[논문]곡면 경계부 미절삭 체적의 잔삭 가공에 관한 연구

맹희영; 임충혁

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It is presented in this study a new efficient intelligent machining strategy, which can be used to remove the uncut volume at the boundary region of curved surfaces caused by cutter interference. The geometric form definitions and recognition of topological features of the surface triangulation mesh...

It is presented in this study a new efficient intelligent machining strategy, which can be used to remove the uncut volume at the boundary region of curved surfaces caused by cutter interference. The geometric form definitions and recognition of topological features of the surface triangulation mesh are used to generate cutter paths along successive and interconnected steepest pathways, that minimize the cusp height left after flat end milling. In order to machine the uncut volume gradually, the z-map cutter centers are adjusted to avoid cutter interference for the 6 kinds of avoidance types. And then, the generative subsequent paths are sequenced to determine the second step cutter paths for the next uncut volume. For the 2 kinds of test models with convex and concave surface region, the implemented software algorithm is evaluated by investigating the residual swelling of uncut volume for each machining step.

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AI 본문요약
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문제 정의

발전 방향이다. 그럼으로써 형상 정밀도를 향상시키고사상가공 시간과 밀링가공 시간을 단축시키는 효과를 거두고자 하고 있다
따라서 본 연구는 평엔드밀 커터를 사용하여 곡면을 3축 가공할 때, 미절삭 체적의 잔삭가공을 효율적으로 가공하는방법론를 개발하고자 하였다. 삼각형 요소화 된 곡면모델을 대상으로 최대 경사방향 트리 추적법(steepest directed treem*) ethod 을 사용하여 황삭과 중삭가공 후에 남게 되는 미절삭 체적을 삼각형 요소화된 메수](mesh)들의 방향성과 토폴로지(topology)를 이용하여 절삭경로를 연속적으로 추적할 수 있는 방법을 고안하였다.
본 알고리듬의 적용성을 평가하기 위하여 타원형 복합 곡면의 교차부위에 대한 평가실험을 실시해 보았다. 전체 크기는 60x60x10mm이고 메쉬 크기는 1.
본 연구는 삼각형 요소로 근사된 곡면모델을 대상으로 평 엔드밀 커터를 사용하여 황삭가공 후의 미절삭 체적을 다단계로 잔삭가공하는 알고리즘을 고안하였다.

가설 설정

(는 out, 1는 in의 의미) 즉, 절점 A의 관점에서 볼 때 B점 및 C점으로 나가는 에지는 각각 UTo 및 DTo로 표시되나, 절점 B의 관점에서 표시될 때에는 이 에지는 B점을 향해 들어오는 에지이므로 UTi, 그리고 절점 C의 관점에서 표시될 때에는 C점을 향해 들어오므로표시된다.)여기서 UTi가 존재하지 않는 고립 점에 대하여는 이 점에 대한 DTo의 역 방향선을 가상 UTi(virtual UTi : VUTi)로 정의하여 설정한다.

제안 방법

개발하고자 하였다. 삼각형 요소화 된 곡면모델을 대상으로 최대 경사방향 트리 추적법(steepest directed treem*) ethod 을 사용하여 황삭과 중삭가공 후에 남게 되는 미절삭 체적을 삼각형 요소화된 메수](mesh)들의 방향성과 토폴로지(topology)를 이용하여 절삭경로를 연속적으로 추적할 수 있는 방법을 고안하였다. 그리고 곡면상의 z-map 모델을 이용하여 공구간섭의 여러가지 유형들을 추출한 후, 미절삭 체적을 단계적으로 가공할 수 있는 경로의 산출 방법을 고안하였다.
삼각형 요소화 된 곡면모델을 대상으로 최대 경사방향 트리 추적법(steepest directed treem*) ethod 을 사용하여 황삭과 중삭가공 후에 남게 되는 미절삭 체적을 삼각형 요소화된 메수](mesh)들의 방향성과 토폴로지(topology)를 이용하여 절삭경로를 연속적으로 추적할 수 있는 방법을 고안하였다. 그리고 곡면상의 z-map 모델을 이용하여 공구간섭의 여러가지 유형들을 추출한 후, 미절삭 체적을 단계적으로 가공할 수 있는 경로의 산출 방법을 고안하였다.
같은 방법으로 음의 방향의 가장 큰 높이 값을 절대값으로 취하여 DTo를 구할 수 있다. 구해진 UTo와 DTo로부터 상대관계를 적용하여 UTi와 DTi를 구한다.
2단계, UTi의 존재개수를 기준으로 UTi가 존재하지 않는 함몰점(sink), 고립점(isolated point) 그룹, UTi가 1개 존재하는 보통점(normal), 계곡점(valley)그룹, 그리고 UTi가 2 개 이상 존재하는 합치점(combine), 능선점(ridge) 그룹으로 분류한다.
Fig. 4와 같이 곡면을 오른쪽부터 순차적으로 절삭하는 절차를 기준으로 하여, 오른쪽 경로가 왼쪽 경로보다 우선적으로 선택되는 우측 선행규칙(rule to select right way)을 설정하였다.
Fig. 5에서 보는 바와 같이 예상 접촉점 P(현행 절점)로부터 커터 원호를 둘러싸는 최근접 내부루프(intemal loop) 와외부루프(external loop)를 구하고, 이를 구하는 과정에서 커터 원호와 교차하는 횡단 에지들의 양단 절점 리스트들을 결정하였으며, 내부루프로 둘러싸고 있는 모든 내부점(inner point)들을 결정하였다. 이렇게 결정된 각 절점의 속성과 상호 토폴로지를 이용하여 공구간섭 회피 유형을 다음과 같이 6가지로 구분하여 공구의 z값을 결정하였다.
5에서 보는 바와 같이 예상 접촉점 P(현행 절점)로부터 커터 원호를 둘러싸는 최근접 내부루프(intemal loop) 와외부루프(external loop)를 구하고, 이를 구하는 과정에서 커터 원호와 교차하는 횡단 에지들의 양단 절점 리스트들을 결정하였으며, 내부루프로 둘러싸고 있는 모든 내부점(inner point)들을 결정하였다. 이렇게 결정된 각 절점의 속성과 상호 토폴로지를 이용하여 공구간섭 회피 유형을 다음과 같이 6가지로 구분하여 공구의 z값을 결정하였다.

대상 데이터

교차부위에 대한 평가실험을 실시해 보았다. 전체 크기는 60x60x10mm이고 메쉬 크기는 1.68mm이다. 곡면형상은 Fig.
본 가공실험에서는 곡면의 크기에 대응하여 커터 직경을 1차 중삭가공에서는 612mm로 하였고, 2차 잔삭가공에서는>4mm의 평엔드밀을 사용하였다. 이때 1차 중삭 가공의 가공경로(곡면과 커터의 접촉점 기준)는 Fig.

이론/모형

현상으로 정의하며, 이러한 현상이 생기지 않도록 공구의 위치를 결정하는 것을 공구 간섭 회피(gouging avoidance)라 정의한다. 본 연구에서는 삼각형 요소화된 곡면상의 모든 절점에 대한 z-map 모델을 이용하여 공구간섭이 발생할 수 있는 유형들을 추출한 후, 간섭이 생기지 않는 가장 낮은 위치를 결정하는 방법을 공구 간섭 회피 방법으로 사용하였다.

성능/효과

한편 실제의 가공 체적을 검토하기 위하여 1차 중삭 가공 후의 가공표면을 청색 잉크로 도색하고 2차 잔삭가공을 실시하였는데, 이는 Fig. 17과 같이 4곳의 교차 부위에서 일관성 있게 가공되고 있음을 관찰할 수 있었다.
이를 소프트웨어로 구성하는 과정에서는 6가지의 간섭 회피 유형과 삼각형 요소화 된 곡면의 절점에 대한 기하학적 토폴로지를 정의할 수 있었으며, 이 성질들을 이용하여 최대 경사 방향선을 따르는 가공경로를 성공적으로 산출해 낼 수 있었다. 또 커터의 z-map을 통해 간섭 회피를 위한 높이 값을 추적하여 미절삭 체적이 생기는 영역과 그 방향성을 산출해 낼 수 있었으며, 이 영역을 2차 잔삭가공으로 가공해 나가면서 미절삭 체적을 단계적으로 줄여 나갈 수 있었다.
또 커터의 z-map을 통해 간섭 회피를 위한 높이 값을 추적하여 미절삭 체적이 생기는 영역과 그 방향성을 산출해 낼 수 있었으며, 이 영역을 2차 잔삭가공으로 가공해 나가면서 미절삭 체적을 단계적으로 줄여 나갈 수 있었다. 여기서 개발된 알고리즘들은 타원형 복합곡면의 교차 부위에 대한 평가실험을 실시하여 그 적용성을 검토하였으며, 오목한 유형의 모델 실험에 대해서도 잘 적용되고 있음을 확인하였다.
또 커터의 z-map을 통해 간섭 회피를 위한 높이 값을 추적하여 미절삭 체적이 생기는 영역과 그 방향성을 산출해 낼 수 있었으며, 이 영역을 2차 잔삭가공으로 가공해 나가면서 미절삭 체적을 단계적으로 줄여 나갈 수 있었다. 여기서 개발된 알고리즘들은 타원형 복합곡면의 교차 부위에 대한 평가실험을 실시하여 그 적용성을 검토하였으며, 오목한 유형의 모델 실험에 대해서도 잘 적용되고 있음을 확인하였다.
결과적으로 본 연구에서는 평엔드밀을 사용하고 곡면의 곡률 특성이나 미절삭 부위를 고려하여 황삭, 중삭, 정삭, 잔삭 등의 가공 단계를 조화롭게 계획하여 가공하게 되면 절삭능률도 좋고 절삭시간도 단축되며 표면거칠기도 향상될 수 있는 가능성을 보여 주었다.

후속연구

따라서 향후에는 적당한 필렛 반경을 갖는 필렛엔드밀을사용하여 이들 알고리즘을 더욱 확장하면 보다 효과적인 가공이 이루어질 것으로 본다. 더구나 최근에는 고속밀링가공의 발전과 더불어 초경팁이나 CBN(cubic boron nitride)팁을 사용하는 필렛엔드밀을 많이 사용하는 추세로 발전하고 있기 때문에 최대경사 방향선을 따르는 다단계 가공의 적용 효과가 더욱 클 것으로 기대된다.

참고문헌 (11)

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