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문제 정의
- 또한 본 연구에서는 가속도계를 이용하여 공구 형상 및 절삭 날 수에 의한 탄소섬유 복합재료의 가공 특성을 분석하기 위해 진동 신호를 분석하였다. 절삭공구의 형상에 따른 절삭력의 신호 경향을 분석하기 위해 절삭력이 가장 적게 걸리는 절삭속도45mm/min, 이송 속도 300mm/min 조건에 대하여 신호 분석을 하였다.
- 본 연구에서는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)복합재료에서의 측면 밀링 가공을 통한 절삭 특성을 분석하기 위해 절삭 조건 변화에 따른 2날, 4날 엔드밀 및 복합재료 가공용 공구를 이용하여 절삭 공정에서의 센서신호 분석 및 가공 표면 형상 측정을 통해 CFRP 복합재료의 가공 특성을 분석하였다. 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 각 공구에 따른 절삭력은 절삭속도의 증가와 이송속도가 감소에 따라 절삭력은 적게 작용하였고 동일 절삭 조건에서는 2날, 4날, 복합재료 가공용 공구 순서로 적게 작용하였다.
- 실험 장치는 수직형 머시닝 선!터 (Hyundai, Hi-Mac-V100)를 사용하였다. CFRP 복합재료의 절삭 특성을 분석하기 위해 시편 하단에 공구 동력계(Kistler, Type 9272)를 설치하였다.
- CFRP 복합재료의 절삭특성을 평가하기 위해 절삭공구 및 절삭조건 변화에 따른 실험을 수행하였다. Fig.
- 10은 앞에서 실험한 절삭공구의 형상에 따른 시편의 형상을 보여주고 있다. 가공된 복합소재의 표면 상태 측정은 공구현미경을 이용하여 측정하였다. 범용 엔드밀 공구를 이용한 시편의 표면 상태는 비교적 양호하지만 2날 및 4날 엔드밀을 사용한 모든 시편의 상단 부에 burr가 발생하였다.
- 따라서 본 연구에서 사용한 절삭 조건으로는 절입량을 2mm 로 고정하고 절삭 속도 및 이송 속도의 변화를 주었다. 절삭조건에 따른 절삭력 및 진동 신호를 일정하게 측정하기 위해 시편과 고정치구와의 거리를 일정하게 유지시키고, 상향 밀링으로 실험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 CFRP 복합재료에 대하여 밀링 공정에서의 측면 절삭(Side Cutting)을 통한 절삭 조건 변화 및 절삭 공구(공구형상 및 절삭날)에 따른 절삭 표면 상태 분석을 수행하였다. 또한 절삭 공정의 상태 모니터링을 위하여 공구동력계(Tool Dynamometer)와 가속도계(Acceleration sensor)를 사용하였다.
- 또한 절삭 공정의 상태 모니터링을 위하여 공구동력계(Tool Dynamometer)와 가속도계(Acceleration sensor)를 사용하였다.
- 또한, 절삭 가공 중 공구형상에 의한 복합재료에서 발생하는 진동 신호를 측정하기 위해 시편 상단에 3축 가속도 센서(Fqji, SA12ZSC-T1)를 설치하였다. 이러한 신호는 AD Board (NI, PCI-9133)와 LabVIEW를 이용해 데이터를 획득하였으며, 획득한 데이터는 샘플링 주파수 26, 500Hz, 측정 시간을 20초로 설정하여 획득하였다.
- 절삭 가공 후 공구 현미경을 이용해 절삭가공된 표면의 버(burr) 및 절삭 상태를 관찰하였다. 실험 조건은 절삭 조건(이송속도 및 절삭속도)과 절삭 공구(공구형상 및 절삭 날)에 따른 가공 특성을 분석하기 위해 Fig. 3과 같이 절삭공구는 일반적으로 사용하는 직경 0 6mm 범용 엔드밀 2날(UNION TOOL, C-CES 2060-1500, Helix angle : 30°, Length of Cut : 15mm), 4날 (UNION TOOL, C-CHES 4060-1500,Helix angle : 30°, Length of Cut : 15mm)을 사용하였으며,범용 엔드밀과 절삭날 형상이 상이한 복합소재 가공용 공구(Composite Tool, SGS, Cutter Diameter : 1/4 inch, Flute Length :3/4 inch)를 사용하였다.
- 이러한 신호는 AD Board (NI, PCI-9133)와 LabVIEW를 이용해 데이터를 획득하였으며, 획득한 데이터는 샘플링 주파수 26, 500Hz, 측정 시간을 20초로 설정하여 획득하였다. 절삭 가공 후 공구 현미경을 이용해 절삭가공된 표면의 버(burr) 및 절삭 상태를 관찰하였다. 실험 조건은 절삭 조건(이송속도 및 절삭속도)과 절삭 공구(공구형상 및 절삭 날)에 따른 가공 특성을 분석하기 위해 Fig.
- 신호를 분석하였다. 절삭공구의 형상에 따른 절삭력의 신호 경향을 분석하기 위해 절삭력이 가장 적게 걸리는 절삭속도45mm/min, 이송 속도 300mm/min 조건에 대하여 신호 분석을 하였다. Fig.
- 절삭조건에 따른 절삭력 및 진동 신호를 일정하게 측정하기 위해 시편과 고정치구와의 거리를 일정하게 유지시키고, 상향 밀링으로 실험을 수행하였다. Table 2는 본 연구에서 사용한 실험조건을 나타낸다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 CFRP 복합재료는 Toray사에서 생산 한일방향 탄소섬유 (Carbon Fiber)와 에폭시 수지로 조합된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작된 시편(T800HB)를 사용하였다. 시편의 전체 크기는 60x100x4mm 판재형상으로 제작하였고, 절삭 공정에서 사용된 시편은 다이아몬드 휠 커터를 이용하여 50mmxl00mm의 크기로 절단하여 사용하였다.
- 시편의 전체 크기는 60x100x4mm 판재형상으로 제작하였고, 절삭 공정에서 사용된 시편은 다이아몬드 휠 커터를 이용하여 50mmxl00mm의 크기로 절단하여 사용하였다. 시편의 제작공정은 탄소섬유의 적층 각도를 [0˚/±45˚/90˚]으로 총 20 층Qsly)으로 적층되었다.
- 설치하였다. 이러한 신호는 AD Board (NI, PCI-9133)와 LabVIEW를 이용해 데이터를 획득하였으며, 획득한 데이터는 샘플링 주파수 26, 500Hz, 측정 시간을 20초로 설정하여 획득하였다. 절삭 가공 후 공구 현미경을 이용해 절삭가공된 표면의 버(burr) 및 절삭 상태를 관찰하였다.
- 2는 본 연구에서 사용한 실험 장치 및 절삭 공정 상태모니터링 시스템의 개략도를 나타낸다. 실험 장치는 수직형 머시닝 선!터 (Hyundai, Hi-Mac-V100)를 사용하였다. CFRP 복합재료의 절삭 특성을 분석하기 위해 시편 하단에 공구 동력계(Kistler, Type 9272)를 설치하였다.
성능/효과
- (2) 2날과 4날 엔드밀의 절삭력 측정 결과 절삭가공이 이루어지는 영역에서 Z축방향 절삭력이 약 100N정도 측정되었고, 복합재료 가공용 공구의 경우에는 약 50N 절삭력이 측정되어 CFRP 절삭가공 시 절삭력이 약 2배 정도 적게 나타났다. 이는 복합재료 가공용 공의 경우 절삭날이 격자 형상을 가지며 범용 엔드밀에 비해 예리한 절삭날이 없기 때문이다.
- (3) 절삭 공구에 따른 가공된 표면을 분석한 결과 2날과 4날 엔드밀의 경우 공구 헬릭스 각의 영향으로 시편을 위로 들어 올리는 현상으로 상단부위에 burr가 발생한 반면에 방향성이 없는 복합재료 가공용 공구는 burr가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
- 측정 결과 4날 엔드밀에 비해 2날 엔드밀은 진동의 진폭이 상대적으로 크게 발생하였고복합소재 가공용 공구의 경우에는 범용 엔드밀에 비해 진폭이 적게 발생하였는데 이는 절삭날의 형상이 격자로 이루어져 있으며, 범용 엔드밀에 비해 예리한 절삭날이 없기 때문이다. 따라서 복합소재 가공용 공구는 복합소재 가공 시 진동에 의한 영향이 범용 엔드밀보다 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 4~6은 절삭공구(2날/4날 및 복합소재 가공용 공구)에 따른 공구 수직 방향의 절삭력을 나타낸다. 실험 결과 절삭 공구의 수직방향 절삭력은 절삭 속도 증가에 따라 절삭력은 감소하였고, 이송 속도의 증가는 절삭력을 증가시키는 경향을 보이고 있다. 절삭날의 개수에 따라 비교 해보면 각 조건에 따라 2날과 4날 엔드밀에 비해 복합소재 가공용 공구는 상대적으로 적게 절삭력이 작용하는 것을 확인할 수 있었다.
- 복합소재 가공용 공구의 경우에는 범용 엔드밀 보다 절삭날이 예리하지 않고 형상이 격자로 이루어져 있어서 절삭가공 보다는 분진형태의 기지재(matrix)와 섬유를 갈아내는 형태로 가공이 되므로 표면은 거칠어지지만 상단 부에 burr가 발생하지 않았다. 이 결과 CFRP 판재는 범용 공구를 이용한 형상 가공 보다는 복합소재 가공용 공구를 이용한 형상 가공이 보다 유용하다는 것을 판단할 수 있었다.
- 앞에 절삭력 신호 분석과 마찬가지로 동일한 조건 절삭 속도 45mm/min, 이송 속도 300mm/min 에 대하여 진동 신호를분석해 본 결과 절삭력과 유사한 경향을 나타내었다. 이 결과 동일한 조건에서 범용 엔드밀에 비해 복합소재 가공용 공구의 진폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 절삭력 실험과 마찬가지로 절삭 부하에 영향과 공구의 비틀림 방향의 특성상 부하가 적게 걸려 진동이 적게 발생하는 것을 알 수 있다.
- 실험 결과 절삭 공구의 수직방향 절삭력은 절삭 속도 증가에 따라 절삭력은 감소하였고, 이송 속도의 증가는 절삭력을 증가시키는 경향을 보이고 있다. 절삭날의 개수에 따라 비교 해보면 각 조건에 따라 2날과 4날 엔드밀에 비해 복합소재 가공용 공구는 상대적으로 적게 절삭력이 작용하는 것을 확인할 수 있었다. 복합소재 가공용 공구는 앞선 공구 형상 측정결과와 같이 공구 헬릭스 각이 없고 절삭날 비틀림 방향이 반대방향으로 되어 있어 절삭력이 감소한 것으로 확인할 수 있다.
- 하지만 진동 신호를 이용해 절삭력과 같은 절삭 주기는 찾기 힘들었으나 공구에 따른 진동 신호의 진폭 변화는 확인할 수 있었다. 측정 결과 4날 엔드밀에 비해 2날 엔드밀은 진동의 진폭이 상대적으로 크게 발생하였고복합소재 가공용 공구의 경우에는 범용 엔드밀에 비해 진폭이 적게 발생하였는데 이는 절삭날의 형상이 격자로 이루어져 있으며, 범용 엔드밀에 비해 예리한 절삭날이 없기 때문이다. 따라서 복합소재 가공용 공구는 복합소재 가공 시 진동에 의한 영향이 범용 엔드밀보다 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
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