[논문]엔드밀 가공의 정밀도 향상을 위한 최적정삭여유에 관한 연구

최종근; 김형선; 김성초

문제 정의

이를 위해, 먼저 공구 지름에 따른 공구 강성의 변화에 따른 영향을 조사하였고, 다음으로 주어진 공구강성과 황삭여유에 대하여 정삭여유의 변화에 따른 가공오차 변화를 상향밀링과 하향밀링 각각에 대하여 관찰하였다. 또한 정삭가공의 반복에 따른 표면 거칠기의 변화를 통하여 정삭회수와 표면정도와의 상관관계를 규명하고자 하였다.
다음으로 가공방법에 따른 차이를 알아보기 위하여 상향밀링과 하향밀링 각각에 대한 가공 특성을 살펴보았다. 또한, 정삭여유와 표면정도와의 관계 및 정삭회수에 따른 표면정도의 변화를 관찰하기 위한 실험을 하였다. 이상의 실험적 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구는 금형강의 엔드밀 가공에서 가공정밀도 향상 및 가공시간 단축을 위한 최적 정삭여유를 얻기 위하여 다양한 실험적 접근을 시도하였다. 먼저, 가공조건에 따른 정삭여유와 가공정밀도 사이의 관계를 규명하기 위해 공구 강성, 공구 축방향 절입깊이, 정삭여유를 인자로 하여 그 영향을 조사하였다.
본 연구는 엔드밀 가공에 있어 정삭여유와 이로부터 얻어지는 가공 정밀도와의 관계를 규명함으로써 가공 정밀도와 생산성 향상을 위해 요구되는 최적 정삭여유를 제시하고자 하였다. 이를 위해, 먼저 공구 지름에 따른 공구 강성의 변화에 따른 영향을 조사하였고, 다음으로 주어진 공구강성과 황삭여유에 대하여 정삭여유의 변화에 따른 가공오차 변화를 상향밀링과 하향밀링 각각에 대하여 관찰하였다.

제안 방법

방법으로 진행되어 왔다.⑴ Kline⑵등과 Kline과 Devor⑶는 공구의 런아웃(run out) 발생시 절삭력의 특성을 예측하기 위하여 절삭기구, 공구반지름, 칩두꼐 및 공구의 입 · 출각도 등을 고려한 절삭모델을 개발하였고, Sutherland 와 Devor⑷는 공구의 처짐을 고려한 절삭력 모델을 개발하였다. Hascoet(5) 등은 절삭공구의 변형을 고려한 새로운 공구 궤적의 결정을 통하여 절삭면의 오차를 최대한 줄이는데 중점을 두었으며, Lee와 Ko⑹는 엔드밀 가공에서 절삭력 모델에 의한 표면 형성 예측과 상향절삭에 있어서 가공정밀도를 향상에 관한 연구를 하였다.
2는 설명한 실험방법의 개략도이다. 가공오차에 대한 측정의 신뢰성을 유지하기 위하여 그림에 나타낸 바와 같이 가공 완료후 가공물을 바이스로부터 분리하지 않고 측정하였으며, 측정된 가공오차는 RS232C 직렬포트를 이용하여 컴퓨터에 저장하였다. 측정이 완료되면 다시 정삭과 측정을 4회 반복하면서 정삭회수에 따른 가공오차를 저장하였다.
5는 상향밀링에서의 정삭여유과 가공오차에 대한 실험결과를 나타낸다. 공구 축방향 절입깊이(da)를 사용 엔드밀 지름과 동일하게 하고, 공구 횡방향 절입깊이(dr)를 0.1mm부터 0.1mm씩 증가시키면서 가공하였다. 그림에 나타난 바와 같이 상향밀링의 경우 공구처짐이 공작물 방향으로 나타나고, 공구 끝 부분으로 갈수록 그 값이 커짐을 알 수 있다.
주축의 회전속도는 절삭속도를 일정하게 하기 위하여 각각 800, 480, 300rpm으로 하였다. 공구 축방향 절입깊이는 다양한 가공조건을 시험하기 위하여 공구지름의 0.5배, 1.0배, 1.5배의 세 가지 경우로 하였다. 초기 황삭여유(rough cut allowance: Rc)는 공구지름의 0.
공구의 강성과 이에 따른 공구처짐은 공구의 지름과 매우 밀접한 관계가 있으므로 가공조건은 실험에 사용된 세 가지 엔드밀 지름을 기준으로 설정하였다. 공구의 날당 이송은 황삭가공시 일반적인 현장 자료를 참고하여 공구 지름의 0.
지름을 기준으로 설정하였다. 공구의 날당 이송은 황삭가공시 일반적인 현장 자료를 참고하여 공구 지름의 0.005배로 하였고, 정삭 가공에서는 그 절반으로 하였다. 주축의 회전속도는 절삭속도를 일정하게 하기 위하여 각각 800, 480, 300rpm으로 하였다.
공작물의 고정은 머시닝 센터의 테이블에 장착된 바이스를 이용하여 설치하였으며, 공구는 콜릿(collet)과 툴 홀더를 이용하여 장착하였다. 정확한 절입량의 조절과 측정을 위해 먼저 가공 소재의 표면에 기준면을 형성하였다.
먼저, 가공조건에 따른 정삭여유와 가공정밀도 사이의 관계를 규명하기 위해 공구 강성, 공구 축방향 절입깊이, 정삭여유를 인자로 하여 그 영향을 조사하였다. 다음으로 가공방법에 따른 차이를 알아보기 위하여 상향밀링과 하향밀링 각각에 대한 가공 특성을 살펴보았다. 또한, 정삭여유와 표면정도와의 관계 및 정삭회수에 따른 표면정도의 변화를 관찰하기 위한 실험을 하였다.
3배로 하였으며, 툴 홀더(tool holder)로부터의 공구 돌출길이(tool overhang length)는 엔드밀 날부의 길이보다 20mm 만큼 길게 하였다. 또한 공구의 강성은 머시닝 센터에 장착한 상태에서 공구 동력계(tool dynamometer)를 이용하여 여러 방향에 대하여 측정한 결과 방향에 따른 차이가 미미하였으므로 그 결과를 평균하였다. 이상의 가공조건을 정리하면 Table 2와 같다.
접근을 시도하였다. 먼저, 가공조건에 따른 정삭여유와 가공정밀도 사이의 관계를 규명하기 위해 공구 강성, 공구 축방향 절입깊이, 정삭여유를 인자로 하여 그 영향을 조사하였다. 다음으로 가공방법에 따른 차이를 알아보기 위하여 상향밀링과 하향밀링 각각에 대한 가공 특성을 살펴보았다.
14는 하향밀링에서의 정삭여유과 가공오차에 대한 실험 결과로서 각각의 정삭회수에 따른 최대오차 및 굴곡오차의 변화를 나타낸 몇 예이다. 먼저, 지름 6, 10, 16mm의 엔드밀 대하여 공구 축방향 절입깊이를 각각엔드밀 지름의 0.5배, 1.0배, 1.5배로, 공구 횡방향 절입깊이에 해당하는 초기 황삭여유를 엔드밀 지름의 0.3배로 하여 가공한 후, 초기 정삭여유를 0.0, 0.1, 0.2, 0.3mm의 네 경우로 하고, 두 번째부터의 정삭여유를 0.0mm로 하여 정삭가공을 반복하였다. 주어진 예에서 보여지는 바와 같이 하향밀링의 경우 공구 횡방향의 절입 깊이에 관계없이 모든 경우 공구처짐이 공작물과 멀어지는 방향으로 발생하여 미절삭이 나타났다.
이를 위해, 먼저 공구 지름에 따른 공구 강성의 변화에 따른 영향을 조사하였고, 다음으로 주어진 공구강성과 황삭여유에 대하여 정삭여유의 변화에 따른 가공오차 변화를 상향밀링과 하향밀링 각각에 대하여 관찰하였다. 또한 정삭가공의 반복에 따른 표면 거칠기의 변화를 통하여 정삭회수와 표면정도와의 상관관계를 규명하고자 하였다.
이를 위해 설치된 가공 소재의한 면을 5회 이상 반복가공 하였고, 이렇게 함으로써 공구 런아웃과 공구 처짐에 의한 오차를 최소화할 수 있었다. 이와 같은 과정으로 준비된 측정 기준면에 대하여 초기 황삭여유에서 설정된 정삭여유을 남기고 황삭을 하였다. 황삭 가공후 이송속도를 반으로 낮추고 남겨진 정삭여유을 더하여 주어진 목표치수로 정삭 가공을 실시하였다.
이용하여 장착하였다. 정확한 절입량의 조절과 측정을 위해 먼저 가공 소재의 표면에 기준면을 형성하였다. 이를 위해 설치된 가공 소재의한 면을 5회 이상 반복가공 하였고, 이렇게 함으로써 공구 런아웃과 공구 처짐에 의한 오차를 최소화할 수 있었다.
005배로 하였고, 정삭 가공에서는 그 절반으로 하였다. 주축의 회전속도는 절삭속도를 일정하게 하기 위하여 각각 800, 480, 300rpm으로 하였다. 공구 축방향 절입깊이는 다양한 가공조건을 시험하기 위하여 공구지름의 0.
Hascoet(5) 등은 절삭공구의 변형을 고려한 새로운 공구 궤적의 결정을 통하여 절삭면의 오차를 최대한 줄이는데 중점을 두었으며, Lee와 Ko⑹는 엔드밀 가공에서 절삭력 모델에 의한 표면 형성 예측과 상향절삭에 있어서 가공정밀도를 향상에 관한 연구를 하였다. 최종근⑹은 엔드밀 가공의 가공오차 발생기구로서 동적효과와 재생효과를 고려한 유연 절삭력 모델을 제시하였으며, 왕덕현⑺등은 공구변형과 절삭력, 그리고 표면 형상에 대한 특성을 파악하여 가공오차를 보정하는 정밀 가공법을 제안하였다.
이와 같은 과정으로 준비된 측정 기준면에 대하여 초기 황삭여유에서 설정된 정삭여유을 남기고 황삭을 하였다. 황삭 가공후 이송속도를 반으로 낮추고 남겨진 정삭여유을 더하여 주어진 목표치수로 정삭 가공을 실시하였다. Fig.

대상 데이터

가공실험을 위한 절삭공구로는 양지원사의 YG-1의 엔드밀을 사용하였으며, 실험에 사용된 전체 엔드밀의 상세한 제원은 Table 1과 같다.
사용하였다. 엔드밀 가공면의 가공오차를 측정하기 위하여 Heidenhain사의 MT-25 길이 측정기 (lengthgauge)가 머시닝센터에 장착되었으며, 이로부터 얻어지는 측정 데이터는 동일 회사의 ND-760 3축 표시장치(three axis display unit)에 전송된 후 컴퓨터에 저장되었다.
엔드밀 가공실험을 위한 공작기계로는 Fanuc사의 Ml5 컨트롤러가 장착된 대우 중공업의 머시닝 센터(machining center)를 사용하였다. 엔드밀 가공면의 가공오차를 측정하기 위하여 Heidenhain사의 MT-25 길이 측정기 (lengthgauge)가 머시닝센터에 장착되었으며, 이로부터 얻어지는 측정 데이터는 동일 회사의 ND-760 3축 표시장치(three axis display unit)에 전송된 후 컴퓨터에 저장되었다.
피삭재는 프레스 다이, 다이케스팅 다이, 압출 다이 등에 주로 활용되는 SKD61 종의 열간 금형용 재료를 사용하였다. 가공실험을 위한 절삭공구로는 양지원사의 YG-1의 엔드밀을 사용하였으며, 실험에 사용된 전체 엔드밀의 상세한 제원은 Table 1과 같다.

성능/효과

(2) 하향밀링의 경우 엔드밀의 강성이 작을수록, 그리고 공구 축방향 절입깊이가 클수록 최대오차와 굴곡오차가 증가한다. 따라서 강성이 작은 엔드밀 가공에서는 이에 대한 고려가 요구된다.
(3) 하향밀링에서 정삭회수가 1회 혹은 2회로 제한될 때 정삭여유는 최소화하는 것이 치수 정밀도에 도움이 되며, 정삭회수가 증가하면 그 영향은 적어진다.
(4) 하향밀링에서 정삭회수가 증가하면 가공면의 최대오차와 굴곡오차는 점진적으로 감소하고, 표면 거칠기도 향상된다.
(5) 가공 정밀도 향상을 위해서는 가능한 강성이 큰 엔드밀을 가지고 절입깊이를 작게 해야하며, 본 연구에서 10㎛ 이내의 가공오차를 갖는 가공정밀도를 얻기 위해서는 3회 이상의 정삭가공이 필요하였다. 특히 강성이 작은 경우에는 정삭회수를 1, 2회 추가해야만 원하는 정도를 얻을 수 있었다.
5mm 이상일 때 가공면의 하단부에서 과절삭(over cut)이 발생하였다. 따라서 상향밀링에서 공구 횡방향의 절입깊이가 공구지름의 0.8배 이상이 되면 과절삭을 일으키게 됨을 보였으며, 그 결과 상향밀링으로는 주어진 가공정밀도를 얻을 수 없었다.
5배로 변화시키면서 정삭가공을 1회 실시하였을 때 나타나는 치수정밀도를 표시한다. 이 결과는 동일한 절입깊이에 대하여 공구강성이 증가할 때 치수 정밀도는 향상된다는 예상되는 경우와는 달리, 공구지름에 비례하는 공구축방향 절입깊이가 증가하는 보다 일반적인 경우를 보여준다. 그림에서 공구 지름이 6mm에서 10mm로 증가할 때는 가공 정밀도가 많이 개선되지만, 16mm에서는 별다른 개선이 없음을 알 수 있다.
정확한 절입량의 조절과 측정을 위해 먼저 가공 소재의 표면에 기준면을 형성하였다. 이를 위해 설치된 가공 소재의한 면을 5회 이상 반복가공 하였고, 이렇게 함으로써 공구 런아웃과 공구 처짐에 의한 오차를 최소화할 수 있었다. 이와 같은 과정으로 준비된 측정 기준면에 대하여 초기 황삭여유에서 설정된 정삭여유을 남기고 황삭을 하였다.

후속연구

그러나 황삭공정과 정삭공정의 양분 점이 되는 정삭여유의 크기는 작업자의 경험과 습관에 의존하고 있는 실정이며, 그 결과로 얻어지는 가공 정도와 소요 시간 또한 작업자의 능력에 좌우되고 있다. 따라서 주어진 가공여유에 대한 최적 정삭여유가 주어진다면 가공정밀도와 생산성 향상에 큰 도움이 될 수 있을 것이다.

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