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가설 설정
- 절삭에서 칩과 공구재료 사이의 접합부는 일종의 마찰기구로 형성된다.4) 이런 접합들이 파괴될 때 공구재료의 작은 파편들이 칩 아래 면이나 새로운 가공면 위에서 찢어지거나 함께 떨어져 나간다. 절삭 시 산화막으로 오염되지 않은 새로운 가공면들이 연속적으로 생겨나기 때문에 절삭작업 조건은 응착마모에 적당하고, 새로운 가공면은 용접된 돌출부의 형성을 용이하게 한다.
- 3333px;"> 공구 처짐량은 공구 홀더에 고정된 공구가 절삭력에 의해 처지는 양이다. 이 때, 공구 홀더에 고정된 공구는 외팔보의 형태로 가정한다. 초기의 생성된 공구경로를 계산된 공구 처짐량 만큼 보정하여 새로운 공구 경로를 생성한다.
제안 방법
- 그래픽 모의시험이란 프로그래머가 작성한 가공프로그램의 내용을 검증 및 확인을 위하여 가공물의 형상 및 가공경로를 그래픽으로 표시하면서 실제 가공 중 기계 동작 상태를 나타내는 여러 가지 정보를 실시간으로 표시해 주므로 CAM으로 생성된 파트 프로그램의 오류를 검증하기 위해 반드시 필요한 기능이라 하겠다. 그래서 본 연구에서는 이런 기술을 나타내는 방법으로서 빈 공간(half-space)의 집합으로 물체를 표현하며, 실제로는 모델의 내부와 외부를 구분한 솔리드 모델기법을 사용하여 3D 모의시험 기능을 구현하였다. 이 솔리드 모델링 기법을 이용하여 3차원 그래픽 모의가공 기능을 적용함에 따라 사용자에게 보다 친숙하고 생동감 있는 작성 프로그램의 가공 경로의 확인이 가능하였다.
- 절삭력 산출모듈은 절삭공구의 1회전 절삭을 할 때 절삭공구와 가공물의 절삭량을 고려하여 날에 의해서 절삭되는 칩의 두께를 이용하여 절삭력을 산출하도록 하였고 공구의 절삭력에 의한 처짐량 산출모듈은 산출된 절삭력과 공구형상을 이용하여 공구의 절삭력에 의한 처짐량을산출하였다. 금형의 형상 기울기 보정모듈은 3축 공작기계에서 금형의 형상 기울기에 의해 발생되는 공구의 진입 각을 보정 활용하였으며 진행했던 가공공정 검증 및 보정시스템의 기본 개념은 CAD/CAM시스템을 기본으로 하여 절삭가공 중에 발생하는 오차를 가상가공 방법을 이용하여 해석한 후 오차가 최소화 되도록 공구궤적을 수정하여 가공프로그램을 제공하도록 구성하고 있다. 사용자정의 모듈의 시뮬레이터에서 절삭력, 공구 처짐, 공구궤적 해석을 기반으로 절삭 가공 중에 발생하는 가공오차를 해석하고, 오차가 반영되지 않은 표준 공구궤적과 오차가 보정된 공구궤적을 비교하여 실제 가공시에 공작기계의 진동이나 회전 혹은 절삭재료의 하중에 의해 발생하는 오차를 최소화할 수 있도록 하였다.
- 004mm로 고정하였다. 또 테스트 바아의 센터 구멍과 원통부와의 흔들림 허용차는 0.004mm로 하며 테스트 바아의 지름의 자중에 의한 처짐이 측정치에 영향을 미치지 않도록 정하였다. 직선자 및 직각 평면대의 직선도 허용차는 #mm 로 하고 직선도 측정에 사용하는 강선의 지름은 0.
- 본 연구에서 시도하는 실제 시스템 구축은 간단하고 유용한 방법이 적용된다. UG에서 모델링된 제품 모델의 정보와 CAM에서 생성된 가공정보를 이용하기 위하여 UG에서 지원하는 다양한 UFUNC을 이용하면 공구와 가공물이 교차하는 부분으로부터 단면적을 계산하는 함수를 이용하여 간단하고 빠르게 절삭 단면적을 계산할 수 있다.
- 활용된 상용시스템은 Windows XP환경에서 사용 가능하고, UGP 16과 UFUNC, UI-Styler을 기본 TOOL로 하였다. 사용자 정의 모듈은 가공물과 공구의 형상정보가 입력되면 공구에 작용하는 절삭력을 산출하는 절삭력 산출 모듈, 공구의 절삭력에 의한 처짐량 산출모듈 및 금형 형상의 기울기 보정모듈에 의해서 가공 중에 발생하는 가공정도 특성을 검출하고, 이러한 특성을 기초로 최적 작업 조건과 최적 공구궤적 데이터를 제공 할 수 있게 구성되었다. 절삭력 산출모듈은 절삭공구의 1회전 절삭을 할 때 절삭공구와 가공물의 절삭량을 고려하여 날에 의해서 절삭되는 칩의 두께를 이용하여 절삭력을 산출하도록 하였고 공구의 절삭력에 의한 처짐량 산출모듈은 산출된 절삭력과 공구형상을 이용하여 공구의 절삭력에 의한 처짐량을산출하였다.
- 금형의 형상 기울기 보정모듈은 3축 공작기계에서 금형의 형상 기울기에 의해 발생되는 공구의 진입 각을 보정 활용하였으며 진행했던 가공공정 검증 및 보정시스템의 기본 개념은 CAD/CAM시스템을 기본으로 하여 절삭가공 중에 발생하는 오차를 가상가공 방법을 이용하여 해석한 후 오차가 최소화 되도록 공구궤적을 수정하여 가공프로그램을 제공하도록 구성하고 있다. 사용자정의 모듈의 시뮬레이터에서 절삭력, 공구 처짐, 공구궤적 해석을 기반으로 절삭 가공 중에 발생하는 가공오차를 해석하고, 오차가 반영되지 않은 표준 공구궤적과 오차가 보정된 공구궤적을 비교하여 실제 가공시에 공작기계의 진동이나 회전 혹은 절삭재료의 하중에 의해 발생하는 오차를 최소화할 수 있도록 하였다.
- 시스템의 구성은 상용시스템을 기본으로 user defined module을 활용, 상용시스템과 연계가 가능하도록 하였다. 이를 이용하여 가공물과 절삭공구의 충돌, 최적 절삭조건, 작업공정의 시뮬레이션이 가능케 하고 금형 형상의 기울기에 의해 초래되는 오차를 보정될 수 있도록 모듈을 설계한 것이 특징이다.
- 여기서, δ : 강선 임의의 처짐(mm), L1 : 한쪽 지점으로부터 점 P까지의 거리(mm), L2 : 다른쪽 지점으로부터 점 P까지의 거리(mm), W : 강선의 무게(kg), T : 강선의 장력(kgf)이며 마찰이 적을 때는 무게를 강선의 장력으로 간주 하였다.
- 절삭 가공에서 정밀도 저해요인은 가공 시에 발생하는 열 변형, 가공 공구 마모와 절삭력 증가에 의한 공구내구성 문제에 의한 손상, 공구의 절삭력에 의한 처짐, 금형 형상의 기울기에 따른 오차 등 다양한 원인이 있다. 이러한 원인중 공구의 절삭력에 의한 처짐은 가공 오차에 직접적인 영향을 미침으로서 이를 보정하여 오차요인을 줄이는 것은 가공 정밀도를 향상하기 위한 중요한 과제로 본 연구에서는 이를 보정 혹은 수정해주는 시스템을 활용하여 공구의 사용자는 가공 전 보정을 통해 가공 오차를 줄일 수 있는 기회를 제공받게 되고 실제 가공에서 가공 정밀도를 제고하게 된다.
- 사용자 정의 모듈은 가공물과 공구의 형상정보가 입력되면 공구에 작용하는 절삭력을 산출하는 절삭력 산출 모듈, 공구의 절삭력에 의한 처짐량 산출모듈 및 금형 형상의 기울기 보정모듈에 의해서 가공 중에 발생하는 가공정도 특성을 검출하고, 이러한 특성을 기초로 최적 작업 조건과 최적 공구궤적 데이터를 제공 할 수 있게 구성되었다. 절삭력 산출모듈은 절삭공구의 1회전 절삭을 할 때 절삭공구와 가공물의 절삭량을 고려하여 날에 의해서 절삭되는 칩의 두께를 이용하여 절삭력을 산출하도록 하였고 공구의 절삭력에 의한 처짐량 산출모듈은 산출된 절삭력과 공구형상을 이용하여 공구의 절삭력에 의한 처짐량을산출하였다. 금형의 형상 기울기 보정모듈은 3축 공작기계에서 금형의 형상 기울기에 의해 발생되는 공구의 진입 각을 보정 활용하였으며 진행했던 가공공정 검증 및 보정시스템의 기본 개념은 CAD/CAM시스템을 기본으로 하여 절삭가공 중에 발생하는 오차를 가상가공 방법을 이용하여 해석한 후 오차가 최소화 되도록 공구궤적을 수정하여 가공프로그램을 제공하도록 구성하고 있다.
- 활용된 상용시스템은 Windows XP환경에서 사용 가능하고, UGP 16과 UFUNC, UI-Styler을 기본 TOOL로 하였다. 사용자 정의 모듈은 가공물과 공구의 형상정보가 입력되면 공구에 작용하는 절삭력을 산출하는 절삭력 산출 모듈, 공구의 절삭력에 의한 처짐량 산출모듈 및 금형 형상의 기울기 보정모듈에 의해서 가공 중에 발생하는 가공정도 특성을 검출하고, 이러한 특성을 기초로 최적 작업 조건과 최적 공구궤적 데이터를 제공 할 수 있게 구성되었다.
성능/효과
- 1) 정밀가공이 요구되는 경우 실제 가공 시에 발생하는 공구 절삭력에 의한 처짐, 절삭력에 의한 변형, 가공물의 변형 및 공작기계의 기하학적 오차에 의한 변형에 의해서 가공 정밀에 영향을 미치기 때문에 정밀도를 높일 수 있는 시스템이 요구된다. 불량률은 치명적인 손실을 유발하기 때문에 사전에 가공조건, 공작기계의 특성, 절삭 조건, 공작물과 공구의 변형, 절삭력 등을 고려하여 가상적으로 공정을 시뮬레이션 또는 가상 가공을 수행하여 작업조건 및 가공조건을 제공함으로써 가공오차를 줄일 수 있다.
- 실제 적용을 하려면 2-3회의 가공 후 측정한 데이터를 가지고 사용하고 검사면이 혼잡할 때 발생할 수 있는 여러 가지 오차의 특성을 예측하기 위해 민감도 함수를 정의해야하고이 함수를 이용하여 보정치가 생산된다.5) 이를 활용하여 새로운 절삭경로를 설정하고 이러한 방법의 접근은 보정오차를 제공해줄 수 있다. 실험과 수정 오차의 파악을 위한 Cutting Condition은 Table.
- 그러나 Sensitivity Function Approach 방법을 사용하는 것이 Direction Compensation 방법 을 적용시키는 것보다 오차가 적게 나타난다.6) 최적의 결과를 얻기 위해서는 Direction Compensation 방법을 적용시킨 후 Sensitivity Function Approach 방법을 사용하는 것이 최적의 방법을 얻을 수 있다.
- 따라서 본 연구는 CAD 데이터를 가지고 실제로 가공하지 않고 시뮬레이션을 통해서 CAM 시스템을 사용하여 생성된 공구 경로를 시뮬레이션하고 이를 보정하는 모듈을 개발하였다는데 의의가 있으며 개발된 보정 시스템은 사용자에게 가공 전 시뮬레이션을 통해 가공오차를 줄일 수 있는 기회를 제공할 수 있다. 실제 가공에서 보다 높은 가공 정밀도를 얻을 수 있도록 하며, 가공 전에 미리 불량률을 낮출 수 있도록 함으로써 재가공으로 인한 비용 및 시간 비용을 줄일 수 있을 것이다.
- 그래서 본 연구에서는 이런 기술을 나타내는 방법으로서 빈 공간(half-space)의 집합으로 물체를 표현하며, 실제로는 모델의 내부와 외부를 구분한 솔리드 모델기법을 사용하여 3D 모의시험 기능을 구현하였다. 이 솔리드 모델링 기법을 이용하여 3차원 그래픽 모의가공 기능을 적용함에 따라 사용자에게 보다 친숙하고 생동감 있는 작성 프로그램의 가공 경로의 확인이 가능하였다.
후속연구
- 그러나 오차요인을 줄여 실제 적용하기 위해서는 아직 몇가지의 검증과정을 거쳐서 신뢰성을 검증하는 과정이 필요하다. 그래서 실제 가공을 적용이 되면 실제 가공 전에 가상 가공을 실시할 수 있게 하여 가공조건을 최적화함으로써 시간과 비용 측면에서 매우 유용한 결과를 얻을 수 있게 할 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 개발한 방법을 활용하면 가공 부품의 정도 향상 및 가공시스템의 신뢰성 향상에 기여를 할 것으로 추측되며 가공 전에 가공공정을 검증함으로써 최적의 작업조건 제공이 가능하다. 또 기존 CAD/CAM 시스템과 연계한 가공공정의 검증기술 확보로 실제 가공공정에 맞는 작업 조건 및 절삭조건 제시가 수행될 것이다. 그러나 오차요인을 줄여 실제 적용하기 위해서는 아직 몇가지의 검증과정을 거쳐서 신뢰성을 검증하는 과정이 필요하다.
- 본 연구에서 개발한 방법을 활용하면 가공 부품의 정도 향상 및 가공시스템의 신뢰성 향상에 기여를 할 것으로 추측되며 가공 전에 가공공정을 검증함으로써 최적의 작업조건 제공이 가능하다. 또 기존 CAD/CAM 시스템과 연계한 가공공정의 검증기술 확보로 실제 가공공정에 맞는 작업 조건 및 절삭조건 제시가 수행될 것이다.
- 따라서 본 연구는 CAD 데이터를 가지고 실제로 가공하지 않고 시뮬레이션을 통해서 CAM 시스템을 사용하여 생성된 공구 경로를 시뮬레이션하고 이를 보정하는 모듈을 개발하였다는데 의의가 있으며 개발된 보정 시스템은 사용자에게 가공 전 시뮬레이션을 통해 가공오차를 줄일 수 있는 기회를 제공할 수 있다. 실제 가공에서 보다 높은 가공 정밀도를 얻을 수 있도록 하며, 가공 전에 미리 불량률을 낮출 수 있도록 함으로써 재가공으로 인한 비용 및 시간 비용을 줄일 수 있을 것이다.
- 여기에 적용된 시스템은 공작 기계의 동적정적 특성의 모델링과 가공 공정의 모형화에 바탕을 두어 UGM 시뮬레이션을 통해 가공 형상과 차이에 대한 검증, 가공 오차 제거를 위한 방법이 필요하다. 이를 통한 보정 시스템은 특히 정밀도가 요구되어지는 제품을 가공할 경우 미리 시뮬레이션을 통하여 얻어지는 데이터 값을 가공에 활용하여 재가공에 소요되는 다양한 비용을 감소시켜 줄 것이다.
- 여기에 적용된 시스템은 공작 기계의 동적정적 특성의 모델링과 가공 공정의 모형화에 바탕을 두어 UGM 시뮬레이션을 통해 가공 형상과 차이에 대한 검증, 가공 오차 제거를 위한 방법이 필요하다. 이를 통한 보정 시스템은 특히 정밀도가 요구되어지는 제품을 가공할 경우 미리 시뮬레이션을 통하여 얻어지는 데이터 값을 가공에 활용하여 재가공에 소요되는 다양한 비용을 감소시켜 줄 것이다.
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