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문제 정의
- 본 연구에서는 볼 엔드밀을 이용한 경사면 가공에서의 절삭 안정성을 연구에 필요한 절삭력의 동적 모델링을 위하여 공작물을 Z-map 으로 나타내고 이를 볼 엔드밀의 절삭 날의 회전 및 공구의 진동에 따라서 제거되는 과정을 모델링 함으로써 동적인 절삭력과 공구의 진동을 구하였다. 이 모델을 이용하여 주축회전수, 이송속도, 절삭 깊이 등의 절삭 조건의 변화에 따른 공구의 진동을 예측하고 측정된 각 값들과 비교하여 검증하였다.
제안 방법
- 파악하였다. 경사면 가공에서 미소 칩 두께를 계산하기 위하여 공작물의 Z-map 정보와 공구의 순간 위치 정보를 이용한 삼각 분절 면 모델을 통하여 순간적인 절삭 부하를 예측하는 동적 절삭력 모델을 수립하였다. 이 모델을 통하여 얻어진 동적 거동에 대한정보와 실제 가공에서 측정된 공구의 변위를 비교하였다.
- 공구 길이 90 mm 인 볼 엔드밀을 이용하여 경사면을 가공하고 이때 측정된 절삭력과 제안된 모델을 이용한 절삭력을 비교하였다. 30° 경사진 면을 각각 상방향 하향 절삭한 경우와 상향 절삭한 경우의 정적인 절삭력을 Fig.
- 5 는 주축 회 전수를 달리하면서 즉정한 공구의 변위를 나타낸 것이다. 공구의 변위는 각각로우패스 필터와 하이패스 필터를 이용하여 고주파 성분과 저주파 성분으로 분리하였다. Figure 5 (a)는 주축 회전수가 1860 rpm 일 때의 즉정된 변위 신호이며 정적인 변위 신호에 비해서 동적인 변위 신호가 작게 나타나고 있으며, 1980 rpm 의 주축 회전수로 가공하였을 때 측정된 Fig.
- 실험을 수행하였다. 대우 중공업의 ACE-V30 에서 절삭 실험을 수행하였으며, 공구 동력계를 이용하여 절삭력을 측정하고, 정전용량식 거리 센서를 이용하여 공구의 진동을 측정하였다.
- 이를 위하여 본 연구에서는 변위 측정용 센서를 이용하여 공구의 변위를 측정하였다. 동적인 거동을 보다 잘 나타내기 위하여 공구는 140 mm 의 길이를 가지는 볼 엔드밀을 이용하였으며, 변위는 정전용량식 거리 센서를 이용하여 측정하였다.
- 나타난다. 따라서 공구의 진동에 대한 보다 정확한 측정을 위하여 공구 동력계를 통하여 절삭력을 측정하지 않고 공구의 진동을 직접 측정하는 방법을 사용하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 변위 측정용 센서를 이용하여 공구의 변위를 측정하였다.
- 따라서 본 논문에서는 미소 절삭 날 요소들에 의해서 제거되는 면적을 이용하여 미변형 칩 두께를 계산하였다. 볼 엔드밀의 미소절삭 날 요소들에 의해 ”=匕부터 r = 까지의 단위시간 동안 절삭되는 면적은 절삭이 이루어졌다고 판단된 공작물의 마디점 개수와 각 격자의 면적의 곱으로 구해질 수 있고 이를 각 미소절삭날요소가 단위시간 동안 이송한 길이로 나누어 줌으로써 평균 절삭칩두께를 구할 수 있다.
- 또한 주축 회전수 이외의 다른 절삭 조건이 채 터 발생에 미치는 영향을 확인하기 위하여 날당이송량과 절삭 깊이를 변화시키면서 공구의 진동을 측정하고, 이를 모델에서 구한 값과 비교하였다. 측정, 계산된 변위에서 고주파수 부분만을 필터링하여 최대값과 최소값의 차이를 계산하여 이값을 비교의 대상으로 삼았다.
- 볼 엔드밀을 이용하여 경사면을 가공할 때 발생하는 공구 거동의 동적인 특성을 파악하였다. 경사면 가공에서 미소 칩 두께를 계산하기 위하여 공작물의 Z-map 정보와 공구의 순간 위치 정보를 이용한 삼각 분절 면 모델을 통하여 순간적인 절삭 부하를 예측하는 동적 절삭력 모델을 수립하였다.
- 실제 시뮬레이션에 이와 같은 원리를 적용하기 위하여 미소절삭 날 요소로 이루어지는 표면 형성요소를 정의하였다. Fig.
- 절삭력과 공구의 진동을 구하였다. 이 모델을 이용하여 주축회전수, 이송속도, 절삭 깊이 등의 절삭 조건의 변화에 따른 공구의 진동을 예측하고 측정된 각 값들과 비교하여 검증하였다..
- 경사면 가공에서 미소 칩 두께를 계산하기 위하여 공작물의 Z-map 정보와 공구의 순간 위치 정보를 이용한 삼각 분절 면 모델을 통하여 순간적인 절삭 부하를 예측하는 동적 절삭력 모델을 수립하였다. 이 모델을 통하여 얻어진 동적 거동에 대한정보와 실제 가공에서 측정된 공구의 변위를 비교하였다.
- 이로부터 t = tM 일 때의 평균 절삭칩두께를 구하고 다시 절삭력을 구할 수 있다. 이를 반복적으로 수행하여 공구의 진동이 고려된 순간 절삭력 모델을 수립하였다.
- 따라서 공구의 진동에 대한 보다 정확한 측정을 위하여 공구 동력계를 통하여 절삭력을 측정하지 않고 공구의 진동을 직접 측정하는 방법을 사용하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 변위 측정용 센서를 이용하여 공구의 변위를 측정하였다. 동적인 거동을 보다 잘 나타내기 위하여 공구는 140 mm 의 길이를 가지는 볼 엔드밀을 이용하였으며, 변위는 정전용량식 거리 센서를 이용하여 측정하였다.
- 절삭 조건 변화에 따른 공구 변위의 동적인 특성을 살펴 보기 위하여 비슷한 절삭 부하가 걸리도록 절삭 깊이와 절입량, 공작물의 경사 각도와 같은 조건들은 고정하고 주축회전수를 변화시켜가면서 공구의 변위를 측정하였다.
- 제안된 모델을 검증하기 위하여 공작 기계에서 절삭 실험을 수행하였다. 대우 중공업의 ACE-V30 에서 절삭 실험을 수행하였으며, 공구 동력계를 이용하여 절삭력을 측정하고, 정전용량식 거리 센서를 이용하여 공구의 진동을 측정하였다.
- 표면 형성요소에 공작물 상의 격자의 마디 점이 포함되는지에 판단한 후에 표면 형성요소의 높이와 격자의 높이를 비교하여 공작물의 높이를 갱신하였다. 표면 형성요소 내부에 공작물의 격자 마디 점이 포함되는지를 보다 효율적으로 판단하기 위하여, 표면 형성요소를 두 개의 삼각형 패치로 나누고 각각의 삼각형 패치에 마디 점이 포함되는지 여부를 조사하는 방법을 선택하였다.
- 3에서와 같이 丿 번째 절삭 날의 ' 번째 미소절삭 날 요소가 연속하는 두시간 4와 饥, 사이에 형성하는 사각형을 표면형성요소로 정의하였다. 표면 형성요소에 공작물 상의 격자의 마디 점이 포함되는지에 판단한 후에 표면 형성요소의 높이와 격자의 높이를 비교하여 공작물의 높이를 갱신하였다. 표면 형성요소 내부에 공작물의 격자 마디 점이 포함되는지를 보다 효율적으로 판단하기 위하여, 표면 형성요소를 두 개의 삼각형 패치로 나누고 각각의 삼각형 패치에 마디 점이 포함되는지 여부를 조사하는 방법을 선택하였다.
대상 데이터
- 절삭력을 측정하기 위하여 사용하였다. Table 1 은 본 실험에 사용된 재료의 일반적인 물성치를 나타내며, 실험에서는 Table 1에서 보이는 물성치 범위 내의 같은 로트에서 생산된 제품을 사용하였다.
- 공작물의 재료는 쾌속 금형에서 널리 사용되는 ZAS 를 이용하였고, 공구는 직경 10 mm 의 볼 엔드밀 공구를 사용하였으며, 90 mm 와 140 mm 의 오버행(overhang)을 가지며, 헬릭스 각이 30° 인솔 리드 타입의 두 날 공구(한국 OSG CAP-EBD type)를 사용하였으며, 각각 정적인 절삭력과 동적인 절삭력을 측정하기 위하여 사용하였다. Table 1 은 본 실험에 사용된 재료의 일반적인 물성치를 나타내며, 실험에서는 Table 1에서 보이는 물성치 범위 내의 같은 로트에서 생산된 제품을 사용하였다.
- 측정, 계산된 변위에서 고주파수 부분만을 필터링하여 최대값과 최소값의 차이를 계산하여 이값을 비교의 대상으로 삼았다.
이론/모형
- 이와 같이 정의된 공구와 함께 공작물의 임의의 곡면과의 관계를 통하여 표면을 얻기 위해서 공작물의 곡면은 Z-map 방법을 이용하여 표현하였다. 공작물을 X, y 방향으로 각각 ' 와 I对 의 크기를 가지는 미소 요소로 표현하고 시간 t = tk 에서 ”, V 번째 위치에서의 높이를 z」", vA)로 나타내었다.
성능/효과
- 3 mm인 경우에는 불안정한 가공이 일어나는 주축 회전수의 예측값이 실험값에 비해서 크게 나타나고 있지만, 전체적으로 공구의 진동 변화의 추이를 제대로 반영하여 예측하고 있다. 날당 이송량이 증가함에 따라서 공구의 동적인 변위가 감소하는 형태를 나타내고 있는 것이 확인된다. 이는 재생 효과가 날당이 송이 큰 경우보다 작은 경우에 보다 더 크게 나타난다는 것을 의미한다.
- 다양한 이송량의 변화와 절삭 깊이의 변화에 따른 공구의 변위를 각각 계산하였으며, 이 변위값의 고주파 성분의 크기가 실제 측정된 변위에 서구 해진 값과 잘 일치함을 보임으로써 모델의 정확성을 확인하였다.
- 7은 절삭 깊이를 변화시키면서 동적인 성분 크기의 실험값과 예측값을 비교한 것이다. 절삭 깊이를 0.2, 0.4, 0.6 mm 로 변화 시 켰고, 절삭 깊이가 커짐에 따라서 전반적인 진폭이 증가하고 있으며, 주죽 회전수가 1760 rpm, 2040 rpm, 2400 rpm 부근일 때는 진폭이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 각 조건에 대해서 실험 결과와 예측값이 잘 일치하고 있는 것을 확인할 수 있다. 날당 이송의 변화 없이 절삭 깊이가 깊어지는 경우에는 오버랩 값이 일정하다고 볼 수 있고, 시스템에 가해지는 외력이 점점 커진다고 할 수 있으므로, 절삭 깊이의 증가가 가공의 불안정으로 나타나게 된다.
후속연구
- 따라서 제안된 볼 엔드밀의 동적 절삭력 모델을 이용하여 볼 엔드밀의 경사면 가공에서 동적으로 안정적인 절삭 조건을 구할 수 있을 것이다.
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