X, Y, Z축의 각 절삭력을 벡터합하여 구한 합력을 나타내며 Wet 조건 대비 각 실험 경우의 절삭력 감소율을 함께 표기하였다.

Fig. 3

Measured resultant cutting forces

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 6.6%, 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.

그러나 액체질소만을 적용한 LN2 조건에서는 오히려 절삭력이 Wet 조건 대비 2.7% 증가하였다. 이는 가공영역에서 절삭유의 사용 없이 액체질소만을 분사할 경우에는 냉각작용은 유효하나 윤활작용의 부재로 인해 가공영역의 취성을 증가시키고 공구와 소재 사이에 돌발적인 마모를 발생시켜 절삭력 감소효과를 얻지 못한 것으로 추정된다.

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°C, 226°C, 222°C이며, 이는 액체질소를 사용하지 않은 MQL 및 hBN MQL 조건의 측정온도보다 약 150°C가 낮다.

상기와 같이 액체질소를 사용한 실험 경우에 있어서 LN2, LN2 + MQL, LN2 + hBN MQL 조건의 공구 인서트 측정온도는 큰 차이가 없으나 Fig. 3에서 알 수 있듯이 LN2 +MQL, LN2 +hBN MQL 조건에서 절삭합력이 크게 감소하는 것은 MQL 및 hBN MQL의 추가를 통한 윤활작용 상승에 기인하는 것으로 이해할 수 있다.

3.2 마찰계수(Coefficients of Friction)

선반 절삭가공 중 공구의 경사면과 소재는 연속적으로 접촉이 이루어진다. 따라서 공구 경사면과 소재 간 심한 마찰과 열이 발생하게 되므로 이러한 마찰은 소재의 표면거칠기 및 전반적인 가공 성능에 영향을 미치게 된다.

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. 식(1)의 마찰력(F)과 식(2)의 수직항력(N) 값은 절삭가공 공정에서 직접 측정할 수 없지만 공구 동력계에서 측정한 2개의 힘 주분력(F_c) 및 이송분력(F_t) 값을 사용하여 계산이 가능하다. 본 실험에서의 주분력과 이송분력은 Fig. 2에서 Z축과 Y축의 절삭력을 의미한다. 공구의 경사각(α)은 - 5°이며 강도가 비교적 높은 난삭재인 티타늄합금의 가공을 수행하기 위해 음(−)의 경사각을 적용하였다.

Fig. 4는 각 실험 경우 별 계산된 마찰계수 값을 나타내며 Wet 조건 대비 마찰계수 감소율을 함께 표기하였다. 절삭력 실험결과와 마찬가지로 액체질소 냉각만을 사용한 LN2 조건에서는 마찰계수 감소율이 1.4%로 다른 실험 경우와 비교하여 가장 적은 것을 볼 수 있는데, 이는 절삭유 미사용으로 인한 윤활 효과 저하로 인해 가공 시 공구와 소재 사이 마찰 감소 효과가 상대적으로 미미한 것으로 추정된다.

Fig. 4

Calculated coefficients of friction

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.

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.

3.3 표면 거칠기(Surface Roughness)

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.

Fig. 5는 냉각 및 윤활조건에 따른 각 실험 경우, 가공면의 광학 현미경 사진을 보여주며 Fig. 6에는 LN2 조건에서의 가공 표면 3D 프로파일 사진이 주어져 있다. Fig. 5에 주어진 광학 현미경 사진을 확인하여 실험조건에 따른 가공표면의 상태를 정성적으로 분석할 때 절삭유의 사용 없이 액체질소 냉각만을 적용한 LN2 조건의 경우, 가공 후 표면의 일부분이 미소하게 떨어져 나간 흔적을 확인할 수 있다.

Fig. 5

Optical images of machined surfaces

Fig. 6

3D Profile of machined surface in LN2 condition

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.

Fig. 7

Measured surface roughness values (Ra) of machined workpiece

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.

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 65.9% 감소하였다.

표면거칠기 분석을 통해 앞서 분석한 절삭력과 마찰계수 분석과 마찬가지로 극저온 냉각과 hBN 나노유체 극미량 윤활을 동시에 적용한 경우 냉각과 윤활이 동시에 효과적으로 적용되어 표면 거칠기 개선효과가 최대화됨을 확인할 수 있었고 극저온 냉각과 순수 절삭유 극미량 윤활이 동시에 적용된 경우도 상당한 표면거칠기 개선효과가 있음을 확인하였다.