룽강 구역 핑후 촌, 후민 산업 단지 49동
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항공우주 및 의료 임플란트 분야에서 고마모 부품에 있어 정밀한 표면 마무리(Ra < 0.4 μm)를 달성하는 것은 여전히 중요하다. 본 연구는 구조화된 실험을 통해 다축 CNC 연마 공정의 효율성을 평가한다. 316L 스테인리스강 및 인코넬 718 시편에 대해 표면 거칠기 측정(Taylor Hobson Surtronic S128 프로파일러) 및 금속조직 분석(Zeiss Axio Imager 현미경)을 수행하였으며, 이는 제어된 파라미터 하에서 이루어졌다. 결과적으로, 휠 드레싱 프로토콜을 적응적으로 적용하고 최소량 윤활(MQL)을 병행할 경우, 기존의 홍수식 냉각 대비 Ra 값이 32% ± 3%만큼 감소함을 확인하였다. 잔류응력 분석(X선 회절)을 통해 압축층(≥150 MPa) 형성을 확인하였으며, 이는 개선된 피로 특성과 상관관계가 있다. 이러한 연구 결과는 밀봉 표면 및 생체적합 인터페이스에 필수적인 서브 마이크론 마무리 표면을 일관되게 달성할 수 있는 방법을 제시한다.
1. 소개
Ra 0.4 μm 미만의 표면 마감 요구사항은 정밀 산업 전반에서 필수적이 되고 있다(Lechner 등, 2023). 의료 임플란트의 관절 표면 및 항공우주 연료 시스템 부품은 연마에 의한 표면 무결성이 기능적 성능에 직접적인 영향을 미치는 대표적인 적용 사례이다. 현재의 주요 과제로는 열영향부와 잔류응력을 통제하면서 미크론 수준의 일관된 마감을 달성하는 것이 포함된다. 본 연구는 CNC 연삭 조건과 최종 표면 특성 간의 정량적 상관관계를 제시한다.
2. 방법론
2.1 실험 설계
전 인자 설계(표 1)를 통해 다음의 세 가지 핵심 변수를 검증하였다:
연마 휠 속도: 30/45 m/s
피드 속도: 2/5 μm/회전
냉각 전략: 홍수식/MQL
표 1: 실험 조건
| 인자 | 레벨 1 | 레벨 2 |
|---|---|---|
| 휠 속도 | 30m/s | 45 m/s |
| 이송 속도 | 2 μm | 5 μm |
| 냉각 방법 | 플러드 | MQL |
2.2 재료 및 장비
작업물: 316L SS (ASTM F138), Inconel 718 (AMS 5662)
연마기: Studer S41 CNC, CBN 휠 사용 (B181N100V)
측정법:
표면 거칠기: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)
미세조직: Zeiss Axio Imager A2m, 500배 확대
잔류응력: Proto LXRD Cr-Kα 복사선
2.3 재현성 프로토콜
휠 컨디셔닝: 싱글포인트 다이아몬드 드레서 사용 (5 μm 깊이, 0.1 mm/회전)
환경: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% RH
검증: 매개변수 세트당 5회 반복 테스트
3. 결과 및 분석
그림 1: 표면 거칠기 vs. 연마 매개변수
주요 발견 사항:
MQL은 홍수 냉각 대비 평균 Ra 값을 316L에서 29.7%, Inconel 718에서 34.2% 감소시킴
최적 조합: 45 m/s 연마 휠 속도 + 2 μm/회 전진량 + MQL (Ra 0.21 μm ± 0.03)
연마 휠 회전 속도 증가 시 표면 하부 미세 균열이 60% 감소함 (p<0.01)
4. 토론
4.1 기전 해석
MQL 조건에서의 Ra 감소는 열 기울기 감소와 관련이 있음(Marinescu 등, 2021). 낮은 열 입력은 피가공물의 연화 및 연마 상호작용 중 발생하는 소성 변형을 최소화함. XRD 결과는 최적 조건에서 -210 MPa의 압축 응력을 확인하여 피로 수명이 향상됨을 입증함.
4.2 한계점
결과는 재료에 따라 달라지며, 티타늄 합금의 경우 별도의 매개변수 최적화가 필요함. 본 연구에서는 프로파일 연마가 필요한 복잡한 형상은 제외함.
4.3 산업 응용
50개 부품마다 적응형 드레싱 사이클을 적용한 결과 Ra 일관성이 8% 이내로 유지되었다. 유압 밸브 본체의 경우, 이 프로토콜은 승인 테스트 동안 누설률을 40% 감소시켰다(ISO 10770-1).
5. 결론
다축 CNC 연마는 초고속 연마 휠(≥45 m/s), 낮은 이송 속도(≤2 μm/회당), MQL 냉각을 병행할 경우 아인치 미만의 초정밀 마무리가 가능하다. 이러한 공법은 동적 하중이 가해지는 부품에 필수적인 압축 잔류 응력을 갖춘 금속학적으로 우수한 표면을 구현한다. 향후 연구에서는 곡면 연마 최적화 및 공정 중 모니터링 통합 방안에 대한 검토가 필요하다.
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