Home / highlight / 절삭유에 대한 고찰 – 다시 알아보는 절삭유 ①
백서 다운로드 하기

절삭유에 대한 고찰 – 다시 알아보는 절삭유 ①

절삭유의 역사는 근대 산업혁명기까지 거슬러 올라간다. 19세기 말에는 고래기름처럼 생물체에서 추출한 윤활유가 사용되다가 20세기 초부터 원유의 정제 과정에서 나온 오일로 대체, 현대에는 식물성 오일도 함께 사용한다. 역사가 오래된 만큼 종류와 기능도 다양하게 발전해왔지만 진가를 아는 사람은 많지 않다.IMG_7103

전통적인 금속가공은 기계요소(machine tool), 절삭요소(cutting tool), 가공금속(workpiece metal)과 여기에 절삭유(machining fluids)가 포함된 네 가지 요소로 이루어진다. 사이클 타임이 짧고 양호한 조건에서 가공이 일어날 경우 절삭유의 사용이 권장되지 않는 경우도 있으나 일반적인 경우 절삭유의 사용은 중요하다.

초창기 절삭유는 기계의 수명을 연장하는 중요한 방법이었다. 기름 성분에 막을 형성함으로써 제품의 산화를 방지하고 공구의 수명을 향상시키는 역할을 했다. 지금은 초창기 절삭유가 했던 기능을 일반 그리스나 방청제가 수행하게 되었다. 절삭유 고유의 윤활 기능은 더 고차원적인 부분에서 이루어진다.

절삭유의 기능
기계가공에서는 절삭공구와 가공금속이 마찰하는 힘이 발생한다. 가공속도가 빠를수록 큰 에너지가 발생하는데 이 때문에 고속 가공 시에는 1,000℃까지 열이 발생하게 된다. 모든 금속은 고유의 열팽창 계수를 가지는데 민감한 경우 체온에 의해서도 부피가 달라질 정도다. 정밀 부품을 생산하는 경우 1μm의 공차도 문제가 된다.

열의 대부분이 칩을 통해 배출된다고 하지만 절삭 깊이나 소재에 따라 가공 시 냉각은 필수적인 요소다. 칩을 배출하기 어려운 홀 가공의 경우나 난삭재를 가공하는 경우 이런 문제는 더욱 심각하다. 소재나 가공 요소에 따라 금속의 팽창을 최소화하면서 좀 더 정밀한 공차를 얻기 위해서 다양한 절삭유가 사용된다.

Screenshot 2020-06-01 at 09.24.51

절삭유를 공급하는 방식에 따라 효과적인 세척 기능을 수행하기도 한다. 칩 브레이킹이 제대로 이루어지지 않을 시 끊어지지 않은 칩이 공구에 엉겨 붙는 경우가 있는데 이 경우 공구 파손은 물론이고 가공물의 표면에 흠집을 일으켜 표면 조도를 떨어뜨리게 된다. 떨어져 나간 칩에 의해 표면이 손상되기도 한다. 고압의 절삭유 분사는 절삭된 토막이나 조각, 미세한 가루, 잔여물 등을 씻어 내는 작용을 함으로써 가공 환경을 개선한다.

또한 절삭유는 가공물과 절삭 공구 사이에 기름 막을 형성함으로써 마찰을 줄여준다. 이러한 고도의 윤활 기능은 기술이 발달하면서 절삭유 내에 다양한 첨가물이 들어가기 때문이다.

절삭유의 종류
절삭유는 절삭유를 그냥 원액으로 사용하는 비수용성 오일과 물로 희석해서 사용하는 수용성 오일로 나눈다. 물은 비열이 크고 열전도율도 좋으며 증발 잠열도 크므로 냉각제로서는 가장 뛰어난 물질이다. 그러나, 금속이 녹슬게 되어 습윤성이나 윤활성은 오일에 비해 떨어진다. 이러한 결점을 보완하기 위해 방청 첨가제나 계면 활성제를 사용하여 윤활성을 높인 것이 수용성 절삭유이다.

수용성 절삭유의 방청과 방부식성이 약하다는 단점을 보완하기 위해 새로운 첨가제가 지속적으로 개발되고 있다. 수용성 절삭유는 두 가지로 나뉘는데 물로 희석하면 우유 모양이 되는 비합성(에멀젼형)과 반투명 또는 반투명한 겉모양을 보이는 합성형(솔러블형)이 있다.

사진1-가공모습(표제)

비수용성 절삭유는 물을 사용하지 않고 베이스 오일에 첨가제와 윤활제 등을 사용하여 원액 상태로 사용한다. 윤활성이 뛰어나고 비철 금속 및 고장력강, 합금강의 가공에 사용된다. 정밀도가 요구되는 작업에서 유리한 특성을 지닌다. 비수용성 절삭유의 경우 점도에 따라 정도가 구분된다.

광유 베이스의 경우 분자 구조가 혐수성 분자 하나로 되어 있어 피삭재 표면에서 불규칙한 모습을 보인다. 식물유 베이스의 경우 친수성 분자와 혐수성 분자가 결합한 분자 구조로 인해 극성을 가지게 되며 작은 자석처럼 피삭재의 표면에 정렬하여 촘촘한 윤활 필름을 형성한다. 윤활 필름은 절삭압력을 흡수해 윤활성을 높인다.

절삭유를 베이스 오일 단독으로 사용하는 경우는 알루미늄, 마그네슘, 황동 및 황 또는 납이 첨가된 쾌삭강 등과 같이 절삭성이 좋은 금속을 경절삭(輕切削)하는데 국한되며 대부분 극성 첨가제(마찰완화제), 화학반응 첨가제(극압첨가제), 유성제, 산화방지제 등 각종 첨가제를 넣어 사용하게 된다.

절삭유의 성분은 크게 베이스 오일(base oil)과 첨가제(additive)로 나뉜다. 절삭유 사용 초기에는 기유 단독으로 사용되었으나, 점차로 용도에 맞는 첨가제의 조합과 개발이 이루어져 왔다.

이미지1

절삭유의 효과
절삭유 안의 첨가제는 각기 다른 온도, 조건에서 활성화된다. 가공 공정이나 가공 속도, 재질에 맞는 제품을 선정한다면 최적의 효과를 볼 수 있다. 가장 직접적인 효과는 냉각, 윤활, 세척에 의한 공구 수명의 향상이다.

전체 제조 비용을 100%라고 한다면 그 중 인건비가 60%, 머시닝 장비 비용이 30%, 공구가 5%, 절삭유 1%, 기타 비용 4%라고 본다. 절삭유는 생산 비용의 단 1%를 차지하고 있다. 적절한 절삭유를 사용하게 되어 공구수명이 늘어나게 되면 공구 비용이 줄어들게 된다.

가공 요구 조건에 걸맞은 용도로 절삭유를 사용하면 그 소모량도 줄어들게 된다. 소모량이 줄어드는 만큼 구입 비용이 줄어들 뿐 아니라 처리 비용도 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 공차와 표면 조도를 높일 수 있어 공구나 절삭유 비용 외의 전체 가공 시간이나 비용을 줄일 수도 있다.

절삭유에 조금만 신경을 기울여도 생산력이 향상되는 결과를 가져온다. 절삭유를 관리하는 비용에서 인상분이 생기더라도 전체 생산비를 생각한다면 그건 극히 일부분일 뿐이다. 물론 여기엔 환경이나 안전 같은 비가시적인 비용이 계산되지 않았다.

About 이상준 기자

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