탄소섬유 강화 플라스틱 가공용 드릴의 형상 및 화학 기상 증착 다이아몬드 코팅에 관한 연구 A Study on the Geometry and CVD diamond coating of Drills for Carbon Fiber Reinforced Plastics(CFRPs)원문보기
탄소섬유 강화 플라스틱은 탄소 섬유와 레진의 복합재료로써, 높은 강도와 낮은 비중 등 많은 장점으로 인해 친환경 소재로도 주목받고 있어 우주, 항공, 자동차뿐만 아니라 건축자재, 스포츠 용품 등 광범위하게 활용되는 소재이다. 하지만 탄소섬유가 적층되기 때문에 구멍 가공 시 층간 박리, 미절삭 섬유가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소섬유 강화 플라스틱 전용으로 사용되는 특수한 형상의 드릴이 많이 연구되고 사용되고 있다. 본 논문에서는 스탭 드릴을 통하여 이러한 문제를 해결하고자 한다. 스탭드릴은 코어부와 스탭부로 이루어진 드릴로 코어부는 소재를 대량으로 제거하는 황삭을 스탭 부는 층간 박리, 미절삭 섬유를 제거하는 ...
탄소섬유 강화 플라스틱은 탄소 섬유와 레진의 복합재료로써, 높은 강도와 낮은 비중 등 많은 장점으로 인해 친환경 소재로도 주목받고 있어 우주, 항공, 자동차뿐만 아니라 건축자재, 스포츠 용품 등 광범위하게 활용되는 소재이다. 하지만 탄소섬유가 적층되기 때문에 구멍 가공 시 층간 박리, 미절삭 섬유가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소섬유 강화 플라스틱 전용으로 사용되는 특수한 형상의 드릴이 많이 연구되고 사용되고 있다. 본 논문에서는 스탭 드릴을 통하여 이러한 문제를 해결하고자 한다. 스탭드릴은 코어부와 스탭부로 이루어진 드릴로 코어부는 소재를 대량으로 제거하는 황삭을 스탭 부는 층간 박리, 미절삭 섬유를 제거하는 정삭의 역할을 한다. 이러한 특징을 가진 스탭드릴을 최적화하기 위해 스탭 각과 코어 직경에 따른 성능 분석이 진행되며, 스핀들 스피드, 이송량에 따른 가공 성능 분석도 진행되었다. 최종적으로 공구 경사각을 크게 하여 가공 성능을 향상했으며, 층간 박리, 미절삭 섬유가 발생하지 않는 스탭 드릴의 형상을 제시하였다. 또한, 탄소섬유 강화 플라스틱은 높은 강도로인해 절삭가공 시 공구들은 극심한 마모가 발생하게 된다. 이러한 문제는 공구들의 코팅, 더 마모에 강한 소재를 사용한 공구를 제작하여 문제를 해결하게 된다. 하지만 탄소섬유 강화 플라스틱용 드릴은 특수한 형상으로 인해서 일반적인 소재로 제작하는 데 어려움이 있어 화학 기상 증착 다이아몬드 코팅이 가장 활발히 연구되고 사용되고 있다. 본 연구에서는 화학 기상 증착 다이아몬드 코팅 시 메탄가스의 농도, 증착 시간에 따른 코팅의 표면과 두께를 주사전자현미경으로 관찰하였고, 그에 따른 성능이 분석되었다. 다이아몬드 코팅된 드릴은 두께별, 표면입자의 크기별로 마모 진행 과정을 관찰하면서 마모량, 절삭력, 층간 박리 값으로 성능이 비교, 분석되었다. 이를 통해서 메탄가스와 증착 시간이 코팅 두께, 접착력, 드릴의 수명, 성능에 미치는 영향을 제시하였다. 마지막으로 많은 논문에서 화학 기상 증착 다이아몬드 코팅의 성능을 향상하기 위해 마이크로 다이아몬드 코팅과 나노 다이아몬드 코팅, 다층 코팅 간의 연구가 활발히 진행되고 있다. 다층 코팅은 마이크로 다이아몬드층과 나노 다이아몬드층이 차례대로 층층이 증착된 코팅 방법으로, 표면 조도가 우수하지만, 접착력이 떨어지는 나노 다이아몬드 코팅의 단점을 보완하여 마이크로 다이아몬드를 접착 면으로 한다. 본 연구에서는 나노 다이아몬드 코팅과 마이크로 다이아몬드 코팅 간에 발생하는 공구의 수명 차이의 발생 원인을 분석하고자 한다. 이를 위해서 두 코팅 모두 동일한 접착력을 갖기위해서 나노 다이아몬드를 접착 면으로 해서 접착력이 공구에 수명에 미치는 영향을 최소화하였다. 두 공구는 6m까지 가공을 하면서 마모가 관찰되며, 특히 각 마모마다 동일한 부분을 Raman 측정하여 마모에 따른 코팅의 구성 성분이 분석되었다. 결과적으로 마이크로 다이아몬드 코팅은 마모에 따라서 흑연화되어 흑연의 강도 비가 상대적으로 증가하였으나, 나노 다이아몬드 코팅은 마모에 따른 변화가 발견되지 않았다. 따라서 흑연화의 발생 유무가 두 코팅의 수명 차이의 발생원인 임을 알 수 있었다. 본 논문은 탄소섬유 강화 플라스틱의 구멍 가공용 드릴의 형상부터 코팅까지 전반적인 드릴의 연구 과정을 다룬 논문이다. 이번 연구는 탄소섬유 강화 플라스틱의 가공용 드릴 뿐만 아니라 앞으로 개발될 다양한 난삭성 소재용 드릴을 개발하는 데 있어 좋은 길라잡이가 될 것으로 기대된다.
탄소섬유 강화 플라스틱은 탄소 섬유와 레진의 복합재료로써, 높은 강도와 낮은 비중 등 많은 장점으로 인해 친환경 소재로도 주목받고 있어 우주, 항공, 자동차뿐만 아니라 건축자재, 스포츠 용품 등 광범위하게 활용되는 소재이다. 하지만 탄소섬유가 적층되기 때문에 구멍 가공 시 층간 박리, 미절삭 섬유가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소섬유 강화 플라스틱 전용으로 사용되는 특수한 형상의 드릴이 많이 연구되고 사용되고 있다. 본 논문에서는 스탭 드릴을 통하여 이러한 문제를 해결하고자 한다. 스탭드릴은 코어부와 스탭부로 이루어진 드릴로 코어부는 소재를 대량으로 제거하는 황삭을 스탭 부는 층간 박리, 미절삭 섬유를 제거하는 정삭의 역할을 한다. 이러한 특징을 가진 스탭드릴을 최적화하기 위해 스탭 각과 코어 직경에 따른 성능 분석이 진행되며, 스핀들 스피드, 이송량에 따른 가공 성능 분석도 진행되었다. 최종적으로 공구 경사각을 크게 하여 가공 성능을 향상했으며, 층간 박리, 미절삭 섬유가 발생하지 않는 스탭 드릴의 형상을 제시하였다. 또한, 탄소섬유 강화 플라스틱은 높은 강도로인해 절삭가공 시 공구들은 극심한 마모가 발생하게 된다. 이러한 문제는 공구들의 코팅, 더 마모에 강한 소재를 사용한 공구를 제작하여 문제를 해결하게 된다. 하지만 탄소섬유 강화 플라스틱용 드릴은 특수한 형상으로 인해서 일반적인 소재로 제작하는 데 어려움이 있어 화학 기상 증착 다이아몬드 코팅이 가장 활발히 연구되고 사용되고 있다. 본 연구에서는 화학 기상 증착 다이아몬드 코팅 시 메탄가스의 농도, 증착 시간에 따른 코팅의 표면과 두께를 주사전자현미경으로 관찰하였고, 그에 따른 성능이 분석되었다. 다이아몬드 코팅된 드릴은 두께별, 표면입자의 크기별로 마모 진행 과정을 관찰하면서 마모량, 절삭력, 층간 박리 값으로 성능이 비교, 분석되었다. 이를 통해서 메탄가스와 증착 시간이 코팅 두께, 접착력, 드릴의 수명, 성능에 미치는 영향을 제시하였다. 마지막으로 많은 논문에서 화학 기상 증착 다이아몬드 코팅의 성능을 향상하기 위해 마이크로 다이아몬드 코팅과 나노 다이아몬드 코팅, 다층 코팅 간의 연구가 활발히 진행되고 있다. 다층 코팅은 마이크로 다이아몬드층과 나노 다이아몬드층이 차례대로 층층이 증착된 코팅 방법으로, 표면 조도가 우수하지만, 접착력이 떨어지는 나노 다이아몬드 코팅의 단점을 보완하여 마이크로 다이아몬드를 접착 면으로 한다. 본 연구에서는 나노 다이아몬드 코팅과 마이크로 다이아몬드 코팅 간에 발생하는 공구의 수명 차이의 발생 원인을 분석하고자 한다. 이를 위해서 두 코팅 모두 동일한 접착력을 갖기위해서 나노 다이아몬드를 접착 면으로 해서 접착력이 공구에 수명에 미치는 영향을 최소화하였다. 두 공구는 6m까지 가공을 하면서 마모가 관찰되며, 특히 각 마모마다 동일한 부분을 Raman 측정하여 마모에 따른 코팅의 구성 성분이 분석되었다. 결과적으로 마이크로 다이아몬드 코팅은 마모에 따라서 흑연화되어 흑연의 강도 비가 상대적으로 증가하였으나, 나노 다이아몬드 코팅은 마모에 따른 변화가 발견되지 않았다. 따라서 흑연화의 발생 유무가 두 코팅의 수명 차이의 발생원인 임을 알 수 있었다. 본 논문은 탄소섬유 강화 플라스틱의 구멍 가공용 드릴의 형상부터 코팅까지 전반적인 드릴의 연구 과정을 다룬 논문이다. 이번 연구는 탄소섬유 강화 플라스틱의 가공용 드릴 뿐만 아니라 앞으로 개발될 다양한 난삭성 소재용 드릴을 개발하는 데 있어 좋은 길라잡이가 될 것으로 기대된다.
Carbon fiber-reinforced plastic(CFRP) is a composite material of carbon fiber and resin, attracting attention as an eco-friendly material due to its many advantages such as high strength and low specific gravity. However, since carbon fibers are laminated, delamination and uncut fibers occur during ...
Carbon fiber-reinforced plastic(CFRP) is a composite material of carbon fiber and resin, attracting attention as an eco-friendly material due to its many advantages such as high strength and low specific gravity. However, since carbon fibers are laminated, delamination and uncut fibers occur during hole processing. In order to solve this problem, a drill with a special shape exclusively for carbon fiber reinforced plastics has been studied and used a lot. In this paper, we try to solve this problem through the step drill which was designed specifically The step drill is composed of a core part and a step part. The core part performs roughing to remove a large amount of material, and the step part performs finishing by removing delamination and uncut fibers. In order to optimize the step drill with these characteristics, performance analysis was conducted according to the step angle and core diameter, and machining performance was analyzed according to the spindle speed and feed rate. Finally, the machining performance was improved by increasing the rake angle, and the shape of the step drill that dose not generate delamination and uncut fibers was suggested. Due to the high strength of CFRP, tools are subjected to extreme wear during machining. These problems are solved by coating the tools using materials that are more resistant to wear. However, drilling for CFRP is difficult to manufacture with general materials due to their complex shape, so chemical vapor deposition(CVD) diamond coating is the most actively researched and used. In this study, the surface and thickness of the coating according to the concentration of CH4 and the deposition time during CVD diamond coating were observed with a scanning electron microscope, and the performance was analyzed accordingly. The performance of the diamond-coated drill was compared and analyzed in terms of wear amount, cutting force, and delamination values while observing the wear process by thickness and surface particle size. Through this study, the effects of CH4 and deposition time on coating thickness, adhesion, drill lifetime, and performance were presented. Finally, in many papers, studies on microdiamond coatings, nanodiamond coatings, and multilayer coatings have been actively conducted to improve the performance of CVD diamond coatings. Multi-layer coating is a coating method in which microdiamond layer and nanodiamond layer are sequentially deposited, and microdiamond is used as an adhesion layer to compensate the disadvantages of nanodiamond coating, which has excellent surface roughness but poor adhesion. In this study, the cause of the difference in tool life between nano-diamond coating and micro-diamond coating is analyzed. For this purpose, in order to have the same adhesive strength for both coatings, the effect of the adhesive strength on the tool life was minimized by using nanodiamond as the adhesion layer. Wear of both tools was observed while machining up to 6m. In particular, the composition of the coating according to wear was analyzed by Raman spectroscopy of the same position for each wear. As a result, the microdiamond coating was graphitized according to wear, and the intencity ratio of graphite was relatively increased, but no change was found in the nanodiamond coating according to wear. Therefore, it can be seen that the occurrence of graphitization is the cause of the difference in the lifetime of the two coatings. This study dealt with the overall research process on drill from the shape of the drill for drilling of CFRP to the coating process to increase the performance. This study is expected to be a good guide in developing drills for various difficult-to-machining materials in the future as well as drills for processing CFRP.
Carbon fiber-reinforced plastic(CFRP) is a composite material of carbon fiber and resin, attracting attention as an eco-friendly material due to its many advantages such as high strength and low specific gravity. However, since carbon fibers are laminated, delamination and uncut fibers occur during hole processing. In order to solve this problem, a drill with a special shape exclusively for carbon fiber reinforced plastics has been studied and used a lot. In this paper, we try to solve this problem through the step drill which was designed specifically The step drill is composed of a core part and a step part. The core part performs roughing to remove a large amount of material, and the step part performs finishing by removing delamination and uncut fibers. In order to optimize the step drill with these characteristics, performance analysis was conducted according to the step angle and core diameter, and machining performance was analyzed according to the spindle speed and feed rate. Finally, the machining performance was improved by increasing the rake angle, and the shape of the step drill that dose not generate delamination and uncut fibers was suggested. Due to the high strength of CFRP, tools are subjected to extreme wear during machining. These problems are solved by coating the tools using materials that are more resistant to wear. However, drilling for CFRP is difficult to manufacture with general materials due to their complex shape, so chemical vapor deposition(CVD) diamond coating is the most actively researched and used. In this study, the surface and thickness of the coating according to the concentration of CH4 and the deposition time during CVD diamond coating were observed with a scanning electron microscope, and the performance was analyzed accordingly. The performance of the diamond-coated drill was compared and analyzed in terms of wear amount, cutting force, and delamination values while observing the wear process by thickness and surface particle size. Through this study, the effects of CH4 and deposition time on coating thickness, adhesion, drill lifetime, and performance were presented. Finally, in many papers, studies on microdiamond coatings, nanodiamond coatings, and multilayer coatings have been actively conducted to improve the performance of CVD diamond coatings. Multi-layer coating is a coating method in which microdiamond layer and nanodiamond layer are sequentially deposited, and microdiamond is used as an adhesion layer to compensate the disadvantages of nanodiamond coating, which has excellent surface roughness but poor adhesion. In this study, the cause of the difference in tool life between nano-diamond coating and micro-diamond coating is analyzed. For this purpose, in order to have the same adhesive strength for both coatings, the effect of the adhesive strength on the tool life was minimized by using nanodiamond as the adhesion layer. Wear of both tools was observed while machining up to 6m. In particular, the composition of the coating according to wear was analyzed by Raman spectroscopy of the same position for each wear. As a result, the microdiamond coating was graphitized according to wear, and the intencity ratio of graphite was relatively increased, but no change was found in the nanodiamond coating according to wear. Therefore, it can be seen that the occurrence of graphitization is the cause of the difference in the lifetime of the two coatings. This study dealt with the overall research process on drill from the shape of the drill for drilling of CFRP to the coating process to increase the performance. This study is expected to be a good guide in developing drills for various difficult-to-machining materials in the future as well as drills for processing CFRP.
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