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문제 정의
- 본 연구에서는 엔드밀의 연삭가공에 사용되는 가공조건과 엔드밀의 형상치수 및 연삭숫돌의 형상 치수를 입력 데이터로 하여 cutting simulation 방법을 이용한 엔드밀의 형상설계 기법을 개발하였다. 또한 기존에는 정확한 엔드밀 형상을 설계하기 위해 설계자의 반복적인 작업이 필요하였지만 엔드밀의 설계입력더]이터(경사각, 흠골반경, 날 두께 등)를 만족하는 연삭숫돌의 형상치수와 위치 치수를 탐색하도록 하여 설계시간을 단축하도록 하였다.
제안 방법
- 전자의 경우, 가공에 사용되는 연삭숫돌을 여러 개의 얇은 휠의 조합으로 가정하고 엔드밀모재 역시 여러 개의 얇은 두께의 실린더로 가정한 후 각각의 교점으로부터 가공단면을 예측하였으며 4", 후자의 경우 엔드밀 가공시 휠과 엔드밀의 접촉점에서의 공통법선은 반드시 휠의 중심축을 통과한다는 기본관계에 의한 수학적인 방법으로 가공단면을 예측하였다.们'」2 이 방법을 이용할 때, 엔드밀의 홈과 연삭휠의 접선관계에 의해 두 개의 법선의 기울기가 존재하는 경우 수정작업이 필요하며 유일한 휠형상의 예측이 어려울 경우에는 홈형상의 재설계가 필요하다는 단점이 있다.
- lb 의직경0) 와 길이(LD변수를 이용하여 모델링 하였다. Cutting simulation 을 이용하여 목부를 모델링하기 위해서는 연삭숫돌과 엔드밀 모재가 필요하며 Fig. 3a 에 나타난 형상치수를 이용하여 연삭숫돌을 모델링 하였다. 그리고 Fig.
- 그러나 내부 연산시간을 줄이기 위해 연삭숫돌을 엔드밀 모재의 중심축에 대해 회전 및 이동변환을 하게 하였다. Cutting simulation 을 적용하기 위한 연삭숫돌의 이동 및 회전 변환값은 엔드 밀의 헬릭스 각(03), 날수 (Nf), 날부길이 (IQ 를 이용하여 구할 수 있으며, 연삭숫돌의 회전각은 360° /Nf 에의해 계산된다.
- 그러나 엔드밀을 모델링하는 과정에서 목부 생성을 위한 연삭숫돌의 변환과정과 Boolean 연산과정에 많은 시간이 소모되어 반복 연산에 대해 비효율적인 것으로 나타나 연삭숫돌과 엔드 밀 모재와의 교차형상(intersection body) 모델을 이용하여 엔드밀의 형상정보를 계산하였다. 먼저, 사용자가 경사각, 흠골반경 및 날 두께를 입력하면 숫돌높이를 결정한다.
- 8GHz CPU 에서 약 20 분이었다. 그리고 결과값(연삭숫돌의 형상 및 위치치수)을 이용하여 엔드밀 모델링을 수행하였으며 Fig. 18 과 같이 RP machine 을 이용하여 시작품을 생성하였다.
- 엔드밀 모재와 연삭숫돌간의 cutting simulation 을 이용하여 목부를 모델링하고 목부의 끝단에서 엔드밀 단면형상 곡선을 획득하였다. 나선형 흠형상을 생성하기 위해 추출된 단면형상 곡선을 나선형 가이드 곡선에 따라 스위핑하였다. 엔드밀 형상 모델링을 위한 추가적인 치수는 엔드밀의 날수(Nf), 리드값(pitch) 그리고 목부길 이가 있다.
- 의한 방법으로 엔드밀의 단면형상을 예측하였으며 이를 이용하여 엔드밀 3D 모델을 생성하였으며, 엔드밀 형상의 중요 치수인 경사각, 홈골반경, 날두께를 계산하였다. 나아가 엔드밀 형상을 결정하는 연삭숫돌의 형상 치수 및 연삭조건에 사용되는 변수가 엔드밀 형상에 미치는 영향에 대해 조사하여 경향을 파악하였다. 이를 이용하여 엔드밀의 주요 형상치수(i.
- 보인다. 따라서 설계하고자 하는 엔드밀의 치수(경사각, 홈골반경, 날두꺼])를 만족하는 연삭숫돌의 형상 및 위치치수를 결정하기 위해 Fig. 14 와 같이 반복연산을 수행하였다.
- 11 과 같이 엔드밀을 축 방향과 수직 하게 절단하였을 때의 날부단면과 중심축과의 최소거리를 의미한다. 따라서 직선과 호로 근사화된 단면형상 곡선과 엔드밀의 중심점과의 최소거리를 계산하였다. 마지막으로 엔드밀의 날두께 (Cw)는 연삭숫돌의 가공으로 생성되는 날부의 양 끝점 간의 직선거리로 정의하고 연속하는 단면 형상 곡선의 날부끝점을 이용하여 구하였다.
- 또한 기존에는 정확한 엔드밀 형상을 설계하기 위해 설계자의 반복적인 작업이 필요하였지만 엔드밀의 설계입력더]이터(경사각, 흠골반경, 날 두께 등)를 만족하는 연삭숫돌의 형상치수와 위치 치수를 탐색하도록 하여 설계시간을 단축하도록 하였다. 설계단계에서는 확인할 수 없는 나선형 홈 형상과 목부형상을 엔드밀 설계단계에서 3D 모델로 확인할 수 있도록 하여 엔드밀 설계 시 시제품을 제작하지 않고도 제품의 형상을 파악할 수 있게 되었다.
- 설계단계에서는 확인할 수 없는 나선형 홈 형상과 목부형상을 엔드밀 설계단계에서 3D 모델로 확인할 수 있도록 하여 엔드밀 설계 시 시제품을 제작하지 않고도 제품의 형상을 파악할 수 있게 되었다. 또한 실제 엔드밀 가공에 사용되는 변수를 이용하여 엔드밀 형상을 생성하였으며 단면 형상 곡선을 이용한 엔드밀 형상변수 값을 비교하여 오차를 검증하였다. 본 연구를 통해 계산된 연삭숫돌의 중심데이터는 엔드밀의 CL data 로 활용될 수 있으며 엔드밀의 제작에 도움을 줄 수 있을 것이다.
- 따라서 직선과 호로 근사화된 단면형상 곡선과 엔드밀의 중심점과의 최소거리를 계산하였다. 마지막으로 엔드밀의 날두께 (Cw)는 연삭숫돌의 가공으로 생성되는 날부의 양 끝점 간의 직선거리로 정의하고 연속하는 단면 형상 곡선의 날부끝점을 이용하여 구하였다.
- 흠골반경이 결정되면 세팅각을 변화시켜 경사각을 계산하였다. 마지막으로, 연삭숫돌 1 차 두께를 변화시켜 가면서 엔드밀의 날두께를 계산하였다. 연삭숫돌의 나머지 형상변수(t2, 0b %)는 각각 경험적으로 결정된다(e.
- 본 연구에서는 Cutting simulation 에 의한 방법을 이용하여 엔드밀의 생크부, 목부 그리고 날 부를 모델링하였다. 먼저, 엔드밀의 외형치수(in Fig. lb)를 이용하여 생크부를 모델링하고 연삭숫돌의 중심 데이터(Pw in Fig. 3)를 이용하여 연삭숫돌을 위치시킨다. 엔드밀 모재와 연삭숫돌간의 cutting simulation 을 이용하여 목부를 모델링하고 목부의 끝단에서 엔드밀 단면형상 곡선을 획득하였다.
- 본 연구에서 개발된 프로그램은 엔드밀 형상모델링과 연삭숫돌의 형상 및 위치변수를 예측하는 두 가지 모듈로 구성되어 있고 상용 CAD/CAM 시스템인 Unigraphics Open API 를 활용하였다.
- 그리고 엔드밀 제작과 성능해석을 위해서는 날부 및 목부의 3차원 CAD 데이터를 확보하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 Cutting simulation 에 의한 방법을 이용하여 엔드밀의 생크부, 목부 그리고 날 부를 모델링하였다. 먼저, 엔드밀의 외형치수(in Fig.
- 본 연구에서는 Fig. 1 에 나타난 엔드밀의 단면 형상 곡선을 엔드밀 목부부터 나선형 곡을 따라 스위핑 (sweeping)하여 엔드밀의 3차원 형상을 설계하였다.
- 3 에나타나 있다. 본 연구에서는 엔드밀의 형상치수, 연삭숫돌의 형상 및 위치치수를 이용하여 엔드밀의 경사각, 홈골반경, 날두께를 계산하는 알고리즘을 이용하여 각 변수간의 관계를 조사하였다. 몇 개의 파라메터 사이의 관계를 Fig.
- 생크부는 원통형 솔리드 모델로써 Fig. lb 의직경0) 와 길이(LD변수를 이용하여 모델링 하였다. Cutting simulation 을 이용하여 목부를 모델링하기 위해서는 연삭숫돌과 엔드밀 모재가 필요하며 Fig.
- 3)를 이용하여 연삭숫돌을 위치시킨다. 엔드밀 모재와 연삭숫돌간의 cutting simulation 을 이용하여 목부를 모델링하고 목부의 끝단에서 엔드밀 단면형상 곡선을 획득하였다. 나선형 흠형상을 생성하기 위해 추출된 단면형상 곡선을 나선형 가이드 곡선에 따라 스위핑하였다.
- 엔드밀의 목부로부터 획득된 단면형상 곡선은 스플라인 곡선이며 경사각, 홈골반경, 엔드밀의 날 두께를 계산하기 위해 직선과 호로 근사화하였다. 이상적인 경사각은 Fig.
- 본 연구에서는 연삭숫돌과 엔드 밀 모재를 Cutting simulation 에. 의한 방법으로 엔드밀의 단면형상을 예측하였으며 이를 이용하여 엔드밀 3D 모델을 생성하였으며, 엔드밀 형상의 중요 치수인 경사각, 홈골반경, 날두께를 계산하였다. 나아가 엔드밀 형상을 결정하는 연삭숫돌의 형상 치수 및 연삭조건에 사용되는 변수가 엔드밀 형상에 미치는 영향에 대해 조사하여 경향을 파악하였다.
- 경, 엔드밀 날두꺼1)를 만족하는 연삭숫돌의 형상치수 그리고 가공조건을 예측할 수 있다. 이러한 프로세스를 상용 CAD/CAM 시스템인 Unigr 叩 hies 의 Open API 를 이용하여 구현하였다.
- 10), 이는 수치 해석적인 방법 중 bisection method 를 이용하여 구하였다. 탐색된 날부끝점, 직선가정구간점, 엔드밀 중심점을 이용하여 근사 경사각을 계산하였다.
대상 데이터
- 엔드밀의 단면형상 곡선은 3.1 절에서 생성한 목부 모델을 이용하여 획득하였다. 엔드밀의 중심축에 수직하고 목부길이만큼 떨어진 평면을 생성한 후 솔리드 모델과의 교차곡선을 구하면 Fig.
이론/모형
- 5 에 나타난 엔드밀 모재의 축방향에 대한 연삭숫돌의 회전 방향으로 찾을 수 있다. 또한 날부끝점에서 직선 가정구간만큼 떨어진 점의 좌표를 직선가정구간점(point on predefined length)라고 정의하고(Fig. 10), 이는 수치 해석적인 방법 중 bisection method 를 이용하여 구하였다. 탐색된 날부끝점, 직선가정구간점, 엔드밀 중심점을 이용하여 근사 경사각을 계산하였다.
- 본 연구에서는 3 절에서 설명한 cutting simulation 방법을 활용하여 엔드밀의 형상 정보를 계산하였다. 그러나 엔드밀을 모델링하는 과정에서 목부 생성을 위한 연삭숫돌의 변환과정과 Boolean 연산과정에 많은 시간이 소모되어 반복 연산에 대해 비효율적인 것으로 나타나 연삭숫돌과 엔드 밀 모재와의 교차형상(intersection body) 모델을 이용하여 엔드밀의 형상정보를 계산하였다.
성능/효과
- 3b 의 Do)에 대한 흠 골반 경의 관계를 나타낸다. 옵셋값이 음의 방향으로 커질수록, 즉 엔드밀 모재의 중심축과 멀어질수록 홈골반경이 작아짐을 알 수 있다. Fig.
- 획득된 단면형상 곡선을 이용하여 엔드밀의 형상 치수를 simulation 한 결과 경사각과 흠 골반 경이 각각 5.914°, 1.991mm 였으며 실제 제작된 엔드밀의 형상치수(6。, 1.89mm)와 비교하였다. 허용 공차 범위는 경사각의 경우 ±1° , 흠골반경의 경우 ± 0.
후속연구
- 그러므로 설계단계에서는 이러한 형상들을 일관성 있게 확인할 수가 없으며, 형상을 개선하거나 결과를 확인하기 위해서는 시제품의 제작과 그에 따른 절삭실험이 필수적이다.5 따라서 설계단계에서 연삭숫돌의 형상 및 연삭조건을 예측할 수 있고, 엔드밀의 3D model 을 생성할 수 있다면 시제품 생산 및 성능실험에 소모되는 금전적, 시간적인 손실을 줄일 수 있을 것이다.
- 또한 실제 엔드밀 가공에 사용되는 변수를 이용하여 엔드밀 형상을 생성하였으며 단면 형상 곡선을 이용한 엔드밀 형상변수 값을 비교하여 오차를 검증하였다. 본 연구를 통해 계산된 연삭숫돌의 중심데이터는 엔드밀의 CL data 로 활용될 수 있으며 엔드밀의 제작에 도움을 줄 수 있을 것이다.
- 획득된 3D solid model 을 이용하면 엔드밀의 성능예측을 위한 절삭력 예측 및 강성해석 등을 적용할 수 있으며, 설계단계에서 엔드밀의 성능예측도 기대할 수 있을 것이다.
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