건식 가공 101: 원리 및 특성 설명

I. 건식 절단 가공의 이해

절삭 공정에서 절삭유를 추가하면 절삭 온도, 칩 파손 및 칩 제거를 줄이는 데 좋은 역할을하지만 많은 단점도 있습니다. 예를 들어, 대형 절삭유 순환 시스템을 유지하려면 많은 자금이 필요하며 동시에 주기적으로 방부제를 추가하고 절삭유를 교체해야 하므로 비용도 많이 증가합니다.

또한 절삭유에 포함된 유해 물질로 인해 작업자의 건강에 위협이 될 수 있어 절삭유 사용도 제한되고 있습니다. 그 결과 건식 커팅 기술이 등장했습니다. 새로운 기술인 건식 절단에는 몇 가지 새로운 문제와 명확히 해야 할 모호한 이해가 많이 있습니다.

이를 위해 미국 미시간 공과대학교(MTU)는 광범위한 조사와 비교 절삭 실험을 통해 절삭유 사용이 작업자의 건강, 공구 수명, 절삭력 및 토크, 가공 품질에 미치는 영향을 심층적으로 분석하고 연구하여 신기술인 건식 절삭에 대한 사람들의 이해를 높이고자 했습니다.

1. 근로자의 건강

MTU가 실시한 광범위한 설문조사에 따르면 절삭유 사용은 생산 환경을 악화시키고 장기간 노출되면 피부 질환과 기관지염을 유발하여 작업자의 건강과 안전에 위협이 될 수 있다고 합니다.

따라서 많은 국가에서 엄격한 환경 보건 기준을 규정하고 있습니다. 예를 들어 미국 환경 보호국(EPA)은 공기 중 유해 물질의 허용 함량을 기존 5.0mg/m³에서 0.5mg/m³로 낮추도록 규정하고 있습니다.

또한 공기 중 유해 물질의 허용 입자(PM) 직경이 기존 10μm에서 2.5μm로 감소했습니다. 이 기준을 충족하기 위해 고정밀 절삭유 여과 장치와 공기 정화 장비가 필요하므로 제조 비용이 크게 증가합니다. 이러한 관점에서 볼 때 절삭유 사용으로 인한 이점을 훨씬 능가합니다.

2. 공구 수명

일반적으로 절삭유를 추가하면 공구 수명을 향상시킬 수 있다고 알려져 있습니다. 그러나 MTU에서 수행한 절삭 실험에 따르면 절단 속도 v=130m/min의 조건에서 절삭유로 절삭할 때, 첨가 공정의 불연속성과 냉각의 불균일성으로 인해 공구가 냉온이 불규칙하게 번갈아 가며 변화하여 공구 팁에 균열이 쉽게 발생하고 공구 손상을 초래하여 공구 수명이 크게 단축되는 것으로 나타났습니다.

3. 표면 거칠기

MTU는 알루미늄 합금(Al304 및 Al390)을 가공 재료로 하여 비코팅 초경 드릴을 사용하고 드릴링에 일반적으로 사용되는 절삭 파라미터를 선택하여 100회 이상의 드릴링 테스트를 수행했습니다. 그 결과 절삭유를 사용한 습식 절삭에 비해 절삭유를 사용하지 않은 건식 절삭이 내부 구멍의 표면 거칠기 값을 2배 증가시키는 것으로 나타났습니다.

따라서 내부 홀 표면 거칠기에 대한 요구 사항이 높은 부품의 경우 건식 절삭은 가급적 피해야 합니다. 그러나 보링 알루미늄 합금의 비교 절삭 테스트에서 동일한 가공 조건에서 내부 홀의 표면 거칠기는 절삭유 첨가 여부와 거의 관계가 없는 것으로 나타났습니다.

4. 절삭력 및 토크

MTU에서 실시한 드릴링 테스트(위와 동일한 조건)에서 절삭유를 추가하면 특히 폐쇄형 절삭 공정에서 드릴에 작용하는 절삭력과 토크를 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 나사 탭핑, 깊은 구멍 브로칭, 톱질 등의 절삭 테스트에서도 이 점이 충분히 확인되었습니다.

마찬가지로 알루미늄 합금 보링 비교 절삭 테스트 결과, 동일한 가공 조건에서 절삭유 첨가 여부와 상관없이 보링 공구에 작용하는 절삭력과 토크는 기본적으로 변하지 않았음이 입증되었습니다.

5. 절단 열 및 내부 구멍 치수 정확도

MTU는 내부 홀 보링 테스트 중 다양한 시간대와 축 방향 및 반경 방향 위치에서 절삭 온도를 측정하고 해당 절삭 온도에 대한 유한 요소 해석을 수행했습니다.

그 결과 절삭유를 추가하지 않으면 내부 구멍의 다른 위치에서 절삭 온도가 상승하여 내부 구멍 치수가 커지는 것으로 나타났습니다. 따라서 내부 홀 치수 정확도에 대한 요구 사항이 높은 부품을 가공하는 경우 절삭유를 추가할지 여부에 대해 실제로 의문이 생깁니다.

MTU에서 수행한 광범위한 연구는 절삭유를 첨가하고 완전히 건식 절삭하는 조건에서 수행되었습니다. 폐쇄형 절삭 공정에 적합한 기술 방법으로 적절한 양의 절삭유를 사용하면 가공된 공작물의 치수 정확도, 표면 거칠기, 절삭력 및 토크 및 기타 지표가 절삭유를 첨가한 조건보다 훨씬 더 우수합니다.

예를 들어 드릴링의 경우, 중공 드릴봉을 통해 공작물의 드릴링 영역까지 공냉식 또는 건식 냉각 방식을 사용하는 현재 실험은 절삭유를 첨가한 조건보다 더 나은 결과를 보여줍니다.

위의 측면을 바탕으로 부품 치수 정확도 및 표면 거칠기에 대한 요구 사항이 낮은 비폐쇄 절삭 공정의 경우 건식 절삭을 완전히 채택할 수 있다고 생각됩니다.

치수 정확도와 표면 거칠기에 대한 요구 사항이 높은 비폐쇄 및 폐쇄 절삭 공정의 경우 스핀들 속도를 높이고 이송 속도를 줄이는 등 일련의 기술적 조치를 취해야 하므로 생산 비용이 필연적으로 증가하게 됩니다.

그러나 계산 및 분석 결과, 이러한 비용은 절삭유를 사용하지 않음으로써 절감되는 비용과 거의 같습니다. 새로운 공구 재료 사용 및 고속 절단 기술 채택과 같은 최신 제조 기술의 채택과 결합하면 기존 가공 기술을 완전히 대체 할 수 있습니다. 따라서 건식 절단 가공은 매우 좋은 발전 전망을 가지고 있습니다.

II. 건식 절단 가공의 의미

현재 대부분의 기계 부품 가공, 특히 고도로 자동화된 CNC 기계, 머시닝 센터 및 자동화 라인에서의 가공은 대부분 절삭유를 사용합니다. 절삭유의 주요 기능은 칩 제거, 절삭 온도 감소, 윤활입니다.

그러나 환경 보호에 대한 강조와 지속 가능한 개발에 대한 인식이 높아지면서 절삭 작업에 많은 양의 절삭유를 사용하는 가공 방식은 여러 가지 제한을 받게 되었습니다.

절삭유로 인한 오염은 주변 환경과 작업자에게 해를 끼칠 수 있습니다. 부품과 절단 표면에 절삭유로 인해 형성된 유착을 청소하면 '2차 오염'이 발생할 뿐만 아니라 생산 비용도 증가합니다.

독일 VDMA와 일본 정밀 공학 학회의 연구에 따르면 절삭 공정에서 절삭유 비용은 전체 생산 공정 비용의 약 13%~17%를 차지하는 반면, 공구 비용은 일반적으로 그림 1과 같이 전체 비용의 2%~4%에 불과한 것으로 나타났습니다.

건식 절단 가공은 간단히 말해 절단 과정에서 절삭유를 사용하지 않는 가공 방식입니다. 금속 절단 기술이 탄생한 이래로 건식 절단과 습식 절단 방식이 모두 존재해 왔습니다. 따라서 건식 절단 방식은 원칙적으로 새로운 것이 아니며 비교적 오랜 기간 동안 생산에 적용되어 왔습니다(예: 주철 건식 밀링).

그러나 여기서 건식 절단 가공은 더 이상 주철 재료의 가공과 전통적인 자연 방법에 국한되지 않고 새로운 이론과 새로운 공정의 확립을 통해 모든 재료 가공 및 모든 가공 방법에 건식 절단 가공을 채택하는 것을 목표로하기 때문에 그 의미는 이전과 매우 다릅니다.

건식 절단은 단순히 절삭유 사용을 중단하는 것이 아니라 절삭유 사용을 중단하거나 최소화하면서 고효율, 높은 제품 품질, 높은 공구 수명 및 절단 공정의 신뢰성을 보장하는 것입니다. 이를 위해서는 기존 절삭에서 절삭유의 역할을 고성능 건식 절삭 공구, 공작 기계 및 보조 설비로 대체하여 진정한 건식 절삭 가공을 달성해야 합니다.

건식 절삭 가공에는 공구 재료, 공구 코팅, 공구 기하학적 구조, 가공 기계, 절삭 파라미터, 가공 방법 등과 같은 다양한 측면이 포함됩니다. 이는 제조 기술과 재료 기술 및 정보, 전자, 경영 등의 분야가 교차하고 통합된 분야입니다.

건식 절삭은 선삭, 밀링, 드릴링, 보링과 같은 절삭 공정에서 절삭유의 부작용을 제거하여 가공 비용을 크게 절감하고 생태 환경을 보호하는 것을 의미합니다.

현재 유럽과 일본과 같은 산업 선진국에서는 건식 절단 기술의 개발과 적용을 매우 중요하게 생각합니다. 통계에 따르면 유럽 산업에서는 이미 약 10% ~ 15%의 가공에 건식 절단 공정이 채택되었습니다.

21세기의 제조 산업은 친환경 환경 보호에 대한 요구가 점점 더 높아지고 있습니다. 친환경 제조 공정으로서 건식 절단 기술은 자원 절약, 환경 보호 및 비용 절감에 중요한 의미를 갖습니다. 공작 기계 기술, 공구 기술 및 관련 공정에 대한 연구가 심화됨에 따라 건식 절단 기술은 확실히 금속 절단의 주요 기술 수단이 될 것이며 널리 적용될 것입니다.

현재 건식 절단 가공의 범위는 여전히 상대적으로 제한적이지만 심층 연구와 광범위한 적용은 가공 분야에서 화제가되고 있습니다.

이스라엘 전문가들은 건식 절삭이 "오늘날에도 여전히 매우 복잡한 분야이며, 냉각 절삭유를 끄고 다른 공구를 주문하는 것만큼 간단하지 않다"고 말합니다. 최근 선진국의 기계 제조 업계에서는 고속 절삭 공정을 개발하는 동시에 기존 공구 재료를 사용하여 건식 절삭을 위한 새로운 공정을 모색하고 있습니다.

의미 있고 경제적으로 실현 가능한 건식 절단 가공은 특정 경계 조건에 대한 면밀한 분석과 건식 절단 가공에 영향을 미치는 복잡한 요인에 대한 숙달을 바탕으로 건식 절단 공정 시스템 설계에 필요한 데이터와 정보를 제공해야 합니다.

III. 건식 절단 처리의 특징

절삭유가 없기 때문에 절단 공정에서 절삭유 사용으로 인한 일련의 부정적인 영향을 완전히 제거합니다. 습식 커팅과 비교하여 건식 커팅은 다음과 같은 특징이 있습니다:

• 형성된 칩은 깨끗하고 오염되지 않으며 재활용 및 가공이 용이합니다.
• 가공에 사용되는 절삭유의 전송, 여과 및 재활용과 관련된 장비와 비용을 없애고 생산 시스템을 단순화하며 생산 비용을 절감합니다.
• 절삭유 사용 및 칩 취급과 관련된 비용을 절감할 수 있습니다.
• 절삭유 사용과 관련된 환경 오염이나 안전 및 품질 사고를 일으키지 않습니다.

이러한 특성으로 인해 건식 절삭은 청정 제조 공정 연구에서 가장 뜨거운 주제 중 하나가 되었으며 선삭, 밀링, 드릴링 및 보링 작업에 성공적으로 적용되고 있습니다.

동일한 조건에서 습식 커팅에 비해 건식 커팅에는 다음과 같은 단점도 있습니다:

• 직접 가공 에너지 소비량(변형 에너지 및 마찰 에너지)이 증가하고 절삭 온도가 상승합니다.
• 공구/칩 접촉 영역의 마찰 상태와 마모 메커니즘이 변경되어 공구 마모가 가속화됩니다.
• 칩은 높은 열가소성으로 인해 파손 및 제어가 어렵기 때문에 칩 수집 및 제거가 더 어렵습니다.
• 가공된 표면 품질이 저하되기 쉽습니다.