[첨단 헬로티]
왕 지강 (王 志剛) 岐阜대학
소성가공은 제조에서 소재 제조와 부품가공의 2가지 역할을 담당하고 있다. 부품가공법으로서는 용해가공, 제거가공 및 부가가공 등과 경쟁하면서 발전했으며, 인류의 지속 발전의 관점에 더해 ‘좋은 것을 저렴하게’라고 하는 제조의 가치 기준에 기초해 활용되고 있다.
소성가공에서 트로이볼로지 연구 개발도 지속 가능한 시점에 더해, 어떻게 소성가공 제품의 경쟁력 향상에 공헌할 수 있을지를 중심으로 전개되고 있다.
소성가공에서 트라이볼로지의 과제
소성가공 제품의 경쟁력 강화의 시점에서 소성가공 기술의 과제와 트라이볼로지 요망을 개관하면, 이하의 점이 특히 중요하다고 생각된다.
1. 복합 성형 기술의 개발
판 성형, 단조, 회전 성형 등을 조합해서 소성가공 제품의 네트 셰이프화를 도모, 절삭 등으로 만들어지고 있는 부품을 소성가공화하는 것은 매우 매력적인 테마이다. 최근 큰 진전을 보이고 있는 판단조 기술은 그 좋은 예이다. 복합가공에서 가공 부위에 따른 트라이볼로지 조건의 상이는 기존 가공법보다 크고, 트라이볼로지 관점의 공정 설계 및 형 설계가 필요하다.
2. 공정 단축 기술의 개발
마찰 조건이 성형 한계에 적지 않은 영향을 미친다는 것은 이미 알고 있는 사실이다. 마찰 조건의 최적화를 도모, 성형 한계를 향상시키고 보다 적은 공정의 생산을 목표로 한다. 가공법․가공 부위별로 마찰의 영향 정도를 명확하게 하고, 최적의 마찰 상태 실현에 기여하는 마찰 데이터베이스의 정비가 필요하다.
역차 윤활은 금형 표면처리 기술이 발전한 오늘날에는 실현 가능한 기술이라고 생각된다. 윤활제 없이 금형 표면 경질피막만으로 0.1 정도의 저마찰계수를 얻을 수 있다. 철강 재료를 대상으로 내버닝 능력이 우수하고 고마찰계수를 나타내는 금형 표면 경질피막이 많이 존재, 피막의 조합에 의한 성형 한계의 향상, 공정 단축을 목표로 한다.
3. 재료 수율․양품률의 향상 기술 개발
재료 수율의 향상을 도모하는 동시에, 금형의 버닝, 마모, 피로파괴 등의 경시 변화에 의한 불량품 발생을 억제하기 위해서는 버닝, 마모에 의한 금형 수명의 예측 기술이 필요하다.
4. 트라이리스를 실현하기 위한 기술 개발
CAE에 의한 성형 예측 정도를 높여, 트라이리스 혹은 1회의 금형 수정으로 양품을 만들어내는 기술이 요망되고 있다. 그 실현에는 CAE 해석용 마찰 데이터의 정도 확보가 전제 조건이 된다.
5. 무인공장을 실현하기 위한 기술 개발
적은 인원의 조업 혹은 야간 무인 조업의 경우는 금형의 경시 변화 예측 기술이 필수가 된다. 또한 클린 이노베이션 관점에서 경량 고강도 재료가 앞으로 점점 더 다용되는 동시에, 염소 프리, 본데라이트 프리에 대응하는 새로운 윤활유제의 고성능화가 요망된다.
고강도강판, 알루미늄합금 등의 경량 고강도 금속 재료는 대개 버닝이 발생하기 쉬운 경향이 있으며, 윤활유제의 저성능화와 함께 금형 재료에 가해지는 부담은 증가하게 된다. 버닝 발생․성장 과정을 예측할 수 있으면, 고가의 금형 재료 사용은 버닝의 위험 부위에만 그치는 것이 가능할 것이다.
이와 같이 트라이볼로지에 대한 요망은 다종 다양하다. 일본소성가공학회의 하부 조직의 하나로 소성가공의 트라이볼로지를 전문으로 연구하는 프로세스 트라이볼로지 분과회가 있으며, 그림 1과 같은 로드맵을 내세워 활동하고 있다.
이 로드맵에서는 환경보전 윤활 기술, AI, IoT를 활용한 고효율 생산 대응 기술의 장래상으로서 테크놀로지와 사이언스의 양면에서 윤활제, 금형 및 그 표면처리, 피가공재, 가공법 등 각 구성 요소의 바람직한 모습을 그리고 있다.
테크놀로지 측면에서는 탈석유 윤활제의 고성능화, 흑연 대체 이형제의 고성능화, 화성피막 대체 윤활제의 고성능화, 금형 코팅 피막의 고성능화 실현을 통해, 2045년경에 석유 대체율 90%의 실현을 예상하고 있다.
사이언스 측면에서는 신윤활 재료의 탐색, 윤활제 분자 구조와 윤활특성의 관계 규명, 윤활제 경면 구조의 제어, 금형 및 피가공재 표면 기능을 만들어 넣음으로써 기능 계면 창성이론의 확립 및 마찰 제어에 의한 가공 에너지 절감 방법의 확립을 목표로 하고 있다. 그러나 현재 학술의 도달점에서 바라보면, 해결해야 할 과제가 많고 여정은 우여곡절이 예상된다.
여기서는 스페이스의 제약 상, 사이언스 로드맵의 기초 사항인 마찰 모델링의 현상과 테크놀로지 로드맵 중에서 화성피막 대체 윤활제의 현상에 대해서 설명하기로 한다.
소성가공에서 마찰법칙
그림 1의 사이언스 로드맵에 든 목표를 실현하기 위해 가장 기초적인 마찰기구를 명확하게 해 둘 필요가 있다. 마찰의 응착설이 인식되면, 소성가공의 분야에서도 공구에 압부된 평탄면의 단위면적당 마찰저항(마찰 전단응력)이 윤활제에 의존하는 정수가 되는 실험 결과가 보고됐으며, 접촉률이 일반적으로 사용되게 됐다.
그 후 벌크재의 소성 변형이 없는 조건 하에서 표면 돌기의 압부 과정이 미끄럼 선장법에 의해 해석되고, 오늘날 많이 이용되고 있는 마찰법칙, 즉 판성형과 같은 저면압가공에서는 쿨롱의 법칙, 단조와 같은 고면압가공에서는 마찰 전단응력 일정칙이 정착됐다.
그러나 마찰기구의 관점에서 말하면, 피가공재의 소성 변형에 의한 표면 구조의 변화가 마찰계면의 다이내믹스를 초래해, 소성가공에서 마찰법칙은 벌크재의 변형 상태의 영향을 받아 복잡해진다고 일반적으로 생각되어 왔다. 이 인식은 최근의 연구에 의해 수정되고 있다. 그림 2는 드라이 가공의 실험 결과에 기초해 제안된 마찰법칙이다.
저면압에서 τ=µp의 쿨롱칙이 성립하고, 임계면압 pcr을 넘으면 τ=mk의 마찰응력 일정칙으로 교체되는 모델이다. 이 마찰법칙에서 쿨롱칙이 성립하는 임계면압 pcr은 벌크재의 변형이 없는 경우의 돌기 압부 압력과 동등하며, 이하와 같이 산출된다.
여기에서 θ(rad)는 표면 돌기의 경사각이다. 또한 마찰계수 µ에서 마찰 전단계수 m은 다음과 같이 산출된다.
한편, 고체 윤활 피막의 마찰특성에 대해서는 그림 3에 나타냈듯이 평균 면압이 4.5Y 정도까지의 범위에서는 평균 면압과 마찰 전단응력이 비례 관계에 있다. 따라서 이들 고체 윤활 피막이 충분한 막두께로 존재하는 가공의 해석에서는 쿨롱칙을 이용하면 된다.
또한 윤활유를 이용한 경우의 마찰법칙에 대해서는 일반적으로 이용되는 윤활유의 점도와 프레스 가공 속도에서는 윤활유의 점성저항을 무시할 수 있는 레벨에 있으며, 그림 4에 나타낸 것과 같다. 평균 면압이 높은 영역에서는 윤활유의 압력 부담 발생과 함께 마찰계수가 저하, 윤활유의 압력 부담의 포화에 의해 마찰계수가 다시 일정해진다.
이 마찰법칙은 p1 이하의 저면압역에서 마찰계수를 µ1으로 하고, p2 이상의 마찰계수 일정의 고면압역에서 마찰계수를 µ2로 해 다음 식과 같이 기술된다.
냉간단조 윤활피막의 스탠더드는 여전히 인산아연층과 비누층으로 구성되는 화성피막인데, 큰 전환기를 맞이하고 있다. 대체 윤활피막의 개발은 환경보전 의식의 고양에 의해 2000년경부터 활발하게 이루어져 왔다. 이 분야에서는 일본의 연구 개발이 세계를 리드하고 있으며, 피막의 설계 사상도 여러 개 존재한다.
그림 5에 그 일례를 나타냈다. 그림의 1액 윤활피막은 화성피막과 동일하게 2층 구조를 가지고 있으며, 상층은 마찰특성, 하층은 피가공재 표면과의 밀착성을 담당하고 있다. 이 윤활 피막의 성능을 실제 다단 단조를 모의한 업세팅 볼 시어형 마찰시험에서 평가한 결과, 그림 6에 나타냈듯이 화성피막과 동등한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
또한 1액 윤활피막의 내버닝 능력은 피가공재의 기초 처리에 따라 크게 다르고, 디스켈링 후의 기초 표면의 기능화가 중요한 포인트가 된다.
그림 1의 로드맵에 그려져 있듯이 AI와 IoT를 활용한 고효율 생산에 대응하는 기술이 요구되고 있다. 생산 연령 인구 감소 사회에서 AI와 IoT를 활용해 가공 조건의 변동을 성형기의 자동 제어에 의해 즉시 보정하고, 양품만을 양산하는 생산 시스템의 실현이 요망되고 있다.
트라이볼로지 기술은 가공 조건의 변동을 예측하는데 있어 중요하며, 로드맵에 기초한 기술의 실현을 기대하고 싶다.
