Experimental Analysis of Surface Roughness by Optimizing Machining Parameters in Turning of Aluminium Alloy 075-T651 With Avocado Oil-Based Cutting Fluid Using Taguchi Based Grey Relational Analysis

기술 요약: 아보카도 오일 기반 절삭유를 이용한 알루미늄 합금 075-T651의 선삭 가공 시 표면 거칠기 실험적 분석

문제 제Statement
알루미늄 합금 075-T651(높은 비강도 덕분에 항공우주, 자동차 및 해양 분야에서 널리 사용되는 재료)의 기계 가공은 표면 품질 및 공구 수명과 관련된 과제를 안겨준다. 선삭 작업 중 발생하는 과도한 열은 공구 성능을 저하시키고, 피삭재의 치수를 변화시키며, 표면 마무리를 손상시킬 수 있다. 표면 거칠기는 공정 계획에서 중요한 제약 조건이며, 이는 피로 수명, 정밀 끼워맞춤 및 미적 요구 사항에 직접적인 영향을 미친다. 또한, 전통적인 절삭유는 종종 환경 및 건강상의 위험을 초래한다. 본 연구는 환경 친화적이고 생분해성이 높으며 독성이 없는 아보카도 오일 기반 절삭유를 활용하면서, 표면 거칠기를 최소화하기 위해 가공 파라미터를 최적화할 필요성을 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 선삭 파라미터를 최적화하기 위해 회색 관계 분석(Grey Relational Analysis, GRA)이 통합된 다구치 방법(Taguchi method)을 기반으로 한 체계적인 실험 설계를 채택하였다.

• 피삭재 및 공구: 실험은 CNC 선반에서 알루미늄 합금 075-T651 원통형 바(직경 60mm, 길이 500mm)와 코팅되지 않은 초경합금 인서트를 사용하여 수행되었다.
• 절삭유: 초음파 진동기를 사용하여 아보카도 오일을 증류수에 혼합하여 아보카도 오일 기반 에멀션을 제조하였다. 네 가지 농도 수준(0%, 3%, 6%, 9%)을 테스트하였다.
• 실험 설계: $L_{16}(4^4)$ 직교 배열을 활용하여 16회의 실험을 수행하였다. 연구에서는 4개의 제어 인자를 각각 4개의 수준으로 조사하였다:
  1. 절삭 속도 (900, 1000, 1100, 1200 rpm)
  2. 이송 속도 (85, 90, 95, 100 mm/min)
  3. 절삭 깊이 (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mm)
  4. 아보카도 오일 농도 (0%, 3%, 6%, 9%)
• 분석 기법: 휴대용 표면 거칠기 측정기를 사용하여 표면 거칠기($R_a$)를 측정하였다. 통계 분석은 Minitab 소프트웨어(Version 19)를 통해 분산 분석(ANOVA)을 실시하여 파라미터의 유의성과 신호 대 잡음비(S/N ratio)를 결정하였다. 다중 응답 최적화는 회색 관계 등급(Grey Relational Grade, GRG)을 사용하여 문제를 단일 목적으로 변환함으로써 달성되었다.

주요 결과

• 최적 파라미터: 본 연구는 표면 거칠기를 최소화하는 특정 파라미터 설정을 식별하였다. $R_a$를 최소화하기 위한 최적의 조합은 다음과 같다:
  • 아보카도 오일 농도: 9% (Level 4)
  • 절삭 속도: 900 rpm (Level 1)
  • 이송 속도: 95 mm/min (Level 3)
  • 절삭 깊이: 1.5 mm (Level 3)
  • 참고: 초록에서는 이러한 설정을 통해 0.12 μm의 특정 최적 결과가 달성되었다고 언급함.
• 파라미터 유의성 (ANOVA): ANOVA 결과, 절삭 속도가 표면 거칠기에 영향을 미치는 가장 유의미한 인자로 나타났으며, 변동성의 **76.78%**를 차지했다. 아보카도 오일 농도는 **11.45%**로 두 번째로 유의미한 인자였으며, 절삭 깊이(2.67%)와 이송 속도(2.82%)가 그 뒤를 이었다. 모든 인자는 P-값이 0.05 미만으로 통계적으로 유의미한 것으로 나타났다.
• 회색 관계 분석: GRA는 9% 아보카도 오일 농도가 회색 관계 등급에 가장 강력한 영향을 미쳤음을 확인하였으며, 이는 다른 파라미터들에 비해 전반적인 성능 특성에 미치는 우수한 영향력을 나타낸다. 실험 16번(최적 수준에 해당)이 가장 높은 GRG 순위를 기록하였다.
• 검증: 도출된 회귀 방정식($R_a = 7.12 - 0.005CS - 0.1FR - 0.07DoC + 0.788AO$)을 사용하여 확인 테스트를 수행하였다. 예측된 표면 거칠기는 0.11 μm였고, 실험값은 0.12 μm였다. 이는 **9.09%**의 오차율을 보였으며, 저자들은 이를 통계적으로 허용 가능한 수준(10% 미만)으로 간주하여 회귀 모델을 검증하였다.

의의 및 주장
본 논문은 제조된 아보카도 오일 기반 절삭유가 알루미늄 합금 075-T651의 선삭 가공에 있어 기존 절삭유를 대체할 수 있는 실행 가능하고 효과적인 대안임을 주장한다. 연구의 결론은 다음과 같다:

1. 성능: 9% 아보카도 오일 에멀션의 최적화된 사용은 표면 거칠기를 유의미하게 감소시켜 0.12 μm만큼 낮은 값을 달성한다.
2. 환경적 및 경제적 이점: 아보카도 오일의 사용은 높은 생분해성과 무독성 덕분에 직업적 건강 위험을 줄이고 폐기물 처리 비용을 낮추는 잠재적 이점을 제공한다.
3. 방법론적 검증: 다구치 방법과 회색 관계 분석의 통합은 적은 수의 실험 횟수로 최적의 가공 파라미터를 식별하는 데 효과적임을 입증하였다.

저자들은 현재 연구가 선삭 가공에 집중되어 있으나, 향후 연구에서는 다른 가공 공정(연삭, 드릴링, 밀링)으로 확장하고, 제조 산업 전반에서 해당 유체의 효과를 추가로 검증하기 위해 절삭력, 마찰 계수, 온도와 같은 추가 변수를 조사해야 한다고 완곡하게 제언하였다.