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난삭재 가공의 최대 어려움 열(熱)을 잡아라 – 한국생산기술연구원 극저온 가공 시스템 개발

난삭재 가공 시 발생하는 높은 열이 많은 문제를 야기한다.
열을 낮추면 되는데, 문제는 공구와 피삭재가 접촉하는 동안 열이 계속 생성된다는 점이다.
어떻게 하면 공구에 생긴 열을 줄이느냐가 관건이 된다.
한국생산기술연구원에서 개발한 극저온 가공 기술에서 그 방법을 찾아보자.

극저온 장비 개발을 기획, 추진하고 실무를 담당했던 한국생산기술연구원 박경희 박사는 “자동차, 항공, 우주 등 첨단산업의 경량화, 친환경화 및 고효율화에 따라 티타늄, 인코넬, CGI 등 난삭재에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이러한 난삭재의 가공성을 향상시킬 수 있는 가공공정 및 시스템 개발이 중요하다고 생각했다.”라고 말했다. 박경희 박사는 “낮은 비등점(-198℃)을 갖는 액화 질소를 이용하여 절삭가공 부위에 발생하는 열을 냉각시키는 가공 공정 및 극저온 분사 시스템을 개발하고 이를 가공시스템에 적용하는 것이다.”라며, “기존 가공 공정에서 과다한 절삭유 사용으로 인한 환경오염, 작업자 피부질병 등의 문제를 개선하기 위해 절삭유를 최소화하거나 사용하지 않으면서 가공효율을 높이는 원천기술 개발도 염두에 두었다.”라고 했다. 이를 위해 연구진은 극저온 가공기술 뿐만 아니라 극미량의 윤활유를 사용하는 Nano-MQL 기술을 적용하여 윤활 및 냉각 효과를 극대화할 수 있는 기술을 개발하였다. 또한, 고강성 및 초경량 등 기계적 성질이 우수한 난삭재 가공을 위해서는 높은 절삭 부하를 극복할 수 있는 고출력/고강성 스핀들, 고강성 구조물/이송계 및 고압절삭유 분사시스템 절삭유 장치 등을 갖추어야 한다. 이에 국내 공작기계 메이커인 한국정밀기계와 함께 항공 부품 등 복잡 형상 가공을 위한 헤드틸팅형 극저온 5축 가공시스템을 개발하였고, 다양한 산업군의 수요기업 대응을 위해 Scalable 장비 사이즈, 모듈형 주축, Trunnion 테이블 등 다양한 장비 포트폴리오를 구축하고 있다.

프로젝트 개요
•사업명: 티타늄/CGI 가공을 위한 액체질소 적용 극저온 가공 공정 및 시스템 개발
•사업 기간 : 2014.6.1 ~ 2019.5.31 (총 5년)
•예산 : 정부 출연금 67.8억
•담당자
총괄 : 한국생산기술연구원 이석우 수석연구원
실무 책임자 : 박경희 수석연구원, 양기동 연구원
•참여 기관 : 한국생산기술연구원, 한국정밀기계㈜, 한국기계연구원, 미시간주립대학, 울산과학기술원, 성균관대학교

공구 마모 메커니즘에 주목
600파이에 달하는 티타늄 항공 부품을 가공한다고 해보자. 보통 부품을 만들 때 벌크(덩어리)에서부터 가공하기 시작한다. 기업 입장에서는 시간과 돈이 적게 들어야 하므로 공구 소모나 장비 사용 시간 등을 줄여야 한다. 문제는 항공 부품과 같은 난삭 소재는 잘 안 깎이고 공구 마모가 빠르고 잘 파손까지 하다 보니 현장에서 어려움을 겪게 되는 것이다. 티타늄 공구마모를 연구하던 박경희 박사가 주목했던 메커니즘이 있다. “가공 시에는 고열이 생기는데 차가운 쿨런트가 이 부위를 급격하게 식힌다. 이 사이클을 반복하게 되면 열 피로가 생겨서 크랙이 생기고 결국 공구가 파손되는 것이다.”라고 말한 그는 “절삭유를 많이 뿌려도 이 메커니즘 때문에 가공 속도를 올리는 데는 한계가 있다는 것을 알게 되었다. 극저온 냉각과 MQL 윤활을 적용해서 가공 열을 낮춰보자라고 생각했다. 앞서 말한 공구 마모 메커니즘만 피할 수만 있다면 공구가 마모가 안 일어나는 조건으로 가공을 좀 더 오래 하는 효과를 볼 수 있을 것으로 예상했다.”라고 말했다.

이번 프로젝트의 기획, 실무를 담당한 한국생산기술연구원 박경희 박사
이번 프로젝트의 기획, 실무를 담당한 한국생산기술연구원 박경희 박사

극저온 장비/유틸리티
우선 장비부터 살펴보자. 5축 수평형 머시닝센터(HTC-1000)로 한국정밀기계㈜에서 제작했다. 티타늄이나 인코넬, 스테인리스 스틸 재질의 600~800파이에 이르는 대형 가공물을 가공할 수 있다. 이 장비를 베이스로 각종 극저온 유틸리티를 부가하였다. 액화 질소 탱크와 비례 제어 밸브는 액화 질소의 압력을 제어한다. 액화 질소가 배관을 통과할 때 기화가 이루어져 기체와 액체가 공존하는 상태가 된다. 이때 상분리기는 기체는 날려보내고 액체만 이동하게 하는 역할을 한다. 극저온 배관은 액화 질소 탱크로 부터 스핀들을 관통하여 공구에 이르기까지 액화 질소가 베어링과 같은 기계요소에 영향을 주지 않도록 단열을 적용하였다. MQL 통합, 관통형 스핀들은 한국정밀기계에서 직접 설계, 제작하였다. 일부 극저온 공구는 와이지원이 제작했다. 툴링키트는 극저온 장비가 아닌 일반 장비에 키트만 적용하면 극저온 가공이 가능하도록 개발하였다. 극저온 가공을 테스트하고 싶은 현장에서 사용할 수 있다. 또한 임베디드 타입 모니터링 시스템을 자체 개발했다. 스핀들에 내장된 가속도 센서와 주축의 전류/전압 센서를 통해 가공 상태를 확인하고 공구 마모 검출까지 가능하다.

극저온 가공장비 한국정밀기계 5축 수평형 머시닝센터 HTC-1000 (Head tilting 형)
극저온 가공장비 한국정밀기계 5축 수평형 머시닝센터 HTC-1000 (Head tilting 형)

 

극저온 장비는 5축 가공기에 다양한 극저온 유틸리티와 제어시스템이 부가되어 구성되었다.
극저온 장비는 5축 가공기에 다양한 극저온 유틸리티와 제어시스템이 부가되어 구성되었다.

MQL
극저온으로 절삭부의 온도를 낮춘다 해도 급한 불만 끈 상태다. 공구가 단단해져서 취성이 높아진 상태로 잘 파손될 수도 있기 때문이다. 여기에 윤활유를 같이 분사해 마찰을 줄여 공구가 파손되는 것을 방지하는 접근을 했다. 윤활유에 나노 파티클을 혼합하여 MQL 방식으로 분사하는 것이다. 나오미테크에서 제조한 식물성오일에 70nm 크기의 hBN 나노 파타클을 0.5wt.%로 혼합해서 사용한다. 연구진은 가공 조건 수립을 위한 예측 모델 연구를 통해, 일반 가공 대비 극저온 가공 시 가공 조건을 예측하고자 노력했다. 이때 MQL 나노파티클의 양, 노즐의 거리, 위치를 연구하였다.

극저온 가공 테스트 결과
연구진은 개발한 극저온 장비가 예상한 가공성 향상 효과를 내는지를 알아보기 위해 여러 가지 실 가공 테스트를 수행했다. 우선 공구 수명 향상이 있는지 알아보기 위해 티타늄(Ti-6Al-4V) 합금 블럭을 가공했다. 이 시험 결과 습식 가공시는 8 패스에서 칩핑이 발생했고 극저온 가공 시 40패스까지 일부 노치(Notch) 마모만 발생하여 공구수명이 최소 5배 이상 향상되었음을 확인했다. (표1) 소재 제거율(MRR) 향상 여부를 확인해 보기 위한 테스트로 티타늄 항공 부품에 대한 포켓 가공을 해 보았다. 습식의 경우 72m/min의 속도로 가공하고 극저온의 경우 97m/min으로 가공 속도를 높여서 가공했음에도 불구하고, 습식에서 발생한 소재의 툴마크 물결무늬나 공구 마모(Flank)가 적었다. (그림 1)
가공 품질 향상도 확인할 수 있었다. 본 개발 장비에서 자동차 부품에 대응하는 모사 가공 테스트를 진행했다. CGI 소재를 페이스 밀링 커터로 가공해보았다. 가공 결과 습식 가공에서는 공구 끝에서 열피로에 의한 크랙 및 칩핑이 발생하였으나 극저온 가공 시에는 안정적인 마모를 보여 공구수명 향상뿐만 아니라 가공의 품질 역시 향상됨을 확인했다. (그림 2)

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세계적으로도 많지 않은 장비
국외에서 극저온 장비를 생산하는 기업은 5ME, OKUMA 등으로 알려져 있다. 이 외산 장비들과 비교했을 때 비슷한 조건에서는 우수한 테스트 결과를 나타낸다는 게 연구진의 분석이다. 현재, 다양한 난삭재 가공부품에 대응하기 위해 장비 동특성 기반 가공허용맵, 추천 가공조건, 극저온/MQL 분사제어, 실시간 모니터링 등을 기반으로 한 극저온 가공솔루션을 개발하고 있고, 이를 통해 난삭재의 가공성을 크게 향상할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 좀 더 다양한 공정과 부품을 커버하면서 장비나 공정에 대한 신뢰도를 향상시킬 계획도 가지고 있다. 극저온 유틸리티 등으로 추가된 비용을 감안한 경제성 분석을 진행 중이라고 하는데, 투자비 회수 시점은 1.5~2년으로 예상된다. 항공 부품 가공 분야와 같이 고가의 난삭 소재를 빠르고 정확하게 가공해야 하는 분야에서는 극저온 가공을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.

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About 이상준 기자

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