[논문]볼엔드밀 가공에서 절삭속도 일정제어기법에 의한 커넥팅로드 가공기술

강명창; 정융호; 김정석; 문성준; 김경균

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.6.1053

문제 정의

따라서 본 논문에서는 독창적으로 개발한 프로그램인 절삭속도 일정제어(Constant Control of Cutting Speed, CCCS)기법으로 열간 금형재(STD61)인 고경도(HRC52) 커넥팅 로드금형의 고속가공에서 공구처짐, 공구마멸, 칩 형상 등의 절삭특성을 살펴보고자 한다.
여기서 절삭칩의 획득은 국부적인 부분보다 전체형상에서 절삭가공한 칩을 획득하여 본 실험조건에서의 가공성을 관찰하고자 한다. 공구와 피삭재와의 절삭 위치점이 자유곡면의 형상에 따라서 모두 다르게 나타난다.

가설 설정

Fig. 7에는 커넥팅 로드형상의 1회 공정(pass)시 걸리는 30초의 절삭시간에 대비하여 각기 다른 이송량에 따라서 고속이송과 저속이송시 나타나는 공구마멸량을 절삭속도 일정제어기법과 종래가공법으로 가공하여 비교하였다. 그 결과 고속이송과 저속이송 모두 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 경우 모두 공구수명 측면에서 우수한 경향인 것을 볼 수 있었다.

제안 방법

그리고 현재 가공중인 NC데이타를 볼 수 있는 창에서 임의의 블록을 지정하면, 화면창에서 작업자가 선택한 블록의 현재 가공위치를 파악할 수 있는 기능까지 설정하였다. CAD/CAM 소프트웨어인 유니그래픽스(Uni-Graphics)에서 원초적인 CL(Cutting Location)데이터를 산출한 뒤 절삭속도 일정제어 프로그램에서 공구의 직경, 공작물의 좌표, 권장 절삭속도등 위에서 언급한 옵션들을 설정한다. 그리고 프로그램을 구동시키면, 주축 회전수의 가변량에 따른 최적의 NC데이터가 산출된다.
여기서 날당이송량은 가변되는 회전수에 따라서 변화되는 것을 알 수 있다. Fig. 4어서 본 실험의 실험 장치도를 보듯이, 공구 동력계(Kistler 9257B)와 비접촉식 갭 센서를 공구에 부착하여 획득한 절삭력과 공구의 런아웃(Run-out)은 전체형상에 따른 신호를 획득하기 위해 디지털 레코드로 통해 획득하였고, 신호의 획득은 절삭속도 일정제어기법을 도입한 한 것과 하지 않은 피삭재에서 같은 절삭구간을 파악하여 실험하였다. 그리고 공구마멸과 칩 형상은 CCD 카메라를 사용하여 측정하였고, 표면형상은 디지털 카메라를 사용하여 비교 촬영하였다.
4어서 본 실험의 실험 장치도를 보듯이, 공구 동력계(Kistler 9257B)와 비접촉식 갭 센서를 공구에 부착하여 획득한 절삭력과 공구의 런아웃(Run-out)은 전체형상에 따른 신호를 획득하기 위해 디지털 레코드로 통해 획득하였고, 신호의 획득은 절삭속도 일정제어기법을 도입한 한 것과 하지 않은 피삭재에서 같은 절삭구간을 파악하여 실험하였다. 그리고 공구마멸과 칩 형상은 CCD 카메라를 사용하여 측정하였고, 표면형상은 디지털 카메라를 사용하여 비교 촬영하였다.
5에 일반적인 가공법(a)으로 가공한 것과 절삭속도 일정제어 기법(b, c, d)으로 가공해서 획득한 절삭력 파형과 런아웃 파형을 나타내었다. 그리고 절삭속도 일정제어 한 것에서는 오차율을 각각 10~30%정도를 주어 그 파형을 비교하였다. 그 결과, 일반적인 가공법(a)에서는 큰 절삭력이 걸려 파형의 진폭이 절삭속도 일정제어를 한 것보다 거의 두배정도 높았고, 런아웃 파형도 일정하지 않고 크게 나타났다.
3에서 보여준 프로그램을 실행시켜 최적화된 NC데이터를 산출한다. 그리고 절삭속도 일정제어를 한 커넥팅 로드 금형과 하지 않은 것과를 비교 실험하였다.
기존의 CAD/CAM에서 생성된 원시 NC 코드를 역 후처리(Reverse Post Process) 과정을 통하여 가공할 영역을 선정한 뒤 프로그램의 Z-map 데이터를 이용하여 시뮬레이션을 실시한다. 그리하여 공구의 절삭영역을 구한 뒤 실제 공구 유효직경을 계산하고, 실제 공구 유효직경에 따라 주축회전수를 가변 시키는 NC 코드로 수정한다. 일반적으로 NC 코드 출력은 모델링 후 CL 데이터를 생성한 뒤 NC 코드를 산출하기 위해 후처리 (Post Process) 과정을 거친다.
2에 나타내었다. 기존의 CAD/CAM에서 생성된 원시 NC 코드를 역 후처리(Reverse Post Process) 과정을 통하여 가공할 영역을 선정한 뒤 프로그램의 Z-map 데이터를 이용하여 시뮬레이션을 실시한다. 그리하여 공구의 절삭영역을 구한 뒤 실제 공구 유효직경을 계산하고, 실제 공구 유효직경에 따라 주축회전수를 가변 시키는 NC 코드로 수정한다.
본 실험에서는 유니그래픽스를 이용하여 커넥팅 로드 형상을 모델링 하고, CAM Tool에서 생성된 NC 데이터를 산출한 후 Fig. 3에서 보여준 프로그램을 실행시켜 최적화된 NC데이터를 산출한다. 그리고 절삭속도 일정제어를 한 커넥팅 로드 금형과 하지 않은 것과를 비교 실험하였다.
본 연구에서 개발한 이 프로그램은 사용자가 작업 환경과 조건에 알맞게 작업할 수 있도록 구성되어 있다.
단지 절삭횟수가 많아질수록 공구마멸에 의해 칩의 모양이 일그러진 모양을 볼 수 있다. 실험의 신뢰성을 얻고자 황삭공정은 1회, 정삭공정은 3회로 하였다. 칩의 모양이나 색깔을 비교해보면 절삭속도 일정제어 기법으로 가공해서 배출된 칩이 안정적이다.
절삭속도 일정제어 기법으로 열간 금형재인 고경도 커넥팅 로드금형을 가공함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
절삭속도 일정제어 프로그램의 특징은 빠른 데이터 처리속도와 Open GL기능을 부가한 깨끗한 화면을 제공하고, 공작물의 확대와 축소를 할 수 있는 Zoom in, Zoom out기능과 작업자가 원하는 View Point 전 방향에서 관찰할 수 있도록 설정하였다. 본 연구에서 개발한 이 프로그램은 사용자가 작업 환경과 조건에 알맞게 작업할 수 있도록 구성되어 있다.

대상 데이터

공작기계는 최대 20,000rpm 까지 회전속도가 가능한 수직형 고속가공기(MAKINO V55)를 사용하였고, 실험조건은 Table 1과 같다. 여기서 날당이송량은 가변되는 회전수에 따라서 변화되는 것을 알 수 있다.

성능/효과

(1) 절삭속도 일정제어 프로그램을 개발하여 최적의 NC 데이터를 획득할 수 있었다.
(2) 절삭속도 일정제어 기법으로 가공한 것이 절삭력과 런아웃이 더 안정적이고, 표면형상뿐만 아니라 공구수명도 30~45%정도 향상되었다.
(3) 일정한 절삭력과 런아웃으로 인해 칩의 형태와 색깔이 더 안정적인 경향으로 나타났고, 칩의 비산능력은 절삭속도 일정제어 기법으로 가공한 것이 더 우수하다.
(4) 주축회전수의 가변 범위량인 오차율을 20% 주었을 때가 가장 안정적이다.
7에는 커넥팅 로드형상의 1회 공정(pass)시 걸리는 30초의 절삭시간에 대비하여 각기 다른 이송량에 따라서 고속이송과 저속이송시 나타나는 공구마멸량을 절삭속도 일정제어기법과 종래가공법으로 가공하여 비교하였다. 그 결과 고속이송과 저속이송 모두 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 경우 모두 공구수명 측면에서 우수한 경향인 것을 볼 수 있었다. 그리고 종래가공법으로 가공한 경우는 가공시간 15초 기준으로 공구의 마멸정도가 급격하게 증가하는데 반면, 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 공구의 마멸량은 아주 적은 마멸량을 보였다.
그리고 절삭속도 일정제어 한 것에서는 오차율을 각각 10~30%정도를 주어 그 파형을 비교하였다. 그 결과, 일반적인 가공법(a)에서는 큰 절삭력이 걸려 파형의 진폭이 절삭속도 일정제어를 한 것보다 거의 두배정도 높았고, 런아웃 파형도 일정하지 않고 크게 나타났다. 그리고 절삭속도 일정제어를 한 것에서는 오차율을 10~30%를 준 것 모두가 일반적인 가공법보다 안정적인 경향이 나타났고, 그 중에서 오차율을 20%주었을 때가 가장 우수한 경향이 나타났다.
그 결과, 황삭가공과 정삭가공 모두 종래가공법보다 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 공구마멸량이 현저히 적은 것을 알 수 있다. 특히 종래 가공법으로 가공한 공구를 관찰한 결과 공구의 선단부위에 칩핑이 발생한 흔적을 찾을 수 있었어나 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 공구는 모두 소량의 마멸만 발생했을 뿐 칩핑은 발생하지 않았다.
그 결과, 일반적인 가공법(a)에서는 큰 절삭력이 걸려 파형의 진폭이 절삭속도 일정제어를 한 것보다 거의 두배정도 높았고, 런아웃 파형도 일정하지 않고 크게 나타났다. 그리고 절삭속도 일정제어를 한 것에서는 오차율을 10~30%를 준 것 모두가 일반적인 가공법보다 안정적인 경향이 나타났고, 그 중에서 오차율을 20%주었을 때가 가장 우수한 경향이 나타났다. 이를 볼 때 일반적인 가공법보다 절삭속도 일정제어 기법으로 가공한 것이 더 우수한 경향이 나타난 것을 알 수 있고, 절삭속도 일정제어를 한 것 중에서도 오차율을 20%주었을 때가 가장 좋은 경향이 나타난 것을 알 수 있다.
그 결과 고속이송과 저속이송 모두 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 경우 모두 공구수명 측면에서 우수한 경향인 것을 볼 수 있었다. 그리고 종래가공법으로 가공한 경우는 가공시간 15초 기준으로 공구의 마멸정도가 급격하게 증가하는데 반면, 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 공구의 마멸량은 아주 적은 마멸량을 보였다.
특히 종래 가공법으로 가공한 공구를 관찰한 결과 공구의 선단부위에 칩핑이 발생한 흔적을 찾을 수 있었어나 절삭속도 일정제어기법으로 가공한 공구는 모두 소량의 마멸만 발생했을 뿐 칩핑은 발생하지 않았다. 그리고, 마멸량을 비교했을때, 절삭속도 일정제어 기법으로 가공한 공구가 3회의 재실험으로 통해 황삭 공정에서는 30%, 정삭 가공에서는 약 40~45% 정도의 수명이 향상된 것을 알 수 있다.
3에 나타내었다. 이 프로그램에는 NC 데이터의 블록 처리상태를 실시간에서 감시 할 수 있는 기능과 공구의 직경, 공작물의 좌표, Z-map의 간격설정, 주축 회전수의 가변되는 상태, 권장 절삭속도뿐만 아니라 NC 데이터에서 시뮬레이션된 형상의 특정 구간을 볼 수 있도록 블록의 번호를 알 수 있다. 그리고 현재 가공중인 NC데이타를 볼 수 있는 창에서 임의의 블록을 지정하면, 화면창에서 작업자가 선택한 블록의 현재 가공위치를 파악할 수 있는 기능까지 설정하였다.
그리고 절삭속도 일정제어를 한 것에서는 오차율을 10~30%를 준 것 모두가 일반적인 가공법보다 안정적인 경향이 나타났고, 그 중에서 오차율을 20%주었을 때가 가장 우수한 경향이 나타났다. 이를 볼 때 일반적인 가공법보다 절삭속도 일정제어 기법으로 가공한 것이 더 우수한 경향이 나타난 것을 알 수 있고, 절삭속도 일정제어를 한 것 중에서도 오차율을 20%주었을 때가 가장 좋은 경향이 나타난 것을 알 수 있다. Fig.
절삭속도 일정제어를 한 표면형상 사진 그림을 보면 아주 깨끗한 표면 형상을 얻은 것을 알 수 있다. 절삭력 파형과 마찬가지로 오차율을 20% 주었을 때가 표면에 공구가 지나간 흔적이 없이 가장 깨끗한 표면형상을 얻었고, 오차율을 30% 주었을 때는 주축회전수의 가변량이 너무 많아 가공시간이 1.5배정도 오래 걸렸다. 그리고 너무 잦은 주축회전의 변화에 따라서 절삭속도 일정제어를 한 것 중에서는 가장 나쁜 표면형상을 볼 수 있다.

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