높은 내구성 및 내마모성을 가진 대표적 난삭 소재인 고망간강에 대해 밀링 조건 및 플라즈마 출력을 변화시켜가며 플라즈마 보조 밀링 실험을 수행하고 그 결과를 이론적 해석해를 이용하여 분석하였다.
이를 위해, 먼저, 플라즈마 출력 조건에 따른 망간강 판재의 표면 온도변화를 절삭 공구 위치에서 측정하였다. 온도 변화 측정 실험 결과, 망간강 소재의 표면온도는 플라즈마 아크 출력이 높아질수록 그리고 이송속도가 낮아질수록 거의 선형적으로 증가한다는 것을 관찰하였다. 이동 열원을 고려한 해석적 해로부터, 이러한 아크 출력 및 이송속도의 영향은 고망간강 판재 내 온도분포가 플라즈마로부터 전달되는 전체 열량 및 가열 이력에 비례하여 증가하기 때문에 나타나는 것으로 설명되었다. 또한, 온도 측정 실험결과로부터, 실험에 사용된 플라즈마 보조 밀링 장치의 경우, 3.6 ~ 4.8 kW 사이의 출력 조건 및 250 mm/min 이하의 이송속도 조건에서 고망간강의 열연화에 필요한 최소 온도인 260 ℃ 이상을 확보할 수 있음을 파악하였고, 이 조건 범위 내에서 플라즈마 보조 밀링 가공 실험을 수행하였다.
플라즈마 보조 밀링 실험 결과, 절삭 부하의 경우, 플라즈마가 없을 때와 비교하여 이송속도, 절삭 깊이 및 플라즈마 출력조건에 따라 최대 70% 이상의 저감 효과가 있음을 확인하였다. 반면, 이송속도와 절삭 깊이가 증가할수록 절삭 부하 저감 효과는 줄어드는데, 특히, 절삭 깊이 5 mm 및 이송속도 250 mm/min 인 조건에서는, 아크 플라즈마 출력 증가에 의해 표면온도가 상승해도 절삭 부하 저감 효과가 상대적으로 미미한 것으로 나타났다. 해석해는 이러한 절삭 깊이 및 이송 속도의 제한이 플라즈마 보조 열원과 절삭공구 사이에서 발달하는 모재 내 온도분포 때문이라는 것을 보여주었다. 곧, 절삭공구에 선행해서 가열하는 플라즈마 보조 열원의 특성 때문에 온도분포는 뒤따라오는 절삭 공구 쪽으로 치우쳐서 발달하여, 일정거리까지는 충분한 고온영역을 제공하는 형태로 계산된다. 그러나, 열원과 절삭 공구간 거리가 멀수록 고온 영역은 얕아지고 이에 따라, 절삭 깊이가 깊어질수록, 이송속도가 빨라질수록 절삭 부하 저감 효과는 급격히 떨어지게 된다.
표면조도의 경우, 일반적으로 플라즈마가 없으면 이송속도의 증가에 따라 평균조도가 대폭 상승하고 그 값도 크게 나타났다. 그러나 플라즈마 보조 열원을 사용할 경우, 이송속도에 크게 의존하지 않고 대부분의 경우, 표면조도가 약 2 μm(Ra) 이내로 측정되었으며, 출력을 증가시켜 망간강의 표면 온도를 증가시키면, 1 μm(Ra) 이하로도 가공이 가능함을 확인하였다. 한편, 표면 조도는 절삭 깊이 4 mm일 때 평균적으로 가장 낮게 측정이 되었고, 절삭 깊이 5 mm 및 3 mm 순으로 표면조도가 증가하였다. 이러한 현상은, 절삭 깊이 4 mm일 때, 플라즈마에 의한 절삭 부하 감소 효과와 함께 가열된 고온 부위 제거가 가장 효율적으로 이루어져, 가공 면에서의 취성 발생 및 표면 손상이 최소화되었기 때문인 것으로 판단하였다.
이상의 결과를 바탕으로 본 논문에서 구축된 플라즈마 보조 밀링 시스템의 경우, 플라즈마 출력 4.8 kW 이내에서, 절삭깊이 최대 5 mm, 이송속도 최대 250 mm/min 까지 가공이 가능하며, 플라즈마가 없을 경우와 비교하여 절삭부하는 최대 70% 이상 저감 가능하고 표면조도 역시 평균 2 μm(Ra), 이내 최대 1 μm(Ra) 이내로도 제어 가능함을 확인하였다. 덧붙여, 향후, 플라즈마 열원과 절삭 공구와의 거리를 좁힐 경우, 절삭 깊이, 이송속도와 같은 밀링 가공 성능을 좀 더 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 종래의 밀링 공정에 비해 빠른 가공 속도 및 높은 절삭량이라는 장점 때문에, 플라즈마 보조 밀링가공은 고망간강의 황삭 및 중삭 과정에서 특히 유용할 것으로 기대된다.

For 13% high manganese steel plates, which are a typical hard-to-machine material with high strength and high wear resistance, plasma assisted milling experiments were carried out by varying machining conditions and plasma input power, and the experimental results were discussed with the analytic solutions for the temperatures inside manganese steel plates in this work.
For this purpose, first, the surface temperature changes of high manganese steel plate were measured at the cutting tool position for various levels of plasma input power and feeding speed. From the measurement results, the surface temperature of manganese steel were observed to increase almost linearly with not only the increase of plasma input power but also the decrease of feeding speed. An analytical solution with a moving heat source revealed that these effects of plasma input power and feeding speed comes from the temperatures inside the high manganese steel plate, increasing in proportion to the total heat transferred from the arc plasma during the heating of plate by arc plasma. Based on the temperature measurement results and analytical solutions, we determined the plasma assisted milling conditions of the plasma input powers between 3.6 and 4.8 kW and the feeding speeds of ≤250 mm/min to produce the temperatures higher than 260 °C for softening the manganese steel.
From the plasma assisted milling experiments, first, we found that the cutting load can be reduced down to max 30% of the cutting load measured without arc plasma, depending on the feeding speed, the cutting depth and the plasma input power. As the feeding speed and the cutting depth were increasing, however, it was observed that the reduction rate of cutting load are decreasing. In particular, at the cutting depth of 5 mm and the feeding speed of 250 mm/min, the cutting load was changed very slightly even if the surface temperatures were raised by increasing the arc plasma output. The analytic solution shows that this limitation in cutting depth and feeding speed can be attributed to the temperature distributions formed inside the manganese steel plate between the plasma heat source and the cutting tool. Since the plasma torch travels the plate in front of the cutting tool, the temperature distribution is developed between the arc plasma and the cutting tool. For a fixed plasma input power, consequently, the farther the distance between the heat source and the cutting tool is or the faster the feeding speed is, the shallower these high temperature region becomes. Therefore, the effect of arc plasma heating on the cutting load can be reduced when the cutting depth and the feeding speed are increasing. In addition, the machine performance can be more promoted when the distance between the plasma heat source and the cutting tool is narrowed.
As for the surface roughness, in the absence of plasma, the average roughness was measured to be very high and they were increasing significantly with the increase of the feeding speed, However, when arc plasmas were used as an external heat source, the surface roughness was measured within about 2 μm(Ra) regardless of feeding speed. In addition, if the plasma input power is raised in order to increase the surface temperature of manganese steel, the surface roughness can be reduced down to the values less than 1 μm (Ra). However, the lowest values of the surface roughness were obtained at the cutting depth of 4 mm while the average surface roughness was increased in the order of 5 mm and 3 mm cutting depth. This phenomenon indicates that the most efficient removal of the heated zone took a place at a cutting depth of 4 mm, minimizing brittleness and surface damage during the milling process.
Based on the above results, we concluded that the plasma assisted milling system presented in this work can produce an machining performance for 13 % Mn steel as following : 1) cutting depth of ≤ 5 mm, 2) feeding speed of ≤ 250 mm/min and 3) plasma input power of ≤ 4.8 kW, which is improved greatly compared with the conventional milling manual for high manganese steel without an external heat source. Thanks to these fast milling speed and high rate removal of hard-to- machine metal, the plasma-assisted milling is very promising for, particularly, rough and semi-finishing process of high manganese