Gr5 티타늄 합금의 2mm 얇은 벽 캐비티 커버 플레이트의 정밀 가공 기술 연구

그만큼Gr5 티타늄 합금 얇은 벽의 캐비티 커버 플레이트프로파일 정확도, 평탄도 및 벽 두께 균일성에 대한 높은 요구 사항을 부과하는 압력 베어링 씰링에 사용됩니다. 벽 두께가 2mm인 공작물은 구조적 강성이 낮습니다.

티타늄 합금 박벽 부품에 대한 현재 국내외 연구는 주로 절삭 시뮬레이션, 채터링 및 잔류 응력 예측에 중점을 두고 있습니다. 이 2mm 두께의 캐비티 커버 플레이트를 목표로 하는 통합 정밀 가공 프로세스의 전체 세트는 높은 엔지니어링 연구 가치를 전달합니다.

 

 

1. 부품 구조적 특성

연구 대상은 복잡한 밀폐형 캐비티가 있는 플레이트형 부품인 어닐링된 Gr5 티타늄 합금 캐비티 커버 플레이트입니다. 캐비티의 측벽 두께는 2mm입니다. 블랭크는 Gr5 티타늄 합금 단조품입니다. 프로파일 공차, 평탄도, 벽 두께 균일성 및 표면 거칠기에 대한 엄격한 요구 사항이 설정되어 있습니다. 덮개판의 결합 표면은 밀봉 역할을 합니다. 잡담, 긁힘, 부분 붕괴는 엄격히 금지됩니다.

 

2. 주요 가공상의 어려움

• 얇은 벽의 스프링백 및 공구 편향: 2mm 측벽의 강성이 좋지 않습니다. 밀링시 절삭력을 받으면 탄력적으로 항복하여 절삭깊이가 부족해집니다. 가공 후 스프링백으로 인해 벽 두께와 캐비티 프로파일 치수가 공차를 벗어납니다.
• 잡담 자르기: 구조적 강성이 낮고 부품의 고유 진동수가 낮아 재생 채터링이 쉽게 발생하여 측벽에 채터 마크가 발생하여 표면 품질이 저하되고 공구 마모가 가속화됩니다.
• 잔류응력에 의한 변형: 황삭가공시 다량의 소재가 제거되어 절삭에 의한 잔류응력이 발생합니다. 고정 장치 제거 후 응력이 풀리면 커버 플레이트가 전반적으로 휘어지고 허용할 수 없는 평탄도가 발생합니다.
• 공구 구성인선 및 마모: 티타늄 합금은 고온에서 높은 화학적 활성을 나타냅니다. 공구 팁에 열이 집중되어 쉽게 구성인선과 절삭인선 마모가 발생하여 치수 안정성이 떨어집니다.
• 고정 장치로 인한 변형: 기존의 견고한 압력판 클램핑은 국부적인 압축 응력을 발생시킵니다. 벽이 얇은 부품은 클램핑 시 소성 변형을 겪고 언클램핑 시 스프링백으로 인해 치수 편차가 발생합니다.

 

 

1. 처리경로

Gr5 단조 블랭크는 먼저 응력 완화 어닐링을 거친 후 기준 표면을 사전 밀링합니다. 캐비티는 0.25-0.3mm의 일측 공차로 일정한 높이의 적층 밀링을 통해 황삭 가공됩니다. 가공 응력을 완화하기 위해 언클램핑 및 에이징을 수행합니다. 재클램핑은 반정삭을 위해 수행되며 0.08-0.1mm의 균일한 한쪽 여유가 남습니다. 마무리 가공에는 윤곽 오프셋 주변 밀링이 채택되었습니다. 2mm의 얇은 벽을 보장하기 위해 캐비티 측벽에 대칭 레이어 가공이 적용됩니다. 이어서 디버링, 초음파 세척을 실시한 후 3차원 측정기와 거칠기 측정기를 사용하여 검사합니다.

 

2. 공구 및 설비

1차 위치 결정을 위해 진공 척이 사용되며 주변 스톱 블록이 측면 절삭력을 지탱합니다. 탈착식 수지/저융점 지지대는 캐비티 내부에 장착되며 마무리 가공 전에 제거됩니다. 툴링 데이텀은 정밀하게 연마되었습니다. 다이얼 게이지 정렬을 통해 위치 결정 오류를 제어하고 공작물 강성을 향상시키며 채터링 및 공구 휘어짐을 억제합니다.

 

3. 절단 도구

진동 감소 및 구성인선 방지 성능을 위해 10~15도의 경사각과 큰 나선각을 특징으로 하는 가변 피치와 부등 나선을 갖춘 TiAlN 코팅 솔리드 초경 엔드밀이 활용됩니다. 황삭 가공에는 Φ6 공구를, 준정삭 및 정삭 가공에는 Φ4 마무리 엔드밀을 사용합니다.

 

4. 절단 매개변수 및 냉각

• 황삭 밀링: 절삭 속도 45-60 m/min, 날당 이송 0.06-0.10 mm/z, 절입 깊이 0.4-0.6 mm, 반경 방향 절입 폭은 공구 직경의 20%-30%를 차지합니다.
• 준정삭 밀링: 절삭속도 40~50m/min, 날당 이송 0.04~0.07mm/z, 절입량 0.2~0.3mm.
• 마무리 밀링: 절삭속도 30~40m/min, 날당 이송 0.03~0.05mm/z, 절삭깊이 0.05~0.1mm, 반경방향 절입폭은 공구직경의 5~10%를 차지하여 얇은 벽의 탄성변형을 감소시킵니다.
• 냉각: 수용성 절삭유와 고압 내부 냉각을 적용하여 방열 및 윤활을 통해 열변형을 완화합니다.

 

 

• 레이어드 대칭 밀링: 캐비티 측벽을 Z 방향으로 교대로 적층 가공하는 방식입니다. 얇은 벽에 대한 재료 지지대가 유지되어 절삭력의 균형을 맞추고 편향으로 인한 변형을 줄입니다.
• 단계적 스트레스 해소: 거친 가공 후 응력 완화를 위해 언클램프; 황삭 및 정삭 작업을 별도로 수행합니다. 가공물의 뒤틀림을 억제하기 위해 정삭 가공 전 반정삭 후 대기를 허용합니다.
• 균일한 수당 통제: 벽두께 편차를 방지하기 위해 준정삭을 통해 일관된 정삭여유를 보장합니다.
• 잡담 억제: 가변 피치 커터를 채택합니다. 공명을 방지하기 위해 정삭 밀링 시 절삭 속도와 반경 방향 절삭 폭을 줄입니다. 강성을 높이기 위해 보조 지지대를 배치합니다.
• 오류 보상: 얇은 벽의 스프링백 크기를 미리 테스트하고 CAM 프로그램에서 작은 프로파일 보상을 적용하여 벽 두께 정확도를 향상시킵니다.

 

 

위에서 언급 한 공정은 Gr5 티타늄 합금의 2mm 얇은 벽 캐비티 커버 플레이트를 가공하는 데 적용됩니다. 결과에 따르면 벽 두께는 2 ± 0.02mm로 안정적으로 유지되고 프로파일 공차는 사양을 충족하며 평탄도는 0.03mm 이하, 내벽 표면 거칠기 Ra는 0.8μm 이하이며 떨림 자국, 긁힘 또는 구성 가장자리가 없는 것으로 나타났습니다. 언클램핑 후 72시간 방치 후 재검사에서 측정된 치수편차는 0.02mm 미만으로 양호한 잔류응력 제어 성능을 나타냅니다.

• 테스트 결론: 정삭 가공 시 약간의 공구 마모로 인해 벽 두께 오프셋이 발생합니다. 대량 생산을 위해서는 정기적인 최첨단 검사 및 공구 교환 사양이 수립되어야 합니다. 가장자리 버는 지지대 제거 후에 발생하는 경향이 있습니다. 밀봉 표면을 보호하려면 유연한 디버링 절차를 추가해야 합니다.

 

참고자료

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