친환경난삭재가공기술개발동향 SUMMARY l저자l 김선창 PD / KEIT 산업용기계 PD실 박근석책임 / KEIT 산업용기계 PD실 이석우본부장 / 한국생산기술연구원 박경희선임 / 한국생산기술연구원 목적 최근항공 / 우주및자동차등첨단주력산업을중심으로티타늄및복합재료와같은초경량고경도의난삭 소재의비중이급격히증가함에따라난삭재의고효율 친환경가공기술내용을검토함 주요동향 유럽, 일본및미국등선진국에서는난삭재및신소재가공과관련된정부차원의프로그램을운용하며가공기술개발에주력하고있고, 최근선진공구메이커들은공구, 소재, 코팅및공정등난삭재와관련된최적의툴링솔루션을개발하여제공하고있음 특히, 극저온가공기술, 극미량절삭유가공기술과레이저보조가공기술등고효율 환경친화형가공기술개발에집중 국내에서도난삭재의사용이확대될전망이나국내난삭재가공기술의부족으로난삭재사용에어려움을겪고있음 일부국내대기업과공구메이커들은난삭재가공기술개발에노력중이나기술력과연구인력부족으로기술개발에한계를느끼고있음 시사점및정책제안 첨단소재의가공공정기술에대한지원및원천기술확보필요 친환경기술개발로가공생산성확보및가공기술의친환경화 대학연구기반확대를위한기초연구프로그램의병행추진 공통기반기술과연관산업의연계강화
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 1. 난삭재개요및가공기술의특성 개요 난삭재의정의및적용분야 - 난삭재 ( 難削材 ) 는고강성및초경량등기계적성질이우수한반면, 절삭이어려운소재로분류되는재료들로내열성, 내식성및내마모성이우수한티타늄과인코넬등과같은신소재부터알루미늄합금과같이일반적으로사용하고있는소재도사용목적에따라난삭재 * 로분류되기도함 * 난삭재종류 : 티타늄 (Titanium), CGI(Compacted graphite iron), 인코넬 (Inconel), 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP) 등 [ 표 1-1] 난삭재의정의 구분 난삭재정의 일반적분류 경도가크다 인장강도가크다 열전도율이낮다 가공경화가생기기쉽다 공구재료와친화성이높다 광의적분류 피가공물의재질그자체가난삭성을야기하는특성을가진재료 ( 티탄합금, 초내열합금, 세라믹스, FRP 등 ) 피삭성이불명확한재료 ( 주로절삭데이터가없는신소재등 ) 최적가공조건이다른두재료의동시가공 ( 금속 (Titanium 또는 aluminum) 과복합재료가결합된재료 ) 형상적 구조적으로절삭가공이곤란한재료 현존하는설비나공작기계에서는실현하기어려운고정밀도의가공정밀도가요구되는것 - 즉, 난삭재는생산제품의사용목적, 피삭재의기계적및화학적성질과가공방법, 가공에사용되는공구및공작기계등에의해결정됨 - 난삭재의적용분야로는항공 / 우주, 자동차및바이오분야와같이고강성 / 초경량 / 고품질의소재를요구하는분야에주로사용되고있으며, 그비중이급속히늘어나고있는추세임 - 특히, 항공및자동차산업에서는연료절감을위한고경도경량소재사용비율이급격히증가 - 하지만, 이러한첨단소재들은주로절삭가공이어려운고강성및고인성소재로가공성이낮은것이단점임 각산업분야에쓰이는대표적인난삭재의종류로는항공 / 우주산업의티타늄, 복합재료및니켈합금, 자동차산업의 CGI(Compacted Graphite Iron), 세라믹및고경도강그리고바이오산업의바이오세라믹및코발트크롬등이있음 14 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 [ 표 1-2] 난삭재종류및특성 난삭재종류 티타늄 (Ti-6Al-4V 등 ) 항공 / 우주, 바이오 복합재료 (CFRP* 등 ) 항공 / 우주, 자동차 니켈합금 (Inconel 등 ) 항공 / 우주, 바이오 CGI 자동차 세라믹 (SiC 등 ) 자동차, 바이오 고경도강자동차, 기계 재료특성 - 고강도경량소재 ( 높은 strength/weight ratio) - 뛰어난내식성 ( 스테인리스강보다뛰어나산이나알칼리에거의침식되지않음 ) - 낮은열전도도 : 7.0W/mK( 탄소강 : 50W/mK) - 낮은탄성계수 : 116GPa - 공구재료와높은친화성 - 높은인장강도 ( 일반강의 5-10 배 ) - 피로및부식이없음 - 고강도경량소재 ( 높은 strength/weight ratio) - Fiber 의파손 (fracture) 및벗겨짐 (Delamination) - 철이상의고내열성 - 고강도및고내식성 - 표면의열경화현상발생 ( 소성변형 ) - 높은내구성 (durability) - 높은강성 (stiffness) 및인장강도 (tensile strength) ( 인장강도 - 일반강철 : 25kg/mm 2, CGI: 45kg/mm 2 ) - 회색주철보다 2 배의피로강성 (fatigue strength) - 낮은가공성 - 높은내열성 내마모성 - 내식성 전기절연성이뛰어남 - 신축성이없고부서지기쉬움 - 경도가높고인성이풍부 - 내마모성이우수 - 낮은소재제거율 * CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics [ 그림 1-1] 난삭재의적용분야 한국산업기술평가관리원 15
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 난삭재가공기술의특징 난삭재가공시에는공구마모가빠르고절삭온도및절삭저항이크며, 표면조도가크고절삭칩이날에융착하는현상이발생함 - 따라서, 난삭재는소재에따라가공시의급격한소성변형, 절삭공구의급격한마모및공구와의화학반응등다양한특성을고려해야함 - 예를들어, 신비의금속이라일컫는티타늄및그합금의경우내열성, 내식성및내마모성이우수하고열전도도와전기전도도가다른금속에비하여낮기때문에가공시공구의온도가높아지고공구의마모가빠르게진행되어공구파손이쉽게발생함 - 황동, 구리, 알루미늄및그합금과같이일반적으로연한금속의경우에는가공시절삭성이좋지않기때문에가공후표면조도가커져정밀가공에어려움이많음 [ 그림 1-2] 절삭가공의문제요인 피가공물의강성 공작기계의정밀도와강성 가공방법 절삭유제 피가공물의강성 공작기계의정밀도와강성 가공방법 절삭유제 피가공물유지상태의강성 공구장착상태의강성 공구의강성 팁브레이커 절삭날형상 절삭조건 공구재종 피가공물유지상태의강성 공구장착상태의강성 난삭성을일으키는재료특성 공구의강성 팁브레이커 절삭날형상 절삭조건 공구재종 일반재료의경우 난삭재의경우 [ 표 1-3] 일반재와난삭재의공구수명비교 피삭재 공구재종 절삭속도 (m/min) 절삭조건 절삭유재 공구수명시간 유 무 (min) 절삭 (mm) 이송 (mm/rev) 공구수명까지의칩제거량 (cm 3 ) 공구수명까지의절삭거리 (km) SCM440 UC6010 250 1.5 0.30 - ㅇ 43.0 4.838 10.75 SNCM439 U610 180 1.5 0.30 - ㅇ 51.0 4.131 9.18 일반재 S45C NX33 200 1.5 0.28 - ㅇ 58.0 4.872 11.60 S38C NX33 250 1.5 0.28 - ㅇ 47.0 4.935 11.75 FC3000 U410 200 1.5 0.30 - ㅇ 62.0 5.580 12.40 16 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 피삭재 공구재종 절삭속도 (m/min) 절삭조건절삭유재공구수명절삭이송시간유무 (mm) (mm/rev) (min) 공구수명까지의칩제거량 (cm 3 ) 공구수명까지의절삭거리 (km) Stellite No.12 HTi10 20 2.5 0.10 ㅇ - 6.0 30 0.12 Waspaloy HTi10 25 1.0 0.10 ㅇ - 14.0 35 0.35 Hasteolloy B-2 UTi20T 16 1.0 0.15 ㅇ - 7.5 18 0.12 난삭재 Inconel 718 HTi10 30 2.0 0.20 ㅇ - 18.0 216 0.54 Inconel 713C HTi10 15 1.0 0.10 ㅇ - 8.5 13 0.13 Hastelloy C-276 HTi10 25 1.5 0.10 ㅇ - 11.0 54 0.28 Inconel 600 UP10H 40 2.0 0.15 ㅇ - 6.0 72 0.24 난삭성의평가 - 공구손상시점에서적용할수있는가공조건의범위및공구수명과의관계를정성적으로나타낸난삭재피라미드 * 를이용하여난삭성을평가 * 각종난삭재중에서가장절삭가공이곤란하다고생각되는것을정점으로하고비교적절삭가공이쉽다고생각되는것을밑변으로놓고그린도식도 [ 그림 1-3] 난삭재피라미드 Machinability Bad Good Ceramics(AI2O3, Si3N4, etc) Tungsten carbide Hardened material(hss, Quenching) Heat resistance super alloy(ni-, Co-, Fe-based) Ti-alloy, Ni-based alloy for anti corrosion Composite materials(frm, FRP) Machinable Ceramics, HSS(-30HRC) Stainless steel, High Mn Alloy Dies steel, Maraging steels(-30hrc) High Si Al-alloy Fe-system sintered hard metal Bainite ductile cast iron Ductile castiron General material Wide Applicable area Narrow Short Tool life Long 한국산업기술평가관리원 17
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [ 그림 1-4] 난삭재의낮은가공성 (Machinability) Machinability(Machined Weight per Cutting Edge) Machinability Scale 02 Unalloyed steel<180hbn, 1010 Grey Cast Iron SAE J431 Aluminum, 16%, 60601 T6 Stainless steel 316 Alloyed steel 300HBN, 4340 High Temperature alloys iron base 2.81 17.01 15.04 12.44 11.49 9.19 250% 200% 150% 100% steel<180hbn 213% High Temperature alloys, nickel base High Temperature alloys, titanium base 2.26 1.95 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 50% 0% 20% High Temperature alloys, titanium base Aluminum, 16% 60601 T6. 2. 친환경난삭재가공기술 친환경가공기술의개요 친환경가공기술은기존절삭가공공정에서과다한절삭유사용으로인한가공비용및에너지소모증가, 환경오염및낮은효율성등의문제를개선하기위해절삭유를최소화하거나절삭유를사용하지않으면서가공효율을높이는가공기술 - 특히, 난삭재가공시발생하는높은가공온도는공구의마모와소재의표면품질을저하시키는주요원인이되기때문에, 이온도를낮추기위해주로절삭유 (cutting fluids) 를사용하고있음 - 그러나, 이러한절삭유의사용에따른악취, 연기및박테리아등은작업자의건강을위협하는요인이되고있고, 절삭유의폐기에따른환경오염의원인이되고있음 - 따라서, 기존의절삭유가공방식을탈피한고효율 친환경가공을위한가공기술개발이필요하게되었으며, 이와관련된활발한연구가진행중임 [ 그림 1-5] 가공공정의친환경화 (Flood Cooling) (Dry/Near dry maching) 18 한국산업기술평가관리원
Buy Wt. 250,000#'s Buy Wt. 250,000#'s @.16(lbs/in 3 ) Density @.16(lbs/ in 3 ) Density @ MRR of 7(in 3 /min) @ MRR of 13.3(in 3 /min) @ 80% Utilization @ 80% Utilization ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 친환경가공기술개발로는건식가공또는극소량의절삭유를사용하는친환경가공기술관련개발과친환경가공을위한공구개발로나눌수있음 - 친환경가공기술로는액체질소 (-196 C) 를사용하는극저온가공기술, 레이저보조가공 (Laser assisted machining) 기술, 극소량윤활 (Minimum Quantity Lubrication) 가공기술등이있음 - 공구개발은공구의소재개발, 마찰계수가작거나윤활기능이있는코팅개발등이있음 친환경난삭재가공기술개발의필요성 국내의경우난삭재가공과관련된원천기술부족으로신규시장진입에어려움을겪고있음 - 에너지저감과그린운송수단의요구로고경도경량소재의사용량이급격히증가 - 그러나난삭재의가공 ( 공구, 소재, 공정기술 ) 을위한원천기술부족으로고경도소재의사용이제한적이고신공정개발이어려움 - 특히, 항공 / 우주등첨단산업용고부가가치부품시장진입이어려움 기계가공기술은대표적기술집약산업으로관련산업으로의파급효과가큼 - 기계가공기술은공작기계와절삭공구의바탕위에가공공정기술을통해서그효과가극대화됨 - 공작기계와절삭공구는첨단장비및소재산업에까지영향을미칠수있음 - 기계가공공정기술발전은공작기계와절삭공구의첨단화를견인함 기계가공부품기술투자미비에따른주력산업경쟁력저하우려 - 기계가공분야는연관산업에근간이되는기반기술임 - 최근가공공정원천기술개발을위한투자미비로관련분야인력부족심화 [ 그림 1-6] 친환경난삭재가공기술의비전 주력산업및첨단산업 자동차 / 조선 항공 / 우주 기계 / 에너지 신소재 / 난삭재사용요구 생산성향상 친환경난삭재가공기술개발 제조현장친환경化 Titanium Machining Model Ti-6AI-4V 900 Ft 3 Titanium Machining Model #2 Ti-6AI-4V 900 Ft 3 3,160 Hrs of Required Machining Boeing 787 Dreamliner Fly Wt. 80,000#'s (Hypothetical) 1,660 Hrs of Required Machining Min. of "in-cut Time" MAG Croy w/mql(prelim.) MAG Cryo Cutting Oil MAG CRYOGENIC MACHINING SPEED AND TOOL LIFE IMPROVEMENT 100 10 1 0.1 100 1000 10000 MQL 가공 극저온가공 건식가공 ( 하드터닝 ) 제조현장친환경化 "More" Speed M/min. "Faster" 친환경가공기술 한국산업기술평가관리원 19
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 친환경가공기술의소개 극저온가공 (cryogenic machining) 기술 - 극저온가공은액체질소 (Liquid nitrogen) 의낮은비등점 (-198 ) 을이용하여절삭가공부위에발생하는열을냉각시키는친환경가공방법 ( 무색, 무취, 무독성, CO2가스배출없음 ) - 극저온가공법은터닝, 밀링, 연삭등다양한공정에적용가능하며, BUE(Built-Up Edge) 형성억제, 표면조도향상, 공구수명및소재제거율 (Material Removal Rate(MRR)) 향상에효과적 [ 그림 1-7] 극저온가공시스템 MQL(Minimum Quantity Lubrication, 최소윤활 ) 가공 - MQL 가공은기존의습식가공에비해극미량 (1-100ml/min이하) 의윤활유를압축공기와혼합하여절삭부위에미스트 (mist) 형태로분사하는윤활가공방법으로가공비용을낮출수있고, 공구수명을늘릴수있음 - MQL 가공의오일미스트는공구와소재및칩과의마찰부위에침투하여마찰력을줄이는동시에고압의압축공기로칩배출을용이하게할수있음 - 또한, 무해한식물성절삭유를사용하고폐기물이발생하지않기때문에대표적인환경친화적인가공기술중하나임 [ 그림 1-8] MQL 가공 20 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 LAM(Laser-Assisted Machining, 레이저예열가공 )&PAM(Plasma-Assisted Machining, 플라즈마보조가공 ) - LAM은기계적가공시레이저빔으로가공물의절삭부위를순간적으로가열함으로써세라믹복합 / 혼합재료와같은취성재료를연화시켜취성파괴를억제하고소성변형에의한절삭가공이이루어지도록하는가공법임 - PAM은아크방전플라즈마를대기중에젯모양으로분출시생성되는고온, 고속의에너지로재료의절삭을도와주는가공법으로반도체제조, 합성재료, 용접, 고분자, 방식코팅 (anti-corrosion coatings), 공작기계, 금속공학, 전기및전기장치, 유해물질제거및고성능세라믹스등의가공에도응용되고있음 [ 그림 1-9] LAM 및 PAM 친환경가공을위한공구개발 新공구개발 ( 건식가공 ) - 가공시발생하는높은온도로인해물리적, 화학적작용으로공구부착 (BUE 또는 adhesion) 과공구마모가급격히진행되는현상을방지하기위해신소재코팅 1), 최적공구형상 2) 및윤활가공용공구 3) 개발이진행중임 ( 건식가공시 ) 1) 신소재코팅 : 자가윤활형코팅, 나노복합소재코팅등 2) 최적공구형상 : 공구인선, 칩브레이커, 표면패턴등 3) 윤활가공용공구 : MQL용인서트, 극저온가공용밀링커터등 [ 그림 1-10] 난삭재가공용공구 Micro Picture of Nye-Tef* PTFE Composite Coating Co-Deposited PTFE Particles Electroless Nickel Matrix Base Substrate 한국산업기술평가관리원 21
절삭속도( 내마모성) PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 난삭재가공용공구 [ 표 1-4] 난삭재가공용공구의특징 공구종류공구특징가공대상 초경합금주로 K10 종의초경합금을이용한공구제조티타늄합금등 코팅초경합금 초경합금공구에물리증착법인 PVD(Physical Vapor Deposition), 화학증착법인 CVD(Chemical Vapor Deposition), DLC(diamond likecarbon) 등의방법으로코팅 티타늄합금, 스테인리스강 세라믹스알루미나계세라믹스를소결로공구제조내열합금 초고압소결체 CBN * 및다이아몬드등의소결로공구제조알루미늄합금, 티타늄합금등 * CBN: Cubic Boron Nitride, 입방정질화붕소 [ 그림 1-11] 가공조건에따른절삭공구 Diamond(HV8000-9000) Ceramic Ceramet CBN Coated 초경 초경합금 (HV1300-1600) 초미립합금 이송 ( 인성 ) 3. 국내 외난삭재가공기술현황 국내 외난삭재가공기술현황 난삭재의가공기술과관련된기술개발은크게공작기계, 공구및新가공기술로나누어생각할수있음 - 공작기계의경우독일과일본을중심으로고성능난삭재가공을위한공작기계개발을주도하고있는반면, 국내에서는아직까지연구개발실적이미흡 - 난삭재가공을위한공구개발의경우미국, 스위스및일본을중심으로공구의코팅및형상개발위주의개발을진행하고있으며, 국내에서도일부기업을중심으로연구가진행중 22 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 - 초음파, 레이저등을이용한新가공기술은대만과호주, 독일을중심으로연구가진행되고있고, 국내의경우 일부대학과연구소에서연구가진행중 [ 표 1-5] 국내 외난삭재가공기술현황 기술명개발내용연구기관 공작기계 고성능난삭재가공을위한공작기계개발 국외 ( 독 ) MAG ( 일 ) Makino ( 일 ) Mazak ( 독 / 일 ) DMG/MoriSeiki 외다수 국내 - 공구개발 ( 코팅및형상 ) 국외 ( 미 ) Kennametal Inc. ( 미 ) Seco Tools ( 스 ) Sandvik Coromant Co ( 일 ) 미쯔비시 ( 일 ) 쓰미모토외다수 공구개발 국내 대구텍, 한국야금, YG -1, OSG 가공특성연구 국외 ( 미 ) Michigan State Univ. ( 독 ) Franunhofer CCL ( 미 ) Newtech Ceramics 국내 UNIST, 서울대, 성균관대, KAIST, 현대자동차외다수 新가공기술 초음파, 레이저등하이브리드가공기술 국외 ( 대 ) 싱가포르국립대 ( 대 ) SIM -Tech. ( 호 ) Industrial Laser Application Lab. ( 독 ) Franunhofer IPT 국내 한국생산기술연구원, 기계연구원, 국민대, 삼척대, 창원대 난삭재에따른국내 외기술수준 국내 외기술수준분석 - 난삭재의가공기술과관련해서국내에서는주로대기업을중심으로한범용공작기계개발에집중하고있음 - 반면, 선진국에서는공작기계, 공구및新가공공정모든분야에서앞서가고있는실정임 - 또한, 난삭재가공은난삭재의종류에따라공구나가공기술이달라지므로난삭재의특성에맞는가공기술개발이필요 한국산업기술평가관리원 23
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [ 그림 1-12] 국내 외기술수준분석 기술분야 ( 선도국 ) 선진국동향국내기술수준 공작기계 - 고강력 / 고출력주축설계제작기술확보 - 고강성구조적용으로고능률가공에대응 - 대기업은범용공작기계에초점 ( 최근복합가공기에집중 ) - 중소기업은전용기개발중심으로고강성확보기술미보유 공구 - 소재특성을고려한공구형상적용 - 공구마모저감을위한특수코팅개발및시범적용 - 주요업체는외국본사의기술도입 - 수요업체의국산화요구에대응하는수준 ( 선도기술개발미비 ) 가공공정 ( 신공정 ) - 극저온가공으로가공생산성향상 ( 공구마모, 가공속도 ) - 공구마모메커니즘규명연구수행중 - 수요업체와의공동연구진행 - 난삭재에특화된연구인프라열악 - 연구실수준에서 MQL 및하드터닝연구수행중 티타늄 (Titanium) 가공기술현황 - 티타늄의절삭가공에서제일큰문제점은낮은열전도도로인한높은가공온도와공구에절삭칩부착이심해마모가빠르게진행되고공구파손이쉽게일어나는것으로알려져있음 - 티타늄절삭가공은 Ti-6Al-4V에만집중되어있고단순히실험에의한결과만기록되어있음 Fracture [ 그림 1-13] 티타늄가공시공구마모 [Drill Fracture] [Drill Wear] [Drill Crater] - 티타늄가공을위한절삭공구는대부분비철계열초경 (Non-steel grade Carbide) 과다결정질의다이아몬드 (Polycrystalline Diamond, PCD) 가쓰이는데, PCD는마모측면에서카바이드보다확실히좋지만부서지기쉽고매우고가여서한정된범위내에서만사용되고있음 - 따라서, 대부분산업현장에서는카바이드를사용하는데실험결과에의하면코팅된카바이드는코팅이쉽게벗겨져실제로비용측면에서코팅이안된카바이드가사용되고있지만, 최근다이아몬드코팅기술개발에힘입어다이아몬드코팅된카바이드사용비중이늘어남 24 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 - 미국등선진국에서는공구의마모메커니즘에관한연구가활발히진행되고있으며, 특히중요마모메커니즘으로는공구입자가가공칩으로의용해 / 확산 (dissolution-diffusion) 에의한마모또는마찰에의한마멸 (attrition) 등으로확인되었으며이에따라새로운공구코팅개발이진행되고있음 ( 나노복합코팅, BAM 코팅등 ) - 또한, CBN(Cubic Boron Nitride, 입방정질화붕소 ) 와 TiB2( 티타늄디보라이드 ) 코팅이티타늄절삭에있어용해 / 확산에강한것으로알려짐 - 국내에서는대구텍, 한국야금등공구회사를중심으로난삭재용신소재코팅을개발하여출시중임 복합재료가공기술현황 - 복합재료의절삭가공은보통드릴링이나끝단트리밍 (edge trimming) 이많이쓰이나터닝과밀링도사용되고항공분야에서는주로드릴링공정이사용됨 - 드릴링에는소재의층분리 (delamination), 표면조도악화, 마찰마모가많이발생함 - 복합재료절삭가공에서는공구가파이버 (fiber) 를자르므로공구의기하적인특성이매우중요하며특히, 끝단반경은공구의성능을결정하는매우중요한기하특성임 (stagger drill, core drill, step drill, candle stick drill) [ 그림 1-14] 복합재료가공용드릴공구 - 미국 Pre-corp의 Vein-drill과같은초고가드릴이있지만주로카바이드가쓰임 (straight carbide가 steelgrade보다좋음 ) - 기존의복합재료가공에서공구코팅 (TiN-과 DLC) 은공구수명에도움이안되는것으로알려졌으나, 새로개발된다이아몬드코팅은복합재료가공에성공적으로사용되고있음 - 다이아몬드코팅드릴은코팅이안된초경드릴과강도가 CBN만큼좋은 AlMgB14(or BAM) 코팅드릴보다훨씬성능이뛰어나다고증명되었음 한국산업기술평가관리원 25
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [ 그림 1-15] CFRP 가공 Cutting Speed Tool Tool Laminate: 45 o Friable ribbon Cutting Speed Crack Laminate: 90 o [CFRP laminate] Laminate 45 [CFRP Chip formation] Laminate 90 CGI(compacted graphite iron) - CGI는경량화및내수성향상을도모할수있지만가공속도를고속화할수없는단점때문에 Gray iron에비해가공시간이약 3배정도임 - CBN, 세라믹및다른공구들은미세조직및황성분의부족으로인해서 CGI 가공이어려움 - 따라서, 일본의 Makino와스웨덴의 Sandvik Coromet가 CGI 가공생산성을높이기위한연구를수행중이고, 특히스웨덴의 Sandvik Coromet 사의경우, CGI 가공시공구의수명을늘리기위한코팅기술에관해서특허를출원함 * 예 ) Face milling-rough 가공시 ( 가공조건 : Vc=200m/min, Fz=0.20mm/rev, Ap=4mm) 기존의 Sandvik GC 4020 공구보다수명을 695 874로향상시킴 - 일본, 유럽의공구, 공작기계, 자동차부품업체를중심으로 CGI의가공생산성을높이기위한연구를진행하고있지만기존회주철에비해서는생산성이떨어지는편임 * Cutting speed(carbide 공구 : 150m/min이상 ) 가높아질수록 gray iron에비해서생산성이현저히감소하는경향성있음 - 국내의경우, 아직까지는 CGI 가공에대한연구는미진한편이지만현대자동차에서일부 CGI 가공특성에관한연구가진행됨 [ 그림 1-16] 가공소재 / 속도별가공거리에대한차이 Cutting length[km] 40 35 25 20 15 10 5 Grey Alloyed grey CGI(70-80%P) 0 PCBN BNX 10 800 m/min PCBN BNX 10 400 m/min Carbide KC 9120 250 m/min Carbide KC 9120 150 m/min Cutting material, cutting speed[m/min] 26 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 니켈합금가공기술현황 - 니켈합금의가공시발생하는큰문제점은큰발열, 공구파단및공구홀더의강성부족으로알려져있음 - 특히, 니켈합금은가공시표면의열경화현상이발생하며첫가공면이후로는공구와시편모두에소성변형을 일으켜가공품질의문제점을야기 - 니켈합금중주로 Inconel/Waspalloy/Rene/Nimonic/Hastelloy 의밀링, 드릴링및그라인딩에관한 기술개발이주로진행되고있고, 레이저, 방전가공 (Electric Discharge Machining(EDM)) 및전해가공 (Electro-chemical Machining(ECM)) 등의비전통적가공방식과초음파를이용한하이브리드가공에관한연구도함께진행중임 - 기존의코팅이안된초경공구의단점 ( 빠른공구마모, BUE, 낮은가공속도 ) 을극복하기위해티타늄질화물 (TiN), 알루미나 (Al2O3), 티타늄알루미나질화물 (TiAlN), 티타늄질화물 / 티투늄카바이드 (TiN/TiC) 와같은코팅을주로 사용하였으나, 현재높은내산화성, 고온경도및높은표면윤활성을가진신재종의공구코팅 (PVD) 이개발되고 있음 - 국내의경우한국야금에서니켈합금및스테인리스강등의다양한난삭재각각에적합한공구상용화 - 부산대나노과학기술대학, 정밀정형및금형가공연구소에서는초고속스핀들을적용하여니켈 - 크롬합금의 밀링가공특성평가를수행 고경도강가공기술현황 - 일본및유럽의경우고경도강가공기술에대해서전통적으로강점을가지고있으며, 특히독일은 Fraunhofer 연구소를중심으로미세입자알루미나공구 (submicrometer Al2O3/Ti(C, O) cutting tool) 를개발하여고경도강 ( 경도 (HRc)=60) 가공에적용하였음 * cutting force 및공구마모감소, 가공표면조도향상 - 미국 Makino 사의경우는가공공정의최적화를통해서일반적인하드밀링공정시간을 50%-67% 까지절감 시켰음 * 예 ) Rc=60 인 harden steel 하드밀링가공경우에표면조도 7µm Ra 달성했음 [ 그림 1-17] Submicrometer Al2O3/Ti(C, O) 공구수명 Cutting edge displacement [µm] 70 60 50 40 30 20 10 0 hardened steel HRC = 57-60 v = 220 m/min f = 0.1 mm/rev r = 1.2 mm a = 0.2 mm r = 45 comm. AI2O3/Ti(C, N) SH1 SH2 sub - µm AI2O3 AC41 AT60A sub - µm AI2O3/Ti(C, N) 0 5 10 15 20 25 30 35 Cutting time[min] 한국산업기술평가관리원 27
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 - 현재산업계에서고경도강가공에가장많이채용되는공정은연삭이지만상대적으로높은가공비와환경적으로좋지않은쿨링액을많이요구함에따라서상대적으로생산성이높고건식가공으로친환경적인하드터닝공정에대한연구가 2000년대초부터활발히이루어지고있음 - 하드터닝의경우에는지금까지많은연구가진행되어왔으며그동안의연구를종합해보면 HRC45-60 고경도소재의건식가공시최적공정조건하에서 200-300nm 표면조도를달성할수있는것으로문헌에보고되고있음 - 국내의경우한국야금및대구텍을중심으로연구를진행하고있으며, 크게공구코팅기술을적용하여공구의수명을증대시키는연구를진행함 - 부산대, UNIST 등국내대학에서는코팅과압축냉각공기를이용한하드터닝연구를진행하고있음 세라믹가공기술현황 - 세라믹은경도가높은취성재료로표면의결함이나크랙을방지하기위해서주로다이아몬드가공과연삭으로소재를가공함 - 특히, 자동차부품세라믹재료인밸브시트링을가공하기위해서주로 PCD 툴을사용하고초경은낮은생산성때문에사용하지못함 - 세라믹가공공정의낮은소재제거율과짧은공구수명의단점을보완하기위해초음파보조가공 (ultrasonic assisted machining(uam)) 또는레이저보조가공 (Laser assisted machining(lam)) 에대한연구가활발히진행되고있음 - 국내에서는대학과연구기관을중심으로하이브리드가공 (UAM, LAM) 기술이개발중임 국내 외친환경가공기술현황 친환경가공기술은주로극저온가공, 레이저보조가공, 최소윤활가공 (MQL) 및하드터닝위주로개발되고있고, 친환경가공을위한공구개발이같이이루어지고있음 - 응용분야로는항공, 바이오및자동차등산업전반에걸쳐있음 [ 표 1-6] 친환경가공기술개발현황 친환경가공기술국내 외개발현황 극저온가공 국외 ( 독 ) MAG, ( 영 ) Bath Univ., ( 미 ) U.of Massachusetts, ( 슬 ) U. of Ljubljana 국내 - 레이저보조가공 국외 국내 ( 미 ) Purdue Univ., Western Michigan Univ. ( 호 ) Swinburne Univ. of Tech. 창원대, 한국해양대, 국민대, 기계연구원 28 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 친환경가공기술국내 외개발현황 MQL 하드터닝 친환경공구 국외국내국외국내국외국내 ( 미 ) MSU.&Georgia Tech.&U of Mich. ( 미 ) UNIST, ( 미 ) Kennemetal, ( 스 ) Sandvik 성균관대 ( 대학 ), ( 주 ) 윈앤텍코리아, ( 주 ) 우남산업 ( 독 ) Fraunhofer, Achen, ( 미 ) Makino, Georgia Tech., UNIST, 포항공대, 대구텍, 한국야금 ( 미 ) Kennemetal, ( 스 ) Sandvik, ( 일 ) 쓰미모토외다수 대구텍, 한국야금, YG-1 [ 그림 1-18] 친환경가공기술적용분야 Aircraft parts Hip joint 항공, 바이오 Bearing Engine blocks Mold 자동차, 금형 Titanium 자동차, 조선 Brake rotors Harden steel 친환경가공기술 CGI Ceramics Nickel alloy Valve ring 자동차, 바이오 항공, 자동차 Impeller Implant Airplane skin 극저온가공기술 - 초저온냉각방식은연삭가공, 구멍가공및밀링가공에도일부적용하고있지만, 아직은대부분선삭공정에집중 하고있음 한국산업기술평가관리원 29
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 - 선삭공정과반대로간헐적인밀링작업에초저온냉각 (cryogenic cooling) 을적용할경우절삭공구에열균열 (thermal cracks) 이발생하기때문에실용화에어려움을겪고있지만고속도강절삭공구로합금강을밀링가공할경우초저온냉각방식이건식가공 (dry cutting) 방식보다 10배이상공구수명이길어지는장점이있음 - 극저온가공법은일반습식공정과고압제트공기압가공법 (high pressure jet air machining) 에비해매우단순하고 CO2, water use, 폐기물등을생성하지않는친환경가공법임 - 특히, 독일의 MAG사는세계최초로극저온가공기를출시하며세계시장을선도하고있음 * MAG사는현재난삭재가공용공작기계를상용화하였고 2013년부터 B787 동체 ( 복합재료 ) 를가공하기위한 6 축가공기를출시할예정 (MQC: Minimum Quantity Cryogenic) [ 그림 1-19] 가공시스템의비교 ( 일반, HPJAM, 극저온 ) 30 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 [ 그림 1-20] 복합재료가공을위한극저온가공시스템 [ 그림 1-21] 극저온가공법의특징 절삭유의기능변화 : 윤활 > 냉각 공구수명증가및가공속도향상 신공정기술필요 : CGI의경우 PCD+Cryogenic이보다효과적임 부가효과 : Safety, Eco-friendly(no contamination, low energy) 10 0.24 L/min of Liquid Nitrogen(ICS) Phase I Phase II LN2 Cryo Cooling System Flood Cooling Tool Lite(min) 1 10X Improvement 5X Improvement 15 L/min Flood Coolant Tool Lite (min)at VBB = 0.3mm 1000 100 d= 1mm Feed = 0.38min/rev Material = 416 SS Tool Insert = SPG422 0.04 L/min of Liquid Nitrogen titanium 0.1 200 300 400 500 Surface speed(ft/min) 5 L/min of Symthetic Coolant 10 200 300 400 500 600 700 800 Surface speed(ft/min) MQL( 극소량절삭유 ) 가공 - MQL 가공은기존의습식가공에비해극미량 (1-100ml/min이하 ) 의윤활유를압축공기와혼합하여절삭부위에미스트 (mist) 형태로분사하는윤활가공방법으로가공비용을낮출수있고, 공구수명을늘릴수있음 - MQL 가공의오일미스트는공구와소재및칩과의마찰부위에침투하여마찰력을줄이는동시에고압의압축공기로칩배출을용이하게할수있음 - 또한무해한식물성절삭유를사용하고폐기물이발생하지않기때문에환경친화적인가공기술임 - 최근그라핀, 나노튜브, HBN(hexagonal born nitride) 등의나노입자를절삭유와혼합하여사용한나노유체극미량절삭유 (MQL with nano-particle) 가공방법도개발되었음 - MQL 가공의적용분야로는스틸재의금형가공, 절단가공, 오일구멍가공등많은분야에적용되고있다. 난삭재료에서는티탄합금이나인코넬등에적용 한국산업기술평가관리원 31
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [ 그림 1-22] 그라핀나노입자 10µm 10nm 10nm [a] SEM image(diameter) [b] TEM image(thickness) LAM(Laser-Assisted Machining, 레이저예열가공 ) - LAM은고출력레이저의발전과활용가능성의증가에따라난삭재가공에서크게주목받고있으며연평균 10% 이상의고성장을이루고있는가운데, LAM은세계적으로대부분선삭공정에적용되고있으며, 마이크로엔드밀에일부적용되고있음 - 캐나다의 Bejjani는복합재료의선삭가공에 LAM 기술을성공적으로적용하였고미국 Purdue대학의 Shin은세라믹과티타늄재료를위한 LAM 공정연구를진행하였음 - 국내에서는기계연구원, 대학 ( 한국해양대, 국민대 ) 및 ( 주 ) 아메코와의공동연구로레이저복합가공기를출시하였음 [ 그림 1-23] 레이저복합가공기 32 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 하드터닝 (Hard Turning) - 미국은 Purdue 대학의 Liu를중심으로베어링회사 (Timken), 자동차회사 (GM), 공구회사 (Kennametal) 등이공동으로하드터닝을이용하여슈퍼피니싱을이루고자연구를해서목표에근접한결과를얻었음 - 독일의경우아헨공대및베를린공대등을중심으로하드터닝에대한연구가활발함. 아헨공대의 Klocke 등은유정압베어링이용고정밀선반으로 0.86μm의표면조도를얻었고, 베를린공대에서는하드터닝에있어서표면품위, 모니터링등의연구가이루어지고있음 - 일본자동차산업계의경우 Hard Turning을이용하여 5등급 (IT5) 의치수공차를가지는기어부품의연속생산을하고있으며, 4등급 (IT4) 을요하는 ABS용과연료분사시스템용부품을하드터닝으로가공하고자연구가진행되고있음 - 국내의경우, 영남대학교, 서울과기대및서울대등을중심으로연구가이루어지고있으며, 영남대는고경도강의단속하드터닝에적합한 CBN공구를선정하고, 선정된공구로피삭재의공구마모, 절삭력및진동특성을분석 - 서울과기대는하드터닝시절삭조건이공작물의잔류응력에미치는영향을연구 - 서울대는표면정도에영향을미치는하드터닝공정에서의채터진단에 Wavelet Transform을이용한분석이효과가있음을확인 - 두원공과대는 PCD(Polycrystalline diamond), CBN(Cubin Boron Nitride), PCBN(Polycrystalline Cubin Boron Nitride) 등공구재종에의한공구마멸특성및절삭저항특성을분석 [ 그림 1-24] 하드터닝가공 新공구개발 - 미국의경우, DCDMM(National Center for Defense Manufacturing and Machining), NSF의 I/UCRC (Industry/University Cooperation Research Center) 프로그램등을중심으로티타늄및복합재료가공을위한공구코팅개발연구를진행중임 한국산업기술평가관리원 33
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 - Sandvik 및 Kennametal 등의공구업체는 CoroMill390, CoroDrill 854 등을지속적으로출시하며난삭재가공을위한공구시스템 ( 밀링, 터닝, 드릴링 ) 을공급 - 국내난삭재가공관련기술은대구텍및한국야금등공구업체위주로진행되고있으나연구인력과기술력의한계로일부초경공구형상및코팅개발에머물고있음 4. 친환경가공기술의시장동향및전망 시장규모전망 세계시장규모 - 2011년세계절삭공구시장은 360억불로추정되며최근난삭재및신소재의개발로매년 10% 의성장률을보이며 2020년약 850억불규모가될전망임 - 특히, 난삭재가공에적용되는초경합금및다이아몬드공구는비중이전체시장의약 70% 정도를차지하는것으로분석됨 [ 그림 1-25] 절삭공구의세계시장규모 900 800 700 세계시장규모 ( 억불 ) 600 500 400 300 200 100 0 2000 2002 2004 2007 2011 2013 2015 2017 2020 년도 - 또한항공 / 우주및자동차등첨단분야의핵심소재인티타늄, CFRP, CGI 등의사용량이급격히증가하고있어 난삭재시장은더욱성장할전망임 34 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 [ 그림 1-26] 난삭재사용비중증가 B787 16% Percent Titanium Operating Empty Weight 12% A350 B777 8% A380 B747 4% B747 B757 B737 B727 A300 B767 0% A330 / 340 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Year of Roll-out Aerospace Application - Expanding Composite Usage Composites ratio in structural aircfaft Weight 60% A320X AIRBUS BOEING Military 50% B787 A350 F-35(JSF) 40% A400M 30% AV-8B F-22 F/A-18E A380 20% A330 B777 F/A-18A A320 A340-600 A310 10% F-16 B767 A300 B747-400 B737-300 0% 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Airbus A380 550 Passengers EIS 2008 Boeing B787 250 passengers EIS 2010 Main composite parts Main composite parts Mio. Hybrid. EV Flex-Fuel. CNG. LPG Gasoline Gasoline Diesel PFI-only total incl. DI 30 1.3% 1) Compound Annual 25 0.1% 24 Growth Rate 2004-2016 -total by region 21 21 21 20 19 19 2.1% 17 17 16 17 10.8% 13 12 11 13 15 15 13 11 10 10 9 9.7% 5 5 5 2 2 3 2 0 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 North&Latin Europe Japan& Thailand China India CAGR 1) Diesel 4.9% 1.1% 2.1% 11.1% 11.4% 국내시장규모 - 국내절삭공구시장은 2.2조원 (2011) 이며꾸준히시장이확대되고있으나세계절삭공구시장의약 4.8% 에불과하며세계시장점유율은 3% 로세계 10위권밖에머무르고있음 - 또한국내공구업체는공구원자재의해외수입의존도가매우높고영세하여주로초경엔드밀과코팅공구에집중하고있어해외선진국과의격차가있음 - 또한, 원천기술부족으로글로벌트렌드에발빠르게대응하지못하고있음 ( 신소재및난삭재가공기술 ) 한국산업기술평가관리원 35
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [ 그림 1-27] 절삭공구의국내시장규모 60000 국내시장규모 ( 억원 ) 50000 40000 30000 20000 10000 0 2002 2005 2009 2011 2013 2015 2017 2020 년도 5. 기술개발발전방향및정책적시사점 SWOT 분석및극복방안 SWOT 분석 [ 표 1-7] SWOT 분석 Strengths( 강점 ) Weakness( 약점 ) - 자동차산업의우수한경쟁력 - 공작기계산업의경쟁력 - 열악한항공 / 우주산업경쟁력 ( 고부가가치부품제조기술부족 ) - 공구산업의주요기술인소재관련원천기술부족 Opportunities( 기회 ) Threats( 위협 ) - 난삭재부품의폭발적증가 - 가공연구인프라감소 ( 인력 ) - 중국의우월한기계가공인프라 ( 선진기술도입의속도차 ) 난삭재가공기술개발의취약원인및극복방안 - 난삭재가공기술개발이취약한이유는난삭재를필요로하는항공 / 우주분야의미성숙에따른고부가가치부품개발의요구가부족한것이한원인 - 또한, 원천기술개발이아닌반복적인시행착오를통한절삭공구 / 공작기계개발에따른원천기술축적및활용이부족하고, 가공공정부문의연구인력이부족한것도한원인 36 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경난삭재가공기술개발동향 - 이의해결을위해서는, 항공 / 우주분야와같은최첨단분야에있어산 학 연이연계하여산업의수요를창출하고, 소재, 공정과같은원천기술개발에노력할필요가있음 정책적시사점 정밀가공 소성등기반공정기술, 메카트로닉스등기계분야의공통기반원천기술혁신을위한진흥전략을추진 - 주력산업과신성장산업분야에서는소재의경량화, 고강성화 ( 복합재 ) 등을요구하고있는바, 이러한첨단소재의가공공정기술에대한지원및원천기술확보필요 - 대외의존도가높은핵심소재 부품분야를중심으로공정기술을확보하지못하면향후장비도해외에의존하여야하므로, 공정기술과장비기술간상호보완이필요 친환경기술개발로가공생산성확보및가공기술의친환경화 - 공구수명및가공품질의향상뿐만아니라그린제조환경의구축으로제조생산성을확보하여제조업의글로벌경쟁력키워야함 대학연구기반확대를위한기초연구프로그램의병행추진 - 최근의국가지원과제는제품개발에초점을맞추고있어생산의근간이되는공정원천기술에대한지원이열악하여, 기업에서요구하는공정기술과관련된인력의공급에차질이우려 - 직접적인제품판매와직결되지않지만다양한제품, 장비및공구등의개발기초가되는공정기술의지속적인발전및원활한인력공급을위하여연구및교육기관을대상으로지속적인지원필요 - 대학을통한인력양성과더불어전문가DB 활용 상시멘토링시스템, 산업체기술인력재교육 등의프로그램을통해 교육 R&D 고용 의긴밀한양방향적산 학 연연계를강화할수있는방안을모색 - 기업의 R&D 참여를위한산 학 연공동연구, 기술선진국과의공동 R&D 및인력교류등 Open Innovation 정착 공통기반기술과연관산업의연계강화 - 산 학 연연계프로그램과연구인프라구축으로글로벌경쟁에공동대응하여경쟁력확보필요 - 첨단산업에사용되는신소재에대한공정기술의지속적개발및데이터축적등을통하여미래산업발전대비 - 산업별소재, 공구, 공정및품질관리기술을특화하여제품개발지원 한국산업기술평가관리원 37
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [ 참고문헌 ] 1. Transistioning to sustainable production, Franci Pusavec, Peter Krajnik, Janez Kopac, 2010, Journal of Cleaner Production 2. 난삭재에대한친환경절삭가공기술, 2011 년 1 월호, Engineering Information 3. 초저온냉각방식을적용한최신기계가공, 나덕주, 2011 년 5 월, Machinery Industry 4. 친환경난삭재절삭가공기술, 이춘만, 2012, 기계저널제 52 권 5. 난삭재와신소재의절삭가공기술, 2000 년 2 월호, Engineering Information 6. 난삭재가공용절삭공구, 정현갑, 2007 년 4 월, Machinery Industry 7. MAG 사, www.mag-ias.com 8. Evaluation of Principal wear mechanism of cemented carbides and ceramics used for machining titanium alloys, Dearley&Grearson, 1986, Materials Science and Technology 9. Delamination During Drilling in Composite laminates, Hocheng&Dharan, 1990, Journal of Engineering for Industry 10. Tool Wear in Drilling Composite/titanium stacks using carbide and Polycrystalline diamond Tools, Kim et al., 2011, Wear 11. The Use of PCD Tools for Machining Fiber Reinforce Materials, Klocke&Wurtz, 1998, Preceedings of ECCM-8 12. Use of ultra-hard coatings in drilling CFRP, Wang et al., 2011, Proceedings of NAMRI/SME [ 국내 외주요기술개발현황 ] 연구기관명프로젝트명개요연구기간 아메코 ( 주 ) 레이저복합가공기개발 Laser assisted 가공을위한 CNC 공작기계개발 2005-2009 프리시전다이아몬드 건식가공용정밀다이아몬드코팅공구개발 다이아몬드코팅공구개발 2002-2004 ( 주 ) 우송테크 3 차원형상나노입자다이아몬드막고속합성및공구개발 나노입자다이아몬드코팅공구개발 2002-2005 이화다이아몬드공업 ( 주 ) 고기능다이아몬드공구개발 다이아몬드공구개발 2003-2008 서울대학교 TiC 계밀링용나노공구소재개발 TIC 코팅밀링공구개발 2002-2010 ( 주 ) 나노테크 난삭재 ( 인코넬 ) 가공용공구재료개발 인코넬가공용초경공구개발 ( 분말야금 ) 2009-2012 챔프다디아 ( 주 ) 적외선광학계렌즈용난삭재가공공구개발 Zirconium 등난삭재선삭을위한특수공구 ( 연삭 ) 2007-2010 요업세라믹기술원 난삭재 SiC 세라믹 Glass 렌즈코아의나노가공기술개발 SiC 세라믹경면연삭기술개발 2006-2008 38 한국산업기술평가관리원