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난삭재, 계속되는 우리의 대응 – 난삭재 가공을 위한 다양한 솔루션들

좋은 장비 특히 강성과 정밀도를 모두 갖춘 장비는 난삭재를 가공하는 데 가장 중요한 요소다.
가공 조건, 재종 선정, 절삭유, 지그, 툴패스 최적화 등 많은 노력이 있어야만 난삭재 가공이 성공에 이를 것이다.
이 기사에서는 난삭재 가공을 위한 독특한 솔루션에는 어떤 것이 있는지 알아본다.

극저온 가공 기술
극저온 가공(Cryogenic Machining)은 종래의 절삭유 사용 없이 냉각 효과의 향상을 위해 영하 196°C의 액체 질소(Liquid Nitrogen)를 냉각재로써 분사하는 극저온 냉각 가공이다. 절삭유와 달리 냉각 작용 후 바로 대기 중으로 기화되어 잔류물이 남지 않는 장점이 있으며, 극저온의 냉매를 사용하므로 냉각 효과가 월등하여 티타늄합금, 니켈합금과 같은 고온의 절삭열이 발생하는 난삭재 가공에 적합한 기술이다.

극저온 가공법은 터닝, 밀링, 연삭 등 다양한 공정에 적용 가능하다. 냉각된 공기 분사에 의해 공구-칩 접촉길이가 감소되고 절삭열이 감소한다. 이로 인해 공구 마모율이 감소하고, 공구 끝단에 발생하는 구성인선 형성을 억제하게 된다. 또한 공구 끝단의 강도를 유지함으로써 절삭력을 감소시키며 공구수명 및 소재제거율(MRR) 향상에 효과적이다.

극저온 가공 기술은 극저온의 냉매를 사용하여 고온의 절삭열이 발생하는 난삭재 가공에 적합하다.
극저온 가공 기술은 극저온의 냉매를 사용하여 고온의 절삭열이 발생하는 난삭재 가공에 적합하다.

MQL 가공
MQL(Minimum Quantity Lubrication) 가공은 기존의 습식가공에 비해 극미량(1~100ml/min 이하)의 윤활유를 압축공기와 혼합하여 절삭 부위에 미스트 형태로 분사하는 윤활가공 방법으로 가공비용을 낮출 수 있고, 공구 수명을 늘릴 수 있다. 오일 미스트는 공구와 소재 및 칩과의 마찰부위에 침투하여 마찰력을 줄이는 동시에 고압의 압축공기로 칩 배출을 용이하게 할 수 있으며 무해한 식물성 절삭유를 사용하고 폐기물이 발생하지 않기 때문에 대표적인 환경친화적인 가공기술 중 하나다.
최근 나노 입자를 절삭유와 혼합하여 사용한 나노유체 극미량 절삭유 (MQL with nano-particle) 가공 방법도 개발되어 사용되고 있다. MQL 가공의 적용분야로는 스틸재의 금형가공, 절단가공, 오일 구멍가공 등 많은 분야에 적용되며, 난삭 재료에서는 티타늄이나 인코넬 등에 적용된다.

MQL 가공은 공구와 소재 및 칩과의 마찰력을 줄이는 동시에 고압의 압축공기로 칩 배출을 용이하게 한다.
MQL 가공은 공구와 소재 및 칩과의 마찰력을 줄이는 동시에 고압의 압축공기로 칩 배출을 용이하게 한다.

초음파 부가 가공
초음파 진동 부가 절삭가공 (Ultrasonic Vibration-Assisted Machining)은 절삭가공 시 20-40kHz의 고주파 및 2~30μm의 낮은 진폭을 갖는 초음파 진동을 절삭 공구 및 공작물에 부가하면서 가공하는 방법이다. 공구의 회전과 진동에너지를 이용하여 소재를 제거하므로 하이브리드 절삭가공 방식으로 분류할 수 있다. 가공 시 추력이 감소하고, 발생 칩의 크기가 작아진다. 버(Burr)의 발생 억제에도 효과적이다.
초음파 진동 부가 절삭가공은 난삭소재의 절삭가공 시 공구 수명 향상에도 효과가 있다. 초음파 진동을 부가하면 절삭 추력이 감소하고 토크의 변동 폭이 감소함으로써 공구 사용 수명이 연장되는 것이다.

초음파 부가 가공 시에는 가공 추력이 감소한다.
초음파 부가 가공 시에는 가공 추력이 감소한다.

레이저/플라즈마 보조 가공
가공물이 고온의 상태가 되도록 레이저 보조 가공(Laser Assisted Machining), 플라즈마 보조 가공(Plasma-Enhanced Machining) 등을 사용하여 가공성을 향상시킬 수 있다. 레이저 보조 가공은 기계적 가공 시 레이저 빔으로 가공물의 절삭부위를 순간적으로 가열함으로써 세라믹 복합/혼합 재료와 같은 취성 재료를 연화시켜 취성파괴를 억제하고 소성변형에 의한 절삭가공이 이루어지도록 하는 가공법이다. 레이저 보조 가공을 사용하여 기존의 건식가공 시의 낮은 절삭속도(60m/min)를 중고속 영역(107m/min)으로 향상시킴으로써 생산성 향상이 가능하다.
플라즈마 보조 가공은 아크방전 플라즈마를 대기 중에 젯 모양으로 분출 시 생성되는 고온, 고속의 에너지로 재료의 절삭을 도와주는 가공법으로 반도체 제조, 합성재료, 용접, 고분자, 방식코팅, 공작기계, 금속공학, 전기 및 전기 장치, 유해물질 제거 및 고성능 세라믹스 등의 가공에도 응용되고 있다.

레이저 보조 가공기 (아메코)
레이저 보조 가공기 (아메코)

고압분사 냉각
일반 소재에서 사용하듯이 절삭유를 사용한 습식 냉각을 티타늄, 니켈 합금과 같이 공구와 칩의 접촉길이가 짧은 경우에 똑같이 사용하면, 외부에서 분사되는 절삭유는 절삭부로의 침투가 쉽지 않아 효과적인 냉각이 어려울 수 있다. 이를 극복하기 위해 제 안된 방법이 고압분사냉각(High Pressure Coolant Cooling)이다.
절삭유를 고압으로 분사함으로써, 칩 처리성을 증가시키고, 미소 한 절삭영역을 냉각시키는 방법이다. 절삭유를 70~300Bar 정도의 고압으로 분사하는 경우 칩 형상, 공구수명, 표면품위, 절삭력 등이 향상된다. 그러나 절삭유에는 녹방지제, 윤활제 같은 화학 성분들이 포함되므로 작업자뿐만 아니라 환경에도 해롭고, 사용이 끝난 절삭유를 폐기하는 비용 역시 추가적으로 발생한다. 또한 고압분사를 수행하기 위해서는 추가적인 고압펌프 등이 필요하며, 가공 후에 별도의 세척 단계가 필요하다.

하드터닝
하드터닝은 연삭 공정 없이 정삭 공정만으로 우수한 품질의 표면을 얻을 수 있는 공정이다. 연삭 가공을 대체해 공정을 단축하며 절삭유를 사용하지 않아 친환경적인 가공이다. 공구 수명이 극도로 짧아질 수 있는 가공으로 공구 개발 및 가공 조건 수립이 중요하다.

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일본 Muratec의 Hard Skiving 장비의 가공 모습. 2020년에 출시하는 장비이다. (JIMTOF 2018에서 촬영)
일본 Muratec의 Hard Skiving 장비의 가공 모습. 2020년에 출시하는 장비이다. (JIMTOF 2018에서 촬영)

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.