티타늄 합금은 높은 비강도, 내식성, 생체 적합성과 같은 뛰어난 특성으로 인해 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 고급 제조 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 높은 절삭 온도, 심한 공구 마모, 쉬운 가공 경화로 특징지어지는 가공성이 좋지 않아 가공 공정에 큰 어려움을 초래합니다. 가공 효율성을 향상시키고, 공구 소모를 줄이며, 공작물 품질을 보장하기 위해서는 코팅 선택 및 절삭 매개변수 최적화에 중점을 두고 다음 세 가지 핵심 사항을 숙지하는 것이 필수적입니다.
핵심 사항 1: 티타늄 합금의 가공성 이해
코팅을 선택하고 절삭 매개변수를 설정하기 전에 가공에 영향을 미치는 티타늄 합금의 고유한 특성을 명확히 해야 합니다. 이는 후속 최적화의 기초입니다.
• 낮은 열전도율: 티타늄 합금의 열전도율은 강철의 1/4~1/5에 불과합니다. 절삭 시 생성된 열의 대부분은 칩이나 공작물을 통해 발산되지 않고 절삭 영역(공구 팁 및 공작물 접촉 영역)에 축적되어 극도로 높은 국부 온도(최대 800~1000℃)를 유발하여 공구 마모 및 공작물 변형을 가속화합니다.
• 높은 화학적 활성: 고온에서 티타늄 합금은 공기 중의 산소, 질소, 탄소와 쉽게 반응하여 경질 취성 화합물(예: TiO₂, TiN, TiC)을 형성하여 절삭력을 증가시키고 공구의 마모를 유발합니다. 또한 공구 재료와 결합하여 접착 마모를 유발할 수도 있습니다.
• 가공 경화 경향: 티타늄 합금은 높은 항복 강도와 뚜렷한 가공 경화 효과를 나타냅니다. 절삭 시 공작물 표면에 경화층(경도가 20%~50% 증가할 수 있음)이 생기기 쉬우며, 이는 공구에 긁힘을 유발하고 후속 가공의 표면 품질에 영향을 미칩니다.
참고: P1은 티타늄 합금과 일반 금속 간의 열전도율 비교 차트 또는 절삭 후 티타늄 합금의 가공 경화층의 현미경 사진일 수 있습니다.
핵심 사항 2: 공구 코팅의 합리적인 선택
공구 코팅은 마찰 감소, 고온 격리, 화학적 안정성 향상 및 내마모성 향상을 통해 티타늄 합금 가공에서 중요한 역할을 합니다. 코팅 선택은 티타늄 합금의 종류(예: Ti-6Al-4V, 순수 티타늄), 가공 방법(밀링, 터닝, 드릴링) 및 가공 요구 사항(황삭, 정삭)을 기반으로 해야 합니다. 티타늄 합금 가공에 사용되는 일반적인 고성능 코팅은 다음과 같습니다.
2.1 질화 티타늄(TiN) 코팅
TiN 코팅은 경도가 약 2000~2500 HV이고 마찰 계수가 낮은(0.4~0.6) 전통적인 경질 코팅입니다. 내마모성과 접착성이 우수하며 공구와 티타늄 합금 간의 접착 마모를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 그러나 산화 저항성이 낮아 500℃를 초과하면 산화되어 실패합니다. 순수 티타늄 및 저합금 티타늄의 저속 황삭 또는 낮은 절삭 온도의 가공 시나리오에 적합합니다.
2.2 탄질화 티타늄(TiCN) 코팅
TiCN 코팅은 TiN의 개선된 버전으로, 경도가 2500~3000 HV이며 TiN보다 내마모성과 열적 안정성이 높습니다. 탄소 원소의 첨가는 코팅의 접착 마모 및 마모 마모에 대한 저항성을 향상시키고 산화 저항 온도를 600~650℃로 증가시킵니다. Ti-6Al-4V 및 기타 일반적으로 사용되는 티타늄 합금의 중속 터닝 및 밀링에 적합하며 가공 효율성과 공구 수명을 균형 있게 유지할 수 있습니다.
2.3 질화 알루미늄 티타늄(AlTiN) 코팅
AlTiN 코팅은 우수한 종합 성능을 갖춘 고온 저항성 코팅으로, 경도가 3000~3500 HV이고 산화 저항 온도가 최대 800~900℃입니다. 코팅의 알루미늄 원소는 고온에서 조밀한 Al₂O₃ 필름을 형성하여 티타늄 합금과 공구 기판(예: 탄화물) 간의 화학 반응을 효과적으로 격리하고 열 마모 및 화학 마모를 현저히 줄일 수 있습니다. 티타늄 합금의 고속 정삭 및 반정삭에 선호되는 코팅이며, 특히 고속 밀링 및 깊은 구멍 드릴링과 같은 고온 가공 시나리오에 적합합니다.
2.4 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅
DLC 코팅은 극도로 낮은 마찰 계수(0.1~0.2)와 높은 경도(1500~2500 HV)를 가지고 있어 공구와 티타늄 합금 간의 마찰 및 접착을 최소화하고 과도한 절삭력으로 인한 가공 경화를 방지할 수 있습니다. 그러나 열적 안정성이 낮고(400℃ 이상에서 산화 실패) 취성이 있으므로 순수 티타늄 및 연성 티타늄 합금(예: Ti-Gr2)의 저속, 저온 정삭에만 적합하며 고온 황삭에는 적합하지 않습니다.
참고: P2는 다양한 코팅의 성능 비교표(경도, 산화 온도, 적용 시나리오) 또는 티타늄 합금 가공용 코팅 공구의 물리적 다이어그램일 수 있습니다.
핵심 사항 3: 절삭 매개변수의 과학적 설정
절삭 매개변수(절삭 속도, 이송 속도, 절삭 깊이)는 절삭 온도, 절삭력, 공구 마모 및 공작물 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 티타늄 합금 가공의 경우 매개변수 설정의 핵심 원칙은 "낮은 절삭 속도, 적절한 이송 속도, 작은 절삭 깊이"이며, 이는 절삭 온도를 제어하고 가공 경화를 줄이기 위한 것입니다. 다음은 일반적인 가공 방법에 대한 권장 매개변수입니다(가장 널리 사용되는 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V 및 탄화물 공구를 예로 들었습니다).
3.1 터닝 매개변수
• 절삭 속도(vc): 황삭의 경우 속도는 30~60m/min입니다. 정삭의 경우 60~100m/min입니다. AlTiN 코팅 공구를 사용하는 경우 속도를 적절하게 80~120m/min으로 높일 수 있습니다. 순수 티타늄의 경우 과도한 접착을 방지하기 위해 속도를 20%~30% 줄여야 합니다.
• 이송 속도(f): 이송 속도는 황삭의 경우 0.1~0.3mm/r이고 정삭의 경우 0.05~0.15mm/r입니다. 이송 속도가 너무 높으면 절삭력이 증가하고 가공 경화가 발생합니다. 이송 속도가 너무 낮으면 공구가 공작물에 문질러 마모가 가속화됩니다.
• 절삭 깊이(ap): 황삭의 경우 절삭 깊이는 1~3mm이고 정삭의 경우 0.1~0.5mm입니다. 절삭 깊이가 0.1mm 미만인 것은 권장하지 않습니다. 공구가 공작물의 경화층 위에서 미끄러져 심한 마모가 발생하기 때문입니다.
3.2 밀링 매개변수
• 절삭 속도(vc): 주변 밀링(황삭)의 경우 속도는 20~50m/min입니다. 정삭의 경우 50~80m/min입니다. 페이스 밀링의 경우 속도를 약간 높일 수 있으며, 황삭의 경우 40~70m/min이고 정삭의 경우 70~100m/min입니다. 코팅 공구는 속도를 10%~20% 증가시킬 수 있습니다.
• 이송 속도(fz): 이송 속도는 황삭의 경우 0.05~0.15mm/tooth이고 정삭의 경우 0.02~0.08mm/tooth입니다. 얇은 벽 공작물의 엔드 밀링의 경우 공작물 변형을 방지하기 위해 이송 속도를 줄여야 합니다.
• 절삭 깊이(ap/ae): 황삭의 경우 축 방향 절삭 깊이(ap)는 0.5~2mm이고 정삭의 경우 0.1~0.3mm입니다. 반경 방향 절삭 깊이(ae)는 일반적으로 공구 직경의 50%~100%입니다.
3.3 드릴링 매개변수
티타늄 합금 드릴링은 칩 막힘, 공구 파손 및 불량한 구멍 품질과 같은 문제가 발생하기 쉽습니다. 칩 제거를 용이하게 하기 위해 매개변수를 설정해야 합니다.
• 절삭 속도(vc): 10~30m/min으로 터닝 및 밀링보다 낮아 드릴 팁의 온도를 낮춥니다.
• 이송 속도(f): 0.1~0.2mm/r로 칩이 드릴 플루트를 막지 않고 원활하게 배출되도록 합니다.
• 보조 조치: 내부 냉각 드릴을 사용하여 절삭액을 드릴 팁에 직접 분사하면 온도를 효과적으로 낮추고 칩을 제거할 수 있습니다. 간헐적 드릴링(반복적으로 드릴링 및 배출)을 채택하여 칩 축적을 방지합니다.
참고: P3은 터닝/밀링/드릴링에 대한 매개변수 설정 다이어그램 또는 절삭 속도와 공구 수명 간의 관계에 대한 곡선 다이어그램일 수 있습니다.
요약
티타늄 합금 가공 성공의 핵심은 세 가지 측면에 있습니다. 첫째, 최적화를 목표로 티타늄 합금의 가공성 특성을 완전히 이해하는 것입니다. 둘째, 공구 마모 저항성 및 고온 안정성을 향상시키기 위해 가공 시나리오에 따라 적절한 공구 코팅을 선택하는 것입니다. 셋째, 절삭 온도를 제어하고 가공 경화를 줄이기 위해 과학적인 절삭 매개변수를 설정하는 것입니다. 실제 생산에서는 고품질 절삭액(냉각 성능이 우수한 수성 절삭액 또는 저속 가공용 유성 절삭액 선호) 및 합리적인 공구 형상과 일치시켜 최상의 가공 효과를 얻어야 합니다.
