가공 특성, 공구, 고정 장치 및 절삭 매개변수를 기반으로 한 티타늄 합금 가공 공정 분석, 표면 무결성 제어 기술 소개
수석 엔지니어 황강
1. 서론
최근 항공기 제조 산업에서 티타늄 합금의 수요가 크게 증가했습니다. 티타늄 합금은 대형 항공기에 널리 사용됩니다. 항공기 및 엔진의 우수한 제조 재료로서 티타늄 합금은 높은 구조 강도, 경량성 및 우수한 내식성을 특징으로 합니다. 티타늄 합금 재료의 가공성은 종종 가공 후 공작물의 표면 무결성을 저하시킵니다. 아래에서는 가공 특성, 절삭 공구, 고정 장치 선택 및 절삭 매개변수 측면에서 항공 우주용 티타늄 합금의 가공 방법과 표면 무결성 제어 기술을 소개합니다.
2. 티타늄 합금의 특성 및 응용
항공 산업에서 티타늄 합금은 주로 엔진 압축기 디스크, 중공 팬 블레이드, 터빈 디스크 및 케이싱 쉘과 같은 부품뿐만 아니라 대형 항공기 랜딩 기어, 외부 날개 섹션, 동체 외피, 도어, 유압 시스템 및 후방 동체 섹션과 같은 구조 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 현재 항공 산업에서 티타늄 합금의 사용 비율은 6%에서 15% 이상으로 증가했습니다. 보잉 777은 7%~9%의 티타늄 합금 부품을 사용합니다. 연료 소비를 20% 줄이기 위해 약 20억 RMB가 보잉 787의 개발에 투자되어 항공기 특정 부품에서 알루미늄 합금을 티타늄 합금으로 대체하는 연구를 진행했으며, 그 결과 보잉 787 기체에 15%의 티타늄 합금 함량이 적용되었습니다. 국내 대형 항공기 프로젝트에서 티타늄 합금의 사용량은 지역 제트기 ARJ21의 4.8%에서 간선 여객기 C919의 9% 이상으로 점차 증가했습니다.
항공 분야에서 구조 경량화 및 고강도에 대한 요구 사항으로 인해 티타늄 합금에 대한 의존도가 점점 더 높아지고 있습니다. 강도 및 고온 성능을 기반으로 티타늄 합금은 α 티타늄 합금, β 티타늄 합금, α+β 티타늄 합금 및 티타늄-알루미늄 금속간 화합물로 분류할 수 있으며, 그중 α+β 티타늄 합금(Ti6Al4V와 같은)이 가장 널리 사용됩니다. α 티타늄 합금은 우수한 열간 용접성 및 강한 내산화성을 가지지만 평균적인 인성을 가집니다. β 티타늄 합금은 더 나은 단조성, 냉간 성형성 및 열처리 강화 능력을 가집니다. α+β 티타늄 합금은 우수한 인성을 가지며 용접 가능하고 열처리로 강화할 수 있으며 우수한 피로 저항성을 가집니다.
Ti6Al4V의 재료 구성은 주로 Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu 및 소량의 N, H, B 및 Y를 포함합니다. 티타늄 합금은 우수한 종합 기계적 특성, 낮은 밀도 및 우수한 내식성을 가지고 있습니다. 고강도 합금 재료로서 항공 엔진 및 항공 산업에서 지속적으로 사용이 권장되었습니다. 그러나 티타늄 합금 가공 중 고온 및 높은 절삭력으로 인해 가공 표면에 심각한 가공 경화가 발생하여 공구 마모가 악화되고 가공성이 저하됩니다. 이러한 요인은 우수한 표면 품질을 달성하는 데 해로우며 티타늄 합금 부품의 수명과 엔진 성능에 영향을 미칩니다. 아래에서는 Ti6Al4V를 연구 대상으로 사용하고 생산 실무에서 축적된 경험을 바탕으로 티타늄 합금 부품의 절삭 성능, 가공 방법 및 표면 검사 기술을 소개합니다.
3. 티타늄 합금 가공 방법
3.1 공구 선택
티타늄 합금 가공용 공구 재료는 우수한 인성, 고온 경도, 열 발산 및 내마모성과 같은 특성을 가져야 합니다. 또한 공구는 날카로운 절삭 날과 매끄러운 표면과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다. 티타늄 합금 재료를 가공할 때는 우수한 열전도율과 높은 강도를 가진 초경 공구를 선호하며, 작은 랜드각과 큰 여유각을 특징으로 합니다. 공구 팁의 칩핑 및 파손을 방지하기 위해 팁의 절삭 날은 둥근 전환부를 가져야 합니다. 절삭 날은 적시에 칩을 제거하고 칩 부착을 방지하기 위해 가공 중에 날카롭게 유지해야 합니다.
티타늄 합금을 가공할 때 공구 기판/코팅과 티타늄 합금 간의 친화성 반응을 방지하여 공구 마모를 가속화하기 위해 티타늄 함유 탄화물 및 티타늄 기반 코팅 공구는 일반적으로 사용하지 않습니다. 수년간의 생산 실무를 통해 티타늄 함유 탄화물 공구가 부착 및 마모되기 쉽지만 특히 고속 절삭 시 YG형 탄화물 공구보다 성능이 훨씬 우수한 우수한 확산 마모 방지 능력을 가지고 있음이 밝혀졌습니다.
주요 글로벌 공구 제조업체는 티타늄 합금 부품 가공을 위해 특별히 절삭 인서트를 출시했습니다. 공구 재료 및 코팅 재료의 지속적인 개선으로 티타늄 합금 재료의 절삭 효율이 향상되었고 티타늄 합금 산업의 발전을 촉진했습니다. 예를 들어, ISCAR의 IC20 인서트는 날카로운 절삭 날을 가지고 있어 티타늄 합금 공작물 마무리에 적합합니다. IC907 인서트는 내마모성을 효과적으로 개선하여 황삭 및 반정삭에 적합합니다. 티타늄 합금 가공용 SECO의 CP200 및 CP500은 물리적 기상 증착(PVD) 기술을 사용하여 제작된 고경도, 초미세 입자 인서트 재료입니다. Walter의 WSM30, WSM20 및 WAM20은 TiCN, TiAlN, TiN 및 Al₂O₃ 코팅을 사용하여 변형 및 마모에 대한 강한 저항성을 제공합니다. 티타늄 합금 가공에 일반적으로 사용되는 공구 및 코팅은 표 1에 나와 있습니다.
통계에 따르면 항공기 제조 부문은 수입 공구에 크게 의존하며 티타늄 합금과 같은 가공이 어려운 재료의 경우 의존도가 더 높습니다. 따라서 국내 공구 및 코팅 재료의 개발 및 적용을 촉진하는 것이 중국에서 티타늄 합금 가공 문제를 근본적으로 해결하는 효과적인 방법입니다.
3.2 공구 마모 및 해결책
고속 절삭 및 큰 절삭 깊이로 티타늄 합금을 가공할 때 절삭 온도가 가장 높은 지점의 윗면에 크레이터 마모(플랭크 마모)가 형성되며 크레이터와 절삭 날 사이에 뚜렷한 랜드가 있습니다. 마모가 진행됨에 따라 크레이터의 폭과 깊이가 점차 확대되어 절삭 날의 강성이 감소하여 공구를 계속 사용하면 칩핑이 발생할 수 있습니다. 인서트 마모의 전자 현미경 사진은 그림 1에 나와 있습니다.
a) 칩핑 현상이 있는 크레이터 마모. b) 플랭크 마모
c) 구성 인선
티타늄 합금 가공 중 인서트와 공작물 간의 심한 마찰로 인해 절삭 날 근처의 여유면에 마모가 발생하여 0 여유각의 작은 마모 랜드가 형성되며 이를 플랭크 마모라고 합니다. 또한 티타늄 합금의 가공 경화로 인해 작은 절삭 날의 공구 코에서 절삭 두께가 점차 감소하여 절삭 날이 미끄러지면서 여유면에도 상당한 마모가 발생합니다.
공구 마모가 발생한 후 칩 형태와 색상, 공작 기계의 힘, 소리 및 진동을 관찰하여 절삭 속도 및 이송 속도와 같은 절삭 매개변수를 조정하여 비정상적인 윗면 마모를 제어할 수 있습니다. 양의 랜드각 인서트 형상을 사용하고 내마모성 인서트 재료 또는 코팅을 선택하면 공구 수명을 향상시킬 수 있습니다.
구성 인선(BUE)은 티타늄 합금 가공 중에 형성되기 쉽습니다. BUE가 안정되면 절삭 날 역할을 하여 공구를 보호할 수 있습니다. 그러나 BUE가 특정 정도까지 성장하면 상단이 절삭 날을 넘어 확장되어 실제 작업 랜드각이 증가합니다. BUE의 축적 및 분리는 가공 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. 티타늄 합금의 가공 표면에 부착된 BUE 조각은 경점 및 버를 형성하여 표면 품질에 영향을 미칩니다. BUE의 불규칙한 탈락 및 재생은 절삭력의 변동을 유발하여 채터링을 유발하고 공구 수명에 영향을 미칩니다. 티타늄 합금 절삭에서 BUE 형성을 줄이거나 방지하기 위한 생산 실무에서 일반적인 방법은 절삭 속도 증가, 절삭 깊이를 최적 값까지 점진적으로 증가, PVD 코팅 인서트 재료 사용, 고압 냉각 시스템 사용 등이 있습니다.
절삭 작업에서 티타늄 합금의 낮은 가소성으로 인해 칩과 윗면 사이의 접촉 면적이 작고 공구 마모는 주로 선삭 공구의 윗면에서 발생합니다. 따라서 절삭 인서트는 작은 랜드각, 일반적으로 0°~5°를 선택해야 합니다. 작은 랜드각은 칩과 윗면 사이의 접촉 면적을 효과적으로 증가시켜 절삭 날 근처에 집중된 열을 분산시키는 데 도움이 됩니다. 5°~10°의 여유각을 선택하면 공구와 부품 간의 마찰을 줄일 수 있습니다. 인서트 베이스와 공구 홀더 간의 V자형 접촉면 조합을 선택하고 견고한 클램핑 구조 설계를 사용하면 공구 홀더의 클램핑 강성을 효과적으로 개선하고 공구 진동을 제거하며 가공된 티타늄 합금 공작물의 표면 품질을 향상시킬 수 있습니다.
3.3 고정 장치 선택
티타늄 합금 공작물을 위치시키고 클램핑할 때 고정 장치의 클램핑력과 공작물에 대한 지지력 간의 상호 작용으로 인해 자유 상태에서 응력 변형이 발생할 수 있습니다. 티타늄 합금 가공 중 절삭력 저항이 상당하므로 공정 시스템은 충분한 강성을 가져야 합니다. 공작물의 위치 구조와 치수를 분석하고 안정적이고 신뢰할 수 있는 기준점을 선택하고 필요한 경우 보조 지지대를 추가하거나 과도한 구속을 사용하여 부품 강성을 높여야 합니다. 티타늄 합금은 변형되기 쉬우므로 클램핑력이 과도해서는 안 됩니다. 필요한 경우 토크 렌치를 사용하여 안정적인 클램핑력을 보장할 수 있습니다. 또한 고정 장치를 사용하여 티타늄 합금 부품을 위치시키고 클램핑할 때는 고정 장치의 위치 지정 표면과 공작물의 위치 지정 표면 간의 적합성을 보장하고 고정 장치의 클램핑력을 공작물의 지지력과 균형을 맞춰야 합니다. 비교적 큰 클램핑 표면의 경우 집중된 압력으로 인한 변형을 방지하기 위해 가능한 한 분산된 클램핑 방법을 사용해야 합니다. 고정 장치 클램프의 클램핑 지점은 티타늄 합금 절삭 중에 발생하는 진동을 줄이기 위해 공작물의 가공 표면에 최대한 가깝게 위치해야 합니다.
티타늄 합금 가공에는 납, 아연, 구리, 주석, 카드뮴 또는 저융점 금속을 포함하는 고정 장치, 측정 도구 또는 다양한 임시 공구의 사용이 엄격히 금지됩니다. 티타늄 합금에 사용되는 장비, 고정 장치 및 공구는 깨끗하고 오염되지 않도록 유지해야 합니다. 티타늄 합금 공작물은 가공 후 즉시 세척해야 하며 티타늄 합금 표면에 납, 아연, 구리, 주석, 카드뮴, 저융점 금속 등의 잔류물이 없어야 합니다. 티타늄 합금 공작물을 이동 및 취급할 때는 특수 이송 용기를 사용하여 다른 재료의 공작물과 혼합 및 보관하지 않도록 해야 합니다. 정밀 가공된 티타늄 합금 표면을 검사하고 세척할 때는 오일 오염 및 지문으로 인해 응력 부식 균열이 발생하고 티타늄 합금 공작물의 서비스 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 깨끗한 장갑을 착용하십시오.
3.4 절삭 매개변수
티타늄 합금의 주요 절삭 매개변수는 절삭 속도, 이송 속도 및 절삭 깊이이며, 절삭 속도는 가공성에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 티타늄 합금 공작물의 정속 회전 절삭과 정속 표면 절삭 간의 비교 테스트 결과 정속 회전 절삭이 정속 표면 절삭보다 성능이 떨어지는 것으로 나타났습니다. 티타늄 합금의 경우 절삭 속도 vc = 60 m/min, 이송 속도 f = 0.127 mm/rev, 절삭 깊이 ap = 0.05~0.1 mm일 때 티타늄 합금 표면에서 경화층이 거의 발견되지 않습니다.
경화층은 주로 마무리 후 공작물 표면에 나타나므로 마무리의 절삭 깊이는 너무 커서는 안 되며, 그렇지 않으면 상당한 절삭 열이 발생합니다. 절삭 열의 축적은 티타늄 합금 표면의 금속 조직 구조를 변경하여 부품 표면에 경화층을 쉽게 생성할 수 있습니다. 절삭 깊이가 너무 작으면 공작물 표면에서 마찰 및 압출이 발생하여 가공 경화가 발생할 수 있습니다. 따라서 티타늄 합금 공작물 가공 중 마무리를 위한 절삭 깊이는 공구의 호닝(가장자리 준비) 크기보다 커야 합니다.
티타늄 합금의 이송 속도 선택은 적절해야 합니다. 이송 속도가 너무 작으면 공구가 가공 중에 경화층 내에서 절삭되어 마모가 더 빨리 발생합니다. 이송 속도는 서로 다른 공구 코 반경을 기준으로 선택할 수 있습니다. 마무리는 일반적으로 작은 이송 속도를 선택합니다. 큰 이송 속도는 절삭력을 증가시켜 공구가 가열되어 구부러지거나 칩핑될 수 있기 때문입니다. 표 2는 다양한 유형 및 재료의 공구로 티타늄 합금을 절삭하기 위한 일반적인 매개변수를 보여줍니다.
3.5 냉각 시스템
티타늄 합금 절삭에서 절삭유에 대한 요구 사항은 낮은 미스트입니다. 티타늄 합금 가공에는 고압 냉각 공구를 선택해야 하며, 기계 고압 펌프와 함께 사용하면 냉각 압력이 (60~150) × 10⁵ Pa(약 60~150 bar)에 도달할 수 있습니다. 고압 냉각 공구를 사용하여 티타늄 합금을 가공하면 절삭 속도를 2~3배 증가시키고 공구 수명을 연장하며 티타늄 합금 칩 형태를 개선할 수 있습니다. 티타늄 합금 가공 중에 절삭유를 적용하면 티타늄 합금의 건식 절삭에 비해 절삭력이 5%~15% 감소하고, 반경 방향 힘이 10%~15% 감소하며, 절삭 온도가 5%~10% 감소하고, 가공된 티타늄 합금의 표면 형태가 더 좋고 부착이 적어 더 높은 표면 품질을 얻는 데 도움이 됩니다.
현재 사용되는 Trim E206 화학 에멀젼은 8% 농축액과 92% 순수한 물을 혼합하여 7%~9%의 농도로 티타늄 합금 재료 가공에서 우수한 가공 결과를 얻었으며 선삭, 밀링 및 연삭 작업에 사용할 수 있습니다. Trim E206에는 구성 인선 형성을 효과적으로 제어하는 특수 첨가제가 포함되어 있습니다. 절삭유에는 미세한 유화 분자가 포함되어 절삭유의 안정성을 개선하고 가공 중 유출을 줄여 절삭유가 절삭 영역에 더 쉽게 들어갈 수 있도록 합니다. 또한 Trim E206은 오일 오염에 대한 강한 저항성을 가지며 절삭유의 잔류물은 물과 작업 유체에 쉽게 용해되어 장비 및 가공 부품 표면의 청결을 유지하는 데 도움이 됩니다.
4. 티타늄 합금 표면 무결성
4.1 티타늄 합금 단조품의 미세 구조 검사
티타늄 합금 미세 구조 검사는 에칭된 티타늄 합금 부품의 표면을 전자 현미경으로 검사하여 재료의 미세 구조의 형태학적 특성, 분포 등을 관찰하여 티타늄 합금의 금속 조직 구조가 관련 표준 및 도면 사양을 준수하는지 확인하는 데 사용됩니다. 티타늄 합금 단조품의 미세 구조 검사 단계는 다음과 같습니다. 단조품의 대략적인 가공 → 표면 연마 → 표면 에칭 → 세척 → 건조 → 현미경 검사. Ti6Al4V 티타늄 합금의 현미경 검사는 그림 2에 나와 있습니다.
a) 표면 연마 b) 표면 에칭
c) 물로 헹굼 d) 현미경 검사
단조품의 대략적인 가공의 목적은 α 케이스를 완전히 제거하는 것입니다. 티타늄 합금 표면은 입자 크기 400#~800#의 알루미나 사포를 사용하여 연마하며 표면 거칠기는 Ra = 0.025 μm 이상 등급 요구 사항에 도달해야 합니다. 에칭은 2% HF, 4% HNO₃ 수용액으로 제조된 Kroll 시약을 사용합니다. 원하는 선명한 구조가 얻어질 때까지 적절한 양의 Kroll 시약을 연마된 티타늄 합금 표면에 도포한 다음 물로 헹구고 건조합니다. 휴대용 전자 현미경을 사용하여 티타늄 합금 표면을 검사합니다. 구조는 10%~50%의 1차 α를 포함해야 합니다. 그림 3에 표시된 Ti6Al4V 티타늄 합금의 미세 구조 형태는 자격을 갖춘 금속 조직 구조를 나타냅니다.
a) β-변환 매트릭스에서 1차 α b) β 결정립 경계에서 불연속 α
c) β 결정립에서 라멜라 α
4.2 티타늄 합금의 청색 양극 산화 부식 검사
티타늄 합금 가공 중 공구의 플랭크 마모가 발생하면 공구의 충격 저항이 점차 감소하여 압출 및 과열로 인해 티타늄 합금의 가공 표면에 가공 경화가 발생합니다. 청색 양극 산화 부식 방법은 경화 및 기타 결함을 감지하는 데 일반적으로 사용됩니다. 청색 양극 산화 부식 후 티타늄 합금 공작물의 표면은 그림 4에 나와 있습니다. 양극 산화된 티타늄 합금 공작물의 후처리 용해 후 자격을 갖춘 산화막의 색상은 균일한 밝은 파란색이어야 합니다(그림 4a 참조). 부식 검사 후 가공 경화된 티타늄 합금 공작물은 어두운 파란색 표면(그림 4b 참조) 또는 국부적으로 더 어두운 영역(그림 4c 참조)을 나타내며 다양한 영역에서 불균일한 색상 분포를 보입니다.
a) 균일한 밝은 파란색 b) 어두운 파란색 c) 국부적인 어두운 파란색
청색 양극 산화 부식 후 가공 경화를 나타내는 부품의 경우 티타늄 합금 가공을 위해 절삭 공구 재료, 코팅 및 절삭 각도를 조정하고 공구 경로 및 절삭 매개변수를 최적화하는 등의 방법을 사용하여 가공 경화를 제어하고 제거할 수 있습니다.
4.3 티타늄 합금의 표면 마무리
티타늄 합금 압축기 디스크, 허브, 임펠러, 샤프트 및 로터 스페이서의 표면 결함을 제거하고 부품 수명을 개선하기 위해 티타늄 합금 공작물에 대한 모든 기계 가공 작업을 완료한 후 수동 플랩 디스크 마무리를 사용하여 표면 마무리를 수행할 수 있습니다. 플랩 디스크 마무리는 그림 5에 표시된 마무리 공구를 사용해야 합니다. 회전식 에어 공구(속도 18,000rpm), 연마 맨드릴 및 알루미나 또는 탄화 규소 연마포(사양 10mm × 20mm, 입자 크기 120#).
a) 회전식 에어 공구 b) 연마 맨드릴 c) 연마포
티타늄 합금 공작물의 내부 홈 마무리는 그림 6에 나와 있습니다. 우수한 마무리 결과를 얻으려면 다음 방법을 사용할 수 있습니다.
알루미나 연마포를 길이 방향으로 접어 연마 맨드릴의 전단에 있는 클램핑 슬롯에 단단히 삽입합니다. 맨드릴의 회전 방향과 반대 방향으로 조입니다. 각 공작물 표면 영역을 마무리한 후 새 연마포로 교체합니다(그림 6a 참조).
회전하는 연마포는 티타늄 합금 표면을 1~2회 왕복해야 하며 각 사이클은 10~30초 동안 지속되며 왕복 속도는 약 1.57mm/s입니다(그림 6b 참조).
티타늄 합금 공작물의 서로 다른 표면을 마무리할 때 사이클 사이에 연마포를 교체합니다. 수동 마무리를 하는 동안 적절한 스톱 렌치 또는 기계적 깊이 스톱 장치를 사용하여 회전하는 연마포의 통과를 제어합니다.a) 연마포 설치 b) 회전 연마
5. 결론
티타늄 합금은 전형적인 가공이 어려운 재료입니다. 가공 중 높은 절삭력, 높은 절삭 온도 및 심한 공구 마모로 인해 합리적인 공구 재료 및 인서트 형상을 선택하는 것이 티타늄 합금 가공의 주요 과제입니다. Ti 함유 탄화물 공구는 우수한 확산 마모 방지 성능을 가지고 있습니다. 절삭 중 공구 표면에 안정적인 티타늄 합금 부착층이 형성되어 마모를 억제할 수 있습니다. 국내 공구의 개발로 티타늄 합금의 가공 효율이 점차 개선되어 가공 비용을 절감하고 엔진의 전체 현지화를 실현하는 데 긍정적인 역할을 하고 있습니다. 생산 실무에서 티타늄 합금 가공은 기술, 장비, 관리 및 비용과 관련하여 기존 기업 조건을 기반으로 해야 합니다. 합리적인 위치 고정 장치를 선택하고 기업의 정보 데이터 플랫폼을 사용하여 절삭 매개변수를 최적화하여 경험과 유추에만 의존하여 매개변수를 선택하는 광범위한 가공 개념에서 점차 벗어나야 합니다.
티타늄 합금 단조품에 대한 미세 구조 검사를 수행함으로써 대략 가공된 티타늄 합금의 금속 조직 구조를 비교하고 평가할 수 있습니다. 마무리 가공은 티타늄 합금 표면의 가공 및 재료 결함을 효과적으로 제거하여 공작물 수명을 개선할 수 있습니다. 청색 양극 산화 부식 검사는 티타늄 합금 가공 중에 발생하는 가공 경화와 같은 결함을 효과적으로 식별할 수 있습니다. 가공된 티타늄 합금의 표면 무결성을 효과적으로 제어하는 것은 티타늄 합금 가공 품질을 안정화하고 티타늄 합금 공작물의 수명을 개선하는 데 매우 중요합니다.
이 기사는 금속 가공(냉간 가공), 2021년 7호, 1~5페이지에 게재되었으며, AECC Xi'an Aero-Engine Ltd.의 황강이 저술했으며, 원래 제목은 "항공 우주용 티타늄 합금의 가공 방법 및 표면 무결성 제어 기술"이었습니다.
