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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 경도가 높아 그동안 산업 현장에서 연삭 가공에만 의존했던 고크롬탄화물 육성 용접부의 연삭 가공을 선삭가공으로 대체가능한지를 알아 보았다. 실험은 고 크롬 탄화물 육성용접부의 선삭가공 가능성을 파악하기 위해 타 재료와의 절삭력 비교, 가공조건에 따른 절삭력의 변화, 공구수명, 표면조도와 같은 가공특성과 절삭성능을 시험하였으며, 또한 절삭력신호를 이용한 가공이상상태를 알아보기 위한 FFT 분석과 Wavelet분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 하드페이싱 육성용접된 고크롬탄화물의선삭가공 가능성을 파악하기 위해 가공조건에 따른 가공 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 선삭가공으로 대체가능한지를 알아 보았다. 실험은 고 크롬 탄화물 육성용접부의 선삭가공 가능성을 파악하기 위해 타 재료와의 절삭력 비교, 가공조건에 따른 절삭력의 변화, 공구수명, 표면조도와 같은 가공특성과 절삭성능을 시험하였으며, 또한 절삭력신호를 이용한 가공이상상태를 알아보기 위한 FFT 분석과 Wavelet분석을 실시하였다.
- 선반에서 선삭가공 중 공구와 시험편 사이에 절삭력을 측정하기 위해 공구동력계를 선반의 공구대에 설치하고, 공구 동력계 위에 공구를 고정할 수 있는 지그를 제작하여 부착하였다. Table 2와 같은 가공조건들을 설정한 후 각 조건별로 가공 중 공구동력계를 통하여 3방향의 절삭력 (Feed force, Thrust force, Cutting force) 을 측정하였으며 데이터는 초당 1000개씩 2초간 획득하였다.
- Table 2와 같은 가공조건들을 설정한 후 각 조건별로 가공 중 공구동력계를 통하여 3방향의 절삭력 (Feed force, Thrust force, Cutting force) 을 측정하였으며 데이터는 초당 1000개씩 2초간 획득하였다.
- 절삭에 의해 발생하는 공구동력계의 미소 전하를 증폭하기 위하여 charge amplifier(Kistler, 5017A) 를 사용하였고 amplifier 에서 증폭된 아날로그 신호는 A/D converter를 통해 얻어진 정량화 된 데이터의 결과로 변환하여 컴퓨터에 저장하여 분석하였다.
- 공구마모는 CCD 카메라, 화상입력보드(Data Translation, DT3155), 컴퓨터로 이루어진 시스템을 구성한 후 공구현미경에 비전시스템을 설치하여 마모를 관찰하고 측정하였다. 가공 후 피삭재의 표면조도는 표면조도계 (Mtutoyo Surftest-301) 로 측정하였다.
- 비전시스템을 설치하여 마모를 관찰하고 측정하였다. 가공 후 피삭재의 표면조도는 표면조도계 (Mtutoyo Surftest-301) 로 측정하였다.
- 른 재질들과 비교하기 위해 연강(SS41) 과 베어링 재질로 널리 쓰이는 AISI52100을 육성용접된 고크롬탄화물과 같은 경도 (HRc 50~55)로 열처리하여 선삭가공을 하였다. 이송 0.
- 고 크롬탄화물의 연삭가공을 절삭능률이 우수한 선 삭 가공으로 대체할 경우에도 목표로 하는 표면조도를 가져야 하며, 선삭가공만으로 최종제품의 표면조도를 얻을 수 있는 지를 알아보기 위해 표면조도를 측정하였다.
- CBN공구를 이용한 고크롬탄화물의 선삭시 공구의 이상 상태를 알아보기 위해 절삭력신호의 FFT 분석과 Wavelet 분석을 실시하였다. 절삭력 분석에 사용된 절삭력 데이터는 공구 수명을 알기 위해서 실시한 Fig.
- 1mm, 회전수 710rpm 로 하였다. 선삭가공시 절삭력신호는 1,000Hz로 샘플링하여 측정하였으며 이 데이터로 상용프로그램인 Mtlab7.1 을 이용하여 FFT 와 Wavelet 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 직경 30mm, 길이 300mm 의 연강(SS41) 의 환봉 모재 위에 Fig. 1과 같은 육성용접장치로 크롬 탄화물을 아크 육성용접하여 직경 50mm, 길이 300mm 의 선삭실험을 위한 환봉의 피삭재를 제작하였다.
- 본 실험에 사용된 PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 공구는 다이아몬드와 매우 비슷한 구조를 가지고 있으며, 1400~1500C 의 고온과 5~7 GPa 의 고압으로 소결하여 합성된다. 일반적으로 CBN 공구는 CBN 함유량에 따라 나누어지는데 CBN 함유량이 90%이상이면 high CBN, 70% 이하이면 low CBN 이라 한다.
- low CBNe TiC 또는 TiN 이 첨가되며, high CBNe Co 가 첨가되는 것이 일반적이다. 본 실험에서는 대구텍사에서 생산된 KB90(High CBN) 을 사용하였다. 공구형상은 절삭각 -8°, 여유각 8°, 노오즈 반경 0.
- 본 실험에서는 대구텍사에서 생산된 KB90(High CBN) 을 사용하였다. 공구형상은 절삭각 -8°, 여유각 8°, 노오즈 반경 0.8mm 인 SNMA 120408 LS이며, 툴홀더는 PSBNR을 사용하였다.
- 실시하였다. 절삭력 분석에 사용된 절삭력 데이터는 공구 수명을 알기 위해서 실시한 Fig. 7의 실험데이타를 이용하였다. 가공조건은 이송율 0.
성능/효과
- 같은 장점을 가질 수 있다. 첫째는 비용적인 측면에서 공정의 단축으로 셋업시간을 줄이고 연삭에 비해 소재 제거율을 60%정도 향상시켜 생산성 향상과 생산비용을 절감할 수 있다. 둘째는 복잡한 형상의 부품이라도 CNC 프로그램밍으로 보다 쉽고 유연성 있게 제품을 생산하므로 총형연삭이 필요 없이 원하는 형상 정밀도를 맞출 수 있다.
- 둘째는 복잡한 형상의 부품이라도 CNC 프로그램밍으로 보다 쉽고 유연성 있게 제품을 생산하므로 총형연삭이 필요 없이 원하는 형상 정밀도를 맞출 수 있다. 셋째는 표면품위 (Surface integrity) 측면에서도 칩으로 대부분 열을 발산하여 연삭시와 같이 표면이 타는 현상이 없고, 공구 인선이 가하는 소성력에 의해 가공변질층에 잔류응력의 분포가 연삭에 비해 큰 압축응력을 받는 상태로 존재하기 때문에 부품의 피로수명을 향상시킨다(5~10).
- 본 실험에 사용된 공구와 같이 음의 경사각인 공구로 경도가 높은 재질을 가공시에는 배분력이 가장 크게 나타남을 확인 할 수 있고, 같은 경도인 AISI52100 보다 고 크롬 탄화물의 배분력이 2배정도 크게 나타났다. 이는 고 크롬 탄화물의 특성인 강한 내마모성으로 인해 동일한 절입깊이에서 다른 재질에 비해 절삭되는 칩의 두께가 작아 그만큼 절삭되지 못하는 부분의 높이가 높아 배분력이 크게 나타나는 것으로 보인다.
- 모든 상태에서 회전수 710rpm 에 해당하는 약 12~13Hz 의 배수 주파수 성분들이 검출되고 있는 것을 볼 수 있다. 또한 마모 초기에는 회전수의 저배율 성분 중 1배 (13Hz), 2 배 (26Hz) 성분이 고배율 성분 보다 크게 나타나지만 마모 중기와 말기로 갈수록 고배율 성분이 더 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.
- (1) CBN선삭가공 시 고크롬탄화물의 절삭력은 같은 경도로 열처리된 AISI52100의 절삭력 보다 크게 나타났고, 배분력은 2배정도 크게 나타났다. 이는 내마모성의 특징에 의한 것으로 보인다.
- (2) 고크롬탄화물의 절삭력은 일반강의 절삭에서와 같이 절삭 깊이와 이송율에 대한 영향이 크고 절삭속도의 영향은 크지 않으며 공구의 부절인각으로 인하여 배 분력이 가장 크고 공구마모에 대해서도 가장 민감하다.
- (3) 공구수명은 여유면 마모에 의한 것보다 공구파손에 의한 경우가 많았으며 이는 절삭저항이 크기 때문으로 판단된다.
- (4) 절삭칩은 전단형 칩으로 배출되었으며 마모가 증가할수록 절삭열에 의해 칩의 길이가 길어졌으나 가공에 방해가 되는 형태로는 발전하지 않았다.
- (6) 배분력신호에 대한 FFT분석에서 회전수에 해당하는 배수의 주파수 성분이 검출되었고 마모가 진행될수록 고배 수의 주파수 성분 크기가 커졌다.
- 이상과 같이 고크롬탄화물의 육성용접부를 절삭조건을 고려하여 가공하면 연삭대신 선삭가공으로 대체하여 가공할 수 있음을 알 수 있다.
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