적층 가공된 밀링 공구에 효율적인 절삭유 공급

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빠르게 발전하는 제조 분야에서는 효율성, 지속 가능성, 비용 효율성을 추구하면서 획기적인 연구와 기술 발전이 이루어졌습니다. 이러한 혁신 분야 중 하나는 절삭 공구의 설계 및 생산에 적층 가공 공정을 적용하는 것입니다.

절삭유(절삭유, MWF)의 사용은 티타늄 합금으로 만들어진 항공우주 구조 부품과 같이 까다롭고 기계 가공이 어려운 재료 및 부품을 밀링하는 데 없어서는 안 되는 요소입니다. 높은 공급 압력에서 절삭유를 사용하는 생산적인 밀링은 제조 산업에 경제적 비용과 환경적 비용을 절감하기 위한 주요 과제를 제시합니다. 특히, 공구 수명을 늘리고 필요한 절삭유 사용을 줄이는 것은 독일의 지속 가능하고 자원 절약적이며 경쟁력 있는 제조에 크게 기여할 수 있습니다. 기존 제조 공정을 사용하여 복잡하고 공정별로 설계된 내부 냉각 도구를 생산하는 것은 매우 복잡하고 비용 집약적이며 제한된 범위에서만 가능합니다.

적층 제조 공정 설계의 기하학적 자유는 개별화되고 집중적이며 손실이 적은 절삭유 공급 측면에서 엄청난 잠재력을 제공합니다. 금속 분말 재료를 처리함으로써 레이저 분말 베드 융합(LPBF) 공정을 사용하여 교환형 절삭 공구의 절삭유 공급을 재설계할 수 있습니다. 이러한 가능성은 RWTH Aachen University의 공작 기계 및 생산 엔지니어링 연구소(WZL)의 Tacoma 프로젝트(AiF)에서 탐구되었습니다. 목표는 공구 수명과 공정 신뢰성을 높이기 위해 적합한 절삭유 공급과 관련하여 LPBF 공정을 사용하여 적층 가공된 밀링 공구의 잠재력을 활용하는 것이었습니다. 접선형 인서트 시트가 있는 인덱서블 밀링 공구의 예를 사용하여 최적화된 유체 공급 채널과 집중형 노즐 설계의 가능성과 한계가 입증되었습니다. 이 프로젝트는 3년의 기간과 프라운호퍼 레이저 기술 연구소 ILT 및 공구 제조, 공작 기계 생산, 애플리케이션 및 절삭유 주변 장치 분야의 광범위한 참여 기업 컨소시엄과의 협력을 거쳐 2023년 3월에 종료되었습니다.

Tacoma 연구 프로젝트에서는 손실이 적고 절삭유 집중 공급이 가능한 단일 행 및 다중 행 인덱서블 밀링 공구가 개발되었으며, LPBF 공정을 사용하여 제조되었으며 가공 실험에서 분석되었습니다. 연구 결과는 중소기업을 위한 설계 지침 및 권장 사항에 활용되었습니다. LPBF 공정에서 저합금 표면 경화강 18MnCrMoV4-8-7을 검증한 후 유체 역학 조사에서 적합한 채널 및 노즐 형상이 확인되었습니다. 설계의 기하학적 자유도를 활용함으로써 체적 유량 손실을 최대 21%까지 줄이고 적합한 노즐 모양을 통해 절삭유 프리 제트를 보다 집중적으로 형성하는 것이 가능했습니다.

그런 다음 결과는 밀링 공구의 적합한 유체 공급 시스템 설계에 사용되었습니다. 실험적 검증 이전에도 성능에 대한 설명을 할 수 있도록 수치 CFD 시뮬레이션을 통해 설계를 뒷받침했습니다. 열처리강 42CrMo4+QT 및 티타늄 합금 Ti-6Al-4V의 황삭을 위한 적층 가공 밀링 공구에서 기하학적 복잡성과 다양성이 높은 다양한 공급 변형을 테스트하여 적합한 변형을 추출하고 최적의 절삭유에 대한 결과를 얻었습니다. 공급 개념을 얻었습니다. 높은 기계적 및 열적 부하를 받는 공구의 절삭날에 절삭유를 집중적으로 저손실로 공급함으로써 기준 공구에 비해 공구 수명이 최대 70% 증가했습니다. 동시에 체적 유량이 거의 절반으로 줄어들어 공작 기계의 전력 요구 사항이 크게 감소했습니다.

사용 시 효율성과 성능이 크게 향상되어 적층 가공 절삭 공구의 제조 과정에서 추가로 발생하는 경제적, 환경적 비용을 상쇄할 수 있습니다. 예시적인 비용 계산에서 적층 가공된 공구의 공구 가격은 기존 방식으로 제조된 참조 공구보다 거의 50% 더 높은 것으로 추산되었습니다. 공구의 전체 사용 수명을 고려할 때 LPBF로 제조된 공구의 운영 비용은 최신 기술에 따라 계산된 공구 비용보다 39% 낮았습니다. DIN EN ISO 14040/44에 따른 수명주기 평가 결과 또한 도구 사용 중 환경에 미치는 영향이 감소할 가능성이 있음을 보여주었습니다. 절삭유의 효율적인 사용과 절삭 인서트의 공구 수명 연장으로 인해 공구 사용 수명에 대해 계산된 CO2 배출량이 20% 감소했습니다.