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절삭 가공, 선삭 가공 모두 절삭유는 피삭재 표면의 가공 품질을 결정하는 중요한 요소다. 뿐만 아니라 절삭 공구의 수명에도 지대한 영향을 끼친다. 따라서 가공 성질에 맞는 최적의 절삭유를 선택하는 것은 절삭 공구를 선택하는 것 만큼이나 중요하다.

이번 4월호에는 절삭유의 종류와 선삭 가공 재질에 따라 가장 잘 맞는 절삭유는 무엇인지 살펴본다. 이 콘텐츠는 도서출판 성안당에서 발행한 ‘선삭 공구의 모든 것’중의 일부를 발췌하고 다듬은 것이다.

절삭 가공의 주역은 어디까지나 공구와 가공물이다. 그리고 공구 수명을 연장하고 다듬질면 거칠기나 치수 정밀도를 향상시키기 위하여 보조 역할을 하는 것이 절삭유다. 

1. 절삭유 종류와 기능

절삭유의 주요 분류와 각각이 갖는 특성을 비교한 것을 <표1>에 나타냈다. 

▲ 표 1 절삭유의 분류와 특성

 1) 불수용성 절삭유

‘미닫이와 문지방 사이에 재봉틀 기름을 쳤더니 잘 미끌어지더라’하는 경험을 가진 사람이 많으리라 생각한다. 이것은 기름의 점성 효과에 의한 것으로 절삭 가공에서도 공구와 가공물 또는 칩 사이 마찰에 대하여 동일한 효과가 나타난다. 

다만, 실제 절삭 가공에서 마찰면은 고온·고압에 노출되기 때문에 기름막이 떨어져나가고 고체화 되는데, 이는 여러 가지 첨가제를 통해 보완하고 있다. 유성형(油性形)은 광유에 유지 또는 지방산 에스텔 등의 유성 향상제를 첨가한 것이다. 

그들 분자는 마찰면에 규칙적으로 물리·화학 흡착되어 금속 간 접촉을 막아주는 역할을 한다. 다만 이렇게 된 흡착 피막은 일반적으로 하중 지지 능력이 낮고 비교적 저온에서 이탈되기 때문에 열의 발생이 적은 비철금속이나 강의 경절삭 외에는 효과적이지 않다. 

반면, 극압형(極壓形)의 절삭유는 유성 향상제에 더하여 다시 염소계, 유황계 화합물로 대표되는 극압 첨가제란 것이 배합되어 있다. 이것은 마찰면에 높은 녹는점·저전단력의 고체 윤활 피막을 형성하여 마찰·마모를 감소시킨다. 또 칩이 날끝에 용착되는 것도 적어져 날끝의 형성이 억제되므로 다듬질면 거칠기도 향상된다. 

극압형 절삭유는 일반강이나 내열 합금강 등의 중절삭 또는 난삭재의 가공 등에 쓰이는데 일반적으로 공구 수명을 연장시키는 데는 염소계 첨가제가 많은 불활성 극압형, 다듬질면 거칠기의 향상에는 유황계 첨가제가 많은 활성 극압형 절삭유가 적합하다.

▲ 불수용성 절삭유

2) 수용성 절삭유

에멀션(Emulsion)형은 광유 및 계면 활성제를 주성분으로 하고 희석액은 보통 유백색을 띈다. 솔루블(Soluble)형은 계면 활성제 및 방청제로 이루어지고 희석액은 투명 또는 반투명이다. 어느 것이나 비열(比熱, Specific heat)이 불수용성 절삭유의 2배 이상이기 때문에 그 우수한 냉각 효과를 살려서 강, 주철, 비철 합급 등의 절삭, 연삭 가공에 쓰이고 있다. 크게 나누면 윤활성이 비교적 양호한 에멀션형은 절삭용, 침투성과 세정성이 양호한 솔루블형은 연삭용으로 구분된다. 

또 여기에 극압 첨가제를 배합해 윤활성을 좀더 높일 수 있는데, 특히 에멀션의 경우 지금까지 수용성화는 어렵다고 했던 저속 중(重)절삭에도 적용되고 있다. 부차적인 성질로 수용성 절삭유에는 연기가 나거나 화재의 걱정이 없다는 이점이 있는 반면, 녹이나 부패의 발생에는 충분한 주의가 필요하다.

▲ 수용성 절삭유

2. 절삭유 선정 기준

일반적으로 선삭 가공 분야에서는 절삭 속도의 고속화에 따라 초경이나 서멧(Cermet)의 스로 어웨이 팁(throw away tip)이 공구의 주류를 차지하고 있다. 그와 함께 건식 절삭의 비율이 높은 편이다. 절삭유가 필요한 주된 예로는 다듬질면 정밀도가 요구되는 다듬질 가공, 내열강 등의 난삭재 가공, 그리고 NC 선반이나 기존의 고속도 공구강 공구를 쓰고 있는 가공 등을 들 수 있다. 

이번 장에서는 각 피삭재마다 절삭유의 효과와 선정 포인트에 대해 살펴본다.

1) 탄소강 선삭에 적합한 절삭유

코팅 고속도 공구강을 포함하여 고속도 공구강 공구에 의한 절삭에는 극압 첨가제를 포함하지 않는 범용 에멀션 또는 솔루블형 수용성 절삭유가 권장된다. 가공 조건이 엄하여 공구 수명 또는 다듬질면 거칠기에 불안을 느낄 경우는 극압 첨가제가 들어간 중절삭용 에멀션이 적합하다. 

불수용성 절삭유를 쓰는 것이라면 우선 불활성 극압형을 적용해 보는 것이 좋다. 다만, 탄소 함유량이 0.3% 정도 이하의 저탄소강에서는 구성 날끝이나 용착물이 남기 쉬우므로 활성 극압형의 불수용성 절삭유를 우선적으로 다루는 경우도 있다. <그림1>은 각종 절삭유에 의한 다듬질면 거칠기를 비교한 것이다. 불수용성 절삭유, 특히 염소, 유황계 극압 첨가제를 함유하는 활성 극압형 절삭유에 의한 구성 날끝의 억제 효과가 잘 나타나 있다. 

▲ 그림 1 절삭유별 다듬질면 거칠기

또 NC 선반, 특히 피터맨 타임의 샤프트 가공기 등에서는 가이드 부시의 스커핑 등을 방지하기 위하여 불수용성 절삭유가 쓰이는 경우가 많다. 일반적으로 극압형이 적합하지만, 이 경우는 동이나 황동 부품의 부식(변색)에 유의할 필요가 있다. 

한편 초경 공구일 때는 건식 또는 범용 수용성 절삭유가 적당하다. 초경은 고속도 공구강에 비해 고온 강도가 우수하므로 과도한 냉각은 필요하지 않다. 열피로에 의한 치핑(Chipping)의 발생 등을 고려하여 수용성 절삭유 중 어느 것이나 냉각 작용이 좋은 에멀션형이 바람직하다. 

저탄소강에 대해서는 고속 절삭하면 날끝 온도가 상승하여 구성 날끝은 용착되어 비교적 양호한 다듬질면이 얻어진다. 따라서 극압형보다 오히려 유성형인 불수용성 절삭유로 상응한 효과를 기대할 수 있다.

또 마모가 진행된 공구를 사용할 때에는 절삭유의 급유 효과가 현저하다는 보고가 있다. 다음질면 거칠기의 유지 개선뿐만 아니라 공구 수명의 연장이란 의미에서도 유제의 효과가 얼마나 큰가를 시사한다.

그런데 절삭유를 사용할 경우, 절삭유 종류 선택은 물론이거니와 급유 방식이 중요한 요인이 된다. 예를 들어 탱크 내의 절삭유 온도가 실내 온도보다 20~30℃ 이상 높아지면 절삭유 종류를 재검토하고, 급유량이나 탱크 용량을 늘리는 방법을 써야 한다.

일반적으로 급유량은 분당 10~20ℓ 이상이 필요한 것으로 얘기하지만 가공 부품의 크기에 따라 이 값은 변하므로 각 가공 현장에서 최적량을 정하는 것이 중요하다. 또한 급유 효과를 높이는 방법으로는 고압으로 절삭유를 뿜어내는 제트 급유법 등을 들 수 있다.

2) 합금강 선삭에 적합한 절삭유

고속도 공구강이나 초경 공구를 사용하는 경우에도 절삭유를 선정하는 기준은 탄소강과 크게 다르지 않다. 다만, 합금강은 탄소강에 비해 단단하고, 끈기가 있으며, 용착물이 생기기 쉬우므로 다듬질면 정밀도가 좋지 않을 때는 조금 활성도가 높은 극압형 불수용성 절삭유가 적합하다. 

비교적 피삭성이 좋은 크롬강, 크롬몰리브덴강 등에 대해서는 범용 에멀션, 피삭성이 나쁜 니켈크롬강, 니켈크롬몰리브덴강 등에는 불활성 극압형 불수용성 절삭유를 쓰는 경우도 있다. 

3) 스테인리스강 선삭에 적합한 절삭유

대부분의 금속은 소성 변형을 받아 경화되는 ‘가공 경화’란 성질을 갖고 있다. 그리고 이 현상이 특히 잘 생기는 재질의 대표가 스테인리스강이며, 그 중에서도 오스테나이트계에 속하는 재질이 두드러진다.

스테인리스강의 절삭에서는 다듬질면에 변형이 남지 않도록, 또 형성된 가공 경화층의 영향을 피하기 위하여 예리한 절삭날로 고절삭 깊이, 고이송 절삭을 하는 것이 원칙으로 되어 있다. 즉, 공구 마모를 방지하는 것이 양호한 절삭을 하기 위한 포인트가 된다. 

다시 스테인리스강은 본질적으로 끈질겨 용착성이 강한 재료다. 따라서 절삭유로는 윤활성이 풍부하고 구성 날끝의 억제 작용이 우수한 활성 극압형 불수용성 절삭유 또는 극압 첨가제를 함유하는 중절삭용 에멀션이 바람직하다. 

또한 가공 경화는 다듬질면만 아니라 칩 부분에서도 동일하게 일어날 수 있다. 이 경우 단단한 칩이 공구나 가공면을 흠집 내는 일이 발생될 수 있는데, 이를 방지하기 위해서는 충분한 급유로 완전히 씻어내야 한다.

4) 주철 선삭에 적합한 절삭유

재질이 연해서 용착물이 잘 나오지 않는 주철의 절삭에는 초경 ‘스로 어웨이 팁’이 공구의 주류를 차지하고 있다. 고속 절삭이 가능하고 다듬질면 정밀도도 비교적 좋기 때문에 필연적으로 건식 절삭이 주체가 된다. 칩 처리나 분진 대책으로 수용성 절삭유가 쓰이는 일이 있으나 이런 경우 냉각 작용이 은은한 에멀션형의 절삭유가 좋다.

고속도 공구강 공구를 사용한 절삭에서 공구 수명의 연장 및 표면 거칠기의 향상을 도모할 경우에는 유성형 불수용성 절삭유 또는 범용 에멀션이 권장되고 있다.

5) 알루미늄 합금 선삭에 적합한 절삭유

알루미늄 합금은 연하고 피삭성이 양호하나 반면에 끈질긴 성질 때문에 다듬질면에 용착물이 남기 쉽다는 결점을 가지고 있다. 따라서 절삭유는 공구의 종류에 관계없이 불활성 극압형 불수용성 절삭유 또는 범용 에멀션이 유효하다. 

또한 알루미늄 합금의 절삭은 일반적으로 비교적 고속으로 이루어지므로 발열량도 그만큼 많아진다. 그래서 가공 후의 열변형을 막기 위한 목적으로 냉각 작용이 큰 솔루블형 수용성 절삭유가 쓰이는 경우가 있다. 

알루미늄은 양성 금속이라 부르며 산이나 알칼리에도 침식되기 쉬운 성질을 갖고 있다. 수용성 절삭유는 내부패성이나 방청성을 부여하기 위하여 알칼리성으로 설정되어 있으므로 만일 부식(변색)이 발생되는 기미가 보이면 PH나 낮은 것으로 바꾸어야 한다.

6) 동합금 선삭에 적합한 절삭유

동 및 동합금은 다른 재료에 비해 피삭성이 좋고 용착물도 잘 남지 않으므로 고속도 공구강 공구로도 건식 절삭이 가능하다. 다만 약간 단단한 황동이나 청동(인청동) 등에서는 유성형 불수용성 절삭유가 유효하다. 

연한 순동의 경우는 절삭유 사용 조건이 약간 달라지는데, 다듬질면을 좋게 하기 위하여 불수용성 절삭유를 사용하는 경우에는 부식 문제를 첫 째로 고려하여 불활성형을 선택하는 것이 좋다.

7) 기타 난삭재 선삭에 적합한 절삭유

니켈 합금을 비롯하여 초내열 합금이나 티탄 합금 등 소위 난삭재라 부르는 것은 대체로 단단하고 끈질긴 성질을 가지고 있다. 그러나 무엇보다 다른 특징은 열전도성이 극히 나쁘다는 점이다. 따라서 절삭유를 선정할 때는 축적된 열에 의한 공구의 연화를 어떻게 막는가가 관건이다. 

일반적으로는 염소계 극압 첨가제를 함유하는 중절삭용 에멀션이 많이 쓰이고 있다. 다만 티탄 합금과 같이 비교적 용착물이 나오기 쉬운 금속을 깎을 때나 특히 다듬질 정밀도가 요구되는 가공에서는 활성 극압형 불수용성 절삭유가 적합하다.

난삭재의 가공에서는 CBN(질화붕소) 공구나 다이아몬드 공구 등이 주로 쓰인다. 대표적인 예로 세라믹 절삭을 들 수 있다. <그림2>는 솔루블형 수용성 절삭유의 적용 예이다. 세라믹 가공에서 절삭유의 효과에 대해서는 아직 정확하지 않은 점이 많다. 이 예에서도 소결 다이아몬드 공구에 대해서는 양호한 마모 방지 효과를 발휘하고 있지만 CBN, 세라믹(흑세라) 공구에서는 역으로 마모를 촉진시키고 있다. 과냉각에 의한 열피로의 예로 해석되지만 절삭유를 선정할 때에는 윤활 효과와 냉각 효과의 균형을 충분히 생각할 필요가 있다.

▲ 그림 2 각종 공구 재료의 마모에 미치는 절삭유의 효과

또 신소재로 사용되는 공구 재질에는 세라믹과 함께 섬유 강화 플라스틱이 있다. 다이아몬드 공구에 의한 절삭에 대하여 주로 수용성 절삭유가 사용되고 있는데, 이것은 우수한 절삭 성능을 발휘하기 위한 것도 있지만 아주 작은 분진을 발생시키지 않는다는 특징도 사용 이유가 된다. 아주 작은 분진은 인체에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다. 

원문 ｜ 도서출판 성안당 ‘선삭 공구의 모든 것’

<본 기사는 머신앤툴 2018년 4월호에 실렸습니다.>