Ti-6Al-4V 합금의 절삭가공 시 절삭성에 관한 실험 및 FE 해석 = Experiment and Finite Element Analysis on the Machinability during Cutting of Ti-6Al-4V Alloy

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Titanium, which has small size, light weight, excellent corrosion resistance, and heat resistance, can be used to the maximum in aerospace, field industries, and strategic materials. Among titanium alloys, Ti-6Al-4V alloy, which has the most common defect in the industrial field, has poor productivity at the contact point, causing great difficulties in occurrence. Therefore, in this paper, the normal condition of the proof machining is first confirmed casting in the machining center and turning center in order to identify the main composition and their phenomenon tendency, such as normal temperature or normalization when opening and normalizing the
normalization speed, standard depth and feed rate. Support force and measured temperature were observed using a flow sensor, infrared thermometer, and thermal imaging camera. In addition, bearing analysis was performed using the finite element analysis tools AdvantEdge and Deform, and the following conclusions were reached. 1) When changing the number of rotations of the spindle in cutting using a machining center,
the processing load (current value) all showed high STD61, but the actual tool wear (7,000 rpm) and damage (11,000 rpm) were higher in Ti-6Al-4V occurred. Therefore, stable cutting conditions are judged to be 4,000 to 5,000 rpm of spindle rotation and 500 to 600 mm/min of feed rate.2) In a cutting experiment using a turning center, the Al7075 and STD61 increased the overall processing load (current value by about 5A) as the rotation increased, but the Ti-6Al-4V was unable to perform cutting at a spindle speed of 2,000 rpm or more, It is judged that cutting is possible under the cutting conditions for the production of tensile test pieces: rotation speed of 1,200 to 1,300 rpm, feed rate of 0.08 to 0.12 mm/rev, and cutting depth of about 0.3 mm.
3) As a result of measuring the cutting temperature, Al7075 started at 19℃ lower than room temperature and gradually decreased to 17.5℃ during cutting. STD61 decreased from an average of around 30℃ to about 26℃, but it also rose to a maximum of 65℃ due to frictional heat caused by chip curling. However, Ti-6Al-4V was 27~28℃ at the start of cutting, but in a short time, heat was generated around the tool and tool, and the temperature rose up to 190℃.4) In the cutting force test and cutting temperature test of Ti-6Al-4V, the cause of the rapid wear and tear of the tool could be proved through finite element analysis. In the AdvantEdge
analysis, STD61's main component and required power were much higher than Ti-6Al-4V, but the tool temperature and boundary shear stress were 1.5 and 2 times higher in Ti-6Al-4V, respectively. Although there are differences by condition, the overall tool temperature and boundary pressure were high. 5) Due to the characteristics of Ti-6Al-4V, the high pressure at the interface generates frictional heat at the contact surface between the tool and the chip, causing the coating of the tool to peel off and high-temperature microparticles to adhere, causing rapid abrasion to the tool edge and spreading to the cutting edge. It is judged to be It is thought that the change in adhesion behavior that occurs at this time will require many studies through flow analysis in the future.

국문 초록 (Abstract)

경량 고강도와 우수한 내식성, 내열성을 갖고 있는 타이타늄(Titanium)은 항공우주, 산업분야, 전략물자에 이르기까지 광범위하게 활용되고 있다. 타이타늄 합금 중 산업분야에서 가장 널리 사용되고 있는 Ti-6Al-4V 합금은 그 기계적 성질로 인하여 절삭성이 좋지 않아 절삭에 큰 애로를 겪고 있다. 따라서, 본 논문에서는 절삭가공의 일반적인 조건인 절삭속도, 절삭깊이 및 이송속도를 변화시키며 절삭할 때 절삭온도와 절삭력 등의 주요 절삭성 인자들의 변화 경향을 규명하기 위하여 우선 머시닝센터와 터닝센터에서 절삭 시 전류센서, 적외선 온도계 및 열화상 카메라 등을 이용하여 절삭력과 절삭온도를 관찰하였다. 또한, 유한요소해석 툴인 AdvantEdge와 DEFORM을 이용하여 절삭해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 머시닝센터를 이용한 절삭가공에서 주축의 회전수를 변화시킬 때 가공부하(전류값)는 모두 STD61이 높게 나왔지만 실제 공구의 마멸과(7,000rpm) 파손(11,000rpm)은 Ti-6Al-4V에서 발생하였다. 따라서, 안정적인 절삭조건은 주축의 회전수 4,000~5,000rpm, 이송속도 500~ 600mm/min로 판단된다.
2) 터닝센터를 이용한 절삭실험에서 AL7075와 STD61은 회전이 증가할수록 전체적인 가공부하는 상승(전류값 약 5A씩) 하였으나, Ti-6Al-4V는 주축 회전수 2,000rpm 이상에서 절삭가공이 불가능하였으며, 인장 시험편 제작 절삭조건인 회전수 1,200~1,300rpm, 이송속도 0.08~0.12mm/rev, 절삭깊이 0.3mm 정도 조건으로 절삭이 가능할 것으로 판단된다.
3) 절삭온도 측정 결과 Al7075는 상온보다 낮은 19℃에서 시작하여 절삭가공 동안 점차적으로 17.5℃까지 감소하였다. STD61은 평균 30℃ 내외에서 약26℃까지 감소하였으나 부분적으로 칩 말림에 의한 마찰열로 최고 65℃까지 상승하기도 하였다. 그러나 Ti-6Al-4V는 절삭 시작점에서 27~28℃ 였으나 짧은 시간에 공구와 공구 주변에 발열이 생성되면서 최고 190℃까지 온도가 상승하는 부분도 나타났다.
4) Ti-6Al-4V의 절삭력 실험과 절삭온도 실험에서 공구의 급속한 마멸과 파손의 원인을 유한요소해석을 통하여 이론적 근거를 증명할 수 있었다. AdvantEdge 해석에서 STD61의 주분력과 소요동력이 Ti-6Al-4V보다 훨씬 높았지만, 공구온도와 경계전단응력은 각각 1.5배 및 2배 정도 Ti-6Al-4V가 높다는 점과 DEFORM 해석에서 수치 차이와 조건별 편차는 있지만, 전체적으로 공구온도와 경계 압력이 높게 나타났다.
5) Ti-6Al-4V의 특성상 경계면의 높은 압력이 공구와 칩의 접촉면에 마찰열을 발생시켜 공구의 코팅이 박리되고 고온의 미소입자들이 응착되면서 공구인선에 급속한 마멸이 일어나면서 절삭날까지 확산되는 것으로 판단된다. 이때 발생하는 응착의 거동 변화는 앞으로도 유동해석을 통하여 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 1.1연구 배경 1
• 1.2 연구의 필요성 3
• 1.3 연구내용 및 방법 3
• 제 2 장 Ti-6Al-4V 합금의 특성 및 절삭성 고찰
• 2.1 타이타늄 및 합금의 종류 5
• 2.1.1 순수 타이타늄과 합금의 격자구조 5
• 2.1.2 타이타늄 합금의 분류와 특성[16] 6
• 2.1.3 타이타늄 합금의 등급에 따른 분류 7
• 2.2 Ti-6Al-4V의 특성과 용도[16] 11
• 2.2.1 온도에 따른 기계적 성질의 변화 11
• 2.2.2 Ti-6Al-4V의 활용 분야 13
• 2.3 Ti-6Al-4V의 절삭성[16] 13
• 2.3.1 절삭성에 영향을 미치는 주요 요소 16
• 2.3.2 Ti-6Al-4V합금의 선삭 시 절삭 매개변수의 영향 17
• 2.3.3 절삭성 개선을 위한 특수가공기술 20
• 2.4 Ti-6Al-4V 합금의 선삭용 공구재료 27
• 2.5 Ti-6Al-4V 합금의 선삭 시 공구파손 모드 및 마모 메커니즘 27
• 2.6 Ti-6Al-4V의 절삭성의 종합 고찰 31
• 제 3 장 2차원 절삭이론
• 3.1 절삭력 32
• 3.2 공구마모 35
• 3.3 절삭온도 36
• 제 4 장 실험장치 및 실험방법
• 4.1 실험의 개요 39
• 4.2 시험편의 성분 및 특성 39
• 4.3 소재의 인장시험 40
• 4.3.1 시편 제작 40
• 4.3.2 인장시험 결과 및 응력-변형률 선도 44
• 4.4 절삭력 실험 48
• 4.4.1 실험장치 및 방법 48
• 4.4.2 절삭가공 조건 52
• 4.4.3 절삭가공 시편의 크기 및 절삭공구 55
• 4.4.4 머시닝센터의 절삭력 실험 결과 및 고찰 58
• 4.4.5 터닝센터의 절삭력 실험 결과 및 고찰 65
• 4.5 절삭가공의 절삭온도 측정 74
• 4.5.1 온도측정방법 74
• 4.5.2 머시닝센터의 절삭온도 및 분석 78
• 4.5.3 터닝센터의 절삭온도 및 분석 82
• 제 5 장 절삭과정의 유한요소해석
• 5.1 유한요소해석의 개요 89
• 5.2 AdvantEdge 해석 90
• 5.2.1 유한요소 해석조건 90
• 5.2.2 해석 결과 93
• 5.3 DEFORM 2D 해석 104
• 5.3.1 해석조건 104
• 5.3.2 해석 결과 및 고찰 106
• 제 6 장 결론 119
• 참고문헌 122
• ABSTRACT 126

참고문헌 (Reference)

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12 Deiab, I., Raza, S. W., Pervaiz, S., "Tool Wear Patterns When Turning of Titanium Alloy Using Sustainable Lubrication Strategies,", Vol. 15, pp. 1979-1985, 2014

13 Deiab, I., Raza, S., Pervaiz, S., "Analysis of Lubrication Strategies for Sustainable Machining during Turning of Titanium Ti-6Al-4V alloy,", Vol. 17, pp. 766- 771, 2014

14 Bonney, J., da Silva, R. B., Sales, W. F., Machado, A. R., Ezugwu, E. O., "Tool Life and Wear Mechanisms in High Speed Machining of Ti–6Al–4V Alloy With PCD Tools Under Various Coolant Pressures,", Vol. 213, pp. 1459-1464, 2013

15 Li, D. H., Yang, L. F., Xie, J., Wu, K. K., Luo, M. J., "Experimental Study on Cutting Temperature and Cutting Force in Dry Turning of Titanium Alloy Using a Non-coated Microgrooved Tool,", Vol. 73, pp. 25-36, 2013