현대위아의 절삭유 운용 전략 비교

현대위아는 다양한 절삭유 운용 전략이 절삭 공정에 미치는 영향을 연구하였다. 좀 더 자세히 살펴보면 플러드 냉각 윤활과 에어로졸 건식 윤활 그리고 건식 가공의 각각 상이한 3가지 절삭유 운용 방식을 비교하여 각 방식이 공정에 미치는 영향과 그에 따른 경제성 평가를 도출하였다.

마크 지버(Marc Sieber): 현대위아 유럽연구센터 어플리케이션 그룹 리더 / 데니스코르프(Dennis Korff): 현대위아 유럽연구센터 개발팀장, 공학박사 / 이달호(Lee, Dal Ho): 현대위아 유럽연구센터 센터장, 공학박사, MM AWARD 수상

핵심 내용

  • 현대위아가 플러드 냉각 윤할, 에어로졸 건식 윤활, 건식 가공 등 3가지의 냉각 윤활 방식이 미치는 영향을 연구하였다.
  • 연구 결과, 에어로졸 건식 윤활이 플러드 냉각방식을 잠재적으로 대체할 가능성이 있는 것으로 나타났다.
  • 하지만 어떤 냉각 방식이 적합한지는 가공 어플리케이션 별로 특화하여 검토할 필요가 있다.

절삭 가공 중에는 공구와 가공물이 맞닿는 부분에 높은 열이 발생한다. 이를 냉각시키기 위해 일반적으로 절삭유를 이용한 플러드 냉각을 한다. 플러드 냉각방식은 냉각, 윤활, 칩 세척에 긍정적인 효과가 있지만, 공구와 공작물에 열적 쇼크로 인한 손상을 초래한다. 또한 절삭유 관리는 고가의 설비 투자와 결부되어 있고, 절삭유 사용은 환경적 측면에서 부정적으로 평가될 수밖에 없다. 또한 공정 설계에 대해 최종 소비자의 기술적 노하우가 충분하지 않고, 공작기계가 최소량 윤활(MQL)을 이용한 생산공정에 맞추어 최적화 설계되어 있지 않으므로 최소량 윤활(MQL)과 같은 일반적 대안은 제한적일 수밖에 없고, 이로 인해 광범위하게 적용할 수 없다. (키워드: 칩 반출 및 칩 네스팅).

현대위아는 절삭유 운용 기술의 영향에 대한 상세 연구를 진행하였고, 연구의 중점은 각각의 절삭유 운용 기술이 절삭 공정에 미치는 영향과 그에 따른 경제성을 조명하는 데 있다. 비교 고찰에 사용된 기술은 플러드 냉각 윤활방식과 Rother Technologie GmbH 사의 에어로졸 건식 윤활(ADL, Aerosol Dry Lubrication), 그리고 건식 가공 방식이다. 일련의 테스트는 건식 가공 또는 에어로졸 건식 윤활을 적용하기에 적합한 구조를 가지고 있는 고성능 정밀 5축 머시닝 센터인 현대위아 XF6300 기종에서 진행되었다. 이 모델은 가공 공간 내부에 수평면이 없으므로 칩이 쌓일 우려가 없고 또한 가공 시 발생하는 칩이 중력에 의해 가공 영역 아래에 위치한 칩 컨베이어로 바로 낙하 되기 때문에 본 연구에 적합한 장비로 선정되었다.

테스트에 적용된 에어로졸 건식 윤활 기술은 종래의 최소량 윤활(MQL)에 비해 오일 입자를 훨씬 작은 미세한 에어로졸 형태로 분사하는 것이 특징이다. 이와 같은 방식은 오일을 주축의 공구를 통해 절삭 공정에 직접 분사해야 한다는 전제 조건이 있지만, 분사에 필요한 오일양은 줄이는 한편, 윤활 효율은 오히려 개선되어 마찰을 줄이고 이를 통해 절삭부의 발열도 현저히 줄어든다.

공구 마모에 미치는 영향

프로세스 품질 평가에서 중요한 기준은 공작물의 표면조도와 공구의 마모이며, 이에 있어 절삭유를 활용한 냉각 및 윤활이 정의된 절삭 조건하에 공구 상태와 공구 수명에 어떠한 영향을 미치는지가 매우 중요하다. 밀링 테스트에는 인서트가 3개인 직경 25mm의 인덱서블 공구를 사용하였다. 각각의 인덱서블 인서트는 공구 몸체의 냉각 채널을 통해 직접 에어로졸을 공급받는다. 절삭 매개변수는 공구 제조사의 카탈로그 정보를 바탕으로 테스트 소재인 1.0570(St52)의 절삭에 대해 다음과 같이 정의되었다.

절입 너비 ae = 17.5 mm,

1날당 이송 fz = 0.117 mm,

피드 값 vc = 400 m/min,

절삭 깊이 ap = 2 mm.

절삭 테스트가 진행되는 동안 지속적으로 인서트의 여유 면 마모상태를 확인하였으며, 하나의 인서트 여유 면에서 마모가 300μm가 되면 중단하였다. 그림 2를 보면 본 실험을 통해 확인된 마모 곡선 두 개가 도시되어 있다. 각각의 곡선은 건식 절삭과 에어로졸 건식 윤활 절삭 테스트에서 확인된 것으로서, 시간에 따라 3개의 인서트에서 확인된 각각의 여유 면 마모 값의 평균치 및 편차를 보여준다.

그림 2: 에어로졸 건식 윤활 기술 사용 시 측정된 마모 곡선

테스트에 적용된 에어로졸 건식 윤활 기술은 에스테르 오일을 활용하여 가공 프로세스의 냉각과 윤활을 실시하며, 본 에스테르 오일은 제조사로부터 알루미늄과 강 가공에 적합하다고 추천되는 것이다. Rother Aerosolmaster 4000은 27가지의 윤활 프로그램을 제공하며 프로그램에 따라 윤활양, 공기압이 상이하다. 또한 이 외에도 압축 공기만으로 냉각하는 3가지의 추가 프로그램도 제공된다. 절삭 테스트에는 두 가지 대표적인 윤활 프로그램이 사용되었다(P7: ≈5 ml/h 오일, P9: ≈20 ml/h 오일, 각각 공기압 4.7bar). 그에 비해 플러드 냉각을 이용하여 진행한 절삭 테스트에서는 8%의 에멀션(emulsion)을 10bar의 압력으로 절삭유 노즐을 통해 공정에 공급하였다.

그림 3의 그래프를 보면, 에어로졸 건식 윤활을 적용한 경우 일반 건식 가공의 경우에 비해 공구 수명이 현저히 길어진 것을 확인할 수 있다. 눈에 띄는 것은 적은 양의 절삭유가 공구 마모에는 오히려 긍정적으로 작용한다는 점이다. 또한 인서트의 마모에 있어, 3개의 인서트에서 발생하는 각각의 마모 너비 편차가 얇은 띠 내에서 좁게 분포하는 점 역시 주목할 점이다(그림 2). 플러드 냉각을 이용한 밀링 테스트에서는 더욱 일찍 눈에 띄는 공구 마모가 확인되었다. 이에 대한 잠재적인 원인은 인서트에 작용하는 열적 쇼크로서, 이 열적 쇼크는 인서트 모서리의 조기 파손을 야기한다.

그림 3: 냉각 전략에 따라 달성된 공구 수명 비교

냉각 방식에 대한 경제성 평가

냉각 방식의 선택에 있어, 기술적 장단점뿐만 아니라 경제적 측면 역시 중요한 고려 관점 중 하나이다. 공정 냉각으로 인해 야기되는 비용을 추정하기 위해 구매 및 가동 그리고 재사용 단계에 이르는 전반적인 모든 주요 비용을 고려 및 비교하였으며, 그 주된 목적은 각각의 냉각 방식에 대한 시간당 비용을 산출하여, 궁극적으로는 가공하는 부품당 발생하는 비용을 산출하는 것이다.

다음은 이 과정에서 고려된 주요 요인들 중 일부이다.

연간 실생산 시간(hour),

근무 교대조 당 세척으로 인한 시간 손실,

연간 유지 보수 공수/비용,

연간 공정 시간,

절삭유 비용,

수도 및 압축 공기 비용,

주변기기 비용,

에너지 비용,

폐기 및 재처리 비용,

설치 공간에 대한 비용.

연구에서 실시된 계산 예는 70%의 부하율로 3교대 운용하는 머시닝센터를 기준으로 하였다. 에어로졸 건식 윤활 기술은 기존의 플러드 윤활방식에 비해 확연히 적은 양의 절삭유를 소모함은 물론, 그 설치 면적이 적으며 설비 비용 역시 적게 필요하므로 경제성 측면에서 우위를 보인다.(그림 4) 이러한 장점은 높은 압축 공기 소모에도 불구하고 상쇄되지 않는다. 에어로졸 건식 윤활 시스템의 운용 비용은 2.84€/h(2019년 10월 기준, 시간당 3,730원)으로 플러드 냉각의 운용 비용 13.57€/h(시간당 17,800원)에 비해 적게 들었다. 오로지 건식 가공만이 1.59 €/h(시간당 2,088원)로써 에어로졸 건식 윤활보다 경제적인 측면에서 우위를 보였는데, 이는 해당 공정이 절삭유를 전혀 사용하지 않고 또한 이로 인해 절삭유 관련 시스템을 완전히 배제할 수 있음에 기인하기 때문이다.

에어로졸 건식 윤활 기술을 적용하는 경우, 이때 발생하는 공구 수명 개선 분만으로도 건식 가공 대비 비용 절감의 효과가 있다. 에어로졸 건식 가공을 적용하였을 때 공구가 건식 가공 시와 동등한 수준으로 마모되도록 하려면 절삭속도를 높일 수 있는데 이로 인한 생산성 증대 및 이에 따른 경제적 효과는 본 실험에서 고려되지 않았다.

이와 같은 방법으로 가상의 부품을 생산하는 비용을 계산하면 공작물당 약 13%(그림 4)에 해당하는 0.78€(1024원)의 비용이 절감된다. 본 연구결과에 따르면 기술적 측면뿐만이 아니라 경제적 측면에서도 에어로졸 건식 윤활 기술이 플러드 냉각을 대체할 방안으로서 큰 가능성이 있는 것으로 판단된다. 또한 예상했던 것처럼 머시닝 센터 XF6300이 그 구조에 있어 에어로졸 건식 윤활 기술을 적용하기에 매우 적합한 모델이라는 것이 밝혀졌고, 따라서 이 모델의 사용자들에게는 모든 임의의 냉각방식을 적용할 수 있는 가능성이 열렸다. 하지만 어떤 냉각 방식이 가장 적합할지는 어플리케이션의 관점에서 특화하여 검토되어야만 할 것이다.