[논문]생산성을 중시한 초경합금 소재 마이크로 드릴의 최적 형상설계

김건회

문제 정의

따라서 본 연구에서는 금속가공용 마이크로 드릴의 강성 과 절삭성을 극대화하는 구속조건 에서 웹 두께의 최적결정 을 위한 기초실험을 하였다. Fig.
본 연구는 마이크로 드릴 중 초경합금 소재를 대상으로 직경 0.15mm 이하의 마이크로 드릴의 개발을 위한 기본적 설계를 하고, 기본설계를 바탕으로 시제작한 마이크로 드릴 을 이용하여, 기초실험을 하였다. 실험을 통하여 얻어진 결과를 바탕으로 기초형상 설계를 보완 .
본 연구는 초경합금 소재의 직경 0.15mm 이하에 대하여 마이크로 드릴의 개발을 위한 공구재료에 따른 각 요소의 형상설계 및 생산성을 중시한 전체형상 설계, 공구수명을 고려한 고속회전용 드릴의 강성분석, 가공품의 진원도 . 진 직도 분석 등에 기초한 최적 형상설계 및 성능평가에 따른 마이크로 드릴의 가공기술을 제안하였다.
본 연구에서는 생산성을 중시한 0.15mm이하 마이크로 드 릴의 최적 형상설계를 하였다. 초경합금(cemented carbides) 은 금속의 탄화물 분말을 소성하여 만든 로크웰 경도HrC 70-80 정도의 합금이다.

가설 설정

31 이다. 2차원해석은 드릴에지의 형상만을 단순화하여 정적인 해석을 실시하였으며, 해석을 위한 경계조건으로 는 드릴의 선단부에 해당하는 중심부를 X, y축 방향으로 고 정하고 절삭날 부분에 등분포하중이 작용하는 것으로 가정 하여 X축 방향으로 단위하중을 작용시켰다. 2D 해석을 위하여 드릴 선단부의 메쉬 분할 및 경계조건을 Fig.

제안 방법

(1) 생산성을 중시한 직경 0.15mm 마이크로 드릴의 강성 설계를 위하여 유한요소법에 의한 기계적 강성분석과 전단응력 분석을 기본으로 마이크로 드릴의 전체 형상, 몸체 길이 플루트 길이 테이퍼 각 등을 결정하였다.
(2) 각 요소별 설계에 있어서는 비틀림 각의 결정은 칩 배출 의 용이성, 공구수명 및 진원도 관계를 고려하였으며, 플루트 길이의 결정은 비틀림 각과 선단 각의 관계와 센 터 링과의 관계를, 선단 각의 결정은 절삭저항과의 관계 를, 웹 두께의 결정은 드릴강성과의 관계를, 언더 컷의 설계는 가공 중의 마찰력과의 관계를 고려하였으며, 또한 가공품위를 극대화하기 위하여 가공시간에 따른 진 원도 결과를 토대로 각각의 요소에 대하여 결정하였다.
(3) 생산성을 극대화하기 위하여 FEM과 드릴수명을 고려한 최적형상 결정은 생크 길이 3.170mm, 전체 형상길 이 38.1mm, 플루트 길이 1.0~6.0mm, 몸체 길이 25.4mm, 선단 각 130°, 테이퍼 각 3(^로 하였으며, 또한 본 설계에 기초하여 제작한 마이크로 드릴에 의한 기초 실험결과를 바탕으로 최적 형상설계를 하였다.
(4) 본 설계를 바탕으로 제작한 마이크로 드릴의 성능평가 를 위한 실험을 통해 마이크로 드릴의 기초적 가공기술을 확립하였다.
수정하여 최적 형상 을 결정하였다. 0.15mm 초경합금 소재의 마이크로 드릴의 최적설계에 있어 드릴의 강성분석은 유한요소법(FEM)을 적용하였으며, 각 요소의 형상설계 및 전체 형상설계는 3차원 모델링에 의한 시뮬레이션을 기초로 하였다. 또한 최적 형상설계에 있어서는 고속회전용 공구로써 공구수명과 가 공품위(진원도, 진직도)를 중점으로 한 생산성을 중시한 설 계를 하였다.
초경합금 소재의 마이크로 드릴의 형상설계는 기존의 공작기계의 공구 장착장치(chuck)를 최대한 고려한 콜렛 규격에 적합한 설계가 되도록 하였으며, 그 위에 강성과 인성을 고려하여 공구수명이 극대화할 수 있는 형상설계가 되도록 하였다. Fig. 16은 생산성을 극대화하기 위하여 FEM과 드릴 수명을 고려한 최적형상이 되도록 생크 길이 3.170mm, 전체 형상길이 38.1mm, 플루트 길이 1.0~6.0mm, 몸체 길이 25.4mm, 선단 각 130°, 테이퍼 각 30'로 하였으며, 그 밖의 각각의 요소에 대하여는 본 논문의 4.1 ~4.6절의 실험결과를 토대로 설계하였다.
설계 절차는 우선 가상공간에서 설계한 다음 3차원 시뮬 레이션에 의해 형상검증을 하였다. 그 다음 프로그램 상에서 가공된 마이크로 드릴의 형상은 초기 설계목적에 부합되는지 검토한 후, 마이크로 드릴의 제작공정 중에 공구 형상 에 대한 검토작업을 병행하였다.
플루트 길이에 대한 마이크로 드릴의 강성은 플루트 길이 가 길수록 마이크로 드릴의 강성은 약해진다. 그러나 마이 크로 드릴의 강성을 크게 하기 위해서 플루트 길이를 짧게 할 수 없으므로 가공품의 두께에 최대강성을 갖는 플루트 길이를 설계한다. Fig.
따라서 본 연구에서는 마이크로 드릴의 절삭성을 극대화 하면서 드릴의 강성을 만족할 수 있는 0.15mm 이하의 마 이크로 드릴의 웹 두께 조건은 30%~40%로 결정하였다.
그 이유로는 마이크로 드릴에 있어서는 드릴경이 매우 작기 때문에 S-type와 N-type는 실제적으로 제작하기 어렵고, W-type는 실험결과 선단부의 강성이 취약하여 쉽게 마모를 초래하였다. 또한 드릴의 선단부의 경사 각 a= 12-15°, 전단 각 8=120~125°, 비틀림 각 Y=30~35°로 결정하였다. 경사 각 a=12~15°와 전단 각 0=120-125° 는 일반적인 드릴에 비해서 크게 결정하였는데, 그 이유는 드릴선단이 매우 작기 때문에 충분한 강성을 유지할 수 있기 위함이며, 비틀림 각 Y=30~35°로 설정한 이유는 드릴 의 절삭성을 최대한 극대화하기 위함이다.
또한 최적 형상설계에 있어서는 고속회전용 공구로써 공구수명과 가 공품위(진원도, 진직도)를 중점으로 한 생산성을 중시한 설 계를 하였다. 또한 본 설계를 바탕으로 제작한 마이크로 드 릴의 성능평가를 위한 실험을 통해 마이크로 드릴의 기초적 가공기술을 확립하였다.
15mm 초경합금 소재의 마이크로 드릴의 최적설계에 있어 드릴의 강성분석은 유한요소법(FEM)을 적용하였으며, 각 요소의 형상설계 및 전체 형상설계는 3차원 모델링에 의한 시뮬레이션을 기초로 하였다. 또한 최적 형상설계에 있어서는 고속회전용 공구로써 공구수명과 가 공품위(진원도, 진직도)를 중점으로 한 생산성을 중시한 설 계를 하였다. 또한 본 설계를 바탕으로 제작한 마이크로 드 릴의 성능평가를 위한 실험을 통해 마이크로 드릴의 기초적 가공기술을 확립하였다.
마이크로 드릴의 웹부는 마이크로 드릴의 축심부를 형성하는 부분으로 절삭성과 강성을 고려한 설계에 중점을 두고 분석하였다. 웹 두께는 마이크로 드릴의 중심부의 두께로서 축심부를형성하며 마이크로드릴의 강성이 결정된다.
본 연구에서는 효율적인 설계를 위하여 3차원 모델링에 의한 단면부(Fig. 5), 선단부(Fig. 6)의 각각에 대하여 형상 설계하였다.
생산성을 중시한 마이크로 드릴의 최적설계를 위하여 직경 0.15mm 마이크로 드릴의 초경합금 소재에 대하여 드릴 에지 형상을 단순화한 2차원해석과 3차원 형상을 상정한 솔리드 모델에 대하여 유한요소법(FEM)에 의한 강도해석을 실시하고, 본 논문에는 상용해석 프로그램인 MARC에 의한 2차원 해석 결과만을 나타내었다. 이는 마이크로 드릴 의 기계적 강성을 분석함으로써 가공 중에 발생하는 마이크 로 드릴의 절손을 억제하고, 공구수명을 극대화하기 위한 것으로 WC와 Co가 주성분인 초경합금 소재를 선정하였다.
설계 절차는 우선 가상공간에서 설계한 다음 3차원 시뮬 레이션에 의해 형상검증을 하였다. 그 다음 프로그램 상에서 가공된 마이크로 드릴의 형상은 초기 설계목적에 부합되는지 검토한 후, 마이크로 드릴의 제작공정 중에 공구 형상 에 대한 검토작업을 병행하였다.
실험을 통하여 얻어진 결과를 바탕으로 기초형상 설계를 보완 . 수정하여 최적 형상 을 결정하였다. 0.
15mm 이하의 마이크로 드릴의 개발을 위한 기본적 설계를 하고, 기본설계를 바탕으로 시제작한 마이크로 드릴 을 이용하여, 기초실험을 하였다. 실험을 통하여 얻어진 결과를 바탕으로 기초형상 설계를 보완 . 수정하여 최적 형상 을 결정하였다.
일반적으로 사용하는 초경공구는 Co(코발트)와 W(텅스텐) 입자를 소결한 것이다. 이와 같은 마이크로 드릴용 초경공구의 선정에 있어서는 경도, 항절 력, 인성, 입자크기, 밀도 등의 물리적 특성을 고려하였다. 또한 동일한 소재의 경우에 있어서는 미립자의 크기에 따라 드릴의 강성과 성능을 크게 좌우하게 된다.
15mm 이하에 대하여 마이크로 드릴의 개발을 위한 공구재료에 따른 각 요소의 형상설계 및 생산성을 중시한 전체형상 설계, 공구수명을 고려한 고속회전용 드릴의 강성분석, 가공품의 진원도 . 진 직도 분석 등에 기초한 최적 형상설계 및 성능평가에 따른 마이크로 드릴의 가공기술을 제안하였다. 얻어진 결과는 아 래와 같다.
초경합금 소재의 마이크로 드릴의 형상설계는 기존의 공작기계의 공구 장착장치(chuck)를 최대한 고려한 콜렛 규격에 적합한 설계가 되도록 하였으며, 그 위에 강성과 인성을 고려하여 공구수명이 극대화할 수 있는 형상설계가 되도록 하였다. Fig.

대상 데이터

고속회전과 더불어 공작기계의 고강성 및 고정도가 요구 되고, 파손의 우려를 감안하여 구폭비를 적게 하며, 파손 및 칩핑이 발생할 가능성 등을 고려한 설계가 필요하다. 따라서 본 연구의 초경합금 마이크로 드릴용 미립자의 크기는 경도, 항절력, 인성, 입자크기, 밀도 등의 물리적 특성에 우수한 0.6㎛이하의 미세 분말을 마이크로 드릴용 공구로 선정하였다.
15mm 마이크로 드릴의 초경합금 소재에 대하여 드릴 에지 형상을 단순화한 2차원해석과 3차원 형상을 상정한 솔리드 모델에 대하여 유한요소법(FEM)에 의한 강도해석을 실시하고, 본 논문에는 상용해석 프로그램인 MARC에 의한 2차원 해석 결과만을 나타내었다. 이는 마이크로 드릴 의 기계적 강성을 분석함으로써 가공 중에 발생하는 마이크 로 드릴의 절손을 억제하고, 공구수명을 극대화하기 위한 것으로 WC와 Co가 주성분인 초경합금 소재를 선정하였다. 소재의 탄성계수는 4O, OOOkgf7mnf, 포와송 비(poisson ratio) 는 0.

성능/효과

이는 중앙부가 가장 큰 부하가 걸림을 나타낸다. 2D해석결과는 무차원으로 응력해석을 하였으며, 응력분포를 보면 Fig. 4와 같이 선단부의 안쪽 끝인 노란색 부분으로 1.004e+001에서 1.148e+001 정도로 양단에 비하여 3 ~ 4배 정도 전단응력이 가장 크게 발생하여 가장 취약한 강성 이 됨을 알 수 있다. 즉 이 부분에서 마이크로 드릴의 강성 이 가장 취약하며, 3D해석 결과 강성은 생크부(shank part) 와 몸체부(body part)와의 경계부분인 테이퍼 시작점에서 취약함을 알 수 있었다.
14는 웹 두께에 따른 공구수명과 트러스트에 대한 실험 결과이다. 결과와 같이 트러스트는 웹 두께가 20% 까지는 점차 감소, 20~40%까지는 일정한 값을 갖으나 40%이상이 되면 다시 증가하는 경향이 있다. 한편 공구수명 은 웹 두께가 30~40%일 때 가장 효과적임을 알 수 있다.
그러나 언 더 컷을 지나치게 크게 하면 드릴가공 중의 동적강성이 약 해져 구멍의 진원도와 진직도를 저하시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 두 가지 점을 고려하여 언더 컷을 100mm에 대하여 0.04mni~0.05mrn(4~5%)로 설계하였 으며 가공실험 결과 마찰력은 최소화되었다.
따라서 본 연구에서는 이와 같은 점을 고려하여 0.15mm 이하 마이크로 드릴에 대한 선단 각의 선정은 토오크와 트 러스트와의 관계, 버의 발생관계등을 고려하여 118°~130° 로 결정하였으며, 이는 대체적으로 절삭성능 및 가공품위 등에 만족할 만한 결과를 얻었다.
11은 진원도(roundness)에 대한 실험결과를 나타내고 있다. 위의 결과에서 알 수 있듯이 마이크로 드릴의 언더 컷 (under-cut)으로 설계한 것과 언더 컷을 두지 않고 설계한 것 모두 플루트 길이에 따라 진직도와 진원도에는 많은 영향을 끼치고 있음을 알 수 있다. 즉 플루트 길이가 길수록 가공 시작 시에는 센터링이 부정확하게 되어 진원도가 나빠 지고, 가공 중에는 강성의 저하에 의하여 진동발생의 원인 이 되어 진직도가 저하된다.
7은 마이크로 드릴의 언더 컷(under-cut)으로 설계한 것과 언더 컷을 두지 않고 설계한 것에 대한 비틀림 각에 따른 공구수명의 관계를 나타내고 있다. 위의 결과와 같이 공구수명은 언더 컷이 있는 것은 비틀림 각이 35°까지는 증 가하나, 그 이상이 되면 오히려 감소되고, 언더 컷이 없는 것은 30°까지는 증가하나, 그 이상이 되면 오히려 감소된다. 이는 마이크로 드릴의 설계에 있어서 양쪽 모두 35°부근의 값으로 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
148e+001 정도로 양단에 비하여 3 ~ 4배 정도 전단응력이 가장 크게 발생하여 가장 취약한 강성 이 됨을 알 수 있다. 즉 이 부분에서 마이크로 드릴의 강성 이 가장 취약하며, 3D해석 결과 강성은 생크부(shank part) 와 몸체부(body part)와의 경계부분인 테이퍼 시작점에서 취약함을 알 수 있었다. 즉 이는 직경 0.

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