[논문]초미립 WC 소재 엔드밀 공구의 성능 평가에 관한 연구

김도형; 우용원; 이현호; 김정석

문제 정의

본 실험에서는 절삭거리에 따라 공구마멸량, 절삭력, 표면 조도를 측정하여 초미립 초경소재 엔드밀 공구의 특성을 파악하고자 하였다.
이러한 초미립(Ultra-fine) 초경합금은 경도, 강도 그리고 인성 등이 높은 매우 우수한 기계적인 특성을 갖고 있기 때문에 최근 초경산업의 큰 관심을 끌고 있다 따라서 본 연구에서는 기계화학적 방법(Mechanochemical process, MCP)으로 제조된 초미립 초경분말을 사용한 초경환봉 소재로 엔드밀을 제작하여 초미립 초경소재의 미세구조와 기계적 특성을 파악하고, 고속가공에서 회전수 변화에 따른 공구마멸 및 공구수명을 관찰하여, 초미립 초경소재를 사용한 엔드밀 공구의 성능을 평가한다.

제안 방법

공구의 마멸측정은 여유면(Flank face)에서 0.2mm(ISO 3002/1)를 기준으로 하여 축방향 절입깊이 내의 절삭날부 3 지점을 측정하여 평균하였다. 마멸에 따른 공구의 형태를 관찰하기 위해서 주축에서 공구홀더(Tool Holder)를 분리할 때 발생할 수 있는 런아웃 등의 오차를 방지하고 위치 정밀도를 유지하기 위하여 Fig.
3에 나타난 공작물 시편은 STD11 (HrC 25)_{을 사용하였다. 그리고}4_{날로 제작한 고속가공용} 초미립 WC 소재 엔드밀 공구의 가공특성을 평가하기 위해 _{가공시편을} 고경도강인 STD11(HrC 60)_{을 사용하여 공구}마멸 특성을 평가하였다.
2mm(ISO 3002/1)를 기준으로 하여 축방향 절입깊이 내의 절삭날부 3 지점을 측정하여 평균하였다. 마멸에 따른 공구의 형태를 관찰하기 위해서 주축에서 공구홀더(Tool Holder)를 분리할 때 발생할 수 있는 런아웃 등의 오차를 방지하고 위치 정밀도를 유지하기 위하여 Fig. 4의 CCD카메라를 이용하였다. 엔드밀 공구는, 원주방향으로 여유각, 경사각, 축방향으로 헬 리스 각을 가지는 특이한 기하학적인 형상을 가지기 때문에 공구마멸 측정시에 정확하게 동일한 위치에서의 마멸측정이 곤란하다.
본 연구에서는 국내에서 생산된 초미립 초경소재와 해외에서 생산된 초경소재 및 초미립 초경소재로 각각 일반가공용 2날 플랫엔드밀과 고속가공용 4날 플랫엔드밀을 제작하여 가공성 평가를 실시한 결과는 다음과 같다.
열화학적 방법은 환원과 침탄반응을 하나의 공정으로 진행하기 위해서 특정가스(CO, CO₂, CH₄)를 이용하여 WC를 제조하나, 기계 화학적 방법은 환원과 침탄공정을 분리시키고 WC를 제조하기 위한 탄소공급원으로 카본블랙 분말을 이용한다0). 이러한 과정으로 생산된 초미 립 WC 분말을 소결한 후, 연삭 과정을 통해 최종 환봉소재를 제작하였으며 각각 2날과 4날의 엔드밀을 제작하였다.
측정부위가 곡면이고 조명이 분산되어 선명한 마멸 이미지의 획득에 어려움이 있으며, 광학현미경에서 공구마멸을 측정할 경우 공구를 분리하여 측정함으로 인하여 측정 위치가 달라지거나 반복적 인 측정정밀도가 낮아지게 된다. 이러한 오차감소를 위한 CCD장치는 측정시 발생하는 오차와 공구마멸 측정시 측정오차 성분들을 최소화하기 위하여 삽입형 (Insertion type) CCD 카메라와 전용지그를 사용하였다. 공구마멸 장치의 제작으로 기상계측이 가능하고, 공구 탈착에 의한 시간지연, 측정오차가 감소하였다.
절삭 시험은 고속머시닝센터(MakinV-55, Max 20, 000rpm)로 건식에서 실험하였고, 초미립 초경공구의 마멸 거동을 관찰하기 위해서 일반가공용 2날 엔드밀의 경우 주축회전수를 8, 000rpm, 10, 000rpm, 12,000rpm으로 변화시키고, 고속가공용 4날 엔드밀의 경우 주축회전수를 14, 000rpin으로 변화시키고, 절입과 이송은 각각 일정하게 유지하였다. 공구마멸 측정시스템에 사용된 장치들은 Table 1에 나타내었고, Table 2에는 가공성 평가를 위한 절삭 조건을 나타내었다.
절삭력 파형에서 평균절삭력의 크기를 구하기 위해서 유효절삭력 개념을 도입하였다.

대상 데이터

2날로 제작한 일반가공용 초미립 WC 소재 엔드밀 공구의 가공특성을 평가하기 위해 Fig. 2와 같이 공구마멸 시편, 절삭력 시편, CCD, 그리고 표면조도 시편을 베드위에 동시에 설치하였으며 Fig. 3에 나타난 공작물 시편은 STD11 (HrC 25)_{을 사용하였다}. 그리고 4_{날로 제작한 고속가공용} 초미립 WC 소재 엔드밀 공구의 가공특성을 평가하기 위해 _{가공시편을} 고경도강인 STD11(HrC 60)_{을 사용하여 공구}마멸 특성을 평가하였다.

데이터처리

실제 평균 절삭력보다 작아지게 된다. 그래서 보다 현실적인 절삭력을 구하기 위해 전체 평균값은 기준값(Threshold) 을 정하여 그 이상의 값들만 다시 평균값을 구해 유효 값으로 하였다.
표면조도 시 편의 조도를 측정은 Taylor Hobson사의 Sur- tronic 3+ 를 사용하였으며 조도시편의 축방향 4mm의 길이로 이송방향 3부분을 측정하여 평균값을 측정하였다.

성능/효과

(1) 초경 공구재료의 경도는 동일한 Co 조성에서 주로 WC 입도에 직접적인 영향을 받으며, WC 입자가 크기가 미세할수록 증가한다. 또한, 동일한 입자 크기에서는 Co 함량이 적을수록 경도는 증가한다.
(2) 균일한 WC 입도를 가진 초미립 초경소재 엔드밀 공구가 입도가 균일하지 못한 초경소재 엔드밀 공구보다 항절력 이 우수하게 나타났으며, 입도가 균일하지 않은 초경 소재 엔드밀보다 내치핑성이 우수하여 공구수명이 증가하였다.
(3) 고속가공에서 고경도 소재의 가공시 공구수명은 초미립 초경 소재로 제작한 엔드밀이 모두 우수한 결과를 나타내었고, 그 중 Co함량이 9%일 때가 가장 높게 나타났다.
(4) 입도가 균일한 초미립 초경소재로 제작한 엔드밀의 공구 수명은 낮은 주축회전수보다 높은 주축회전수에서 상대적으로 공구수명이 증가하였다.
(5) 초경소재 조직 내부의 Free carbon 같은 불순물은 가공 시 절삭날에 치핑과 같은 비정상적인 공구마멸의 원인이 됨을 알 수 있었다.
Fig. 5(a)에서 나타난 검은색 점은 소재 제작 시에 Carbon의 첨가량이 많아 조직내에 Free Carbon이 형성된 것으로 사료되며, 이는 공구마멸 테스트에서 공구수명이 매우 짧은 것으로 나타났다. Fig.
또한, 동일한 입자 크기에서는 Co 함량이 적을수록 경도는 증가한다. 결과적으로 고경도 특성은 WC 입자 크기의 미세화와 낮은 Co 함량으로 도달 할 수 있음을 의미한다
8의 12,000rpm에서는 N(l), N(2)공구가 국외의 공구와 비슷한 성능을 나타내었다. 국내에서 제작된 공구의 공구수명 이 가공속도가 빨라짐에 따라 늘어나는 것을 알 수 있었으며, 한편 Fig. 9의 14, 000rpm의 실험결과를 보면 일반 가공용으로 제작된 2날 엔드밀에 비하여 입자 성장억제제의 성분변화가 있지만, 고속가공용으로 제작된 4날 엔드밀의 마멸실험에서 초미립 초경소재의 공구수명이 모두 우수한 것으로 나타났는데, 결과적으로 이는 국내의 초미립 초경공구가 고속가공에 적합하고, 고경도 소재의 가공에도 적합함을 보여주고 있다.
따라서 입도가 균일한 초미립 초경분말로 제작한 초미 립초경소재 엔드밀 공구의 경도가 입도가 균일하지 못한 미립 초경 소재 엔드밀 공구보다 우수하고, 초미립 초경소재로 제작한 엔드밀 공구는 고속가공과 고경도 소재의 가공에 적합함을 알 수 있었다.
공구마멸 장치의 제작으로 기상계측이 가능하고, 공구 탈착에 의한 시간지연, 측정오차가 감소하였다. 또한, 가공기의 서브프로그램 작동으로 동일한 위치에서 정확한 측정가능, 지그의 회전에 의한 엔드밀의 측면뿐만 아니라 밑면 측정 가능,광원의 각도와 밝기에 따른 측정오차(엔드밀의 기하학적 형상, 관측자의 주관, 반복 측정)가 감소하였다

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