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신강우(K. Shin),이석우(S.-W. Lee),남정수(J. Nam),김성현(S. H. Kim),신주호(J.-H. Shin),박충우(C.-W. Park),정안목(A. M. Jung),안종욱(J. U. An),김태곤(T.-G. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
타이타늄 합금은 우수한 기계적 특성을 바탕으로 첨단산업 및 많은 응용분야에서 수요가 증가하고 있으며, 산업이 고도화됨에 따라 더욱 정밀한 가공이 요구되고 있다. 하지만 타이타늄 합금의 낮은 가공성으로 인하여 고압 절삭유, 극저온가공과 같이 냉각 효율이 좋은 가공 공정을 사용하여 이를 보완하는 연구가 진행되고 있다. 그런데 최근 로봇을 활용한 가공 및 친환경 가공 등에 대한 연구가 진행되면서, 절삭유를 사용하지 않는 건식 가공 공정에 대한 기술들이 요구되고 있다. 하지만 타이타늄은 기존 철, 알루미늄 등 금속소재보다 반응성이 높아, 건식 가공시 폭발이 발생할 수도 있고, 낮은 가공성으로 품질을 얻기 어려울 수 있다. 따라서 본 연구에서는 타이타늄 건식가공을 로봇에 적용하기에 앞서 머시닝센터를 활용하여 타이타늄의 가공성을 향상시키기 위한 연구를 진행하였다. 머시닝센터에서 일반적인 습식 가공과, 건식 가공, 초음파 가공을 적용하여 가공 특성을 비교 분석하였으며, 이에 따른 기초연구를 수행하였다. 각각 공정에 따라 절삭추력과 칩, 표면조도(Ra)를 비교 분석하였으며, 습식 가공과 비교해 초음파 가공을 적용하였을 때 절삭추력과 칩의 길이가 약 16, 24% 감소하는 것을 확인하였으며, 표면조도(Ra) 또한 초음파 가공을 적용하였을 때 10% 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 초음파 적용 유무에 따라 타이타늄 버의 높이가 약 27% 감소하는 것을 보였다. 이를 통해 타이타늄 소재의초음파를 활용한 건식가공에서 비교적 높은 가공성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 향후 로봇에 이를 적용하여 가공 특성을 비교 분석할 예정이다.
극저온 간접 냉각 드릴링 공정을 이용한 CFRP 홀 가공 품질 향상
신주호(J.-H. Shin),박충우(C. W. Park),신강우(K. Shin),이석우(S.-W. Lee),남정수(J. Nam),김성현(S. H. Kim),라문우(M.-W. La),김태곤(T.-G. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
탄소섬유복합재(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)는 탄소섬유와 에폭시 수지로 이루어진 복합재이다. CFRP는 온도가 상승할수록 소재의 연성이 강해지고 낮아질수록 취성이 강해지는 온도 특성을 갖고 있다. 복합재 가공 시 가공 온도가 유리전이온도(Glass Transition Temperature, Tg) 구간 이상으로 상승하면 박리, 미절삭 섬유 및 열 손상 등과 같은 가공 결함이 증가하게 된다. 선행연구에서는 가공 온도가 유리전이 구간으로 상승하는 것을 억제하기 위해 상온의 압축공기를 공구의 주절삭 날 부분으로 분사하여 가공 온도를 유리전이 온도보다 낮게 유지할 수 있었으며 가공 품질이 향상되는 것을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 가공 온도가 낮을수록 결함이 적게 발생하는 특성을 이용해 상온의 공기보다 더 낮은 온도인 액화질소를 적용하여 공정에 따른 가공 품질의 변화에 대한 연구를 수행하였다. 액화질소는 공구의 내부 유로를 통해 순환한 후 공구 섕크 부분에서 배출되며, 액화질소가 소재에 직접적으로 맞닿지 않는 구조가 적용되었다. 연속적인 홀 가공 중 열화상 카메라를 이용해 가공 온도를 확인하였으며 동시에 공구 동력계로 절삭력을 측정하였으며, 가공이 끝난 후에는 광학현미경을 통해 홀 내부 결함을 확인하였다. 그 결과 가공 온도가 낮아질수록 홀 내부의 결함 발생 빈도가 저하되어 가공 품질이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
극저온 냉각과 나노유체 극미량 윤활을 적용한 인코넬 718 선삭가공에서의 절입부 마모 감소
박충우(C. W. Park),신주호(J.-H. Shin),신강우(K. Shin),이석우(S.-W. Lee),남정수(J. Nam),김성현(S. H. Kim),라문우(M.-W. La),김태곤(T.-G. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
대표적인 니켈기 초내열합금인 인코넬 718은 고온/고압 환경에서의 기계적 특성이 우수하여 항공우주산업에서 내열부품 소재로 적용되고 있다. 그러나 낮은 열전도도로 인해 고온의 절삭열과 함께 가공경화가 발생한다. 이로 인해 소재 표면 경도가 증가하게 되고 가공 시 공구의 절입부 마모가 가속화되어 공구수명이 저하된다. 이에 본 연구에서는 극저온 냉각 방식과 나노유체 극미량 윤활(극저온+nMQL)을 적용하여 냉각성과 윤활성을 향상시켜 기존 가공방식 대비 노치마모 감소효과를 확인하였다. 실험에 앞서 극저온 가공에 적용하기 위한 극미량 윤활의 분사조건 선정 실험을 진행하였다. 또한 70 nm 의 hBN 입자를 0.5 wt%로 혼합하여 윤활성을 극대화하였다. 선정한 분사조건을 토대로 인코넬 718 외경선삭가공을 실시하였으며, 노치마모 감소효과를 확인하기 위해 기존 습식가공 및 건식가공을 함께 진행하였다. 또한 노치마모의 감소 원인을 파악하기 위해 절삭력과 가공표면경도를 바교분석하였다. 실험 결과 제안된 가공방식에서 동일 가공시간을 기준으로 노치마모가 기존 습식가공에 비해 약 57% 감소하였다. 이와 관련하여 이송분력을 비교한 결과 습식가공을 기준으로 건식가공에서 3.45% 증가하였으며, 극저온 +nMQL 에서 5.2% 감소한 것을 확인하였다. 또한 경도 측정결과 건식방식에서 표면경도가 가장 높았으며 극저온 +nMQL에서 가장 낮은 표면경도를 보임과 동시에 경화층이 가장 적은 것으로 나타났다. 이를 토대로 극저온 +nMQL 방식에서의 우수한 냉각성과 윤활성을 바탕으로 공구의 기대수명이 가장 높을 것으로 예상되며 인코넬 718 선삭 시 생산성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.