절삭유
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1. 개요
절삭유는 금속 절삭 가공 시 공구와 피삭재 사이의 윤활 및 냉각을 위해 사용되는 액체이다. 19세기에는 물이나 동물성 지방이 사용되었고, 20세기 중반에는 1,1,1-트리클로로에탄이 첨가제로 사용되기도 했으나, 현재는 유성 및 수용성 절삭유가 주로 사용된다. 절삭유는 냉각, 윤활, 칩 제거 등의 기능을 하며, 공급 방식은 범람, 분무, MQL 등이 있다. 작업자 건강과 환경에 유해할 수 있어 안전 대책과 폐기 규정이 중요하며, 관련 규격으로는 JIS K2241-2000 등이 있다.
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| 절삭유 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 윤활유 |
| 용도 | 금속 가공 가공물 냉각 공구 수명 연장 녹 방지 |
| 상세 정보 | |
| 주요 성분 | 물 기름 에멀션 페이스트 기타 (공기 또는 가스) |
| 냉각 방식 | 침수 스프레이 |
| 기타 정보 | |
| 유해성 | 피부염 유발 가능성 |
2. 역사
19세기 기계 가공에서는 물을 사용하는 경우가 종종 있었다. 이는 절삭날과 칩 사이의 윤활 작용 여부와 관계없이, 절삭 공구를 냉각하기 위한 실용적인 방법이었다. 고속도강(HSS)이 아직 개발되지 않았던 시기이므로, 공구를 냉각해야 할 필요성이 더욱 컸다. (HSS는 고온에서도 경도를 유지하지만, 다른 탄소 공구강은 그렇지 않다.) 소다수(탄산수소나트륨 수용액)는 기계 슬라이드의 녹을 더 잘 억제하는 개선된 방법으로 사용되었다. 이러한 방법들은 오늘날에는 더 효과적인 대안들이 있기 때문에 일반적으로 사용되지 않는다.
절삭유는 크게 유성 절삭유와 수용성 절삭유로 나뉜다.
우지나 라드와 같은 동물성 지방은 과거에 매우 인기가 있었다.[11] 이는 다양한 다른 선택지들로 인해 오늘날에는 거의 사용되지 않지만, 여전히 사용 가능하다.
오래된 기계 공장 교육 교재에서는 연단과 백연을 라드 또는 라드 오일에 섞어 사용하는 것에 대해 언급하고 있다. 이러한 관행은 납의 독성 때문에 폐지되었다.
20세기 중반부터 1990년대까지, 1,1,1-트리클로로에탄은 일부 절삭유의 효율성을 높이기 위한 첨가제로 사용되었다. 현장 은어로는 "원-원-원"이라고 불렸다. 이는 오존층 파괴 및 중추 신경계 억제 특성 때문에 점차 사용이 중단되었다.
수작업으로 공작 기계를 조작하던 시대에는, 절삭유가 절삭 공구와 피삭재의 마찰을 감소시키는 목적으로 사용되었으며, 주로 유성 절삭유를 소량 사용했다. 고속도강 공구에서 초경 공구로 바뀌고, 기계가 수치 제어가 되면서 생산성이 비약적으로 향상되었고, 기계 조작은 자동화되었으며, 절삭유의 목적이 변화했다. 절삭유는,
# 고속 가공으로 발생하는 열을 냉각하고(쿨런트),
# 무인화된 환경에서도 가공점이나 테이블 면에 쇳조각이 남지 않도록 씻어내는(플래싱)
목적을 갖게 되었다. 이 때문에 현재는 다량의 절삭유를 전용 펌프로 여과하면서 순환하여 사용하게 되었다.
3. 종류
광유는 19세기 말부터 절삭유로 사용되기 시작했다. 20세기 초에는 물을 기반으로 한 수용성 절삭유가 등장했다. 1930년대에는 마이크로에멀전 또는 에멀전 형태의 반합성 냉각수가, 1950년대 후반에는 합성 화학 물질을 기반으로 한 합성 냉각수가 개발되었다.[2]
절삭유의 오일 농도를 측정하는 방법에는 수동 적정,[4] 휴대용 굴절계,[5] 점도, 밀도, 초음파 속도 측정 등이 있다.
과거에는 염소계 절삭유가 많이 사용되었으나, 발암성 위험과 다이옥신 발생 문제로 인해 사용이 줄고 있다. 일본 산업 규격에서는 염소계 절삭유가 제외되었으며, 현재는 비염소계 제품이 주류를 이루고 있다.
3. 1. 유성 절삭유
광유를 기반으로 하며, 절삭 성능 향상을 위한 첨가제가 포함된다. 윤활성이 우수하여 정밀 가공에 적합하다. 과거에는 염소계 첨가제가 사용되었으나, 환경 문제로 인해 비염소계 첨가제가 주로 사용된다.[2]
3. 2. 수용성 절삭유
수용성 절삭유는 물에 기름을 용해시킨 형태로, 냉각 성능이 우수하여 고속 가공에 적합하다. 환경 부하가 낮아 현대 금속 가공에서 널리 사용된다. 수용성 절삭유는 크게 유화형(에멀젼), 용해형(솔루블), 합성형으로 나뉜다.[2]
수용성 절삭유는 일반적으로 물에 희석하여 사용하며, 희석 비율은 가공 조건에 따라 달라진다. 절삭유 농도는 수동 적정,[4] 휴대용 굴절계[5], 점도, 밀도, 초음파 속도 측정 등 다양한 방법으로 관리한다.
과거에는 염소계 절삭유가 많이 사용되었지만, 발암성 위험과 다이옥신 발생 문제로 인해 사용이 줄고 있다. 일본 산업 규격에서는 염소계 절삭유가 제외되었으며, 현재는 비염소계 제품이 주류를 이루고 있다.
3. 3. 기타 절삭유
4. 기능
수작업으로 공작 기계를 조작하던 시대에는 절삭유가 절삭 공구와 피삭재의 마찰을 줄이기 위해 사용되었고, 주로 유성 절삭유를 소량 사용했다. 고속도강 공구에서 초경 공구로, 수치 제어 방식으로 기계가 변화하면서 생산성이 크게 향상되었고, 기계 조작은 자동화되면서 절삭유의 목적도 변화했다. 현대의 절삭유는 다량으로 사용되며, 전용 펌프로 여과하면서 순환하여 사용한다.
절삭유는 가공점을 윤활·냉각함으로써 가공 정밀도와 표면 거칠기를 향상시키고 공구의 마모를 억제한다. 또한 칩을 씻어내어 칩이 쌓여 가공 불량이 발생하는 것을 막고, 가공 시 발생하는 열에 의한 기계의 열변형 방지에도 도움을 준다.
최근에는 절삭유를 사용하지 않는 건식 가공, 미량의 오일로 가공하는 세미 드라이 가공(MQL 가공), 환경 부하가 낮은 비광물계 오일을 사용한 절삭유 등이 연구되고 있다.
4. 1. 냉각
금속 절삭은 마찰과 재료 변형으로 인한 에너지 손실로 인해 열을 발생시킨다. 주변 공기는 열전도율이 낮아 냉각 성능이 떨어진다. 주변 공기 냉각은 가벼운 절삭과 낮은 작동 주기에 적합하지만, 대량 생산 작업은 장시간 동안의 고강도 절삭으로 인해 더 많은 열이 발생한다. 액체 냉각제를 사용하면 더 많은 열을 빠르게 제거할 수 있으며, 절삭 속도를 높이고 마찰과 공구 마모를 줄일 수 있다.[10]공구뿐만 아니라 작업 표면도 가열된다. 공구 또는 작업 표면의 과도한 온도는 둘 다의 템퍼를 손상시키고, 쓸모없거나 파손될 정도로 부드럽게 만들고, 인접한 재료를 태우고, 원치 않는 열팽창을 생성하거나 산화와 같은 원치 않는 화학 반응을 유발할 수 있다.[10]
공기 압축기에서 파이프와 호스를 통해 공급되어 공구에 맞춰진 노즐에서 배출되는 압축 공기는 때때로 유용한 냉각제가 된다. 때때로 액체를 공기 흐름에 추가하여 미스트를 형성하기도 한다(미스트 냉각 시스템, 위에 설명됨).[10]
액체 질소는 끓는 것만으로도 강력한 냉각 효과를 제공한다. 2005년 이후, 이 냉각 방식은 MQL과 유사한 방식으로 적용되어 공구 본체와 팁을 냉각시켜 공구-칩 인터페이스에서 열을 흡수한다. 이 새로운 유형의 질소 냉각은 티타늄 및 인코넬과 같은 강인한 금속의 밀링 가공에서 공구 수명을 10배 증가시켰다.[10]
빠른 증발 물질(예: 알코올, 물 등)과 결합된 공기 흐름을 사용하여 냉각할 수도 있다.[10]
수작업으로 공작 기계를 조작하던 시대에는 절삭유가 절삭 공구와 피삭재의 마찰 감소 목적으로 사용되었지만, 고속도강 공구에서 초경 공구로 바뀌고 기계가 수치 제어가 되면서 절삭유의 목적이 변화했다. 절삭유는 고속 가공으로 발생하는 열을 냉각(쿨런트)하고, 무인화해도 가공점이나 테이블 면에 쇳조각이 남지 않도록 씻어내는(플래싱) 목적을 갖게 되었다.[10]
4. 2. 윤활
절삭유는 공구와 피삭재 사이의 마찰을 줄여 절삭 저항을 감소시킨다. 이는 공구 수명을 늘리고, 가공 표면의 품질을 높이며, 절삭력을 줄이는 데 기여한다. 또한, 절삭유는 레빈더 효과를 통해 절삭력을 감소시키는 데 도움을 줄 수 있다.[10]4. 3. 칩 제거
절삭유는 가공 공구와 피삭재에서 칩을 씻어내어 칩이 쌓여서 가공이 불량해지는 현상을 막는다.[1] 또한 칩 배출을 원활하게 하여 가공 효율을 높인다.4. 4. 기타 기능
절삭유는 가공점을 윤활·냉각함으로써 가공 정밀도와 표면 거칠기를 향상시키고 공구의 마모를 억제한다. 또한, 칩을 가공 공구와 피삭재에서 씻어내어 칩이 쌓여 가공 불량이 발생하는 것을 막는다. 더불어 가공 시 발생하는 열에 의한 기계의 열변형 방지에도 도움을 준다.5. 공급 방식
절삭유 공급 방식은 적용 분야와 사용 가능한 장비에 따라 다양하다. 절삭유는 범람, 분무, 점적, 미스트, 브러싱 등 다양한 방법으로 공급될 수 있다.
많은 금속 절삭 응용 분야에서 이상적인 방법은 고압, 대용량 펌핑을 통해 액체(일반적으로 유수 에멀젼)를 공구-칩 인터페이스로 직접 밀어 넣는 것이다. 이 방식은 기계 주변에 튐을 막는 벽과 유체를 잡고, 필터링하고, 재순환하는 섬프를 사용하며, 제조업에서 일반적으로 사용된다. 그러나 소규모 공작 기계를 사용하는 유지 보수, 수리 및 정비 또는 취미용 금속 절삭에는 이러한 방식이 실용적이지 않을 수 있다. 다행히도 이러한 작업에서는 과도한 절삭, 공격적인 속도 및 이송, 지속적인 절삭이 중요하지 않기 때문에 이러한 고성능 시스템이 필요하지 않다.
기술 발전으로 인해, 2000년대 이후에는 액체, 에어로졸 및 가스 공급의 새로운 조합이 등장했다. 최소량 윤활 및 공구 팁을 통한 극저온 냉각과 같은 새로운 방식이 사용되고 있다.
'''공구 내부 냉각수''' 시스템은 '''스핀들 내부 냉각수''' 시스템이라고도 하며, 스핀들 내부 통로와 공구를 통해 절삭 인터페이스로 직접 냉각수를 공급한다.
5. 1. 범람 (Flooding)
범람은 가장 일반적인 절삭유 사용 방식이다.[1] 다량의 절삭유를 가공 부위에 지속적으로 공급하여 냉각 효과가 우수하고, 칩 제거에도 효과적이다.[1] 최근에는 기술 발전으로 범람 방식 외에 최소량 윤활, 극저온 냉각 등 다양한 방식도 활용된다.[1]5. 2. 분무 (Mist)
분무(Mist) 방식은 절삭유를 미세한 안개 형태로 분사하는 방식이다. 냉각 효과는 범람 방식보다 떨어지지만, 절삭유 소모량을 줄일 수 있다.5. 3. 최소 윤활 (MQL, Minimum Quantity Lubrication)
MQL(최소 윤활, Minimum Quantity Lubrication)은 극소량의 절삭유를 압축 공기와 함께 공구의 플루트를 통해 절삭 지점에 정확하게 분사하는 방식이다.[7][8] 인서트 자체를 통해 절삭유가 공급되므로, 총 드릴링이나 생산 밀링과 같이 기존의 고가, 최첨단 액체 공급 방식에서는 사용되지 않았던 이상적인 방법이다.MQL은 에어로졸을 정확하게 목표 지점에 전달하여 작업자 입장에서는 건식 가공과 유사한 효과를 낸다.[7][8] 칩은 건식 가공된 칩과 비슷하게 배출되므로 별도 처리가 필요 없고, 공기가 깨끗하여 가공 셀을 검사 및 조립 위치에 더 가깝게 배치할 수 있다.[7][8]
MQL은 열 전달을 통한 냉각 효과는 크지 않지만, 윤활 작용으로 열 발생을 억제한다. 최근에는 에너지 절약 및 폐유 문제 등 환경적인 측면에서 절삭유를 사용하지 않는 건식 가공이나 미량의 오일만 사용하는 세미 드라이 가공(MQL 가공)이 연구되고 있다.
5. 4. 극저온 냉각
액체 질소나 이산화 탄소(CO2)와 같은 극저온 냉매를 사용하여 절삭 부위를 냉각하는 방식이다.[9] 이러한 극저온 냉각 방식은 티타늄이나 인코넬과 같은 난삭재 가공에 효과적이며, 공구 수명을 크게 연장할 수 있다.[10] 가압된 액체 CO2는 팽창하면서 온도가 급격히 낮아져 고체 결정 상태가 되는데, 이 고체 결정이 외부 노즐이나 스핀들 내부 공급을 통해 절삭 구역으로 분사되어 절삭 공구 및 공작물의 온도를 효과적으로 낮춘다.[9]액체 질소 냉각 방식은 2005년 이후 MQL과 유사하게 스핀들을 관통하거나 공구 팁을 관통하여 냉각수를 공급하는 방식으로 적용되어, 공구 본체와 팁이 열을 흡수하는 "열 스펀지" 역할을 하도록 한다.[10] 이러한 극저온 냉각 방식은 스핀들 내부 냉각수 시스템과 결합하여 사용되기도 한다.
5. 5. 고압 냉각수 시스템
'''고압 냉각수''' 시스템은 작동 압력이 수백에서 수천 psi ( 에서 )에 달하는 시스템을 말한다. 이는 유압 회로에서 사용되는 압력과 유사하다. 이러한 고압 스핀들 내부 냉각수 시스템에는 이러한 압력을 견딜 수 있는 로터리 유니온이 필요하다. 이 용도로 맞춤 제작된 드릴 비트와 엔드밀은 냉각수가 분사되는 립 부분에 작은 구멍이 있다. 다양한 유형의 건 드릴도 유사한 배열을 사용한다.고압 냉각수 시스템은 칩 제거 능력이 뛰어나 난삭재 가공에 효과적이며, 스핀들 내부 냉각수 시스템과 결합하여 사용되는 경우가 많다.
6. 안전 및 환경 문제
절삭유는 작업자에게 질병이나 부상을 유발할 수 있으며[12], 직업적 노출은 심혈관 질환 증가와 관련이 있다.[13] 이러한 문제는 가공 작업 중 유체가 튀거나 안개가 피부에 닿거나, 호흡 시 입과 코로 들어가는 등의 외부 또는 내부 접촉으로 발생한다.
절삭유 자체의 독성이나 자극성은 일반적으로 높지 않지만, 때때로 피부, 호흡기, 소화관(입, 후두, 식도, 기관, 폐 등)에 문제를 일으킬 수 있다.
더 안전한 절삭유 제형은 트램프 오일에 대한 저항성을 제공하여 여과 분리를 개선한다. 실내 환기, 비산 방지 장치, 개인 보호 장비(보안경, 호흡기 마스크, 장갑 등) 착용으로 절삭유 관련 위험을 완화할 수 있다.[14] 스키머를 사용해 절삭유 표면의 트램프 오일을 제거하여 미생물 성장을 방지할 수도 있다.[15]
박테리아는 주로 석유 기반 절삭유에서 번성한다. 트램프 오일은 사람 머리카락, 피부 오일 등과 함께 섞여 액체 상단에 층을 형성하고, 여러 요인으로 인해 혐기성 박테리아가 증식한다. "월요일 아침 냄새"(금요일부터 월요일까지 사용하지 않아 발생)는 교체 초기 징후이다. 방부제를 첨가하여 박테리아를 죽이기도 하지만, 절삭 성능, 작업자 건강, 환경에 미치는 영향을 고려해야 한다. 유체 온도를 낮게 유지하면 미생물 성장을 늦출 수 있다.[14] 일부 보건 및 안전 규제 기관(영국 HSE 등)은 금속 가공 유체에 대한 주간 테스트(박테리아 수준(Dipslide 사용), pH 수준(pH 미터 또는 pH 테스트 스트립 사용))를 요구한다.[16]
6. 1. 건강 문제
절삭유는 작업자에게 여러 가지 질병이나 부상을 유발할 수 있다.[12] 직업적 노출은 심혈관 질환의 증가와 관련이 있다.[13] 이러한 문제는 가공 작업 중 외부(피부) 또는 내부 접촉을 통해 발생한다. 유체가 튀거나, 안개가 피부에 내려앉거나, 호흡 시 입과 코로 들어가는 경우가 이에 해당한다.이러한 문제는 다음과 같은 요인들의 화학적 독성 또는 물리적 자극성 때문에 발생한다.
- 절삭유 자체
- 절삭 과정에서 발생하는 금속 입자
- 시간이 지나면서 절삭유에서 자라는 박테리아 또는 곰팡이
- 미생물 억제를 위해 첨가되는 살생물제
- 기계 및 공구 보호를 위한 부식 방지제
- 트램프 오일 (윤활유가 냉각수로 유입되며 불가피하게 발생)
이러한 요인들은 일반적으로 독성이 강하지 않지만, 때때로 피부, 호흡기, 소화관 조직(입, 후두, 식도, 기관, 폐 등)에 문제를 일으킬 수 있다.
이로 인해 발생할 수 있는 질병으로는 자극성 접촉 피부염, 알레르기성 접촉 피부염, 직업성 여드름, 기관염, 식도염, 기관지염, 천식, 알레르기, 과민성 폐렴 등이 있으며, 기존 호흡기 질환을 악화시키기도 한다.
더 안전한 절삭유는 트램프 오일에 대한 저항성을 제공하여 여과 분리를 개선한다. 실내 환기, 기계의 비산 방지 장치, 개인 보호 장비(보안경, 호흡기 마스크, 장갑 등)는 절삭유 관련 위험을 줄일 수 있다.[14] 또한, 스키머를 사용하여 절삭유 표면의 트램프 오일을 제거하여 미생물 성장을 방지할 수 있다.[15]
박테리아 성장은 석유 기반 절삭유에서 주로 발생한다. 트램프 오일은 사람의 머리카락이나 피부 오일과 함께 쌓여 액체 상단에 층을 형성하며, 혐기성 박테리아 증식을 유발한다. 초기 징후는 "월요일 아침 냄새" (금요일부터 월요일까지 사용하지 않아 발생)이다. 방부제를 첨가하여 박테리아를 죽이기도 하지만, 절삭 성능, 작업자 건강, 환경에 미치는 영향을 고려해야 한다. 낮은 유체 온도를 유지하면 미생물 성장을 늦출 수 있다.[14] 일부 보건 및 안전 규제 기관에서는 금속 가공 유체에 대한 주간 테스트를 요구하며, 여기에는 박테리아 수준(Dipslide 사용)과 pH 수준(pH 미터 또는 pH 테스트 스트립 사용) 확인이 포함된다.[16]
6. 2. 환경 문제
폐절삭유는 적절하게 처리되지 않으면 심각한 환경 문제를 일으킬 수 있다. 폐절삭유는 수질 오염을 유발할 수 있는데, 유해 성분이 하천이나 지하수로 유입되면 수생 생태계를 파괴하고 식수원을 오염시킬 수 있다.[18] 또한 토양 오염을 일으켜 식물 생장을 방해하고, 토양 미생물에 악영향을 미칠 수 있다.절삭유 사용 과정에서 발생하는 유해 물질은 대기 오염의 원인이 된다. 특히, 과거에 사용되던 염소계 절삭유는 오존층 파괴 물질로 알려져 있다.
오래되고 사용된 절삭유는 악취가 나거나 화학적으로 열화되어 쓸모가 없어지면 폐기해야 한다.[18] 사용된 엔진 오일이나 기타 폐기물과 마찬가지로 환경에 미치는 영향을 완화해야 하며, 법률 및 규정은 이러한 완화를 어떻게 달성해야 하는지 명시하고 있다. 최신 절삭유 폐기에는 고분자 또는 세라믹 멤브레인을 사용한 한외 여과와 같은 기술이 포함되어 현탁 및 유화된 오일 상을 농축시킨다.
6. 3. 안전 대책
절삭유는 작업자에게 질병이나 부상을 일으킬 수 있어 여러 안전 대책이 필요하다.[12]우선, 작업 환경을 개선해야 한다. 실내 환기 시설을 설치하고, 기계에는 절삭유가 튀는 것을 막는 비산 방지 장치를 설치해야 한다. 작업자는 보안경, 호흡기 마스크, 장갑과 같은 개인 보호 장비 (PPE)를 반드시 착용해야 한다.[14]
또한, 스키머를 사용하여 절삭유 표면에서 트램프 오일을 제거하여 미생물 성장을 방지할 수 있다.[15] 박테리아 성장은 석유 기반 절삭유에서 주로 발생하는데, 트램프 오일은 사람의 머리카락이나 피부 오일과 함께 절삭 중에 쌓여 액체 상단에 층을 형성하며 혐기성 박테리아 증식을 유발한다. 가능한 한 낮은 유체 온도를 유지하는 것도 미생물 성장을 늦추는 데 도움이 된다.[14]
일부 보건 및 안전 규제 기관 (영국의 HSE 등)은 유체의 건강을 유지하기 위해 금속 가공 유체에 대한 주간 테스트를 요구한다. 여기에는 MWF의 박테리아 CFU/ml 수준 (Dipslide 사용)과 pH 미터 또는 pH 테스트 스트립을 사용하여 pH 수준을 확인하는 것이 포함된다 (낮은 pH는 높은 박테리아 수준으로 인해 발생할 수 있음).[16]
폐절삭유는 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 적절하게 처리해야 한다. 최신 폐기 기술에는 고분자 또는 세라믹 멤브레인을 사용한 한외 여과 등이 포함된다.
7. 관련 규격
참조
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논문
Concentration measurement of refrigerant/refrigeration oil mixture by refractive index
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Toward more seamless MQL
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The many ways Ford benefits from MQL
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CO2 Cooling System reduces friction
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Tramp Oil Skimmers {{!}} Belt, Disc Oil Skimmers {{!}} SKIM IT
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Metal Cutting Fluid Dipslides (10 Pack)
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2022-04-28
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기타
[18]
간행물
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2015-06-18
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