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문제 정의
- 그리고 마이크로가공의 절삭력 획득 및 분석을 위하여 자체 개발한 마이크로 공구 동력계를 이용하여 미세절삭력을 신뢰성 있게 평가하였다가)가 공변질층은 광학현미경(Optical microscope)으로 그 특성을 평가하였고, 변질층의 크기가 절삭 공정 파라미터와 가공환경에 의존하는 것을 제시하고자 한다. 이러한 실험을 통해 초고속에어터빈 스핀들을 이용한 미세가공의 산업 적용성을 미시적 정밀도 측면에서 평가하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 마이크로 가공시 발생되는 가공변질층의 영향을 최소화하기위해서 초고속에어터빈 스핀들(Ultrahigh-speed air turbine spindle)을 이용하여 마이크로 초경평 엔드밀 (Flat endmill)로 절삭가공을 수행하였다. 초고속 에어 터빈 스핀들의 성능은 각각의 회전 속도에 따른 진동 특성을 분석하였고, 또한 에어 공급이 가장 안정적인 조건선정으로 회전 안정화를 구현하였다.
- 초고속 에어 터빈 스핀들의 성능은 각각의 회전 속도에 따른 진동 특성을 분석하였고, 또한 에어 공급이 가장 안정적인 조건선정으로 회전 안정화를 구현하였다. 마이크로 가공시스템을 이용하여 구리(Copper) 마이크로 엔드밀링의 가공특성 및 표면 변질층을 가공조건에 따라 평가하였다. 그리고 마이크로가공의 절삭력 획득 및 분석을 위하여 자체 개발한 마이크로 공구 동력계를 이용하여 미세절삭력을 신뢰성 있게 평가하였다가)가 공변질층은 광학현미경(Optical microscope)으로 그 특성을 평가하였고, 변질층의 크기가 절삭 공정 파라미터와 가공환경에 의존하는 것을 제시하고자 한다.
- 마이크로 가공시스템을 이용하여 구리(Copper) 마이크로 엔드밀링의 가공특성 및 표면 변질층을 가공조건에 따라 평가하였다. 그리고 마이크로가공의 절삭력 획득 및 분석을 위하여 자체 개발한 마이크로 공구 동력계를 이용하여 미세절삭력을 신뢰성 있게 평가하였다가)가 공변질층은 광학현미경(Optical microscope)으로 그 특성을 평가하였고, 변질층의 크기가 절삭 공정 파라미터와 가공환경에 의존하는 것을 제시하고자 한다. 이러한 실험을 통해 초고속에어터빈 스핀들을 이용한 미세가공의 산업 적용성을 미시적 정밀도 측면에서 평가하고자 한다.
- 스핀들의 공압 특성 평가에서는 각각의 회전속도에 따른 공압이 안정적인 조건을 선정하였다. 실험은 지그를 이용한 광학 회전 속도계(Tachometer)로 각각의 공압에 따라 1분간 스핀들의 회전수를 측정하였고, 측정거리는 10mm로 하였다. 또한 측정 오차를 고려하여 각 조건마다 10회씩 측정한 후 평균값을 나타내었다.
- 55MPa)을 선정하였고, 이로 인해서 회전 안정화를 실현할 수 있었다. 또한, 초고속에어터빈 스핀들의 동특성 실험을 위해서 진동 특성을 잘 반영할 수 있는 진동가속도계(Accelerometer, B&K Response Freq. : 15kHz) 와증폭기(Amp. : B&K NEXUS 4374S-4ch)를 이용하였다.
- 사용하였다. 그리고 가공 변질층의 깊이를 평가하기 위해 광학현미경 시스템을 이용하여 변질층을 가시적으로 관찰하였다. 또한 절삭력 측정은 가공 중인 공작물을 전용지 그에 클램핑(Clamping) 하여 측정하는 시스템으로 구성하였다.
- 그리고 가공 변질층의 깊이를 평가하기 위해 광학현미경 시스템을 이용하여 변질층을 가시적으로 관찰하였다. 또한 절삭력 측정은 가공 중인 공작물을 전용지 그에 클램핑(Clamping) 하여 측정하는 시스템으로 구성하였다.
- 8mm 마이크로공구로 150m/min절삭속도 이상의 미세가공을 실현하는 조건을 선정하였다. 즉 에어스핀들 속도 60, 000-160, OOOrpm 으로 각각 20, OOOrpm씩 증가시키며, 날 당이송 변화와 절삭 깊이 변화에 따라 가공하였다. 가공시편은 광학 현미경을 통해 변질층의 깊이와버(Burr) 등을 측정하였다.
- 즉 에어스핀들 속도 60, 000-160, OOOrpm 으로 각각 20, OOOrpm씩 증가시키며, 날 당이송 변화와 절삭 깊이 변화에 따라 가공하였다. 가공시편은 광학 현미경을 통해 변질층의 깊이와버(Burr) 등을 측정하였다. 또한, 가공 변질 층의 특성실험은 조건에 따라 공구 및 스핀들의 회전 안정화를 고려하여 각각의 가공조건에 따라 시편을 가공한 후, 측정 목적에 맞게 가공면을 측정하였고, 마이크로 엔드밀링 실험에 적용된 가공조건은 Table 2와 같다.
- 가공시편은 광학 현미경을 통해 변질층의 깊이와버(Burr) 등을 측정하였다. 또한, 가공 변질 층의 특성실험은 조건에 따라 공구 및 스핀들의 회전 안정화를 고려하여 각각의 가공조건에 따라 시편을 가공한 후, 측정 목적에 맞게 가공면을 측정하였고, 마이크로 엔드밀링 실험에 적용된 가공조건은 Table 2와 같다.
- 시편 마운팅은 수지와 시편 사이의 가장자리부 관찰에 있어 측정난 점을 해결하기 위해, Fig. 2 (d)와 같이 수지와 시편에 흡착력이 좋고 경도가 높아 폴리싱 (Polishing)을 했을 때 수지의과 폴리싱 현상이 없는 에포멧(Epomet) 수지를 선정하여 마운팅을 수행하였다.
- 에칭(Etching)은 소재 특성에 따라 나이탈(Nital) 6~9%로 하여 약 10여 초 동안 부식시켜 조직 차이로 가공변질층의 깊이를 측정하였다.
- 초고속 회전의 마이크로엔드밀링 가공시 기계적, 열적 영향이 미시적 정밀도에 미치는 상관관계를 알아보기 위해 스핀들 속도 변화, 날당이 송 그리고 절삭 깊이 변화에 따른 가공변질증의 형상 및 깊이를 상향 밀링과 하향 밀링으로 나누어 평가하였고, 시편의 가공변질층은 부식법을 통하여 광학현미경으로 측정하였다. 그리고 측정 오차를 고려하여 각 측면에 발생하는 변질층을 상.
- 본 실험에서는 최대회전수 160, 000rpm, 2날 평 엔드밀사용조건에서 최대 주파수는 5.3kHz인데 안정영역에서 절삭력을 획득하기 위해 공진주파수가 10kHz인 공구 동력계를 적용하였다. 이송 방향의 절삭력과 반경 방향의 절삭력 특성은 Fig.
- 가공면의 표면거 칠기 측정은 Taylor Hobson 3차원 표면 거칠기 측정기를 이용하여 그루브(Groove) 가공면을 3회씩 측정 후, 그 평균값을 중심선 평균 거칠기로 나타내었다. Fig.
- 초고속에어터빈 스핀들을 이용한 구리의 마이크로 엔드밀링에서 가공변질층에 대한 평가 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 초고속에어터빈 스핀들은 최대회전수 160, 000rpm이고, 스핀들의 회전 정밀도는 1/㎛이하의 값을 갖고 있다. 스핀들의 공압 특성 평가에서는 각각의 회전속도에 따른 공압이 안정적인 조건을 선정하였다.
- 본 실험에서는 초고속에어터빈 스핀들에 플랫타입(Flat type)의 엔드밀을 장착하였고, 가공 실험은 고속 머시닝센터 (MAKINO V55)의 주축에 스핀들을 부착시켜 사용하였다. 그리고 가공 변질층의 깊이를 평가하기 위해 광학현미경 시스템을 이용하여 변질층을 가시적으로 관찰하였다.
- 마이크로엔드밀링시 가공조건 변화에 따른 가공 특성 및 가공 변질 층의 특성을 파악하기 위해 구리(Copper) 소재를 블록 형상으로 제작하였다. 가공실험은 00.
- 제작하였다. 가공실험은 00.8mm 마이크로공구로 150m/min절삭속도 이상의 미세가공을 실현하는 조건을 선정하였다. 즉 에어스핀들 속도 60, 000-160, OOOrpm 으로 각각 20, OOOrpm씩 증가시키며, 날 당이송 변화와 절삭 깊이 변화에 따라 가공하였다.
데이터처리
- 실험은 지그를 이용한 광학 회전 속도계(Tachometer)로 각각의 공압에 따라 1분간 스핀들의 회전수를 측정하였고, 측정거리는 10mm로 하였다. 또한 측정 오차를 고려하여 각 조건마다 10회씩 측정한 후 평균값을 나타내었다.
성능/효과
- endmill)로 절삭가공을 수행하였다. 초고속 에어 터빈 스핀들의 성능은 각각의 회전 속도에 따른 진동 특성을 분석하였고, 또한 에어 공급이 가장 안정적인 조건선정으로 회전 안정화를 구현하였다. 마이크로 가공시스템을 이용하여 구리(Copper) 마이크로 엔드밀링의 가공특성 및 표면 변질층을 가공조건에 따라 평가하였다.
- 본 실험을 통해 초고속에어터빈 스핀들에 대한 적정 공압조건(0.30~0.55MPa)을 선정하였고, 이로 인해서 회전 안정화를 실현할 수 있었다. 또한, 초고속에어터빈 스핀들의 동특성 실험을 위해서 진동 특성을 잘 반영할 수 있는 진동가속도계(Accelerometer, B&K Response Freq.
- 가공시 주축의 상태가 공구상태에 가장 큰 영향을 미치므로 스핀들 하우징에 이송 방향과 반경 방향으로 가속도계를 부착하여 가속도 신호를 획득하였고, 스핀들 속도에 따른 진동 가속도 신호를 검출한 결과, 이송 방향 진동 가속도가 반경 방향의 값보다 더 크게 증가하고 있으며, 120, 000rpm과 130, 000rpm 부근에서 피크(Peak)를 나타내었다. 이것은 방향에 따라 스핀들의 진동 패턴이 다름을 보이고 있고, 이 영역 대에 공진이 발생하고 있음을 알 수 있었다.
- 그러므로 안정된 가공과 가공품질의 향상을 위해서는 공구의 런아웃을 개선해야 할 필요가 있다. 스핀들 속도가 증가할수록 가공변질층은 상향 밀링과 하향 밀링 모두 감소하는 경향이 나타났고, 가공변질층의 특성에서는 초고속일 때 절삭 저항이 감소한다는 것을 알 수 있다. 그리고 절삭 깊이가 증가하면 가공변질층의 깊이도 같이 증가하고 있다.
- 8에 나타내었다. 절삭력 특성은 반경 방향보다는 이송 방향의 절삭력이 더 크게 나타났다. 그리고 절삭 깊이가 작은 50, 100㎛에서는 치수효과(Size effect)에 의해 절삭력 변화가 미소 하나, 그 외의 경우 절삭력은 일괄적으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 절삭력 특성은 반경 방향보다는 이송 방향의 절삭력이 더 크게 나타났다. 그리고 절삭 깊이가 작은 50, 100㎛에서는 치수효과(Size effect)에 의해 절삭력 변화가 미소 하나, 그 외의 경우 절삭력은 일괄적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 초고속으로 갈수록 절삭력은 감소하는 경향이 나타났다.
- 그리고 절삭 깊이가 작은 50, 100㎛에서는 치수효과(Size effect)에 의해 절삭력 변화가 미소 하나, 그 외의 경우 절삭력은 일괄적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 초고속으로 갈수록 절삭력은 감소하는 경향이 나타났다. 그러나 가공변질층과는 밀접한 관련이 없는 것으로 나타났다.
- 따라서 고품위의 표면거칠기를얻기 위해서는 공구의 절삭 깊이를 줄이거나 회전 속도를 더 높여서 날 당 제 거량을 줄이는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다. 본 실험에서는 160, 000rpm, 이송 속도 4㎛/tooth, 절삭 깊이 50/zm에서 약 Ra 185nm(Cut-off length 0.8mm) 정도의 비교적 양호한 표면 거칠기를 얻었다. 이러한 가공 면의 품위는 거의 연마에 의한 경면 가공과 비슷한 수준에 이른다.
- (1) 스핀들의 회전수가 증가함에 따라 가공변질층은 감소하였고, 동일 조건 하에 절삭 깊이가 증가함에 따라서는 가공 변질 층 또한 증가하였다.
- (2)가 공변질층은 상향 밀링 보다는 하향 밀링시에 적게 발생하였고, 절삭 깊이가 증가함에 따라 절삭력은 증가하였다.
- (3) 가공면의 거시적 정밀도인 표면거칠기와 미시적 정밀도인 가공변질층과는 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.
- (4) 초고속 에어터빈 스핀들을 활용한 미세 그루브 가공은 기존 가공기에서 가공변질층을 크게 줄일 수 있는 방법임을 확인하였다.
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