[논문]고속 엔드밀 가공에서의 절삭력 예측

정성찬; 김국원

고속 엔드밀 가공에서의 절삭력 예측
Prediction of Cutting Forces in High Speed End Milling

Recently researches for high speed machining have been actively performed. Few analytical studies, however, have been published. In this paper, a model of cutting forces is analytically studied to predict cutting characteristics in end mill process, especially considering both feed rate and spindle speed. The developed cutting model is based on Oxley's machining theory, which predicts the cutting forces from input data of workpiece material properties, tool geometry and cutting conditions. Experimental verification has been performed to verify the predictive cutting force model using tool dynamometer. It has been found that the simulation results substantially agree with experimental results.

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문제 정의

본 연구에서는 기존의 2차원, 3차원 절삭이론을 이용하여 엔드밀 가공에서의 고속화에 따른 절삭력 특성을 예측하고자 한다. 가공의 고속화는 스핀들 속도와 이송속도, 두 가지 관점에서 살펴볼 수 있으며 본 연구에서도 이 두 가지 속도변화에 따른 절삭력 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 엔드밀 가공에서의 고속화에 따른 절삭력 변화를 예측하였다. 구체적으로 다음의 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

Oxley의 예측 절삭이론에서 공구는 완전히 예리하다고 가정하고, 제 1소성영역의 중심에 있는 AB면과 칩-공구 접촉면은 최대 전단응력과 최대 전단변형률 속도의 방향이라 가정된다. 이 이론의 기본은 AB면과 칩-공구 접촉면의 응력을 전단각, 재료의 물성치 및 절삭조건 등으로 해석하고 AB면과 접촉면에 의해 전달되는 절삭력이 평형을 이루는 전단각, Φ를 찾는 일이다.
그리고 R은 칩-공구 경계와 전단면에서의 합력이다. 절삭날 노우즈에 대한 영향은 절입 깊이에 비하여 절삭날 노우즈가 매우 작으므로 존재하지 않다고 가정한다.
2차원 절삭에서는 절삭 날의 수직방향으로 칩 흐름각이 형성이 된다. 하지만 기울림 각이 존재하는 3차원 절삭에서는 Stabler의 연구에 따라 기울림 각과 칩 유출각이 같다고 가정한다. 그러나 Oxley의 연구에 따르면 실제적인 절삭 실험에서 end effect(날끝 영향)로 Stabler의 가정과 다르게 기울림 각과 칩 유출각 사이에 오차가 발생한다.

제안 방법

1. Oxley의 절삭이론을 기초로 하여 엔드밀 가공에서 절삭력 모델을 개발하였다. 이 모델은 재료의 물성치와 공구 형상 그리고 절삭 조건들을 입력함으로써 어떠한 예비 실험 없이 엔드밀의 절삭력을 예측할 수 있었다.
2. 제시된 절삭력 모델을 검증하기 위하여 공구 회전속도와 이송속도의 변화에 따른 절삭실험을 수행하였다. 그 결과 절삭력의 최대치와 파형이 매우 유사함을 확인하였으며, 이로써 실험을 통한 절삭력 모델의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서는 기존의 2차원, 3차원 절삭이론을 이용하여 엔드밀 가공에서의 고속화에 따른 절삭력 특성을 예측하고자 한다. 가공의 고속화는 스핀들 속도와 이송속도, 두 가지 관점에서 살펴볼 수 있으며 본 연구에서도 이 두 가지 속도변화에 따른 절삭력 변화를 살펴보았다. 엔드밀 가공에 대한 절삭력 예측모델을 완성하기 위해 Oxley의 2차원 절삭이론을 기초로 활용하였다.
그리고 각 조각을 갖는 각각의 날들의 절삭 형태는 i 의 기울림 각을 갖는 3차원 절삭가공으로 모델링 한다. 그리고 공구를 축 방향으로 여러 개의 조각으로 나누어서 해석하는 과정에서 첫 번째 조각은 날끝 영향을 고려하였다.
본 연구에서 제시한 절삭력 모델을 이용하여 재료의 물성치와 공구형상 그리고 절삭조건만을 입력함으로 엔드 밀링 가공에서의 절삭력을 계산하였다. 이론적 내용의 유용성을 확인하기 위해 밀링 절삭력 측정 실험을 수행하였다.
본 연구에서 제시한 절삭력 모델을 이용하여 재료의 물성치와 공구형상 그리고 절삭조건만을 입력함으로 엔드 밀링 가공에서의 절삭력을 계산하였다. 이론적 내용의 유용성을 확인하기 위해 밀링 절삭력 측정 실험을 수행하였다. 사용된 실험장치는 Table 1과 같다.
절삭조건과 공구 형상 및 재료 물성치를 입력하여 각 절삭날 조각마다 절삭력을 계산한다. Fig.

대상 데이터

실험에 사용된 피삭재는 0.2% 탄소강(SM20C)이며 그 상당응력은 다음과 같이 응력-변형률 관계로 나타낼 수 있다.

이론/모형

가공의 고속화는 스핀들 속도와 이송속도, 두 가지 관점에서 살펴볼 수 있으며 본 연구에서도 이 두 가지 속도변화에 따른 절삭력 변화를 살펴보았다. 엔드밀 가공에 대한 절삭력 예측모델을 완성하기 위해 Oxley의 2차원 절삭이론을 기초로 활용하였다. 본 연구는 향후 초고속가공에 대한 이론적 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.

성능/효과

3. 이송속도의 증가는 절삭력 세 분력 모두 비례적으로 증가시켰으며, 회전속도의 증가는 반대로 절삭력 세 분력 모두를 비례적으로 감소시켰다.
제시된 절삭력 모델을 검증하기 위하여 공구 회전속도와 이송속도의 변화에 따른 절삭실험을 수행하였다. 그 결과 절삭력의 최대치와 파형이 매우 유사함을 확인하였으며, 이로써 실험을 통한 절삭력 모델의 타당성을 검증하였다.
10의 이송속도의 증가(Table 2의 CASE 1과 2)에 따른 절삭력 변화를 실험 및 계산치를 비교한 그림이다. 절삭력의 세 분력 모두 실험치와 계산치가 잘 맞는 것을 볼 수 있으며, 이송속도가 증가하면 절삭력의 세분력 모두 증가함을 알 수 있다. 특히 이속속도가 약 3배 증가함에 따라 절삭력의 세 분력 모두 약 3배 증가함을 알 수 있다.
여기서도 실험치와 계산치는 비교적 잘 일치하였다. 회전속도의 증가에 따라 절삭력 세 분력 모두 감소하였으며, 회전속도가 2배 정도 큰 CASE 4의 실험치와 계산치의 세 분력 모두가 CASE 3에 비해 대략 2배 정도 차이가 난다는 것을 알 수 있다.

후속연구

엔드밀 가공에 대한 절삭력 예측모델을 완성하기 위해 Oxley의 2차원 절삭이론을 기초로 활용하였다. 본 연구는 향후 초고속가공에 대한 이론적 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

고속가공의 이점은 어디에 더 큰 비중을 차지하고 있는가?

최근 고속, 초고속 가공에 대한 연구가 이전보다 활발히 진행되고 있다. 고속가공의 이점은 단순히 직접적인 가공비용이나 절삭시간만이 아니고 에너지 소비량이나 절삭유에 의한 환경문제 해결 등에 더 큰 비중을 차지하고 있다. 고속가공이 점점 실용화 되어가고 있으나 이론적 연구가 극히 미미하여 절삭저항이나 절삭온도의 변화, 그리고 공구수명, 가공변질층의 영향 등에 관해서 현재까지 실험연구결과에 의존하고 있는 실정이다.

Oxley의 절삭이론을 통한 2차원 절삭모델은 어떤 특징이 있는가?

절삭가공에 대한 이론적 연구는 Mechant에 의한 전단면 절삭모델을 기초로 연구가 시작되었고, 현재까지 다양한 모델이 개발되어지고 있다. Oxley의 절삭이론[1]을 통한 2차원 절삭모델은 진정한 의미의 예측절삭모델이라 볼 수 있으며 변형률, 변형률속도, 온도의 변화에 따른 피삭재의 유동응력 변화를 고려할 수 있는 특징이 있다. 최근 이를 기초로 한 다양한 밀링 절삭력 예측 연구[2～5]가 수행되었다.

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