제 5 절 기계공작 절삭온도와 절삭 유제

 1. 기계공작 절삭온도(cutting temperature)

 절삭을 할 때, 공급하는 에너지(energy)는 여러 가지의 형태의 소비되며, 이때 소비되는 에너지는 대부분 열로 변화한다.

 발생한 열은 칩과 가공물, 절삭공구 내부로 전달되며 일부는 대기 중에 방열되고, 냉각제를 사용하면 냉각제에 의하여 

억제된다. 가공물에 전달된 열은 내부에 절삭 열로서 존재하게 되는데, 이 온도를 절삭온도라 한다.

 절삭온도가 높아지면 절삭공구의 인선에 온도가 상승하여 마모가 증가하고, 공구수명이 감소한다.

 가공물도 절삭온도의 상승으로 열팽창을 하므로 가공 치수가 변해 정밀도에 영향을 미친다.

 따라서 절삭할 때는 절삭온도가 높아지지 않는 절삭조건으로 선정하는 것이 바람직하다.

 절삭할 때, 나타나는 열의 형태로는

 ① 전단면에 전단소성변형에 의한 열(전단면 AB부분에서 나타난 전단변형과 칩의 소성변형)

 ② 칩과 공구 상면과의 마찰열(칩이 절삭공구의 경사면 AC를 가압하면서 흐를 때 발생하는 마찰)

 ③ 절삭공구의 선단이 가공물의 표면 AO를 절삭할 때의 마찰로 인하여 발생하는 절삭열 등이 있다.

 일반적으로 가공물의 경도가 높을수록, 절삭온도는 높아진다.

 절삭온도가 높아지면 절삭공구 마모가 촉진되어 공구수명이 단축된다.

 가공물을 200~800℃ 로 가열하여, 재료의 경도를 감소시키고, 절삭저항도 감소시키는 가공을 고온절삭(hot machining)이라 하며, -20 ~ -150℃ 정도로 재료를 냉각시켜 가공하면 절삭성이 향상되고 공구의 마모가 적어지는 특정한 재료를 가공하는 것을 저온절삭(cold machining)이라 한다.

 

 가. 절삭온도의 측정

 절삭온도를 측정하는 방법에는

 ① 칩의 색깔에 의하여 측정하는 방법

 ② 가공물과 절삭공구를 열전대(thermo-couple)로 하는 방법

 ③ 삽입된 열전대(inserted thermocouple)에 의한 방법

 ④ 칼로리메터(calorimeter)에 의한 방법

 ⑤ 복사고온계에 의한 방법

 ⑥ 시온도료를 이용하는 방법

 ⑦ PbS 셸(cell) 광전지를 이용하는 방법 등이 있다.

 

 2. 기계공작 절삭 유제(cutting fluids)

 기계가공에서 절삭성능을 향상시키기 위하여 여러 가지의 절삭 유제를 사용한다.

 일반적으로 절삭 유제는 냉각 작용, 윤활 작용, 세척 작용을 하며 절삭성능을 향상시킨다.

 절삭 유제를 사용하면 절삭공구와 칩 사이에 마찰이 감소하고, 절삭 시 열을 감소시켜 공구수명을 연장시키고, 절삭성능도 높여 준다.

 절삭 유제를 사용함으로써 절삭공구와 가공물의 마찰을 감소시켜서, 칩을 유동형 칩으로 변화시키기도 하고, 구성인선의 발생을 억제함으로 표면 거칠기를 향상 시키다.

 

 가. 절삭 유제의 사용 목적

 ① 공구의 인선을 냉각시켜 공구의 경도저하를 방지한다.

 ② 가공물을 냉각시켜, 절삭열에 의한 정밀도 저하를 방지한다.

 ③ 공구의 마모를 줄이고 윤활 및 세척작용으로 가공표면을 양호하게 한다.

 ④ 칩을 씻어주고 절삭부를 깨끗이 닦아 절삭작용을 쉽게 한다.

 

 나. 절삭 유제의 영향

 (1) 가공재료에 미치는 영향

 가공된 제품이 사용 중에 주변 환경과 높은 응력으로 인하여 응력 부식균열(stress corrosion cracking)이 발생한 가능성에 대하여 검토하여야 한다.

 특히 황(S)이나 염소(CI) 성분이 첨가된 절삭유를 사용할 때는 중요하다.

 

 (2) 인체에 미치는 영향

 기화된 절삭유의 증기나 냄새는 피부반응이나 호흡 불편 등의 영향을 고려하여야 한다.

 

 (3) 공작기계에 미치는 영향

 공작기계의 안내면이나 각종 부품 등에서도 영향을 미칠 수 있으므로 사용하는 기계에 대한 적합성을 고려한다.

 

 다. 절삭제의 종류

 절삭 유제는 수용성 절삭 유제와 불 수용성 절삭 유제 등 기타 여러 가지가 사용되나 일반적으로 다음과 같은 종류들이 

사용되고 있다.

 

  (1) 수용성 절삭유(soluble oil)

 광물성유를 화학적으로 처리하여 원액과 물을 혼합하여 사용하며, 표면 활성제와 부식 방지제를 첨가하여 사용한다.

 점성이 낮고 비열이 커서 냉각 효과가 크다.

따라서 고속절삭 및 연삭 가공액으로 많이 사용한다.

 

 (2) 유화 유(emulsion oil)

광유에 비눗물(soap water)을 첨가하여 유화한 것으로서 원액과 물을 혼합하여 사용하며 냉각작용이 비교적 크고, 

윤활성도 있으며 값이 저렴하여 널리 사용된다.

 

 (3) 광유(mineral oil)

 경유, 머신 오일, 스핀들 오일, 석유 및 기타의 광유 또는 혼합유로 윤활성은 좋으나 냉각성이 적어 경절삭에 주로

사용한다.

 

 (4) 지방질 유(fatty oil)

 지방질 유는 동물성유, 식물성유, 어유를 포함한다.

 보통 지방질 유만을 사용하기도 하나, 때로는 높은 점성을 주기 위하여 광물성유를 첨가하여 사용하는 경우도 있다.

 동물성 유로는 돈유(lard oil)가 가장 많이 사용되며 식물성유보다는 점성이 높아 저속절삭과 다듬질 가공에 사용된다.

 동물성 유만으로 사용하는 예는 적고, 5~50% 의 광물성유를 혼합하여 사용한다.

 돈유와 테레빈유를 여러 가지로 혼합하여, 알루미늄이나 유리에 구멍을 뚫을 때 사용한다.

 돈유와 석유의 혼합유는 알루미늄 및 밀링가공 할 때 사용한다.

 식물성유에는 종자유(seed oil), 콩기름, 올리브유, 면실유와 피마자유 등이 있으며 모두 점도가 높고 양호함 유막을 형성한다.

 

 (5) 석유(petroleum oil)

 여러 가지의 종류가 있으며, 첨가제가 없는 것과 유황, 염소, 인 등이 포함된 화학성분의 용액이다.

 점성이 높아 고속절삭에 적합하다. Ni 강, 스테인리스 강, 단조강 등을 절삭하는데 적합하며, 나사절삭, 브로칭 가공(broaching), 깊은 구멍 뚫기, 자동선반 작업에 많이 사용된다.

 

(6) 고체 윤활제 혼합액(suspension of solid lubricants)

 흑연 및 이유화, 몰리브덴 등의 고체 윤활제를 첨가한 절삭유제를 사용할 때도 있다.

 가공의 종류, 절삭 깊이, 이송, 절삭속도, 가공물의 재질 등에 따라 선택하여 사용한다.