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문제 정의
- 본 연구는 MQL을 이용한 선삭가공에서 기 수행했던 SM45C 소재에 대한 연구에 이어 A1 6061 소재에 대해 고찰하고자 한다. 기존의 연구결고]는 완전요인배치법 을 사용하여 각 인자들과 특성 치의 상관관계를 분산분석을 통해 고찰하고, MQL 가공과 습식가공의 효과를 비교 검증하는데 초점을 맞추었다.
- 본 연구는 MQL을 이용한 선삭가공에서 최적의 절삭조건을 선정하기 위한 실험식을 제시하고, 구축된 모델을 바탕으로 각각의 절삭조건과 MQL 공급환경의 조합에 따른 주분력과 표면거 칠기의 변화를 분석하고자 하였다. 본 실험에서 수행한 가공조건의 범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 기존의 연구결고]는 완전요인배치법 을 사용하여 각 인자들과 특성 치의 상관관계를 분산분석을 통해 고찰하고, MQL 가공과 습식가공의 효과를 비교 검증하는데 초점을 맞추었다. 본 연구에서는 요인선정실험과 최적화 실험을 통한 단계적 최적화를 수행하여 최적의 절삭조건을 선정하기 위한 실험식을 제시하고, 구축된 모델을 바탕으로 각각의 절삭조건과 MQL 공급환경의 조합에 따른 절삭력과 표면거칠기의 변화를 분석하는데 초점을 맞추었다. 이를 위해 일부실시법(FFD : fractional factorial design) 과 반응표면법 (RSM : response surface methods)을 이용하여 실험계획을 수립하고, 실험계획에 따라 A1 6061의 원통외경 선삭을 실시하여 여러 절삭조건과 MQL 공급환경의 변화에 따른 절삭력과 표면거칠기를 측정하였다.
가설 설정
- 일반적으로 교호효과가 존재하지 않고 주효과만이 특성치에 유의한 영향을 줄 경우 주효과가 고려한 특성치들에 대해 일관된 경향을 가진다면 그 주효과는 특성치에 가장 좋은 영향을 미치는 수준으로 고정할 수 있다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 공급공기압의 경우 8bar라는 고정인 자로 선정하였다.
제안 방법
- 중심합성법에는 Cube모형과 Axial모형이 있으며 본 실험에서는 죽점(axial point, 10개), 중심점(center point, 10개), 2k 요인실 험점(cube point, 32개)을 갖는 Cube모형으로 5개의 인자에 대해 회전성을 만족하는 a 값 2378로 상용소프트웨 어 인 MINITAB 을 사용하여 설계하였다. 인자의 수준은 공구회사의 추천절삭조건과b 요인선정실험결과를 참조하여 선정하였다.
- 2. 반응표면법을 이용하여 MQL 공급환경과 가공조건에 따라 주분력과 표면거칠기를 예측할 수 있는 실험식을 제시하였다.
- 3. 중첩 등고선도 방법을 이용하여 주분력과 표면 거칠기가 특정 범위를 만족하는 MQL 공급환경 및 가공조건의 조합을 제시하였다.
- MQL 선삭가공시 주분력에 대한 반응표면 모형은 유의하지 않은 것으로 나타난 MQL 공급 라인 길이 X 절삭속도, 노즐직경X절삭속도, 노즐 직경 X 회전 당이 송의 교호효과와 노즐직경, 회전당이송, 절삭 깊이의 제곱항을 풀링시켜 구하였다. 이때 잔차분석결과 정규분포를 잘 따르고, 결정계수가 98.
- MQL 선삭가공시 표면거칠기에 대한 반응표면모형은 유의하지 않은 것으로 나타난 MQL 공급라인 길이 X 노즐 직경, MQL 공급 라인 길이 X 절삭속도, 노즐직경X절삭속도, 노즐직경X절삭깊이, 절삭속도 X 회전당 이송, 절삭속도X절삭깊이의 교호 효과와 노즐직경, 절삭속도, 절삭깊이의 제곱항을 풀링시켜 구하였다. 이때 잔차분석결과 정규분포를 잘 따르고, 결정계수가 98.
- MQL을 이용한 선삭가공에서 가공조건이 표면 거칠기 및 절삭력에 미치는 영향을 분석하기 위해 상용프로그램인 MINITAB을 이용하여 실험계획을 수립하고, 실험계획에 따라 원통외경 선삭을 실시하여 절삭력과 표면거칠기를 측정하였다.
- 대해 고찰하고자 한다. 기존의 연구결고]는 완전요인배치법 을 사용하여 각 인자들과 특성 치의 상관관계를 분산분석을 통해 고찰하고, MQL 가공과 습식가공의 효과를 비교 검증하는데 초점을 맞추었다. 본 연구에서는 요인선정실험과 최적화 실험을 통한 단계적 최적화를 수행하여 최적의 절삭조건을 선정하기 위한 실험식을 제시하고, 구축된 모델을 바탕으로 각각의 절삭조건과 MQL 공급환경의 조합에 따른 절삭력과 표면거칠기의 변화를 분석하는데 초점을 맞추었다.
- 이에 MQL 공급 방향과 공구마모 등의 상관관계에 대한 연구가9 진행되고 있으나 본 연구에서는 MQL 공급방향을 일반적으로 절삭유 사용 시 현장에서 주로 공급하는 방향인 경사면으로 고정하여 공급방향에 따른 차이를 고려하지 않았다. 모든 실험은 노즐과 공구선단 간의 거리를 15mm로 45° 방향에 경사면상에 공급하였다. MQL 공급장치에 사용된 절삭유는 LubriFluid F100 으로 사양은 Table 3과 같다.
- 반응표면 모형의 구축 및 회귀식 추정을 위해 모든 인자에 대한 반응표면 형태를 고려하는 완전 2차 다항형으로 예측모델을 설정하여 구한 후 잔차분석과결정계수를 이용하여 선택한 회귀모형의 적합 여부를 판정하였다. 선택한 모형이 적합하지 않을 경우는 분산분석표에서 유의하지 않은 항들을 풀링 (pooling)시키는 반응표면 모형 축소를 통하여 모형을 다시 구축하고 최종적으로 회귀식을 추정하였다.
- 본 실험에서는 일부실시법의 결과를 바탕으로 공급 공기압은 8bar로 고정시 키고, MQL 공급 라인 길이, 노즐 직경, 절삭속도, 회전당이송, 절삭깊이의 5개 인자를 가변시켜 MQL 공급환경과 가공조건의 변화가 표면거칠기와 주분력에 미치는 영향을 규명하고, 최적의 절삭조건을 선정하기 위해 반응표면실험을 수행하였다.
- 반응표면 모형의 구축 및 회귀식 추정을 위해 모든 인자에 대한 반응표면 형태를 고려하는 완전 2차 다항형으로 예측모델을 설정하여 구한 후 잔차분석과결정계수를 이용하여 선택한 회귀모형의 적합 여부를 판정하였다. 선택한 모형이 적합하지 않을 경우는 분산분석표에서 유의하지 않은 항들을 풀링 (pooling)시키는 반응표면 모형 축소를 통하여 모형을 다시 구축하고 최종적으로 회귀식을 추정하였다.
- 실험 설계는 기 수행했던 실험결과와3 참고문헌을 8 바탕으로 6개의 인자에 대해 분석도 VI의 1/2 일부실시법(爲T)올 이용하였으며 특성치는 주분력과 표면거칠기로 하였다. Table 4에 실험에 사용된 인자와 수준을 나타내고 있다.
- 실험배치는 특성치에 영향을 미치는 주 요인을 선별하기 위하여 요인선정실험을 통하여 일차적으로 특성치에 큰 영향을 주는 주요 인자들을 선정한 후 반응표면실험을 이용하여 절삭력과 표면 거칠기를 향상시킬 수 있는 최적 절삭조건을 선정하였다.
- 이상의 결과로부터 본 연구에서 고려한 소재-공구 조합의 MQL 선삭가공시 MQL 공급 라인길이, 노즐직경, 절삭속도, 회전당이송, 절삭깊이에 따른 표면 거칠기를 예측할 수 있는 실험식을 식 (2)와 같이 구하였다.
- 이 달라질 수 있다. 이에 MQL 공급 방향과 공구마모 등의 상관관계에 대한 연구가9 진행되고 있으나 본 연구에서는 MQL 공급방향을 일반적으로 절삭유 사용 시 현장에서 주로 공급하는 방향인 경사면으로 고정하여 공급방향에 따른 차이를 고려하지 않았다. 모든 실험은 노즐과 공구선단 간의 거리를 15mm로 45° 방향에 경사면상에 공급하였다.
- " 중심합성법에는 Cube모형과 Axial모형이 있으며 본 실험에서는 죽점(axial point, 10개), 중심점(center point, 10개), 2k 요인실 험점(cube point, 32개)을 갖는 Cube모형으로 5개의 인자에 대해 회전성을 만족하는 a 값 2378로 상용소프트웨 어 인 MINITAB 을 사용하여 설계하였다. 인자의 수준은 공구회사의 추천절삭조건과b 요인선정실험결과를 참조하여 선정하였다. Table 7은 반응표면 실험에 사용된 인자와 수준을 보여주고 있다.
- 절삭력은 선반의 공구대 위에 공구를 장착한 공구 동력계 (9257B type_Kistler) 를 부착하여 주분력 (principal cutting force)을 즉정하였으며, 표면거칠기는 Mitutoyo사의 촉침식 표면조도기(Surftest SV-624)를이 용하여 중심선 평균 거칠기(Ra)를 즉정 하였다. 측정값은 임의로 정한 3곳의 표면거칠기값을 측정하여 그 값들의 평균을 이용하였다.
- 추정한 실험식을 이용하여 MQL 선 삭 가공에서 원하는 가공성을 만족할 수 있는 MQL 공급환경 및 가공조건의 조합을 구하기 위해 중첩 등고선도 (overlaid plot)를 이용하여 주분력과 표면거칠기가특정 수준을 만족하는 가공조건의 범위를 구하였다. 중첩 등고선도 방법은 다수의 반응변수에 대한 개별적인 등고선을 겹쳐보는 방법으로 어떤 반응변수에 관한 최적조건이 다른 반응변수에 관해서는 최적에서 멀리 떨어져 있을 수 있음을 시각적으로 보여준다.
- 추정한 회귀 모형에 의한 실험식의 정확성과 회귀 모형 추정에 사용된 실험값의 정확성을 검증하기 위해 검증 실험을 수행하였다. 검증 실험은 임의로 선정한 6가지 가공조건에 대해 실험을 수행하여 본 연구에서 제시한 실험식에 의한 예측값과 실험값의 차이를 비교하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 실험재는 A1 6061이며, 모든 실험은 초기 길이 155mm, 직경 60mm의 환봉을 Fig. 2와 같은 형상과 치수로 가공하여 사용하였다.
- 실험을 위해 Fig. 1과 같이 선반, MQL 공급장치, 공기 정화 장치 컴프레서(compressor)로 가공시스템을 구성하였다. MQL 공급 장치는 독일 VOGEL사의 Vario UFV10-001 로 세부사양은 Table 2 와 같다.
- 이상의 결과로부터 본 연구에서는 MQL 공급 라인 길이, 노즐 직경, 절삭속도, 회전당이송, 절삭깊이의 5개 인자를 Al 6061 소재의 MQL 선삭가공 시가 공성에 영향을 미치는 제어인자로 선정하였다.
- 절삭공구는 노즈반경이 0.4mm, ISO 분류로 K10인 카바이드 인서트(CCGT 120404 FL_TaeguTec)를사용하였으며, 공구홀더는 외경 선삭용으로 옆날각(approach angle)과 앞날각(end cutting edge angle) 이 각각 5° 이고 절입각(entering angle)은 95° 인 홀더를 사용하였다.
데이터처리
- 위해 검증 실험을 수행하였다. 검증 실험은 임의로 선정한 6가지 가공조건에 대해 실험을 수행하여 본 연구에서 제시한 실험식에 의한 예측값과 실험값의 차이를 비교하였다. 임의로 선정한 가공조건은 Table 8과 같으며 정밀한 측정결과를 위해 실험은 각각의 실험조건에 대해 2회 반복 하였다.
- 하였다. 측정값은 임의로 정한 3곳의 표면거칠기값을 측정하여 그 값들의 평균을 이용하였다.
- 이를 위해 일부실시법(FFD : fractional factorial design) 과 반응표면법 (RSM : response surface methods)을 이용하여 실험계획을 수립하고, 실험계획에 따라 A1 6061의 원통외경 선삭을 실시하여 여러 절삭조건과 MQL 공급환경의 변화에 따른 절삭력과 표면거칠기를 측정하였다. 측정된 데이터는 분산분석과 회귀분석을 이용하여 분석하였으며, 마지막으로 제시된 실험모델의 검증을 위해 임의조건에서의 검증실험을 수행하였다.
이론/모형
- 반응표면실험 설계를 위하여 2차 모형의 제곱항들의 효율적인 추정이 가능하고, 실험계획 의 바람직 한 특성인 직교 블록화(orthogonal blocking) 및 회 전성 (rotatability)의 구현 이용이 한 중심 합성 법 (CCD : central composite design)을 사용하였다." 중심합성법에는 Cube모형과 Axial모형이 있으며 본 실험에서는 죽점(axial point, 10개), 중심점(center point, 10개), 2k 요인실 험점(cube point, 32개)을 갖는 Cube모형으로 5개의 인자에 대해 회전성을 만족하는 a 값 2378로 상용소프트웨 어 인 MINITAB 을 사용하여 설계하였다.
- 특성치에 대한 각 인자들의 영향력을 분석하여 주요 인자를 선택할 필요가 있다. 본 실험에서는 요인선정을 위해 일반적으로 많이 사용하는 방법인 2 수준계의 일부실시법을 이용하였다.
- 실험결과를 이용하여 반응표면 모형을 구축한 후, 모형 적합(model fitting)을 이용하여 반응 값에 대한 2차 다항 모형의 추정식을 구하였다. 반응표면 모형의 구축 및 회귀식 추정을 위해 모든 인자에 대한 반응표면 형태를 고려하는 완전 2차 다항형으로 예측모델을 설정하여 구한 후 잔차분석과결정계수를 이용하여 선택한 회귀모형의 적합 여부를 판정하였다.
- 본 연구에서는 요인선정실험과 최적화 실험을 통한 단계적 최적화를 수행하여 최적의 절삭조건을 선정하기 위한 실험식을 제시하고, 구축된 모델을 바탕으로 각각의 절삭조건과 MQL 공급환경의 조합에 따른 절삭력과 표면거칠기의 변화를 분석하는데 초점을 맞추었다. 이를 위해 일부실시법(FFD : fractional factorial design) 과 반응표면법 (RSM : response surface methods)을 이용하여 실험계획을 수립하고, 실험계획에 따라 A1 6061의 원통외경 선삭을 실시하여 여러 절삭조건과 MQL 공급환경의 변화에 따른 절삭력과 표면거칠기를 측정하였다. 측정된 데이터는 분산분석과 회귀분석을 이용하여 분석하였으며, 마지막으로 제시된 실험모델의 검증을 위해 임의조건에서의 검증실험을 수행하였다.
성능/효과
- 공급 공기압의 경우 분산분석결과 주 분력에는 주 효과와 교호효과 모두 주요한 영향을 미치지 않고, 표면거칠기에는 주효과가 주요한 영향을 미치는 것으로 분석 되었으며 Fig. 3의 절삭력과 표면 거칠기에 대한 주효과도를 살펴보면 공급공기압이 높을수록 절삭력과 표면거칠기가 줄어드는 일관된 경향을 확인할 수 있다. 일반적으로 교호효과가 존재하지 않고 주효과만이 특성치에 유의한 영향을 줄 경우 주효과가 고려한 특성치들에 대해 일관된 경향을 가진다면 그 주효과는 특성치에 가장 좋은 영향을 미치는 수준으로 고정할 수 있다고 판단된다.
- 4의 제한 조건과 동일한 결과를 만족하는 절삭조건의 범위를 나타내고 있다. 분석 결과 제한된 주분력을 만족하는 가공조건의 조합은 존재하지만 표면거칠기를 만족시키는 가공조건의 조합은 존재하지 않는 것으로 나타났다. 여기서 표면 거칠기를 만족하는 가공조건의 조합이 존재하지 않는 것은 고정한 회전당이송의 범위를 OJmm /rev 이상으로 하였기 때문으로 판단된다.
- 나타낸다. 분석된 결과의 정도를 확인하기 위해 일반적으로 많이 사용되는 측도인 결정계수(coefficient of determination)를 고찰하였으며, 그 결과 절삭력에 대해서는 99.6%, 표면거칠기에대해서는 84.8%로 나타났다.
- 이상의 결과로부터 Fig. 4, 6의 경우는 제한된주분력과 표면거칠기의 조건을 만족하는 가공조건의 조합이 존재하나 Fig. 5의 경우는 존재하지 않는것으로 나타났다. 일반적인 가공작업에서는 가공기의 사양이나 공장의 환경 등으로 인해 특정 조건을 고정해야 하거나 변경시킬 수 없는 경우가 종종 발생한다.
- 4는 MQL 공급 라인길이, 노즐직경과 절삭 깊이가 특정 수준으로 고정되고 절삭속도와 회전당이 송이 변할 때 주분력 50N, 표면거칠기 1㎛ 이하를 만족하는 절삭조건의 범위를 나타내고 있다. (a) 에서 (。조건의 조합으로 갈수록 제한된 조건을 만족하는 가공조건의 범위가 줄어드는 것으로 나타났다.
- 05보다 작으면 그 인자는 특성치에 유의한 것으로 볼 수 있다. 주분력에는 MQL 공급 라인 길이, 절삭속도, 회전당이송, 절삭깊이의 주효과와 MQL 공급 라인길이X절삭깊이, 회전당이송X절삭깊이의 교호 효과가 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 표면 거칠기에 주요한 영향을 미치는 인자는 공급 공기압, 회전 당이 송의 주효과와 MQL 공급 라인길이X절삭깊이, 노즐 직경X절삭깊이, 절삭속도X회전당이송, 회전당 이송 X 절삭 깊이의 교호효과로 나타났다.
- 주분력에는 MQL 공급 라인 길이, 절삭속도, 회전당이송, 절삭깊이의 주효과와 MQL 공급 라인길이X절삭깊이, 회전당이송X절삭깊이의 교호 효과가 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 표면 거칠기에 주요한 영향을 미치는 인자는 공급 공기압, 회전 당이 송의 주효과와 MQL 공급 라인길이X절삭깊이, 노즐 직경X절삭깊이, 절삭속도X회전당이송, 회전당 이송 X 절삭 깊이의 교호효과로 나타났다.
- 표면거칠기의 경우는 전 실험조건에 대해 예측 값이 실험값에 비해 조금 높게 나타났으며, 절삭력의 경우에 비해 예측값과 실험값의 오차가 크게 나타났다. 그러나 가공조건의 변화에 따른 실험값과 예측값의 변화가 전체적으로 동일한 경향을 보이므로 제시된 실험식을 이용하여 선정된 가공조건들의 조합에 대한 표면거칠기의 대략적인 경향을 파악하는 데에는 문제가 없을 것으로 판단된다.
후속연구
- 4. 검증실험을 통해 제시된 실험식의 정확성을 검증하였으며, 검증 실험 결과 제시된 식은 본 연구에서 고려된 가공조건의 범위 내에서 가공조건에 대한 사전 검증 및 주분력과 표면거칠기 측면에서 최적 가공조건을 선정하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서 본 논문에서 고려한 소재-공구 조합에 대해 제시한 주분력과 표면거칠기식은 논문에서 고려한 가공조건의 범위 내에서는 타당한 것으로 판단되며, 선정된 가공조건에 대한 사전 검증 및 절삭력과 표면거칠기 측면에서 최적 가공조건을 선정하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 고려한 소재-공구 조합에 대해 고려한 가공조건의 범위 내에서는 제시된 실험식을 바탕으로 한 중첩 등고선도 방법을 이용하여 각각의 가공작업환경을 고려하면서 원하는 가공결과를 얻을 수 있는 인자들의 최적 수준 조합을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.
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