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문제 정의
- 본 연구에서는 탄소 섬유 에폭시 복합재료의 절단 연삭 특성을 실험을 통하여 파악하였다. 실험에 적용한 연삭방식은 플런지 컷 연삭이며, 직경 150mm, 두께 1mm, 140메시의 메탈 본드 다이아몬드 휠을 사용하였다.
- 본 연구의 목적은 탄소 섬유 에폭시 복합재료의 시편 제조 및 제품의 치수를 맞추고자 할 경우에 많이 사용되는 절단 연삭 가공조건에 대한 가공특성을 파악하고, 복합재료 절단 연삭에 적합한 가공조건을 찾는 것이다.
가설 설정
- 해석을 위한 경계조건(Boundary condition)은 다음과 같다. 시편의 아랫면은 공구 동력계에 부착되어 있으므로 강(steel)에 의하여 전도된다고 하였으며, 외부에 노출된 면은 자연대류라고 가정하였다. 휠과 접촉하는 부분은 휠의 회전에 의한 대류 및 가공으로 인하여 발생한 열유속(heat flux) q 를 부가하였다.
제안 방법
- SEM (scanning electron microscope)-g- 이용하여 가공후의 절단면을 관찰하였다. Fig.
- 6과 같다. 가공실험 은 접 착제 를 이 용하여 시편을 공구 동력계 (tool dynamometer) 위에 장착한 후 온도와 절삭력을 동시에 측정하며 수행되었다.
- 실험에 적용한 연삭방식은 플런지 컷 연삭이며, 직경 150mm, 두께 1mm, 140메시의 메탈 본드 다이아몬드 휠을 사용하였다. 고려한 가공조건은 10 ~ 40m/sec 의 절삭속도와 2 ~ 10mm/min 의 절 입속도이며, 건식연삭과 습식연삭을 비교하였다.
- 따라서, 강도 및 인성이 높은 나일론필름을 이용하였으며, 적용된 나일론 필름의 두께는 25nm 이다. 또한, 가공시 열전대와 연삭휠의 주철모재가 접촉하는 순간을 파악하기 위하여 직경 0.125 mm 를 가지는 두 개의 철선(steel wire)을 삽입하였다.
- 않는다. 또한, 가공시의 온도는 주위 온도에 따라 변할 수있으므로 가공온도를 최소화하기 위하여는 시편의 부피를 가능한 크게 하는 것이 바람직하나, 재료와 시간이 많이 소요되므로 이를 고려하여 시편의 치수를 결정하였다.
- 탄소 섬유 에폭시 복합재료 가공시의 열전달 방정식을 풀기 위하여 Table 1의 물성값을 적용하였다. 또한, 해석의 편의를 위하여 휠의 절삭면에서 발생하는 열만을 고려하였고, 가공면의 곡률은 무시하였다. 가공시의 재료 제거는 상용 유한 요소 해석 패키지에서 제공하는 요소 제거 방법 (elimination of element)을 이용하였으며, 요소는 0.
- 2 는 시편의 제작 개략도이다. 복합재료는 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하였으며, 프리프레그 적증시에 열전대(thermocouple)를 장착하여 오토클레이브(autoclave) 진공백 성형법을 적용하여 열전대와 복합재료 시편을 일체형으로 제작하였다. Fig.
- 열전대는 J-타입 iron-constantan 열전대를 사용하였으며, 열전대의 비드 (bead)는 변화하는 온도에 대한 응답성을 높이기 위해서 가능한 작아야 하므로, 본 연구에서는 사포 처리를 이용하여 0.05mm 두께를 가지는 비드를 제작하여 사용하였다.
- 무를 고려하였다. 절단 연삭시의 절삭력, 표면조도, 연삭에 의한 온도증가 등의 가공특성을 파악하고, 이러한 가공특성을 기준으로 표면조도를 향상시키면서 가공시의 열발생을 최소화할 수 있는 가공조건을 제시하였다.
- 절삭력 은 3축 방향의 힘을 동시에 측정 이 가능한 공구 동력계(tool dynamometer) 와 증폭기 (amplifier)를 이용하여 측정하였으며 , PC 에 저장되었다. 공구 동력계 및 증폭기는 Kistler사(Swiss)의 9257B 와 5019A 타입을 사용하였다.
- 7 (a)와 (b)는 복합재료 절단 연삭시의 접선방향의 절삭력을 나타낸다. 절삭력은 절단연삭이 시작되면서 증가하다가 재료제거율이 일정하게 되는 순간부터 일정한 값을 가지며, 본 연구에서는 재료제거율이 일정한 순간부터 절단연삭이 끝날때까지의 평균값을 나타내었다. 적층각에 대한 절삭력은 적층각 [90 扁가 [。扁보다 큰더】, 이는 [90 Lt 의 경우 탄소섬유는 길이의 수직방향으로 절단되면서 가공이 이루어지고, [0扁는 탄소섬유의 절단보다는 탄소섬유와 모재사이의 계면파괴에 의하여 가공이 이루어지기 때문이다.
- 10은 습식 연삭(wet grinding)에 대한 온도증가량 △!" 을 나타낸다. 절입 속도는 10mm/min 이며 절삭속도는 20, 30, 40m/sec 에 대하여 실험을 수행하였다. 습식 연삭의 경우, 가공에 의한 온도는 복합재료의 경화온도 이하이므로 가공시의 열에 의한 기계적 물성 저하는 없기 때문에, 습식연삭시 가공에 의한 온도 상승은 고려하지 않아도 된다.
-
3.3 표면조도
표면조도(surface roughness)는 가공후의 절단면을 측정하였으며, 표면거칠기 파형의 최대 높이 (氏问)를 표시하였다. 사용된 표면조도계는 Taylor-Hobson 사의 Surtronic 3+이다.
- 휠의 연삭속도는 io, 20, 30, 40 m/sec, 절입속도는 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0 mm/min 에 대하여 절단 연삭시의 가공온도를 알기 위하여 실험하였다. 또한, 건식 연삭 (dry grinding) 과 습식 연삭 (wet grinding)의 온도 증가량을 비교하기 위하여 연삭액의 적용 유.
대상 데이터
- 공구 동력계 및 증폭기는 Kistler사(Swiss)의 9257B 와 5019A 타입을 사용하였다.
- 3 의 복합재료의 경화조건에서 파손되지 않아야 한다. 따라서, 강도 및 인성이 높은 나일론필름을 이용하였으며, 적용된 나일론 필름의 두께는 25nm 이다. 또한, 가공시 열전대와 연삭휠의 주철모재가 접촉하는 순간을 파악하기 위하여 직경 0.
- 복합재료의 가공시에는 연삭 입자의 마모가 빠르므로, 마모율이 적은 주철 본드 모재에 다이아몬드 입자로 구성된 140메시(mesh)의 절단 연삭휠 (이화다이아몬드 공업用)을 실험에 사용하였다. 절단 연삭휠의 직경은 150mm 이며 폭은 1mm 이다.
- 본 연구에 사용한 연삭기는 1.1 kW 의 CNC 연삭기이며, 에어 스핀들(air spindle)이 장착되었으며, X, Y 축은 Mim, Z 축은 0.1pm 의 분해 능으로 3 축을 동시 제어할 수 있는 제어기가 장착되었으며, 내진용 레 진 콘크리 트 베드(resin concrete bed)가 적 용된 평면 정밀연삭기이다.
- 1 은 시편의 치수 및 형상을 나타낸다. 시편의 형상은 블록형상으로 하였으며, 시편의 폭은20mm, 길이는 100mm, 두께는 20mm로 결정하였다. 가공시편의 적층각은 Fig.
- 실험에 적용한 연삭방식은 플런지 컷 연삭이며, 직경 150mm, 두께 1mm, 140메시의 메탈 본드 다이아몬드 휠을 사용하였다. 고려한 가공조건은 10 ~ 40m/sec 의 절삭속도와 2 ~ 10mm/min 의 절 입속도이며, 건식연삭과 습식연삭을 비교하였다.
- 절단 연삭을 위한 시편(specimen)의 재료는 PAN계열의 일방향 탄소 섬유 에폭시 복합재료인 (주)SKC 의 USN125BX 제품을 사용하였다. Table 1 은 0.
- 절단 연삭휠의 직경은 150mm 이며 폭은 1mm 이다.
데이터처리
- 사용된 표면조도계는 Taylor-Hobson 사의 Surtronic 3+이다. 또한, 표면조도 측정은 연삭방향에 수직하며, 절입방향과 나란한 방향으로 측정하였으며, 20회 측정후의 평균한 값을 나타내었다.
이론/모형
- 또한, 해석의 편의를 위하여 휠의 절삭면에서 발생하는 열만을 고려하였고, 가공면의 곡률은 무시하였다. 가공시의 재료 제거는 상용 유한 요소 해석 패키지에서 제공하는 요소 제거 방법 (elimination of element)을 이용하였으며, 요소는 0.5mm 길이의 정사각형 형상을 가진다. Fig.
- 13은 가공시편의 모델링 모습이다. 유한 요소 해석을 위하여 상용 유한 요소 패키지인 ANSYS 5.3 을 이용하였다. 탄소 섬유 에폭시 복합재료 가공시의 열전달 방정식을 풀기 위하여 Table 1의 물성값을 적용하였다.
- 절단 연삭 실험은 절단 연삭휠의 상하 이송에 의한 플런지 컷 연삭(plunge cut grinding) 방식 을 사용하였으며, 다음은 실험 수행에 필요한 시편, 실험장치 및 가공조건에 대하여 기술하였다.
- 있다. 절단 연삭시의 온도 분포는 Eshghy 에 의하여 이론적으로 계산되었다.
성능/효과
- 그러나, 40m/sec 의 절삭속도에서는 오히려 표면조도가 나빠졌으며, 이는 칩 크기의 감소로 인한 연삭휠의 눈메움에 의한 것으로 보인다. 또한, 절입속도 증가에 따라 표면조도는 나빠졌으나, 적층각 [ 0 扁의 절삭속도 40m/sec 에서는 절입속도 증가에 따라 표면조도가 향상되었으며, [ 90 扁의 경우 2mm/min 의 절입속도에서 표면조도가 나빠졌다.
- 적층각에 대한 절삭력은 적층각 [90 扁가 [。扁보다 큰더】, 이는 [90 Lt 의 경우 탄소섬유는 길이의 수직방향으로 절단되면서 가공이 이루어지고, [0扁는 탄소섬유의 절단보다는 탄소섬유와 모재사이의 계면파괴에 의하여 가공이 이루어지기 때문이다. 절삭속도에 대한 절삭력은 절삭속도 증가에 따라 감소하였으며, 15m/sec 이상의 절삭속도에서 절삭력의 감소가 크게 나타났다. 또한, 절삭력은 절입속도에 비례하여 증가하였다.
- 적층각에 대한 표면조도는 [ 90 蚌가 [0 扁보다 양호하였다. 절삭속도에 대한 표면조도는 절삭속도 증가에 따라 향상되었고, 향상 정도는 적층각 [0扁경우보다 [90扁의 경우가 크게 나타났다. 그러나, 40m/sec 의 절삭속도에서는 오히려 표면조도가 나빠졌으며, 이는 칩 크기의 감소로 인한 연삭휠의 눈메움에 의한 것으로 보인다.
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