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문제 정의
- 본 연구에서는 원형 중공축의 변형에 영향을 주는 다양한 인자 중 고정압에 의한 영향을 실험적으로 연구하였다. 시험편으로 일반적인 기계부품 제작에 많이 사용되고 있는 기계 구조용 탄소강 SM45C(AISI 1045 Steel)를 사용하였으며 드로우 어웨이 형태의 초경 인서트 팁을 내경 바이트 생크에장착한 보링가공에서 중공축의 고정압에 의한 진원도와 직경 변화량을 실험적으로 관찰하였다
- 본 연구는 중공축의 벽 두께에 따른 고정압이 내경의 진원도 와 지름 변화량에 미치는 영향을 실험적으로 연구한 것이다. 고정압의 변화는 진원도와 지름의 변화량에 영향을 주었으며 세부 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 선삭을 위한 공작기계는 CNC선반(SKT160A)을 사용하였으며, 공작물 고정은 유압에 의한 고정압으로 12, 16, 20bar의 조건으로 하였다. 공작물에 대하여 척의 클램핑 조건이 진원도와 채터 안정성에 미치는 영향[7]을 고려하여 공작물과의 불완전한 고정으로 인한 가공 정밀도의 불량을 해소하고 접촉 조(jaw)와 공작물 간의 완전 접촉을 통한 확실한 고정을 위해 소프트 타입의 조를 선택 하였고 접촉 조는피삭재의 직경과 일치할 수 있도록 원호 가공한 후, 시험편 고정에 사용하였다.
- 조건으로 하였다. 공작물에 대하여 척의 클램핑 조건이 진원도와 채터 안정성에 미치는 영향[7]을 고려하여 공작물과의 불완전한 고정으로 인한 가공 정밀도의 불량을 해소하고 접촉 조(jaw)와 공작물 간의 완전 접촉을 통한 확실한 고정을 위해 소프트 타입의 조를 선택 하였고 접촉 조는피삭재의 직경과 일치할 수 있도록 원호 가공한 후, 시험편 고정에 사용하였다. 접촉 조의 원호가공은 클램핑 시에 완전한 면접촉에 근접할 수 있도록 후 Fig.
- 중인 사진과 공작물 고정 상태를 기하학적으로 대략 표현한 것이다. 선삭 후 측정은 항온항습기가 갖추어진 온도 20°C (±rc), 습도 50%(±5%)를 유지하고 있는 정밀 측정실에서 실시하였다(9). 측정에 사용된 장비는 3차원 측정기인 덕인 SIGMA 665C를 이용하였다.
- 4는 측정에 사용된 3차원 측정기를 나타낸 것이다. 측정방법은 시험편 전체 길이 100mm에서 척의 조에 고정되어 있는 고정단의 끝 부분을 0으로, 반대편 자유단 끝 부분을 100mm로 하여 lOimn지점에서 95mm지점까지 전체 구간을 5mm 사이로 측정하였다. 측정간격은 각 구간에 대하여 원주(0도~360도)를 50군데 측정하였다.
- 공작물에 대하여 척의 클램핑 조건이 진원도와 채터 안정성에 미치는 영향[7]을 고려하여 공작물과의 불완전한 고정으로 인한 가공 정밀도의 불량을 해소하고 접촉 조(jaw)와 공작물 간의 완전 접촉을 통한 확실한 고정을 위해 소프트 타입의 조를 선택 하였고 접촉 조는피삭재의 직경과 일치할 수 있도록 원호 가공한 후, 시험편 고정에 사용하였다. 접촉 조의 원호가공은 클램핑 시에 완전한 면접촉에 근접할 수 있도록 후 Fig. 1과 같이 홀 테스터 기 (제조사:Mitutoyo)를 사용하여 조의 원호를 측정하여 원호 가공이 적절하였음을 확인 후 실험을 하였다.
대상 데이터
- 시험편으로 일반적인 기계부품 제작에 많이 사용되고 있는 기계 구조용 탄소강 SM45C(AISI 1045 Steel)를 사용하였으며 드로우 어웨이 형태의 초경 인서트 팁을 내경 바이트 생크에장착한 보링가공에서 중공축의 고정압에 의한 진원도와 직경 변화량을 실험적으로 관찰하였다
- 본 실험에서는 선삭실험을 위한 시험편으로 SM45C를 070x100mm으로 준비하여 사용하였다. 시험편의 벽 두께는 각각 3, 6, 9mm인 중공축이다.
- 준비하여 사용하였다. 시험편의 벽 두께는 각각 3, 6, 9mm인 중공축이다.
- 본 실험에 사용된 공구는 현장에서 많이 사용되고 있는 내경 가공용 보링바이트(PGT090304-C05NC3020계열)을 사용하였다.
- 내경 선삭가공에 사용되는 공구 홀더는 외경 가공에 비해 돌출 부위가 상대적으로 길어 가공 도중에 공구로 전달되는 진동에 의한 공구의 떨림 즉, 채터의 영향을 덜 받게 하기 위하여 초경재질인 C20S - SCLPR 09를 사용하였다. 정밀 가공을 위하여 실험에 주속 일정제어기능인 G96을 사용하여 절삭속도를 일정하게 유지하여 건식 절삭[8]하였으며 그 외조 건은 Table.
- 선삭 후 측정은 항온항습기가 갖추어진 온도 20°C (±rc), 습도 50%(±5%)를 유지하고 있는 정밀 측정실에서 실시하였다(9). 측정에 사용된 장비는 3차원 측정기인 덕인 SIGMA 665C를 이용하였다. Fig.
성능/효과
- Fig. 5~7의 (a), (b), (c) 결과에서 알 수 있듯이 두께가 두꺼워질수록 중공축 내경의 형상 변화가 감소되고 있는 것을 알 수가 있다.
- 8은 벽두께 3mm인 공작물에 대한 선삭 후 진원 도를 측정한 결과이다. 실험에 적용된 12, 16, 20bar의 모든 고정압 조건에서 측정 위치가 고정단 내인 lOmrn 지점에서 공작물의 진원도가 가장 악화되었음을 확인 할 수 있다. 또한 Fig.
- 9-10에 나타내었듯이 벽 두께가 6, 9mm인 시험편보다 측정 위치에 따른 진원도 변화 값이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있는데, 고정압의 영향이 두께가 가장 얇은 공작물에서 가장 크게 작용 받았기 때문이다. 측정 위치에 따른 변화를 살펴보면 측정 지점 70mm이상인 곳에서 진원도의 차이가 거의 없을 정도로 편차가 매우 작게 나타났다. 이와 같은 결과는 공작물이 척의 조에서 멀리 떨어질수록 진원 도에 미치는 영향이 매우 제한적이라는 것을 의미하며 벽 두께 3mm인 경우에서는 70mm이상 떨어진 지점이 고정압의 영향에서 벗어나는 임계 지점이라는 것이 실험적 결과로 나타났다.
- 측정 위치에 따른 변화를 살펴보면 측정 지점 70mm이상인 곳에서 진원도의 차이가 거의 없을 정도로 편차가 매우 작게 나타났다. 이와 같은 결과는 공작물이 척의 조에서 멀리 떨어질수록 진원 도에 미치는 영향이 매우 제한적이라는 것을 의미하며 벽 두께 3mm인 경우에서는 70mm이상 떨어진 지점이 고정압의 영향에서 벗어나는 임계 지점이라는 것이 실험적 결과로 나타났다. 다소의 편차 발생은 선삭 시 절삭력에 의한 시험편의 변위와 채터 현상 등 본 실험에서 제어하지 못한 기타 변수의 영향을 받은 것으로 사료된다.
- 이와 같은 결과는 벽 두께가 얇은 공작물일수록 고정압에 의한 소성변형의 영향을 크게 받고 있기 때문이다. 또한 공작물의 고정단인 척과 직접적으로 접촉, 고정되어 있는 조(jaw)에서 거리가 멀어질수록 선삭후 진원도 상태는 양호해지는 것으로 나타났다. 이는 고정단으로 부터의 거리가 멀어질수록 고정압에 의한 소성변형의 영향에서 벗어나기 때문이다.
- 측정 지점 45mm까지는 지름 변화량에 대하여 고정압에 의한 영향을 크게 받는 부분으로 탄성변형 후 원래상태로 복귀하면서 내경 가공된 부분의 정밀도가 오히 려 더 악화된 것으로 사료된다. 이에 비하여 벽 두께 6, 9mn인 시험편을 대상으로 실험한 결과를 살펴보면 벽 두께 3mm에 비하여 지름의 변화량에 대한 기울기가 매우 완만하게 나타났음을 확인할 수 있다. 벽 두께가 두꺼울수록 고정압에 의한 영향을 적게 받기 때문에 이와 같은 결과가 나타난 것이다.
- 벽 두께가 두꺼울수록 고정압에 의한 영향을 적게 받기 때문에 이와 같은 결과가 나타난 것이다. 특히, 모든 벽 두께에 대하여 측정 지점 45mm까지는 지름의 변화량이 뚜렷하게 나타난 반면, 그 범위를 넘어선 지점에서는 모든 벽 두께에서 지름의 변화량이 매우 완만하게 감소 되었다. 이것은내경 지름의 변화 값은 고정압에서 뿐만아니라 고정단으로 부터 떨어진 거리에서도 영향을 받는다는 것을 나타내는 결과이다.
- 벽 두께가 가장 얇은 3nm에서 초기 지름 변화량에 대한 값이 크게 나타났다. 측정 위치 55mm까지는 모든 시험편에 대하여 지름 변화량에 대한 기울기가 뚜렷하게 감소되었으며, 이후 지점부터는 상대적으로 작은 값의 지름 변화량을 나타내면서 매우 완만하게 감소되는 것으로 나타났다. 벽 두께 6, 9mm의 경우, 12bar 고정압 조건인 Fig.
- 벽두께 6, 9mm의 경우, 지름 변화량이 다른 고정압 조건에 비하여 비교적 크게 나타났으며 측정 위치에 따른 변화량에 있어서도 큰 편차를 나타내었다. 6mm 벽 두께를 갖는 시편의 경우 측정 지점 35mm까지는 가장 큰 기울기를 보이면서 변화량의 감소를 보였으며, 벽 두께 9mm 시험편의 경우 측정 지점 25mm까지는 큰 기울기를 보이며 감소하였다. 이후 지점에서는 점점 완만한 기울기를 보이면서 변형량의 감소를 나타내었다.
- (1) 실험에 적용된 중공축 시험편은 12, 16, 20bar의 모든고정압 조건에서 측정 위치가 고정단 내의 10mm 지점에서 진원도 오차 값이 가장 크게 나타났으며 벽 두께가 가장 얇은 3mm 시험편에서 가장 큰 진원도 오차가 발생 하였다.
- (3) 지름 변화량은 고정압이 가장 높은 20bar의 조건에서 가장 크게 나타났다. 또한 모든 조건에서 벽 두께 변화에 따른 지름 변화량은 일정 지점까지는 큰 기울기를 보이며 감소하다가 측정 지점이 멀어짐에 따라 변화량 값은 작아지고 완만한 기울기를 보이며 감소하였다.
- 크게 나타났다. 또한 모든 조건에서 벽 두께 변화에 따른 지름 변화량은 일정 지점까지는 큰 기울기를 보이며 감소하다가 측정 지점이 멀어짐에 따라 변화량 값은 작아지고 완만한 기울기를 보이며 감소하였다. 그러나 가장 큰 20bar 고정압 조건에서 벽 두께가 가장 작은 3mm 시험편은 고정단의 20mm지점까지는 지름 변화량이 가장 작게 났는데, 그 이유는 시험편이 고정단에 고정된 직 후 고정압에 의한 시험편의 영구 소성변형이 크게 발생되었으며, 내경 선삭으로 인하여 변형량의 대부분은 소멸되었으나 고정단에서 해제된 후 일부만 탄성 복귀되었기 때문이다.
- (2) 벽 두께와 고정압의 변화가 진원도 오차에 미치는 영향은 고정단 내에서 가장 크게 작용하였으며 고정단에서 멀어질수록 그 영향은 점차 감소하였다.
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