극저온 CO2 냉각이 티타늄 절삭을 더욱 생산적으로 만든다

니켈, 듀플렉스, 티타늄 베이스의 고내열성 합금 절삭은 프로세스 과정 상 많은 위험 요소가 내재되어 있다. 이제 이러한 재료를 안전하게 가공하기 위해 CO2 냉각을 눈 여겨 봐야 한다. CO2 냉각은 여러 가지 장점을 수반한다.

 

마틴 베르너(Martin Werner): 저널리스트

 

극저온에 적합한 공구와 성능 좋은 CO2 석션 기술 그리고 모니터링 기술을 조합한 Rother Technologie 에어로졸 건조 윤활 ATS cryolub와 같이 CO2를 이용한 안전한 극저온 냉각 가공이 가능하다. Rother에 따르면 이에 필요한 구성 요소와 CO2 냉각을 이용하는 공작 기계를 안전하게 구동하기 위한 행동 지침을 토탈 컨셉트 „CO2를 이용한 절삭“[1]으로 취합하였으며, 이를 위해 자체 산업 연구 그룹에 의해 개발되었다.

까다로운 재료를 절삭할 경우 CO2를 사용하면 많은 장점이 뒤따른다. CO2 냉각과 MMS(최소량 윤활)를 한 시스템 내에 조합할 수 있고 필요한 모든 기술 요소를 개별적으로 이용할 수 있다. 또한 일반적인 냉각 윤활유와 표면 반응을 일으키는 부품 재료도 냉각할 수 있다.

 

냉각 윤활유 없는 깨끗한 부품

이제 냉각 윤활유를 더 이상 보관하거나 폐기할 일이 없으며, 부품은 절삭 후 깨끗하고 건조하며, 칩은 100%까지 재활용 가능하다. CO2는 산업 부산물이지만 이는 환경 기술적으로 많은 장점이 있다. 재사용할 경우 새로운 유해 물질 방출이 생성되지 않기 때문이다. Rother Technologie 대표인 라이너 로터의 설명이다. „이 공구들은 건식 가공의 다른 냉각 윤활유에 비해 많은 응용 사례에서 공구의 긴 수명과 생산성 증대에 초점을 맞췄습니다. 이제 ATS cryolub 등을 이용하여 극저온으로 냉각할 수 있습니다.“ 이는 건식 가공과 달리 공구 온도가 현저히 떨어집니다.

 

극저온 CO2 냉각에 두려움을 갖지 말자

위: 건식 가공과 CO2를 이용한 냉각 가공 후 공구 온도 비교.
아래: 건식 가공과 CO2를 이용한 냉각 시 달성 가능한 시간 당 칩 부피 비교

Rother에 따르면 ATS에는 미세한 오일-공기 혼합물, 즉 마이크로 범위의 윤활 입자가 섞인 에어로졸이 있다고 한다. 이는 공구 내부 냉각 채널 등, 스핀들을 통해 가공 프로세스에 제공된다. ATS는 최대한의 윤활과 최적의 마찰 값을 보장하며, 오일 소비량은 매우 경미하여 거의 건조한 상태를 유지하는데, 이는 바로 절삭 지점에서 이루어진다(약 3 ~ 25ml/h). ATS cryolub는 고내열성 합금과 티타늄 등을 가공할 경우 공정 냉각을 위해 냉각 가스로 CO2를 사용한다. 이 가스는 필요에 따라 최대 –78°C로 접촉 구역을 냉각한다. 이러한 냉각 성능은 에어로졸 포화와 마찬가지로, 필요에 맞게 부품과 재료 별로 조정이 가능하다.

Rother에 따르면 ATS 시스템과 ATS cryolub는 컨트롤 장치 Aerosol-Master로 구성되며, 모든 구성 요소에 맞추어 조율된 ATS 오일 „Aerosol-Master-lubricant c“로 보완된다. 이 시스템의 모든 구성 요소는 리스크나 생산 중단 없이, 대부분 수 시간 이내에 안전하게 기존 머시닝 기계에 연결할 수 있고, 응용 사례 별로 최적화하여 각 워크플로우에 통합할 수 있다고 한다. 또한 기계 제조사는 특수 OEM 버전을 이용하여 그들의 시스템에 컨트롤 장치를 설치하고 ATS 시스템을 사전 구성하여 산업 분야 고객들에게 납품할 수 있다.

라이너 로터의 설명이다. „이러한 장점이 있는데도 불구하고 절삭업체들이 CO2를 사용하는 데 매우 회의적입니다. 이전에는 생산 공장에서 냉각 윤활제로서 산소 대체 가스를 이용하여 공작 기계를 구동하는 안전 컨셉트가 없었기 때문입니다.“ 따라서 산업 연구 그룹은 이에 대한 해결 방안을 연구하였다. 공작 기계, 냉각 윤활 기술, 안전 요소, 기계 구성 요소, 절삭 공구의 유명한 제조사들과 기술적 가스 납품업체들이 웨스트작센 츠비카우 공과대학(FTZ)에 위치한 연구 및 운반 센터 협회와 협력하여 프로젝트 책임자인 과학 기술 박사 미하엘 슈니바이스 교수의 지도 아래 적합한 행동 지침[1]을 개발하였다. 이 행동 지침으로 극저온 CO2 냉각을 채용한 새로운 머시닝 기계를 안전하게 사용하고, 냉각 가스를 사용하는 절삭으로 문제 없이 최적의 비용으로 전환할 수 있다.       

 

행동에 옮기기 전에 유념해야 할 사항

공작 기계에서 절삭 시 안전한 극저온 CO2 냉각에 대한 산업 연구 그룹이 개발한 프로세스 전체 컨셉트는 위의 절차를 기반으로 사용자에 대한 권장안으로 도출된다.

안전 조치의 목적은 누출로 인해 통제에서 벗어난 CO2가 흘러 나오는 것을 검출하고, 프로세스와 관련한 CO2 유무를(예컨대 기계 작업 챔버, 컨트롤 패널, 공구 체인저 접근로 등에서) 모니터링하고 법적으로 규정된 작업장 한계 값을 초과하는 경우 작업자를 보호하는 것이다.

슈니바이스 교수의 설명이다. „센서 장치, 경고 기술, 신호 기술, 석션 기술 등 안전 기술과 모니터링 형태로 이행해야 할 보호 조치를 결정하고, CO2 시스템 기술, 구체적인 공작 기계 또는 제조 공장과 상관 없이 전체 컨셉트를 완성에 초점을 맞출 수 있습니다.“ 이는 개별 기계 솔루션을 고려하는 것뿐만 아니라 CO2 냉각 기술을 이용한 라인 작동 또는 기계 그룹을 포괄한다. 전체 컨셉트, 필요한 계획, 자료 및 체크리스트와 실행할 모든 활동이 행동 권장안과 시스템 노트의 구성 요소라고 슈니바이스 교수는 덧붙였다. 전체 기록은 책임 소재 면에서 기계 및 시스템 제조사에 해당하는 것과 최종 사용자에 해당하는 것으로 나뉜다. 책임자는 리스크 평가(제조사)와 위험성 평가(사용자)에서 순서대로 자료 끝까지 안내된다. 시스템 노트의 작업 시트는 일반적으로 유효하고 CO2 사용과 관련한 특수 요건을 고려하며 작동 기록을 위해 적용할 수 있다[2].

CO2로 인한 위험과 필요한 안전 조치는 개발한 전체 컨셉트의 기본이며, 이를 각 공장에서 구현하고 필요할 경우 회사 별로 확장할 수 있다.

 

일반적으로 유효한 전체 컨셉트

 „업계와 연구 기관이 연구 그룹‚ CO2를 이용한 절삭‘ 범위 내에서 긴밀히 협력하여 공작 기계를 안전하게 작동하기 위해 유효한 전체 컨셉트가 형성되었습니다.“ 슈니바이스의 설명이다. 뿐만 아니라 필요한 모든 안전 기술을 갖춘 CO2에 안전한 프로토타입 시스템도 준비되었다. 특히 공구 제조사와 공작 기계 제조사들이 이러한 혁신적인 냉각 기술을 사용할 경우 고객의 안전 문제를 해결할 수 있었다. „이제 CO2 기술로 기계를 전환하는 것뿐만 아니라 안전 기술을 통합하고 작동 개시할 수 있는 방식으로 이 모든 것이 몇 시간 안에 이루어질 수 있습니다.“