티타늄 황삭가공에 있어서 공구마모율에 미치는 절삭조건의 영향에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

Ⅰ. 서 론
1.1 연구배경
티타늄은 내열성, 내식성 및 내마모성이 우수할 뿐만 아니라, 강에 비하여 비중이 작을 뿐만 아니라 탄성은 2배 이상 높다. 그러나 재료의 단가가 비싸고, 열전도율 및 전기전도계수가 다른 금속에 비하여 낮기 때문에 가공 시에 공구의 온도가 높아지고 공구의 마모가 빠르게 진행되어 공구파손이 쉽게 발생된다. 따라서 티타늄은 항공우주 구조물, 첨단무기류, 터빈부품 등에 제한적으로 사용되어 왔다. 그런데 최근 항공기 및 자동차 산업에서는 유가 상승으로 인한 연비 향상의 필요성 때문에, 저중량 및 고강도 제품의 사용범위가 급격하게 증가되고 있어 티타늄의 사용비율이 해가 갈수록 점점 증가되고 있다.
한편, 고강도의 재료특성으로 인해 티타늄은 절삭가공 시에 공구 날끝의 절삭저항이 커져서 절삭칩이 날에 융착되는 현상의 발생에 의해 날 주위에서 형성된 절삭열의 확산이 늦어진다. 이 때문에 공구의 고온화가 빨라져 마모진행도 빠르게 촉진되어 절삭공구의 수명이 단축된다. 또한, 강도가 높기 때문에 생산성이 낮을 뿐만 아니라, 가공된 부품의 표면 거칠기가 좋지 않아 난삭재로 분류되고 있다.
Zlatin 등(1, 2)은 신소재 및 티타늄의 가공을 이용해 티타늄 합금의 기계적 성질과 가공성에 대한 연구를 하였고, Komanduri 등(3, 4)은 난삭재인 티타늄 합금의 가공을 통해 칩형성 과정을 연구하였다. Mcquillan 등(5)과 Kahles 등(6)은 기계가공에 있어서 티타늄 합금의 선삭, 연삭, 드릴링 등 공구의 절삭성능에 대하여 각각 연구를 하였다.
국내에서는 강재의 절삭가공에 대한 연구(7, 8)가 많이 수행되어 왔지만, 항공기 및 자동차 중요부품에 널리 사용되고 있는 난삭재인 티타늄의 절삭조건에 대한 연구는 아직 미미한 상태이다.(9, 10) 최근 국내 산업현장에서는 생산성을 향상시키기 위해 기존에 사용해온 볼 엔드밀과 평면 엔드밀의 장점을 이용한 라운드 엔드밀을 황삭 절삭가공에 적용하고 있다.
1.2 연구목적
항공기 및 자동차 산업의 지속적인 발달로 인해 관련된 다양한 형상의 부품생산의 요구에 따라 엔드밀 절삭이 많이 이루어지고 있는데, 이 들의 부품가공에 사용되고 있는 엔드밀 절삭가공은 생산성 향상, 원가절감 등의 요구조건을 만족시키면서, 가공표면의 정밀성을 추구하는 고품위 가공기술이 가능하여 중요성이 한층 대두되고 있다.
그런데 이들 중에 항공기 부품으로 사용되고 있는 알루미늄 합금과 난삭재인 티타늄 합금은 가공조건에 따른 표면 거칠기의 품위에 관한 엔드밀 절삭가공의 실적이 국내에서는 아직 미진한 상태이기 때문에, 항공기 부품을 가공하는 많은 업체에서는 정확한 가공조건을 부여하여 절삭하기보다는 작업자의 경험에 의한 단순 절삭가공이 이루어지고 있는 것이 현재의 상황이다.
엔드밀 절삭가공은 일반적으로 제품의 형상에 따라 표면 거칠기에 관계없이 절삭하는 황삭(rough cutting), 황삭 후 절삭되지 않은 부분과 높은 커습(cusp)을 제거하기 위한 중삭(semi-finished cutting) 그리고 가공 부품도면에 있는 표면 거칠기와 정밀공차로 절삭하는 다듬질 가공인 정삭(finished cutting)으로 구분한다.
황삭 및 중삭 가공에서는 표면 거칠기와 정밀공차를 고려하지 않고 대략적인 형상으로 절삭하기 때문에 절삭이 용이하고 가공 후 표면 거칠기가 좋은 평면 엔드밀(flat end mill)을 많이 사용하고, 곡면과 모서리 부분의 형상 절삭에는 볼 엔드밀(ball end mill)을 많이 사용하고 있다.
본 연구에서는 최근 항공기, 자동차 등의 중요부품에 많이 사용되고 있는 티타늄의 황삭가공에 있어서 평면 및 라운드 엔드밀의 공구형상에 따른 수명을 조사하기 위해 수직 머시닝센터의 주축회전수와 이송속도를 파라미터로 하여 절삭시간에 대한 최대 절삭온도를 측정하고, 절삭실험 전후의 공구마모에 따른 중량을 측정해 공구마모율을 계산하여 적정한 절삭조건을 비교하고 고찰하는 것이 석사학위 논문의 목적이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The titanium among the metal materials is excellent in heat resistance, corrosion resistance and abrasion resistance. In addition, titanium has a smaller specific gravity and more than twice the elasticity than steel. However, since the cost of titanium is high, and the thermal conductivity and the electric conductivity coefficient are lower than those of other metals, the temperature of the tool is increased during the machining, and the wear of the tool is rapidly progressed. Therefore, the breakage of the tool is easily caused. As a result, titanium has been limitedly used in aerospace structures, advanced weapons and turbine components. The applied rate of titanium has been gradually increasing because the utilizing ranges for low weight and high strength are rapidly increased by the need for improving the fuel economy in production industries such as the aviation and automotive in recent. The objective of this study is to investigate the appropriate cutting conditions on the life of flat and round end mills by measuring the maximum cutting temperature relative to the machining time and calculating the wear rates of cutting tool with the spindle speed and feed rate of vertical machining center as a parameter in the rough cutting machining of titanium which is widely used in critical parts of aircraft, cars, etc. When the wet rough cutting machining of titanium with a soluble cutting oil is conducted by the flat and round end mills, the maximum cutting temperature for a variety of spindle speed and feed rate is measured for 60 minutes by an infrared thermometer, and the wear rates of cutting tool are calculated by the weight ratios based on tool wear before and after the experiment. It is found that the maximum cutting temperature and the wear rates of cutting tool are raised as the cutting amount per tool edge is increased with the rise of feed rate, and as the frictional area due to the rise of contacting friction numbers between tool and specimen is increased with the rises of cutting machining time and spindle speed in this experimental range. In addition, the maximum cutting temperature and the wear rates of cutting tool in the flat and round end mills are the highest for the cutting machining time from 50 to 60 minutes, and in all experimental conditions the wear rate of cutting tool in the flat end mill is 1.14 to 1.55 times higher than that in the round end mill.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 2
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 2.1 절삭가공 3
• 2.2 절삭공구 및 방법 4
• 2.3 엔드밀 6
• 2.4 절삭유 9
• 2.5 표면 거칠기 표시법 및 측정법 12
• 2.5.1 표면 거칠기 표시법 12
• 2.5.2 표면 거칠기 측정법 15
• Ⅲ. 실험 장치 및 방법 17
• 3.1 실험장치 17
• 3.2 실험방법 22
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 26
• 4.1 최대 절삭온도 특성 26
• 4.2 절삭공구 마모율 특성 31
• Ⅴ. 결론 36
• 참고문헌 37