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문제 정의
- 수 있다. 본 연구에서는 경사면의 치수는 배제하고 직접 측정이 가능한 직선부위만 측정하여 치수의 변화를 확인하였다. 도면 치수 그대로 Solid Works에서 모델링 하였고, Cimatron으로 NC데이터를 생성하고 가공하였기 때문에 도면 치수를 기준 치수로 하였다.
- 본 연구에서는 제작시간의 단축과 반복 재현성의 확보를 목적으로 방전가공에 의해 제작되던 냉간 단조용 직선 베벨기어 금형을 전용 고속가공기 대신 현재 제조 현장에서 주로 사용하고 있는 범용 머시닝센터를 이용하여, 열처리된 합금공구강(STD11, HRC 60)을 볼 엔드밀(#)로 가공하는 연구를 수행하였다. 금형의 모델링은 CAD/CAM을 이용하여 모델링하고 가공 후 물림 시험(Rolling Test)을 통해 검증된 데이터를 이용하였다.
제안 방법
- 3차원측정기를 이용하여 금형의 내경을 측정하였다. 가공 후의 치수는 기준치수 대비 0.
- 머시닝센터 및 측정기로 구성되어 있다. CAD 프로그램인Solid Works로 모델링 하였다. CAM프로그램은 Cimatron으로 NC코드를 생성하고 검증하였다.
- CAD 프로그램인Solid Works로 모델링 하였다. CAM프로그램은 Cimatron으로 NC코드를 생성하고 검증하였다. 가공용 머시닝센터는 화천 SIRIUS-550 모델을 사용하였다.
- Cimatron을 이용하여 모의 가공과 치수 검증을 마친 후 NC데이터를 생성하였다 데이터는 RS-232C로 머시닝센터에 전송하면서 가공하였다. Fig.
- 이는 표면거칠기에 직접 관계가 되며 면 공차를 작게 할수록 모델링 제품에 근접하게 되지만 NC 데이터의 길이가 길어지며, 또한 가공시간이 길어지는 단점이 있어 적절히 제품과 경제성을 고려하여 면 공차를 설정할 필요가 있다. 가공 조건에서 면 공차를 3|im으로 설정하여 NC데이터를 생성하고 가공하였다. 시편의 경우는 곡면과 달리 경사면이 직선부이기 때문에 적은 영향을 준 것으로 판단된다.
- NC코드는 Cimatron을 이용하여 생성하였다. 가공 조건은 공구의 변형을 최소화하고 형상 정밀도를 확보하기 위해 동일한 반경 의 공구인 R1 볼 엔드밀을 사용하여 중삭 가공공정과 정삭 가공공정으로 구분하였다. 중삭 가공공정은 열처리 변형과 황삭 가공에서 반경이 큰 볼 엔드밀을 사용함으로서 코너 부분에 많이 남는 절삭량을 전체적으로 일정하게 남기도록 할 수 있다.
- 측정된 값은 면 공차와 공구의 변형과 치핑 및 공구의 떨림, 기계의 정밀도 등 복합적 원인으로 나타난 결과로 생각할 수 있다. 각 부위별 진원도와 더불어 형상 정밀도를 알기 위해 동심도를 측정하였다. 측정부는 수직부인 Fig.
- 4배가 크게 측정되었다. 경사면의 경우는 절삭 깊이를 수직 스텝을 고정하여 가공하는 레이어(등고선) 가공을 하였다. 동일 수직 스텝을 적용한 경우는 식 (1)과 (4)에 의해 경사각이 클수록 최대 표면 거칠기가 양호한 것으로 계산된다.
- Wang 등은 경사면에 대한 표면 거칠기는 경사위치각이 작을수록 양호한 표면거칠기의 연구 결과를 얻었다. 경사위치각이 클 경우 공구의 바깥날로 절삭이 이루어질 때 절삭속도가 최대가 되고 이러한 과도한 절삭속도는 공구의 미세한 떨림이나 채터링 현상을 일으키는 원인이 되며, 가공시 채터 링은 표면거칠기에 악영향을 줄 수 있는 중요한 요소로 분석하였다. 본 연구에서는 위 연구와 달리 동일한 레이어(등고선)의 경우는 경사각이 클수록 이론 최대 표면거 칠기는 좋아진다는 것과 같이 동일한 경향으로 실험 결과를 얻었다.
- 공구의 회전수와 이송은 공구 업체의 추천 속도를 이용하여 본 실험에 사용된 장비에 맞게 비례적으로 낮추어 적용하였다. 공구의 변형은 상방향 하향절삭이 곡면 경사위치각 변화에 대하여 가장 양호한 결과를 얻은 연구가 있으나, 본 연구에서는 제품의 특성을 고려하여 하방향, 하향절삭 조건을 적용하였다. 고속가공을 이용한 고경도 소재 가공시 냉각방법에 의한 가공 특성에서 건식 냉각 방식이 정상적인 마멸로 바람직하다는 연구 결과에 의해 공기에 의한 냉각 방식을 택하였다.
- 45µm로 계산되었다. 공구의 회전수와 이송은 공구 업체의 추천 속도를 이용하여 본 실험에 사용된 장비에 맞게 비례적으로 낮추어 적용하였다. 공구의 변형은 상방향 하향절삭이 곡면 경사위치각 변화에 대하여 가장 양호한 결과를 얻은 연구가 있으나, 본 연구에서는 제품의 특성을 고려하여 하방향, 하향절삭 조건을 적용하였다.
- 본 연구에서는 경사면의 치수는 배제하고 직접 측정이 가능한 직선부위만 측정하여 치수의 변화를 확인하였다. 도면 치수 그대로 Solid Works에서 모델링 하였고, Cimatron으로 NC데이터를 생성하고 가공하였기 때문에 도면 치수를 기준 치수로 하였다. 직접 측정이 가능한 Fig.
- 6#사이가 된다. 따라서 시편은 제작할 베벨기어 금형의 각도를 포함하는 30°, 45°, 60°가 되게 설계하고 제작하였다. 재질은 냉간 단조용 금형의 재료로 많이 사용되고 있는 STD11 을 사용하였다.
- 베벨기어 금형을 직접 제작하기 전에 가공 시 공구의 변형으로 인한 최종 치수의 변화와 가공 후 측정이 곤란한 표면 거칠기와 형상정밀도를 사전에 파악하기 위해 가공용 시편을 제작하였다. Fig.
- 베벨기어 형상이 있는 인서트의 경우는 STD 11, 보강링은 SCM4402] 재질을 사용하였다.보강링은 선반에서 황삭 가공을 하고 열처리한 후 연마하여 제작을 완료하였으며, 인서트의 경우는 선삭으로황삭 가공을 하고 베벨기어의 치형은 머시닝센터를 이용하여 가공한 후 열처리를 하였다. 열처리된 인서트는 외부를 연마한 후에 보강링에 압입하였다.
- 본 연구는 열처리된 고경도의 STD11(HRC 60) 직선 베벨기어 금형을 머시닝센터에서 볼 엔드밀로 제작하였다- 치수는 직접 측정하였으며, 기어의 특성상 측정이 어려운 부분은 시편을 통해 사전에 최대 거칠기, 진원도, 동심도를 즉정하여비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에 사용된 금형의 베벨 기어는 Table 2의 사양에 준해 CAD/CAM을 이용하여 모델링하고 가공 후 물림 시험을 통해 검증된 데이터의 크라운을 갖는 직선 베벨기어의 모델을 이용하여 Solid Works를 이용하여 금형을 3차원 모델링하였다(Fig. 9).
- 또는 3중 보강으로 금형을 제작한다. 본 연구에는 2중 보강 형태의 금형으로 제작 하였다. 베벨기어 형상이 있는 인서트의 경우는 STD 11, 보강링은 SCM4402] 재질을 사용하였다.
- 금형의 모델링은 CAD/CAM을 이용하여 모델링하고 가공 후 물림 시험(Rolling Test)을 통해 검증된 데이터를 이용하였다. 사전에 기초실험을 통하여 치수의 정밀도, 표면 거칠기, 형상정밀도를 확인하였다. 이를 토대로 직선 베벨기어 금형을 같은 절삭 조건으로 가공함으로서 기초 자료를 확보하였다.
- Cimatron 을 이용하여 모의 가공과 검증을 마친 후 NC데이터를 생성하였다. 생성된 데이터는 DNC를 이용하여 RS-232C로 머시닝센터에 전송하면서 가공을 하였다.
- 재질은 냉간 단조용 금형의 재료로 많이 사용되고 있는 STD11 을 사용하였다. 소재를 황삭 후에 열처리를 하였으며 경도는 HRC 60이 되었다. 최종적으로 베벨기어 금형의 열처리 후 가공 조건과 동일하게 하기 위해 CNC 선반으로 가공하여 완성하였다(Fig.
- 시편과 금형은 STD 11재질로 가공 후 열처리하여 사용하였다. 실험 후 치수 측정은 3차원 측정기, 표면조도기(독일 Mahu사 MFW-250), 진원도 측정기(일본 MITUTOYO사 RA-116), 공구현미경(일본 MITUTOYO 사 MF-UA2010B)을 사용하였다.
- 열처리 후 치형 부분만 가공하는 것으로 설정하여 중삭, 정삭가공을 하였다. 가공조건은 기초실험과 동일한 조건인 Table 1을 기준으로 하였으며, 소프트웨어를 이용한 사전 모의가공으로 공구의 간섭 여부와 가공시간 등을 확인하였으며, 검증 시뮬레이션으로 치면 접촉부 패턴을 확인 후 포스트 프로세서를 통해 NC데이터를 생성하였다.
- 열처리된 인서트는 외부를 연마한 후에 보강링에 압입하였다. 열처리되고 압입된 금형을 중삭가공과 정삭 가공을 하는 공정으로 금형을 가공하여 열처리 시의 변형과 압입시 발생할 수 있는 변형량을 제거하는 치수로 제작하였다.
- 사전에 기초실험을 통하여 치수의 정밀도, 표면 거칠기, 형상정밀도를 확인하였다. 이를 토대로 직선 베벨기어 금형을 같은 절삭 조건으로 가공함으로서 기초 자료를 확보하였다.
- 제작이 가능하였다. 이를 통해 가공시간의 단축과 반복 재현성을 확보하였다.
- 02mm으로 일정하게 하였다. 정삭 가공은 표면 거칠기를 기준으로 수평, 수직 스텝을 선정하였다. 최대 거칠기가 0.
- 11은 CAM 시스템의 검증 기능으로 금형의 치면부 크라운을 확인하는 그림이다. 직선 베벨기어 금형의 모델링을 기준으로 치수 변위를 0.01 로 하여 비교하였다. 비교 결과 0.
대상 데이터
- 사용된 공구와 가공 조건은 Table 1과 같다. Cimatron 을 이용하여 모의 가공과 검증을 마친 후 NC데이터를 생성하였다. 생성된 데이터는 DNC를 이용하여 RS-232C로 머시닝센터에 전송하면서 가공을 하였다.
- 열처리 후 치형 부분만 가공하는 것으로 설정하여 중삭, 정삭가공을 하였다. 가공조건은 기초실험과 동일한 조건인 Table 1을 기준으로 하였으며, 소프트웨어를 이용한 사전 모의가공으로 공구의 간섭 여부와 가공시간 등을 확인하였으며, 검증 시뮬레이션으로 치면 접촉부 패턴을 확인 후 포스트 프로세서를 통해 NC데이터를 생성하였다. Fig.
- 최고 회전수는 10, 000 rpm이며, 최고 절삭속도는 24, 000mm/min에 이른다. 공구의 재질은 MITSUBISH사의 극초미립자 초경이며, (Al, Ti)N 코팅된 고경도용 볼 엔드밀로 HRC 60까지 가공이 가능한 것을 사용하였다. 시편과 금형은 STD 11재질로 가공 후 열처리하여 사용하였다.
- 수행하였다. 금형의 모델링은 CAD/CAM을 이용하여 모델링하고 가공 후 물림 시험(Rolling Test)을 통해 검증된 데이터를 이용하였다. 사전에 기초실험을 통하여 치수의 정밀도, 표면 거칠기, 형상정밀도를 확인하였다.
- 본 연구에는 2중 보강 형태의 금형으로 제작 하였다. 베벨기어 형상이 있는 인서트의 경우는 STD 11, 보강링은 SCM4402] 재질을 사용하였다.보강링은 선반에서 황삭 가공을 하고 열처리한 후 연마하여 제작을 완료하였으며, 인서트의 경우는 선삭으로황삭 가공을 하고 베벨기어의 치형은 머시닝센터를 이용하여 가공한 후 열처리를 하였다.
- 본 논문의 실험에 사용된 도구는 CAD/CAM시스템과 가공용 머시닝센터 및 측정기로 구성되어 있다. CAD 프로그램인Solid Works로 모델링 하였다.
- 공구의 재질은 MITSUBISH사의 극초미립자 초경이며, (Al, Ti)N 코팅된 고경도용 볼 엔드밀로 HRC 60까지 가공이 가능한 것을 사용하였다. 시편과 금형은 STD 11재질로 가공 후 열처리하여 사용하였다. 실험 후 치수 측정은 3차원 측정기, 표면조도기(독일 Mahu사 MFW-250), 진원도 측정기(일본 MITUTOYO사 RA-116), 공구현미경(일본 MITUTOYO 사 MF-UA2010B)을 사용하였다.
- 따라서 시편은 제작할 베벨기어 금형의 각도를 포함하는 30°, 45°, 60°가 되게 설계하고 제작하였다. 재질은 냉간 단조용 금형의 재료로 많이 사용되고 있는 STD11 을 사용하였다. 소재를 황삭 후에 열처리를 하였으며 경도는 HRC 60이 되었다.
- 8#을 기준으로 이론 최대 거칠기식과 수직, 수평 스텝식을 이용하여 계산하고, 정수화하였다. 평면에서는 수평 스텝을 0.05mm, 경사면에서는 수직 스텝을 0.03mm 로 선정하였다. 이때 식 (1)에 의한 이론 최대 표면 거칠기는 수평면에서 0.
이론/모형
- CAM프로그램은 Cimatron으로 NC코드를 생성하고 검증하였다. 가공용 머시닝센터는 화천 SIRIUS-550 모델을 사용하였다. 최고 회전수는 10, 000 rpm이며, 최고 절삭속도는 24, 000mm/min에 이른다.
성능/효과
- (1) 방전에 의해 제작되던 베벨기어 금형을 머시닝센터에 서고 경도용 볼 엔드밀을 사용하여 황삭-열처리-중삭-정삭공정으로 제작이 가능하였다. 이를 통해 가공시간의 단축과 반복 재현성을 확보하였다.
- (2) 가공된 치수는 공구 변형에 의해 0.02mm 정도 외경은 크게, 내경은 작게 가공되었다.
- (3) 최대 표면거칠기의 경우 수직 스텝을 일정하게 했을 경우 각도가 크게 될수록 양호하였으며 측정값이 이론값보다 8-12배 정도 크게 측정되었지만 4|im이내로 양호하게 가공되었다.
- (4) 진원도의 경우는 수직부위와 경사부위 및 각도에 따른 차이가 미소하였다.
- (5) 향후 고경도의 합금 공구강 소재를 이용한 3차원 형상의 금형 제작에 CAD/CAM과 고경도용 볼 엔드밀을 이용한 제작을 가능하게 하였다.
- 가공후의 표면거칠기는 시편의 평면부와 경사면으로 구분하여 측정하였고 최대 표면거칠기로 비교하였다, 평면 부는 수평 스텝을 기준으로 가공하였으며, 표면 거칠기는 실제 측정값이 이론 계산값보다 약 6.4배가 크게 측정되었다. 경사면의 경우는 절삭 깊이를 수직 스텝을 고정하여 가공하는 레이어(등고선) 가공을 하였다.
- 02mm가 크게 측정되었다. 기준 치수 대비 지름이 증가됨을 알 수 있었다. 이는 엔드밀 가공시 공구의 변형에 따른 일반적인 형태를 나타내고 있다.
- 경사위치각이 클 경우 공구의 바깥날로 절삭이 이루어질 때 절삭속도가 최대가 되고 이러한 과도한 절삭속도는 공구의 미세한 떨림이나 채터링 현상을 일으키는 원인이 되며, 가공시 채터 링은 표면거칠기에 악영향을 줄 수 있는 중요한 요소로 분석하였다. 본 연구에서는 위 연구와 달리 동일한 레이어(등고선)의 경우는 경사각이 클수록 이론 최대 표면거 칠기는 좋아진다는 것과 같이 동일한 경향으로 실험 결과를 얻었다. 이론값보다 측정값이 높은 것은 면 공차, 공구의 변형, 치핑의 영향, 공구의 떨림 기계의 정밀도 등 복합적인 원인의 결과로 사료된다.
- 01 로 하여 비교하였다. 비교 결과 0.03mm의 크라운을 갖는 치형의 금형을 확인할 수 있었다.
- 6은 각 부위별 진원도 측정 결과를 보여준다. 수직부와 경사면부를 비교하였을 때 수직부위가 양호한 진원도를 보여 주고 있으며, 지름이 작을수록 미소하지만 양호한 결과를 나타났다. 경사부의 경우는 8.
- 평면부의 경우는 공구의 절입 깊이에 따라 공구 중심의 절삭속도와 외부의 속도 차이로 중심부에서는 가공되지 않고 외부만 가공됨으로 서 이송의 자리가 분명하게 보이고 있으며, 경사부의 경우는 30°에서 60°로 증가하면서 골의 간격은 좁아짐을 알 수 있다. 이는 수직 스텝을 일정하게 하였을 때 피크 피드가 경사각과 관계가 있으며, 경사각이 클수록 피크 피드가 작아져 표면 최대 거칠기가 좋아지는 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 표면 형상만 관찰한 경우는 30°와 60°의 경우는 일정한 골의 형태를 보여주고 있으며, 45°의 경우는 다소 불규칙한 면을 보여주고 있다.
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