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문제 정의
- 본 연구에서는 알루미나 세라믹 소결체에 양질의 다수의 구멍가공을 수행하기 위한 가공 조건과세라믹스 가공용 다이아몬드공구의 중공비가 절삭력에 미치는 영향을 분석하기 위하여 3가지 유형의 중공비를 가진 다이아몬드공구를 이용하여 구멍 가공을 수행하였다. 절삭력을 측정하기 위하여 공구동력계(Kistler 9257B)를 사용하여 가공 조건과 상이한 중공비를 가진 공구에 따른 구멍 가공 시 부가되는 가공 부하를 관측하였고, 공구의 중공 비가 가공 부하에 따른 절삭력에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다.
제안 방법
- 3가지 유형의 중공비로 제작된 다이아몬드공구를 사용하여 구멍 가공조건에 따른 가공 부하인 절삭력을 측정하였다. Fig.
- 마이크로 드릴과 다이아몬드 코어드릴, 티탄(Ti)코팅 고속도강 드릴 등이 구멍 가공에 주로 사용되고 있으나 본 시험에서 구멍가공에 사용된 다이아몬드공구는 칩(chip)배출을 쉽게 하고 연삭효율을 높이기 위해 Table 2와 같이 외경 8mm인 3가지 유형의 중공비 (hollow ratio)를 가진 전착 코어 드릴에 200메시 (mesh)의 다이아몬드입자를 쾌삭강 재질의 생크에니켈로 전착하여 제작한 공구의 치수를 나타내었고, Fig. 1은 본 시험에서 사용된 드릴의 형상을 보여주고 있다.
- 5에서 보면 가공 부하에 따른 절삭력은 X, Y축 방향에서는 평면상에서 회전운동을 하기 때문에 거의 변화가 없으나 Z축 방향은 수직 방향의 운동으로 인하여 가공부하에 따른 절삭력은 다른 X, Y축 방향에 비하여 큰 값이 측정 되었다. 본 연구에서는 X, Y축 방향은 고려하지 않고 Z축 방향의 절삭저항력만 검토하였다. 또한, Z축 방향의 절삭저항력은 8번째 구멍 가공 까지는 급격히 증가하였으나 그 후는 구멍 가공 횟수가 증가할수록 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다.
- 본 연구에서는 난삭재인 AI2O3 소결체인 시편을 외경 8mm인 중공비가 다른 중공축을 지닌 전착 다이아몬드 코어드릴을 이용하여 시편에 구멍을 가공하면서 공구 동력계를 이용해 가공 부하인 절삭저항력을 측정하여 분석하였으며, 공구의 중공비를 포함한 가공조건에 따른 절삭력의 변화를 조사하였으며 본 논문의 시험범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험 장치는 구멍 가공 시 발생하는 X축, Y축, Z축 방향에서 작용하는 절삭력을 측정하기 위하여 공구동력계 (Kistler 9257B) 를 머시닝센터 (machining center) 테이블에 설치하여 시편을 고정하였다. 시험편으로 사용된 13mm 두께의 AbO3 소결체를 Table 2에서 제시한 3가지 유형으로 제작된 다이아몬드 코어드릴을 사용하여 공구회전수와 이송속도, 중공비를 변화시켜 가면서 1, 8, 16, 24번째 구멍 가공 후 절삭력의 변화를 관찰하였다.
- 전착다이아몬드 코어드릴의 중공비의 변화에 따른 Z축 방향에서의 가공부하인 절삭저항력과 압력의 변화 거동을 관측하기 위하여 Table 3에 나타낸 가공조건인 공구회전수와 이송속도를 변화시키면서 시편에 24개의 구멍가공을 하였으며 가공부하는 24번째 가공 시 측정한 절삭력 중에서 Z축의 최대 가공부하의 값을 선택하였다. Fig.
- 수행하였다. 절삭력을 측정하기 위하여 공구동력계(Kistler 9257B)를 사용하여 가공 조건과 상이한 중공비를 가진 공구에 따른 구멍 가공 시 부가되는 가공 부하를 관측하였고, 공구의 중공 비가 가공 부하에 따른 절삭력에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다.
- 정확한 회전수와 이송속도를 구현하고 가공의 균일성을 확보하기 위하여 CNC머시닝센터(TNV-40A)를 이용하여 동일한 공구회전수에서 이송속도를 변경 혹은 동일한 이송속도에서 공구회전수를 변경 시켜 구멍가공을 실행하였으며, 가공 부하는 공구동력계 (tool dynamometer)를 이용하여 즉정하였으며 구멍가공을 할 경우에는 칩 막힘 현상과 공구마멸 및 파손으로 인하여 공구수명에 영향을 미치기 때문에 구멍 가공 시 발생하는 열을 냉각시키고 연삭효율을향상시키기 위하여 0.1mm 간격으로 스텝(step) 가공을 하였으며, Table 3에는 머시닝센터의 가공 조건 인공 구회전 수와 이송속도, 공구의 중공비에 따른 공구 두께 값을 나타내었다. Fig.
대상 데이터
- 내식성과 내마모성, 고강도 및 높은 전기절연성을가져 반도체 웨이퍼(wafer)와 리프트 핀(lift pin), 정전 척(chuck)과 핸들링 암(handling arm)등의 재료로널리 쓰이고 있는 AI2O3 소결체를 시편으로 사용하였으며, Table 1에 그 순도와 물성을 나타내었다. 마이크로 드릴과 다이아몬드 코어드릴, 티탄(Ti)코팅 고속도강 드릴 등이 구멍 가공에 주로 사용되고 있으나 본 시험에서 구멍가공에 사용된 다이아몬드공구는 칩(chip)배출을 쉽게 하고 연삭효율을 높이기 위해 Table 2와 같이 외경 8mm인 3가지 유형의 중공비 (hollow ratio)를 가진 전착 코어 드릴에 200메시 (mesh)의 다이아몬드입자를 쾌삭강 재질의 생크에니켈로 전착하여 제작한 공구의 치수를 나타내었고, Fig.
- 4는 절삭력 측정 실험 장치의 구성도를 나타낸 것이다. 실험 장치는 구멍 가공 시 발생하는 X축, Y축, Z축 방향에서 작용하는 절삭력을 측정하기 위하여 공구동력계 (Kistler 9257B) 를 머시닝센터 (machining center) 테이블에 설치하여 시편을 고정하였다. 시험편으로 사용된 13mm 두께의 AbO3 소결체를 Table 2에서 제시한 3가지 유형으로 제작된 다이아몬드 코어드릴을 사용하여 공구회전수와 이송속도, 중공비를 변화시켜 가면서 1, 8, 16, 24번째 구멍 가공 후 절삭력의 변화를 관찰하였다.
성능/효과
- 1. 공구회전수와 이송속도에 대한 가공부하에 따른 절 삭력의 변화는 X, Y축 방향에서는 평면상에서 회전 운동을 하기 때문에 거의 변화가 없는 것으로 측정 되었고 Z축 방향에서는 수직 방향 운동으로 인하여 구멍가공 횟수가 진행 될수록 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다.
- 2. 이송속도를 일정하게 유지하고 공구회전수와 중공 비가 변할 때 Z축 방향에서의 절삭력의 변화는 중공 비가 감소하고 공구두께가 증가할수록 단면적 변화에 따른 가공부하의 증가로 인하여 절삭력은 증가하였으며 공구회전수가 증가함에 따라 구멍 가공 초기에는 급격히 증가하였으며 이후 가공부터는 완만한 증가 추세를 나타내었다.
- 3. 공구회전수와 이송속도가 일정 할 때는 중 공비변화에 따른 압력은 근소한 차이로 비슷한 경향을 보이나 공구회전수와 이송속도가 증가함에 따라 압력은 선형적으로 증가하였으며 중공비가 0.73 일 때 가장 작은 압력값을 나타내어 가공 부하가 가장 작은 최적의 중공비를 알 수 있었다.
- 8과 비교하여 공구회전수를 증가시킬 때 이송 속도 와중 공비 변화에 따른 절삭력의 변화를 나타내었다. 동일한 중공비의 공구로 가공할 때 이송속도에 증가에 따른 절삭력의 변화는 큰 차이가 없었으며 구멍가공 횟수의 증가에 따라서 선형적으로 증가하였다. Fig.
- 본 연구에서는 X, Y축 방향은 고려하지 않고 Z축 방향의 절삭저항력만 검토하였다. 또한, Z축 방향의 절삭저항력은 8번째 구멍 가공 까지는 급격히 증가하였으나 그 후는 구멍 가공 횟수가 증가할수록 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다. Fig.
- 이것은 공구에 걸리는 단위 면적당의 절삭저항이 가장 적은 것이 공구 치수의 최적조건으로 나타낼 수 있다. 본 연구에서 세라믹스 가공에서 중공비는 0.73 부근에서 가장 적절하다는 것을 알 수 있었다.
- 10에서는 이송속도에 대한 공구회전수와 중 공비 가변할 때 Z축 방향에서의 절삭력의 변화를 나타내었다. 중공비가 0.82에서 0.64로 감소하고 공구 두께가 증가할수록 단면적 변화에 따른 가공부하의 증가로 인하여 절삭력은 증가하였으며, 공구회전수가 증가함에 따라 8번째 구멍 가공까지는 급격히 증가하였으나 이후 가공부터는 완만한 증가 추세를 나타내었다. Fig.
- 6에서는 공구 회전수와 이송속도에 대한 중공비 변화에 따른 절삭력을 나타내었다. 중공비가 0.82와 0.73일 때에는 절삭력의 변화가 작게 나타나고 있으나 중공비가 0.64 일 때는 공구두께의 증가로 인한 단면적의 변화로 가공 부하가 커짐에 따라서 현저하게 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있었다. Fig.
- 10과 비교하여 이송속도의 증가에 대한 공구 회전수와 중공비 변화에 따른 절삭력 값을 나타내었다. 중공비가 감소함에 따라 단면적의 증가로 인하여 절삭력은 초기가공 상태에서는 급격히 증가하였으나 9번째 구멍 가공 이후부터는 선형적으로 증가하고 있으며 동일한 중공비에서는 공구 회전수의 변화에 따른 절삭력의 증감은 근소한 차이를 보이고 있었다. Fig.
후속연구
- 64로 감소하면서 단면적의 증가로 인하여 이송속도가 증가되면서 절삭력이 급격히 증가함을 보여주고 있다. 이러한 절삭력의 값은 공구 회전수가 일정할 때 변동 이송속도 하에서 최적 중공비를 예측하는데 중요한 자료가 될 것이다. Fig.
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