극저온 절삭은 액체 질소, 액체 이산화탄소, 냉각 공기 분무와 같은 극저온 유체를 절삭 영역의 절삭 시스템에 사용하여 절삭 영역을 국부적으로 극저온 또는 초극저온 상태로 만드는 기술입니다. 극저온 조건에서 공작물의 취성을 이용하여 공작물의 절삭 가공성, 공구 수명 및 공작물 표면 품질을 향상시킵니다. 냉각 매체의 차이에 따라 극저온 절삭은 냉각 공기 절삭과 액체 질소 냉각 절삭으로 나눌 수 있습니다. 극저온 냉각 공기 절삭 방식은 공구 끝단의 가공 부분에 -20℃ ~ -30℃(또는 그 이하)의 극저온 기류를 분무하고 소량의 식물성 윤활제(시간당 10~20m³)를 혼합하여 냉각, 칩 제거 및 윤활 작용을 하도록 하는 방식입니다. 기존 절삭 방식과 비교하여 극저온 냉각 절삭은 가공 적합성을 향상시키고 공작물 표면 품질을 개선하며 환경 오염을 거의 유발하지 않습니다. 일본 야스다 공업(Yasuda Industry Company)의 가공 센터는 모터 샤프트와 커터 샤프트 사이에 단열 공기 덕트를 삽입하고 영하 30℃의 극저온 냉각풍을 블레이드에 직접 공급하는 방식을 채택했습니다. 이러한 방식은 절삭 조건을 크게 개선하여 냉풍 절삭 기술 구현에 유리합니다. 요코카와 카즈히코(Kazuhiko Yokokawa)는 선삭 및 밀링 가공에서 냉풍 냉각에 대한 연구를 수행했습니다. 밀링 시험에서는 수성 절삭유, 상온풍(+10℃), 냉풍(-30℃)을 사용하여 힘을 비교했습니다. 그 결과, 냉풍을 사용했을 때 공구 수명이 크게 향상되는 것을 확인했습니다. 선삭 시험에서는 냉풍(-20℃)을 사용했을 때의 공구 마모율이 상온풍(+20℃)을 사용했을 때보다 현저히 낮았습니다.

액체 질소 냉각 절삭은 두 가지 중요한 응용 분야가 있습니다. 하나는 병의 압력을 이용하여 절삭유처럼 액체 질소를 절삭 영역에 직접 분사하는 것이고, 다른 하나는 열 하에서 액체 질소의 증발 사이클을 이용하여 공구나 공작물을 간접적으로 냉각하는 것입니다. 현재 극저온 절삭은 티타늄 합금, 고망간강, 경화강 등 가공이 어려운 소재 가공에 중요하게 사용되고 있습니다. KPRaijurkar는 H13A 초경 공구를 사용하여 액체 질소 사이클 냉각 방식으로 티타늄 합금에 대한 극저온 절삭 실험을 수행했습니다. 실험 결과, 기존 절삭 방식에 비해 공구 마모가 현저히 감소하고 절삭 온도가 30% 낮아졌으며 공작물 표면 가공 품질이 크게 향상되었습니다. Wan Guangmin은 간접 냉각 방식을 사용하여 고망간강에 대한 극저온 절삭 실험을 수행했으며, 그 결과를 분석했습니다. 간접 냉각 방식을 사용하여 고망간강을 극저온으로 가공할 경우 공구력이 제거되고 공구 마모가 감소하며 가공 경화 현상이 개선되고 공작물 표면 품질도 향상됩니다. Wang Lianpeng 외 연구진은... CNC 공작기계를 이용한 담금질강 45의 저온 가공에 액체 질소 분무법을 적용하고 시험 결과를 분석하였다. 액체 질소 분무법을 적용함으로써 담금질강 45의 저온 가공 시 공구 내구성과 가공물 표면 품질을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

액체 질소 냉각 처리 상태에서 초경합금 소재는 굽힘 강도, 파괴 인성, 내식성 등의 특성을 가지며, 경도는 온도에 따라 증가량이 적습니다. 따라서 액체 질소 냉각 환경에서도 초경합금 절삭 공구 소재는 상온과 마찬가지로 우수한 절삭 성능을 유지할 수 있으며, 그 성능은 결합상 수에 따라 결정됩니다. 고속도강의 경우, 극저온 처리 시 경도는 증가하고 충격 강도는 감소하지만, 전반적으로 절삭 성능은 향상됩니다. 본 연구에서는 저탄소강 AIS11010, 고탄소강 AIS1070, 베어링강 AIS1105, 티타늄 합금 Ti-6A1-4V, 주조 알루미늄 합금 A390 등 5가지 소재를 선정하여 극저온 조건에서의 절삭 가공성 향상에 대한 연구를 수행했습니다. 연구 결과, 극저온 조건에서의 취성이 우수하여 원하는 가공 결과를 얻을 수 있었습니다. 특히 고탄소강과 베어링강의 경우, 액체 질소 냉각을 통해 절삭 영역의 온도 상승과 공구 마모율을 억제할 수 있었습니다. 알루미늄 합금 주조 절삭 시 극저온 냉각을 적용하면 공구 경도와 실리콘상 마모 저항성을 향상시킬 수 있으며, 티타늄 합금 가공 시에는 공구와 공작물을 동시에 극저온 냉각하여 절삭 온도를 낮추고 티타늄과 공구 재료 간의 화학적 친화성을 제거할 수 있습니다.