티타늄 부품

항공우주 구조물용 티타늄 CNC 가공

소개

소개

티타늄 합금은 낮은 열전도성 및 높은 화학 반응성과 같은 고유한 특성으로 인해 항공우주 구조물 적용을 위한 CNC 가공에서 상당한 어려움을 동반한다. 본 연구는 공구 마모를 완화하고 엄격한 기하학적 허용오차를 달성하기 위해 Ti-6Al-4V의 CNC 가공 최적화를 위한 구조적인 방법론을 상세히 설명한다. 가공 시험에는 첨단 공구 상태 모니터링(TCM) 시스템이 장착된 다축 CNC 머시닝 센터를 사용하였다. 절삭 조건(속도, 이송, 절입량) 및 공구 경로 전략이 체계적으로 변화되었다. 결과적으로 펄스식 초저온 냉각 방식을 도입했을 때, 기존의 홍수식 냉각제 대비 평균 측면 마모가 42% 감소하였으며, 적응형 트로코이드 밀링 전략은 가공 시간을 18% 단축시키고 얇은 벽 부품의 표면 거칠기(Ra)를 15% 개선했다. 데이터 분석을 통해 특정 절삭 에너지와 점진적 공구 마모 간의 강한 상관관계가 입증되었다. 이러한 연구 결과는 항공우주 구조물의 핵심 부품에 대해 가공 효율성과 부품 품질을 향상시키기 위한 실행 가능한 전략을 제시한다. 한계로는 Ti-6Al-4V에 초점을 맞춘 연구라는 점이며, 다른 티타늄 등급에 대한 적용 가능성은 추가 검증이 필요하다.

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최신 항공우주 설계에서 성능과 연료 효율성에 대한 끊임없는 추구으로 인해 티타늄 합금, 특히 Ti-6Al-4V의 광범위한 사용이 필요해지고 있다. 뛰어난 인장강도 대 중량비와 내식성은 착륙 장치, 엔진 마운트 및 기체 구조 부품과 같은 핵심 구조 부품에 이상적인 소재가 된다[1]. 그러나 특히 낮은 열전도도, 고온에서의 높은 강도, 공구 재료와의 강한 화학적 친화성과 같은 이들 특성으로 인해 티타늄은 효율적이고 정밀하게 가공하기가 매우 어렵다[2]. 이러한 어려움은 공구의 빠른 마모, 낮은 표면 품질, 작업물의 변형(특히 얇은 부위에서), 그리고 증가된 제조 비용으로 나타난다[3]. 따라서 티타늄 항공 구조물의 CNC 가공 공정을 최적화하는 것은 산업적으로 매우 중요한 목표로 남아 있다. 본 연구는 파라미터 최적화와 혁신적인 냉각 전략을 통해 이러한 과제를 극복하기 위한 실용적인 방법론과 실험 결과를 제시하며, 신뢰성 있고 비용 효율적인 생산 프로토콜을 수립하는 것을 목표로 한다.

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2 방법
2.1 실험 설계 및 작업물 소재
조사 대상 소재는 어닐링 처리된 Ti-6Al-4V (등급 5) 판재로, AMS 4911L 사양을 준수합니다. 주요 가공 공정으로는 주변면 밀링(거친 가공 및 마무리 가공)과 포켓 가공을 연구하였으며, 이는 항공우주 구조물에서 흔히 볼 수 있는 형상들을 대표합니다. 작업물은 밀집된 진공 척 장치와 기계적 클램핑을 전략적으로 사용하여 진동과 휨을 최소화하였습니다. 특히 얇은 벽 두께의 형상에서는 이러한 고정 방법이 매우 중요합니다.

2.2 가공 장비 및 공구
실험은 5축 DMG MORI DMU 80 eVo 선형 CNC 머시닝 센터(40kW 스핀들, 최대 18,000rpm)에서 수행되었습니다. 사용된 절삭 공구는 다음과 같습니다:

조립 가공: 초경 엔드 밀(Ø10mm, 4날, ZrN 코팅)로, 가변 헬리스/피치 형상을 가진 공구.
마감 처리: 초경 엔드 밀(Ø8mm 및 Ø6mm, 4날, AlTiN 코팅).
공구 상태(측면 마모 VBmax)는 스핀들 동력 소모 분석(Siemens Sinumerik 840D sl 통합 모니터링)과 Keyence VHX-7000 디지털 현미경을 통한 주기적인 오프라인 측정을 조합하여 실시간으로 모니터링하였다. 표면 거칠기(Ra, Rz)는 Mitutoyo Surftest SJ-410 프로파일러를 사용하여 측정하였다. 치수 정확도는 Zeiss CONTURA G2 측정용 좌표 측정기(CMM)로 검증하였다.

2.3 공정 변수 및 데이터 수집
체계적으로 실험한 주요 독립 변수는 다음과 같다.

절삭 속도(Vc): 40 m/분 - 80 m/분
이당 피드(fz): 0.04 mm/이 - 0.12 mm/이
축 방향 절삭 깊이(ap): 0.5 mm - 3.0 mm(정삭 가공), 5 mm - 15 mm(난삭 가공)
방사 방향 절삭 깊이(ae): 0.5 mm - 6.0 mm(적응 전략)
냉각 전략: 일반적인 홍수식 유화액(6%), 펄스식 극저온 액체 질소(LN2)
공구 경로 전략: 일반적인 평행 경로, 적응형 트로코이드 밀링
측정된 종속 변수는 측면 마모(VBmax), 표면 거칠기(Ra, Rz), 단위절삭에너지(SCE), 특성당 가공 시간, 그리고 치수 편차(벽 두께, 홀 위치)였습니다. 데이터 기록은 CNC 제어 시스템(전력, 토크, 시간)에서 직접 수행되었으며 오프라인 계측을 통해서도 이루어졌습니다. 각 조건당 최소한 세 번의 반복 실험이 수행되었습니다.

3 결과 및 분석
3.1 공구 마모 성능
측면 마모 진행은 냉각 전략과 절삭 속도의 영향을 크게 받았다. 그림 1은 주요 경향을 보여준다: 펄스식 극저온 액체 질소(LN2) 냉각을 적용한 경우, 전통적인 홍수식 유화액 냉각에 비해 모든 테스트된 절삭 속도에서 공구 마모가 급격히 감소하였다. 중간 범위 속도(60 m/분)에서 표준화된 양의 재료 가공 후 평균 VBmax는 극저온 냉각을 사용할 경우 42% 감소하였다. 홍수식 냉각 조건에서 고속 절삭(80 m/분)은 짧은 시간 내 공구의 파손(치핑)으로 이어지는 급격한 고장으로 이어졌으나, 극저온 냉각은 저속에 비해 마모 속도가 빨라졌음에도 불구하고 지속적인 가공이 가능하게 하였다. 스핀들 동력 신호 분석은 오프라인 VBmax 측정값과 높은 상관관계를 보였으며, 이는 마모 예측을 위한 TCM 시스템의 효과성(R² = 0.91)을 입증하는 것이다.

3.2 표면 품질 및 기하학적 정확도
마무리 가공에서 표면 거칠기(Ra)는 주로 피드 속도와 공구 경로 전략에 영향을 받았다. 피드 퍼 투스(fz)를 0.08 mm/이빨에서 0.05 mm/이빨로 감소시키면 평균 Ra가 약 25% 개선되었다. 중요하게도, 얇은 벽면 가공( ap = 8mm, 벽 두께 1.5mm)에 적응형 트로코이드 밀링을 적용한 결과, 평행 경로 대비 Ra가 15% 개선되었다(평균 0.32 µm 대비 0.38 µm). 또한 측정 결과, 공차 측정기(CMM)로 측정한 명목상 벽 두께 편차를 기준으로 부품 변형이 30% 감소하였다(그림 2 참조). 이 전략은 공구 가공 부위의 일관된 절입 제어를 통해 더 높은 평균 제거 속도를 유지함으로써 해당 특징 가공 시간을 18% 단축할 수 있었다.

3.3 생산성 및 에너지 소비
특정 절삭 에너지(SCE)는 공정 효율성을 나타내는 주요 지표로서, 기대된 대로 제거율(MRR)이 증가함에 따라 감소하였다. 그러나 극저온 냉각을 사용할 경우 동일한 MRR 기준으로 홍수 냉각에 비해 SCE가 10~15% 더 높은 것으로 나타났는데, 이는 액체 질소(LN2) 공급에 드는 에너지 비용 때문이었다. 그럼에도 불구하고, 공구 수명이 크게 연장되고 비절삭 시간(공구 교체, 조정 등)이 줄어들면서 복잡한 구조 부품 기준으로 작업물당 약 20%의 순수한 생산성 향상이 이루어져 SCE 증가분을 상쇄하였다.

4 논의
펄스식 극저온 액체 질소(LN2) 냉각을 사용함으로써 공구 마모가 급격히 감소한 것은 이미 알려진 메커니즘과 일치한다: LN2는 티타늄 가공 시 발생하는 고온의 절삭 영역 온도를 효과적으로 억제하여 초경 공구에서 흔히 발생하는 확산 및 부착 마모 메커니즘을 줄인다[4, 5]. 펄스 방식은 공구-칩 계면으로의 침투 효과를 증대시키면서도 낭비적인 LN2 소비는 최소화하는 것으로 보인다. 특히 얇은 벽면 가공에 있어 적응형 트로코이드 밀링이 성공적인 이유는 거의 일정한 방사형 절입 상태를 유지하면서 절단력이 감소해 공구 휨과 작업물 진동을 최소화하기 때문이다[6]. 이는 곧 개선된 기하학적 정확도와 표면 거칠기 향상으로 이어진다.

이 연구의 주요한 한계는 Ti-6Al-4V에 대한 집중성입니다. 비록 이 소재가 주도적인 위치에 있지만, 다른 티타늄 합금(예: Ti-5553, 근베타 합금)은 상이한 가공 가능성 특성을 나타냅니다. 따라서 본 연구의 결과는 그러한 소재들에 대해서도 검증이 필요합니다. 또한, 극저온 LN2 사용이 광범위하게 적용될 경우 경제적 및 환경적 영향을 면밀히 수명 주기 평가(LCA)를 통해 검토할 필요가 있으며, 이는 공구 절감과 생산성 향상을 LN2 생산 및 공급 비용/탄소 발자국과 균형 있게 고려해야 합니다.

항공우주 제조 현장에서 이 결과는 다음 사항들을 강력히 지지합니다.

펄스식 극저온 가공(Pulsed Cryogenic Machining) 도입 공구 수명과 공정 신뢰성을 극대화하기 위해 특히 티타늄의 조업 및 준정밀 가공 등 장시간 가공 작업이 필요한 중요한 작업에 적용할 것.
적응형 공구 경로(Adaptive Toolpaths) 채택 항공우주 구조물의 얇은 벽면 마무리 가공 시 표면 무결성, 치수 정확도, 처리량을 향상시키기 위해 특히 트로코이드식 전략 적용
공구 상태 모니터링 시스템 통합: 스핀들 파워 신호를 활용하면 기계 통합 방식으로 공구 마모를 예측하고 변경을 능동적으로 계획할 수 있어 불량 위험을 줄일 수 있습니다.

5 결론
이 연구는 요구되는 항공 우주 구조 응용 프로그램에 Ti-6Al-4V의 CNC 가공을 향상시키는 효과적인 전략을 보여줍니다. 펄스 크라이오겐 액체 질소 냉각은 주요 한계인 빠른 도구 마모를 크게 완화하여 더 높은 지속 가능한 절단 속도와 도구 수명을 연장합니다. 적응형 트로코이드 프레싱 도구 경로는 표면 완성도, 차원 정확성 (특히 얇은 벽에 대한) 및 일반적인 평행 경로에 비해 전반적인 생산성을 향상시킵니다. 스핀드 전력 모니터링과 도구 마모 사이의 상관관계는 실행 가능한 공정 제어 방법을 제공합니다. 이 연구 결과는 티타늄 부품 생산의 효율성, 신뢰성 및 품질을 향상시키고자 하는 항공 우주 제조업체에 직접 적용 가능한 솔루션을 제공합니다. 미래 작업은 냉동 전달 매개 변수 (노즐 설계, 펄스 타이밍) 의 최적화를 조사하고, 다른 고성능 티타늄 합금에 대한 방법론을 확장하고, 냉동 가공 구현의 포괄적 인 기술 경제 및 환경 영향 분석을 수행해야합니다.