1. 서 론

1.1 연구 배경

산업계의 환경오염이 중요한 문제가 되고 있어 최근 기업 활동이 친환경 작업으로 변화하고 있다. 기계가공 에서 절삭유는 인체에 해로운 물질을 포함하고 있어 근 로자의 호흡기 계통의 직업병을 유발하고 있다. 따라서 인체에 해로운 물질의 발생 억제 및 작업환경의 오염으 로부터 최소화하기 위한 예방이 요구된다. 절삭유는 윤 활제로서의 성능을 높이기 위해서 유황, 인 등 여러 극압 첨가제가 혼합되어 있어 환경이나 인체에 나쁜 영향을 미친다. 또한 기계가공 시에 비산하여 공장 내부를 오염 시키고 장기간 사용으로 부패 및 세균 번식을 시키기 때 문에 작업장 내 악취와 작업자 피부 및 폐에 질환을 유 발하고 있다. 국제규격 ISO14000에서도 작업환경에 대 한 규제가 강화되고 있고, 기계가공에서 절삭유 사용 및 폐기까지 사회적으로 관심이 증폭되고 있다. 따라서 절 삭유 사용에 따른 유지관리 비용이 증가하고 있다.

이상과 같은 사유로 생산 현장에서는 환경친화적 가공 방법을 도입하여 MQL(Minimum Quantity Lubrication) 가 공을 적용하고 있다[4, 5]. 절삭유 사용을 최소화하는 방법 으로 극미량 윤활이라고 잘 알려진 MQL 가공은 공구 수명 증가에 따른 원가절감, 수용성 절삭유의 관리 비용 절감, 가공 표면 거칠기 향상에 따른 품질향상, 가공성 향상에 따른 시간 단축 등의 경제적 이득이 많이 있다. 또한 작업자 안전 및 현장 작업환경 개선을 위해서도 역할을 하고 있다. MQL 가공의 문제점은 oil 분사가 일정하지 않아 oil 공급이 공구에 점착되어 공구 마모 심화 및 oil이 흘러내리는 현상 때문에 공작기계와 주변 오염으로 작업환경에 나쁜 영향을 주고 있다. 이러한 작업환경 오염에서 벗어날 수 있는 친환 경 가공 방법으로 전환이 필요한 시점이다.

Oil 미세 가공은 일반적으로 MQL로 절삭가공 시 순 식물 성 oil을 초미립 화하여 시간당 20cc 이내로 절삭가공지점 (Cutting point)에 분사하여 국부적으로 윤활을 극대화하고 절삭유 사용의 문제점을 개선하며 공구 수명을 증가하고 절삭성을 향상하는 것으로 알려져 있다[10]. Al-Samarrai, et al.[1]은 새로운 하이브리드 극저온 MQL 냉각 및 윤활 시스템을 제안하여 Ti-6Al-4V Titanium 합금 가공에 적용하 여 노즐을 통해 70mL/h 유량과 6bar 공기 압력으로 식물성 oil을 분사하여 공구의 수명을 30배 증가했으며 Huanga et al.[9]는 Ti-6Al-4V 대체 소재인 Ti-5553 합금의 극저온 가공 을 통한 절삭력, 표면 거칠기, 공구 마모에 대한 가공성 결과를 제시하고 Flood cooling 및 극저온 가공으로 절삭 부하 절감을 30% 향상하였다. Bermingham et al.[2]은 Ti-6Al-4V 가공에서 액체 질소와 고압 수성 에멀션 가공 방법을 비교 분석하여 액체 질소를 사용하는 것보다 더 나은 공구 수명을 확인하였다. Hong et al.[8]은 Titanium 합금 가공에서 극저온 액체 질소(LN2)를 가공지점까지 집 중 분사시켜 공구와 Chip 사이의 마찰이 어떠한 영향을 받는지 분석하였으며, Caudill et al.[3]은 극저온 냉각 밀링 작업을 위해 가공 중에 발생하는 절삭력 및 가공 열을 예측 하였으며 극저온 가공에 액체 질소를 사용함으로써 절삭온 도가 감소하고 공구 수명이 길어지는 것을 확인하였다. Wu[21]는 최소량의 윤활(MQL) 및 극저온 최소량 윤활 (CMQL)과 같은 환경친화적 방법을 적용하여 공구 마모 상태, 절삭력, Chip 상태, 표면거칠기 및 제품의 형상 변형을 확인하였다. MQL 가공의 문제점을 개선하고 환경친화적 인 식물성 oil을 이용하여 높은 표면 무결성이 요구되는 바이오 임플란트의 제조에 기존 절삭유 공급방식의 대안으 로 2ml~8ml/min으로 분사하는 시스템을 적용했으며[18], 열 및 마찰 특성이 우수한 나노유체가 다양한 농도의 식물성 Oil-Water 에멀션에 TiO 나노입자를 사용하여 일반 습식 가공유보다 더 우수한 가공을 하였다[6]. 압축 공기와 절삭 유 혼합물을 최적화된 방식으로 분사하여 냉각수 사용을 최소화하여 근 건식 가공(Near Dry Machining)으로 최소량 윤활(MQL) 가공하였다[19]. 다양한 방식의 미세 MQL 가공 중 최근에 미세 가공이 한층 더 친환경적인 ADL 가공방식 이 개발되었다. 미세한 Oil-Air 혼합물, 즉 마이크로 범위의 윤활 입자가 공구 인선에서 열 발생을 억제하는 방식이다. 입자 크기 0.1㎛ ~ 0.5㎛의 oil을 인선에 안정적으로 공급하 여 공구 마모를 억제하는 것이다[17].

본 연구는 상온에서 ADL(Aerosol Dry Lubrication) 가 공의 Titanium 합금 소재를 절삭가공하는 방식으로 MQL 보다 더 극소량의 미세한 oil을 공구의 인선과 가공지점 에 직접 분사하여 소재와 공구의 발생 열을 억제하는 방 식이다.

1.2 연구 필요성 및 연구 목적

MQL 가공보다 환경친화적 가공 방법인 ADL 가공에 관한 국내 가공사례는 찾을 수 없으나 독일과 일본에서 일부 사용하고 있다. 이에 기계가공의 환경과 경제성 향 상을 위해 항공기 부품 및 의료용에 사용하는 Titanium 합금(Ti-6Al-7Nb)을 ADL 방법으로 가공을 시도할 필요 성이 있다. 일반 절삭유를 사용하는 습식 가공 절삭조건 으로 절삭깊이를 충분히 반영하는 Slot 형상을 대상으로 가공하고자 한다.

본 연구는 Titanium 합금 가공의 절삭성 분석을 위해 ADL 가공을 통해 Slot 형상을 밀링 가공하여 절삭력에 미치는 인자와 수준의 영향력을 분석하고, 그 자료를 바 탕으로 반응표면분석법을 이용하여 절삭력 예측 식을 제 안하고 검증하며 최적 절삭조건을 도출하는 것을 목적으 로 한다.

2. 실험 설계 및 데이터

2.1 실험 설계

절삭력은 밀링 가공에서 시편과 연결된 공구동력계를 통하여 측정된다. 각 축 방향의 절삭력 F_x, F_y, F_z 을 이 용하여 절삭 합력을 계산한다. 절삭가공의 3대 파라미터 인 절삭속도(V), 이송속도(f), 절삭깊이(d) 3인자를 절삭 력에 영향을 미치는 주요 인자로 선정하고, 가공 현장에 서 각 인자를 활용하는 평범한 수준을 선택하여 실험을 설계한다[13, 14]. 절삭속도 V50~65[M/min], 이송속도 f0.2 ~ 0.5 mm/rev], 절삭깊이 d1.0 ~ 2.5[mm] 내에서 4수 준으로 한다. 다음 <Table 1>에 인자와 수준을 나타낸다.

실험 인자의 수준은 가용 범위 내에서 포괄적으로 정하여 야 하나, 기존 연구에서처럼[11] 3수준은 상세 특성 파악이 부족하여 4 수준으로 하였다. Titanium 합금의 밀링 가공 현장에서 활용도가 높은 수준을 2, 3번째 수준으로 하고 상하에 2수준을 추가하여 4수준으로 정하였다.

인자 3에 각각 4 수준의 Full factorial design으로 64회 실험을 계획한다. 다음 <Table 2>는 절삭가공 파라미터 와 실험 순서의 일부를 나타낸다.

2.2 실험 데이터 수집

실험에 사용된 Machining Center는 독일 H사의 5축 공작 기계를 운용했으며 절삭 공구는 국내 Y사의 ∅12.0mm× L35.00mm 초경 카바이드 엔드밀 4날을 사용한다. ADL 가 공에서 oil Mist 입자의 크기는 0.1μm~0.5μm이며 ∅1.0mm 인 oil 노즐 단의 위치는 공구의 수직 상 방향 45°이고 발생 압력은 6.0bar이다. <Figure 1>은 공작기계 및 절삭력 측정을 위한 공구동력계 [12] 배치의 개략도를 나타내며 <Table 3>은 실험에 적용된 장비, <Table 4>는 ADL 가공에서 oil 분사 규격을 나타낸다. 공구동력계의 성능으로서 Sensitivity 는 F x , F y ≈ − 7.5 p C / N , F z ≈ − 3.7 p C / N 이며, Natural frequency는 f n ( x ) , f n ( y ) ≈ 2.3 k H z , f n ( z ) ≈ 3.5 k H z 로서 자려 진동의 4배 이상이기 때문에 안정적이고, 공작기계의 성능을 나타내는 Repeatability는 ±0.002mm이고, 고숙련도의 전문 operator가 측정하였으므로 Gage Repeatability와 Reproducibility는 좋은 편이다.

아래 <Figure 2>는 ADL 가공에서 Titanium 합금 (Ti-6Al-7Nb) 실험 소재 100mm×100mm×30.0mm의 Slot 형상 가공의 개략도를 나타내며 <Figure 3>은 실험가공 모습을 보여 준다.

2.3 절삭력

선반 가공에서 공구 인선에 작용하는 절삭력으로서 주 절삭력(F_c)은 절삭속도 벡터 방향으로 작용하며, 이송 분력(F_f)은 공구 이송 방향으로 작용하고 배분력( F_t )은 가공 면에 수직으로 작용하는 반경 방향의 분력이다 [21]. <Figure 4>, <Figure 5>, <Figure 6>은 선반 가공에 서의 주 분력, 이송 분력, 배 분력과 절삭 파라미터와의 상호 관계를 나타내며 <Figure 7>은 3 분력의 방향을 나 타낸다[21]. 절삭속도의 증가에 따라 F_c , F_f , F_t 절삭 저항은 모두 초기에 상승하다가 이후 안정 상태에서 일 정하게 유지하므로 절삭속도와는 관련이 없는 것으로 나 타난다[21]. 그렇지만 이송속도의 증가에 따라 3분력 모 두 상승하는 결과를 보이므로 이송속도의 증가는 절삭 저항의 급격한 상승을 초래한다.

선반 가공에서 절삭력은 다음과 같이 2개의 서로 다른 식으로 표현된다. 절삭력을 나타내는 아래의 두 식을 같게 두고 절삭력 Fc를 표현하면 다음과 같이 된다.

선반 가공에서 M R R = V · d · f r 이므로 절삭속도는 상쇄되어 절삭력은 절삭속도와 무관하게 되어 위 <Figure 4>에서 절삭속도의 증가에도 3분력은 일정하게 된다[11, 13, 20].

Spiral helix가 형성된 엔드밀 가공에서는 선반 가공과 는 매우 다르다. Slot 형상 절삭 시 한날이 작용할 때 측 정되는 절삭력을 각 축의 성분 F_x, F_y, F_z로 나타낸다. 밀 링에서 절삭력에 미치는 요인은 절삭조건 외 공구의 형 상, 공구 재종, 코팅의 상태, 절삭유의 종류에 따라 달라 지므로 해석적인 방법으로 절삭력을 구하는 것은 한계가 있다. Titanium 합금 소재를 적용하여 ADL 방식의 Slot 가공에서 절삭력을 공구동력계로 실험 데이터를 F_x, F_y, F_z로 취득하여 합력을 구한다. 절삭 합력은 R f = F x 2 + F y 2 + F z 2 로 나타낸다.

2.4 실험 데이터 분석

독일 H사의 Machining center에서 실험한 결과를 측정하 기 위해 Kistler사의 Multi-component Dynamometer (Type 9257B)를 적용하여 F_x, F_y, F_z의 절삭력 신호를 받아 초당 500개의 데이터를 저장하여 Charge amplifier (Type 5080A) 로 신호를 증폭하여 얻은 데이터를 Dyno Ware로 확인하여 검출하였다. 공구동력계(9257B)는 100mm×170mm 크기로 specimen에 작용한 절삭력을 정밀하게 측정할 수 있다[12].

Full factorial design 실험을 통하여 ADL의 Slot 형상 가공 에 대한 절삭력에 미치는 인자의 영향을 절삭속도(V), 이송 속도(f), 절삭깊이(d)의 수준 값이 증가함에 따라서 아래의 <Figure 8>, <Figure 9>, <Figure 10>, <Figure 11>, <Figure 12>, <Figure 13>에 나타냈다. 인자 중 절삭깊이에 대한 변화는 영향이 크게 나타났으나 절삭속도는 미치는 영향이 가장 낮았다.

위 그림을 통하여 절삭깊이가 절삭력의 변화에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 보인다. 다음 <Figure 14>에 서 보면 절삭깊이의 증가에 따라 절삭 저항에 직접 영향 을 주는 절삭 단면적이 비례하여 커지기 때문이다. 좀 더 정확한 관계를 위해 아래와 같이 분산분석을 통해 파악 한다.

3. 분산분석

Full factorial design 분산분석 결과 이송속도(f), 절삭 깊이(d), 절삭속도(V) 및 2차 교호작용 V*d, f*d에 대하 여 P값이 0.000으로 유의 수준 α= 0.05 이내에 유의하며 이를 아래의 <Table 5>에 나타내었다. <Figure 15>는 이 에 대한 Pareto chart로서 그림에서도 유의한 인자를 알 수 있다.

위의 <Figure 16>, <Figure 17>에서 절삭속도, 이송속 도, 절삭깊이가 ADL Slot 형상 가공에서, 절삭력은 절삭 깊이에 가장 크게 영향이 있는 것으로 나타났으며 절삭 속도의 영향은 선삭 가공과 유사하게 낮게 나타났다. 또 한, 이송속도의 증가에 따라 절삭력은 상승하였다.

4. 중심합성법 분석

독립변수와 종속변수 간의 함수관계를 예측하기 위해 요인의 회귀식을 찾아낸다. 절삭력에 미치는 절삭속도, 이 송속도, 절삭깊이 3 인자를 각 3수준으로 설정하여 반응표 면분석법 실험을 하였다[15, 16]. 반응표면분석법의 중심합 성법에서 축 점(Axial point), 중심점 (Center point), 요인실 험점 (Cube Point)을 가지는 Cube 모형으로 설계하였으며 <Figure 18>은 꼭짓점 8, 중앙점 1, 축 점 6으로 설계한 입방체를 나타내며[15, 16], <Table 6>은 3 인자의 실험 설계 를 나타낸다.

실험의 횟수 = 2^k(요인실험점수)+2k(축 점수)+N(중앙점수) =2³+6+1=15

아래 <Table 7>은 중심합성법에 따라 실험하여 절삭 력을 측정한 결과이다.

ADL, Slot 형상 가공에서 절삭력에 대한 반응표면분석법 모형에 적합성을 확인하기 위해 분산분석을 이용한 결과를 아래 표에 나타냈다. <Table 8>은 중심합성법 실험의 절삭 력에 대한 분산분석 결괏값, <Table 9>는 각 인자의 계수를 나타낸다. 아래 <Figure 19>는 실험 결과의 Pareto chart 그래 프이며 <Figure 20>은 잔차의 정규성을 나타내는 그래프이 다. 반응표면분석법으로 분석한 결과 R-squared 99.80%에 인자 V, f, d 및 2차 교호작용 f*d, V*d, V*f가 P값이 0.005, 0.028, 0.040으로 유의하다고 할 수 있다.

반응표면분석법을 통하여 ADL Slot 형상 가공에서 절 삭속도(V), 이송속도(f), 절삭깊이(d)에 따른 절삭력을 나 타내는 2차 다항식을 아래와 같이 구하였다.

중심합성법을 이용한 분석 결과 절삭력은 절삭속도 수 준의 증가에 따라 감소하다가 이후 서서히 증가하였으며, 이송속도 수준의 증가에 따라 계속 상승하였으며, 절삭깊 이가 증가함에 따라 크게 상승하였다. 이와 같은 결과를 다음 그림 <Figure 21>, <Figure 22>에 나타내었다.

중심합성법을 이용한 실험을 위의 회귀식을 이용한 반응 결과는 <Figure 23>, <Figure 24>, <Figure 25>와 같 이 나타났다. 한 인자를 고정한 후 2개의 인자의 변화에 따른 결과를 나타낸다. 이송속도, 절삭깊이가 커질수록 절삭력이 크게 증가하였다.

위 3개의 그림에서 V값을 60[M/min]으로 고정할 경우 절삭력은 f와 d에 따라 비례하나 V의 변화에 따라 절삭 력의 최솟값이 있음을 알 수 있다.

회귀모형을 이용하여 ADL Slot 형상 가공에서 절삭성을 향상할 수 있는 최소 절삭력을 구하고, 인자들이 절삭력에 미치는 영향을 분석하였다. 다음 <Figure 26>은 인자들의 수준을 변화시켰을 때 얻을 수 있는 반응의 최솟값과 개별 인자의 수준을 보여 준다. 합성 만족도가 1을 나타내고 그에 따르는 최적 절삭조건은 실험의 범위 내에서 절삭속도 58.5354M/min, 이송속도 0.3mm, 절삭깊이 1.5mm이며, 이 때의 절삭력 예측값은 312.7893[N]이다.

5. 절삭력 예측

실험의 측정치와 MINITAB[15] 반응표면분석법에서 구한 2차 회귀식 모델의 절삭력 값을 비교하였다. 유의 수준 α=5%로 양쪽 유형으로 예측하였다. 결과 15개 실 험치를 기준으로 하여 99% 이상, 오차 범위 이내에서 거 의 일치한다고 판단되며 추정한 회귀모형에 제시된 식이 잘 맞음을 확인할 수가 있다. 따라서 회귀모형 식을 적용 하여 절삭력을 예측할 수가 있다고 판단한다. 아래 <Table 10>은 실험 치와 회귀식으로부터 구한 예측치의 비교를 나타낸다.

6. 결 론

본 연구는 ADL 이용한 Slot 형상 가공에서 절삭력 예 측 식을 도출함을 목적으로 절삭력에 미치는 인자의 영 향에 3개의 인자 절삭속도, 이송속도, 절삭깊이에 대하여 실험계획법을 적용하여 실험하였다. Full factorial design 을 통하여 절삭가공의 특성을 파악하고 이를 근거로 반 응표면분석법으로 설계하여 인자의 수준 변화에 따른 절 삭력에 미치는 영향을 분석하였으며 2차 다항 회귀 모델 을 추정하고 최적 절삭조건을 구하여 다음과 같은 결론 을 도출하였다.