금속가공 공정 중 윤활의 역할을 이해하려면 윤활의 마찰학(Tribology)을 알아야 합니다. 마찰학은 거의 모든 금속가공 작업과 관련된 경계마찰을 포함합니다. 이는 압력 하에서 두 인접 표면의 상대운동에 의해 발생합니다. 금속가공 공정 중 롤과 피가공물 간의 상대운동은 롤의 표면속도 차이에 의해 개선됩니다.
마찰은 금속가공 공정에서 중요한 역할을 합니다. 접촉한 두 물체 간의 상대운동에 대한 저항으로 정의되며, 에너지를 소산시키는 과정으로 계면 온도를 상승시키고, 과도할 경우 표면 손상을 초래합니다. 또한 금속가공 공정에서의 변형에도 영향을 미칩니다. 초기 이론에 따르면 마찰은 서로 미끄러지는 두 거친 표면의 맞물림 결과입니다. 실제로는 하중, 속도, 온도, 슬라이딩 쌍을 이루는 재료, 계면에서의 유체와 기체 효과 등 수많은 변수에 의해 발생합니다.
가장 널리 받아들여지는 마찰 이론은 접촉체 조도 간의 부착에 기반합니다. 표면이 아무리 매끄러워도 겉보기 접촉면적의 일부분에서만 접촉합니다. 따라서 금속가공 중 하중은 소수의 조도 접합점에서 지지됩니다. 결과적으로 조도 접합부의 법선응력이 높습니다. 가벼운 하중에서는 접촉응력이 탄성적일 수 있으나, 금속가공 관련 하중 수준으로 증가하면 조도의 탄성변형이 일어나고 접합부는 접착결합(마이크로 용착)을 형성합니다.
깨끗한 신생 표면(절단으로 생성되거나 표면 신장이 큰 금속가공 작업)에서 오염물이나 윤활피막이 없으면 냉간 압력 용착으로 인해 접합부 강도가 높습니다. 결과적으로 접합부의 전단강도가 높아 마찰이 큽니다. 오염물이나 윤활제가 도입되거나 산화층이 형성되면(일부 경우 몇 초 만에 형성), 강한 결합이 형성되지 않아 접합부 강도가 낮아지고 마찰도 감소합니다.
마찰력은 표면 온도를 상승시킵니다. 온도 상승은 (1) 속도, (2) 마찰계수, (3) 재료의 열전도율과 비열 감소에 따라 증가합니다. 열전도율이 높을수록 피가공물 본체로의 열전도가 커지고, 비열이 높을수록 온도 상승은 낮아집니다. 온도 상승이 충분히 높으면 계면 용융이나 상변태, 잔류응력, 표면 손상(야금학적 번)을 일으킬 수 있습니다.
마모는 표면에서 물질이 손실되거나 제거되는 현상입니다. 다양한 조건에서 발생할 수 있으며, 조건에 따라 (1) 건식 또는 윤활 마모, (2) 슬라이딩 또는 롤링 접촉 마모, (3) 파손에 의한 마모, (4) 소성변형에 의한 마모로 구분됩니다. 기본적인 마모 유형은 네 가지입니다: (1) 부착마모, (2) 마모마모, (3) 피로마모, (4) 부식마모. 일반적으로 금속가공 공정에서는 첫 세 가지가 관심 대상이며, 마지막 유형도 다양한 액체와 기체 존재 하에서 롤과 피가공물 상호작용으로 발생할 수 있습니다. 특히 이 경우 롤 조성에 따라 적절한 윤활화학을 선택해 과도한 부식성 롤 마모를 방지해야 합니다.
슬라이딩 중 접합부가 전단되어 발생합니다. 접합부가 강한 결합을 가질 때(깨끗한 계면, 고하중, 두 물체 간 충분한 접촉시간), 접합부 파손이 조도 계면 위나 아래에서 발생합니다. 일반적으로 부드러운 금속을 통해 균열이 형성되고 전파됩니다. 반복적인 사이클링 하에서 전이된 입자는 느슨한 마모입자가 됩니다. 심각한 부착마모는 갈링(galling), 스커핑(scuffing), 고착(seizure)이라고 합니다. 부착마모 발생을 위해서는 두 슬라이딩 표면 간 부착과 용착에 대한 친화력(반응성)이 필요합니다. 가장 심각한 마모는 고진공에서 고법선하중 하의 두 깨끗한 표면 사이에서 발생합니다. 효과적인 윤활제의 기본 역할은 윤활제 층으로 표면을 분리하거나 화학반응으로 저전단강도 화합물을 형성해 계면 전단강도를 낮춤으로써 조도 용착 경향을 줄이는 것입니다. 표면피막은 부착마모에서 매우 중요합니다. 윤활제 층 외에 표면은 거의 항상 산화층, 오염물, 흡착된 기체나 유체로 덮여 있습니다. 이 피막들은 계면 전단강도를 크게 낮춥니다. 따라서 실제 관찰되는 마모는 그렇지 않았을 때보다 일반적으로 낮습니다. 산화피막은 마찰과 마모에 중요한 역할을 합니다. 효과는 슬라이딩 중 산화층 파괴 속도와 형성 속도의 상대적 비율에 따라 달라집니다. 파괴율이 높으면 표면이 잘 보호되지 않아 마모가 큽니다.
마모마모 공정에서는 긁힘과 마이크로칩 생성으로 표면에서 물질이 제거됩니다. 따라서 재료가 부드러울수록 마모마모율은 높고, 하중이 높을수록 마모율은 높습니다. 마모마모는 2체형과 3체형이 있습니다. 후자의 경우 제3체는 마모입자나 윤활제 내 축적된 경질 오염물 등 두 슬라이딩 표면 사이에 갇힌 것들로 구성됩니다. 이 메커니즘은 침식마모라고도 합니다. 이 마모 유형은 금속가공 공정과 설비 유지보수에 중요합니다. 산화물, 금속칩, 기타 금속입자 축적을 줄이기 위해 윤활제의 정기적 검사, 여과, 교체가 필요합니다.
피로마모는 보통 표면피로 또는 표면파단마모라고 합니다. 롤과 피가공물 계면의 반복적 하중 결과입니다. 기계적 힘이나 열응력(열피로)에 의한 피로 메커니즘으로 표면에 균열이 시간이 지남에 따라 발생합니다. 두 경우 모두 표면(보통 금속가공 공구)에서 스팔링(spalling)이나 피팅(pitting)으로 물질이 제거되며, 균열이 표면 아래에서 서로 합쳐집니다. 피로마모에서 윤활은 복잡한 역할을 합니다. 윤활제는 마찰을 줄여 피로파손을 일으킬 수 있는 응력 수준을 낮춥니다. 반면 어떤 메커니즘으로 균열이 발생하면 유체가 표면장력으로 균열에 침투합니다. 후속 하중 사이클에서 유체가 갇히고 비압축성이라 균열 개방부에 높은 정수압이 발생해 균열을 금속가공 공구 본체 내부로 더 전파시킵니다. 예를 들어 화학적 공격이 없는 비윤활 계면에서는 피팅이 발생하지 않습니다.
슬라이딩 표면을 서로 분리함으로써 마찰과 마모를 줄이거나 없앨 수 있습니다. 윤활 저널베어링이나 공기베어링 같은 기계요소에서는 이 요건을 쉽게 충족할 수 있지만, 금속가공 공정의 하중과 속도, 금속가공 공구와 피가공물 계면의 형상 때문에 윤활피막 존재가 용이하지 않은 경우가 많습니다. 윤활제는 마찰이나 롤링으로 발생한 열을 방출하는 냉각제로도 사용되며, 산화철이나 슬리버 같은 입자를 씻어내는 데도 적용됩니다. 그러나 적용 유체의 주기능은 윤활이므로 '냉각제'란 용어는 보통 쓰지 않습니다. 압연 공정에 관심 있는 주요 윤활 메커니즘은 다음과 같습니다.
완전유체피막 윤활이라고도 하며, 두 표면이 연속적인 유체피막으로 완전히 분리됩니다. 피막 두께는 맞물림 표면 조도의 약 10배입니다. 유체피막은 정수압적(윤활제 포집)으로 또는 일반적으로 점성 유체 존재 하에서 슬라이딩 표면의 쐐기효과로 형성됩니다. 따라서 이 윤활에서는 윤활제의 물성(특히 점도)이 중요하고 금속 표면에 대한 화학적 효과는 중요하지 않습니다. 후막윤활에서는 하중이 보통 가볍고 속도가 높습니다. 마찰계수는 매우 낮아 보통 0.001~0.02 범위입니다. 윤활시스템에 유입된 이물질(제3체) 외에는 마모가 없습니다. 이 윤활유형은 고점도 윤활제와 고속 운전 시 다이-피가공물 계면의 고립된 영역을 제외하고 금속가공 공정(압연 포함)에서 보통 발생하지 않습니다.
후막윤활의 피막두께는 (1) 점도 감소(예: 온도상승), (2) 슬라이딩 속도 감소, (3) 하중 증가로 줄어들 수 있습니다. 표면이 가까워지고 공구-피가공물 간 법선하중이 표면 조도의 유체동압 포켓 내 금속-금속 접촉과 유체피막으로 부분적으로 지지됩니다. 이를 혼합윤활, 박막 또는 준유체동압 영역이라고도 합니다. 피막두께는 표면조도의 3배 미만입니다. 마찰계수는 약 0.4까지 올라갈 수 있어(힘과 동력소비 상당 증가), 마모가 상당할 수 있습니다. 효과적인 윤활제 포집을 위한 최적 조도가 있으며, 통상 15µm 권장됩니다. 유체동압 포켓은 윤활제가 부족한 계면 영역에 윤활제를 공급하는 저장소 역할도 합니다.
경계윤활에서는 얇은 윤활피막이 분자력(예: 반데르발스 힘)이나 화학적 힘(화학흡착)으로 표면에 물리적으로 부착됩니다. 일반적인 경계윤활제는 오일, 지방유, 지방산, 비누 등입니다. 경계피막은 깨끗한 표면에서 빠르게 형성되지만, 티타늄이나 스테인리스강 같은 일부 재료에서는 반응성이 매우 낮습니다. 이런 경우 피가공물 표면 대신 금속가공 공구 표면에 경계피막을 형성해 윤활을 향상시킬 수 있습니다. 완전유체피막 윤활에서는 윤활제 물성(점도 등)이 중요한 반면, 경계윤활에서는 윤활제의 화학적 측면과 금속 표면과의 반응성이 중요하고 점도는 부차적 역할입니다. 경계윤활 영역에서 마찰계수는 보통 0.1~0.4 범위로, 경계피막 강도와 두께에 따라 달라집니다. 압연 같은 금속가공 작업에서 자주 관찰되고 적용됩니다. 이 윤활유형의 마모율은 금속가공 공정 중 발생하는 과도한 온도에 의한 마찰마모나 탈착으로 피막이 파괴되는 속도에 의존합니다. 보호 경계층이 파괴되면 마찰과 마모가 보통 높습니다. 따라서 이 피막의 부착력과 강도는 경계윤활 효과의 매우 중요한 요소입니다. 압력, 속도, 점도가 피막두께에 미치는 역할도 인식해야 합니다.
EP 윤활에서는 금속 표면이 윤활유 내 황, 염소, 인에 의한 비가역적 화학반응으로 화학적으로 활성화됩니다. 이 반응들은 맞물림 금속 표면에 염을 형성합니다. 이 표면들은 높은 공구-피가공물 접촉압에서도 조도 용착을 방지하거나 줄입니다. 그래서 '극압' 윤활이라 부릅니다. 또한 낮은 전단강도로 마찰도 줄입니다. 온도 상승 시 이 피막이 파괴될 수 있으며, 파괴온도는 특정 EP 첨가제(단독 또는 황+염소 등 조합)와 금속 표면 조성에 따라 다릅니다. 피막 파괴 시 금속-금속 접촉이 발생해 마찰과 마모가 증가합니다. 그러나 황산염과 염화물의 보호피막은 깨끗한 신생 표면에서 상대적으로 쉽게 재형성됩니다. 공기, 산소, 습도, 물은 EP 윤활에 중요한 역할을 합니다.
금속가공 공정 중 겪는 응력 결과로 금속가공 공구의 처짐과 왜곡이 발생할 수 있습니다. 강철의 유한한 탄성계수 때문에 이러한 처짐이 공구-피가공물 계면 형상을 충분히 변경해 응력, 접촉면적과 형상, 압력분포에 영향을 줄 수 있습니다. 그래서 '탄성유체동압'이란 용어를 씁니다. 또 다른 요인은 압력에 따른 점도 증가(심지어 고체화)입니다. 이는 유체동압 피막 형성을 돕고 피막두께를 증가시킵니다. EHD의 확장으로 '소성유체동압' 윤활이 있습니다. 스트립 압연 같은 공정에서 윤활제가 롤-피가공물 계면의 수렴간극에 포집/포착되어 완전유체피막이 형성되고 마찰과 마모가 크게 감소합니다. 이 현상은 미세한 계면 치수 변화가 힘과 변형기하학에 영향을 주는 농축접촉 공정(얇은 스트립 냉간압연 등)에서 특히 중요합니다.
윤활제의 점도와 피가공물 및 공구 재료에 대한 화학적 특성 외에도 표면장력과 습윤이 윤활에 중요한 역할을 합니다. 습윤은 표면장력과 관련된 현상으로 표면에너지의 표현입니다. 윤활제의 습윤특성은 피가공물 표면에 연속피막으로 얼마나 잘 퍼지는지로 결정되며, 이는 윤활의 중요한 측면입니다. 금속가공 공구와 피가공물 계면의 특정 영역에 윤활제가 머물게 하는 것이 바람직한 경우도 있습니다. 예: 시계의 회전축에는 비이동성(비습윤) 윤활제가 필요합니다. 고체 금속 표면 위 유체 방울(금속가공 윤활제 등) 모양은 금속, 유체, 공기 간 계면장력에 의존합니다. 방울 둘레가 표면과 이루는 각을 접촉각이라 합니다. 접촉각이 작을수록 유체의 습윤특성이 우수합니다. 금속가공 유체의 습윤은 알코올, 글리콜 같은 습윤제 첨가나 온도상승으로 개선됩니다. 표면조도 증가로도 습윤이 개선됨을 알 수 있습니다.
금속가공 윤활은 (1) 공구-윤활제-피가공물 계면 화학, (2) 윤활제 도포방법, (3) 공정 형상, (4) 작업 역학에 따라 다른 메커니즘이 관여함을 알 수 있습니다. 또한 압연속도 변화, 변형량, 수반되는 압력과 응력 변화에 따라 윤활모드가 금속가공 사이클 중 자주 변합니다.
현재 다양한 표면과 재료의 금속가공 작업에 사용되는 금속가공 윤활제 계열은 다섯 가지입니다. 선택된 윤활제는 좋은 생산성을 제공해야 하며, 법적 기관이 플랜트 작업에 부과하는 환경규제도 충족해야 합니다. 금속가공 윤활제 유형: (1) 휘발성 화합물, (2) 화학용액(합성), (3) 마이크로에멀전(반합성), (4) 마크로에멀전(수용성), (5) 석유계 윤활제. 각 그룹의 반응성 물리화학적 특성은 아래와 같습니다. 다양한 윤활제 비교는 표 1 참조.
윤활제 물성을 수정해 특정 용도에 적합하게 만듭니다. 첨가제는 윤활특성 개선, 금속표면 보호 등 여러 기능 수행. 녹/부식억제제는 일반적으로 질산염이나 인산염. EP첨가제는 황, 염소, 인 화합물. 금속 냉간용착 방지, 금속 '빌드업' 방지하지만 윤활특성 저하 가능. 에스테르, 동물성지방, 지방산 같은 첨가제를 오일에 첨가해 표면장력 감소나 퍼짐성 개선. 합성타입 윤활제는 인화합물이나 기타 화학물로 수정해 세정윤활제 역할 수행. 표면장력 감소로 윤활제가 접촉영역에 더 고르게 빠르게 도달.
윤활제 도포에 보통 네 가지 방법 사용: (1) 점적, (2) 롤러코터, (3) 재순환시스템, (4) 에어리스스프레이. 각 방법의 장점은 다음과 같습니다.
제조공정
로봇이 제조 시 페인트나 코팅을 도포하기도 하지만, 그 페인트와 코팅을 제거하는 로봇도 있습니다. 이 자동화 제거는 여러 산업에 채택되었으며, 미 국방부도 자사 항공기에 사용하도록 채택했습니다. 국립제조과학센터(National Center for Manufacturing Sciences)에 따르면, 오늘날 거의 모든 헬리콥터와 틸트로터는 복합 메인 로터 블레이드를 가지고 있으며, 필요 시 수작업 샌딩과 임팩트 블라스팅으로 페인트를 제거합니다. 이 수작업 제거 공정 대신 자동화 제거를 쓰면 적용 일관성 부족으로 블레이드 손상 위험이
스탬핑은 일련의 스탬핑 스테이션을 통해 판금에 성형 공정을 수행하여 완제품을 대량 생산하는 방식입니다. 스탬핑 공정은 강철, 알루미늄, 아연, 니켈, 티타늄, 황동 등을 포함한 시트 금속을 성형하는 것입니다. 판금은 스탬핑 프레스에서 미리 정해진 형태로 성형됩니다. 툴과 다이는 프레스의 구성 요소로, 판금이 삽입될 때 부품을 성형합니다. 부품 성형은 툴과 다이의 구성 요소인 펀치에 의해 완료됩니다. 펀치가 판금을 다이의 캐비티를 통해 밀어내어 원하는 형태를 만듭니다. 판금 스탬핑의 4가지 유형 전기 금속 스탬핑 - 전기 부
