절삭력 최적화를 이용한 금형의 생산성 및 표면조도 향상에 관한 연구 A Study on the Improvement of Productivity and Surface Roughness in Mold Machining using the Optimization of Cutting Force원문보기
The mold is widely used for mass production in present industry. Also, product cycle time is faster, for this request, high productivity improvement in mold machining is required. And, In case of mold manufacturing company, the delivery shortening is required to quickly manufacture new product. Ther...
The mold is widely used for mass production in present industry. Also, product cycle time is faster, for this request, high productivity improvement in mold machining is required. And, In case of mold manufacturing company, the delivery shortening is required to quickly manufacture new product. Therefore, we aim for the delivery shortening though the method of machining time shortening in mold machining. On this paper, first, we made the NC-code of Insert die-casting as the object model using PowerMill. And then, analyzed cutting force by Toolpath in Insert mold machining using Production Module of Advantedge which is cutting force analysis program. After that, we came up with the optimum conditions of productivity improvement throughout the analysis result of before and after optimization of cutting force, machining time variation, and surface roughness by changing min tangential force to 80, 85, 90% of max tangential force.
The mold is widely used for mass production in present industry. Also, product cycle time is faster, for this request, high productivity improvement in mold machining is required. And, In case of mold manufacturing company, the delivery shortening is required to quickly manufacture new product. Therefore, we aim for the delivery shortening though the method of machining time shortening in mold machining. On this paper, first, we made the NC-code of Insert die-casting as the object model using PowerMill. And then, analyzed cutting force by Toolpath in Insert mold machining using Production Module of Advantedge which is cutting force analysis program. After that, we came up with the optimum conditions of productivity improvement throughout the analysis result of before and after optimization of cutting force, machining time variation, and surface roughness by changing min tangential force to 80, 85, 90% of max tangential force.
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문제 정의
제품 생산주기의 가속화의 요구에 맞추기위해 금형의 높은 생산성 향상이 요구되고 있으며, 발 빠른 신제품 제작을 위해 금형 제작 업체의 경우 납기단축이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 금형 제작 시 절삭력의 최적화의 방법으로 가공 시간 단축을 통해서 납기단축의 목표를 이루고자 한다. 절삭력에 관한 연구는 현재 활발히 진행되고 있으며, Lee 등(1)과 Lee 등(기은 엔드밀 가공의 절삭력 예측 실험을 통해 절삭력 예측 모델을 제시하였고, Hyun 등(3)은 볼 엔드밀 가공에서의 절삭력에 따른 Chip load 계산 모델을 제시하였고 그 외 다양한 밀링 절삭력 예측 연구가 수행되었다(4~7).
본 연구에서는 대상 모델인 다이케스팅의 Insert 금형을 PowerMill을 이용하여 NC code를 작성한 뒤 절삭력 해석프로그램인 Advantedge Production Module을 이용하여 대상 모델인 Insert금형의 가공시 중삭, 정삭시의 Toolpath 에 따른 절삭력을 해석한 후, max tangential force의 80, 85, 90%값인 min tangential force값의 변화에 따른 최적화 결과의 절삭력 및 가공 시간 변화와 제품 품질을 나타내는 표면 거칠기 값의 최적화 전후의 해석 결과를 비교하여 생산성 향상의 최적의 절삭력 조건을 제시하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 Advantedge Production Module을 이용한 금형 가공시 절삭력 변화에 따른 최적화 방법을 이용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 절삭력 해석 프로그램인 Advantedge Production Module을 이용하여 가공별 Toolpath에 따른 Tangential Force 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서의 대상 모델링은 다이케스팅 금형의 Insert 금형의 형상으로 선정하였고, CATIA를 통해 모델링을 한 뒤, PowerMill을 통해 NC code를 작성하였다. Fig.
실 가공 후 금형 품질을 비교하기 위해 표면조도기 (Mitutoyo SJ-301)를 이용하여 측정하였다. Fig.
위의 결과를 통해서 본 연구에서는 최대 절삭력의 80, 85, 90%의 min tangential force값을 설정하여 각 가공별로 NC code최적화를 수행하였다. Table 2는 가공별로 80%의 max, mEi값을 나타내고 Table3, 4는 85, 90%의 max, min값을 나타낸다.
주분력 80, 85, 90%의 각각의 조건으로 최적화된 NC code를 이용하여 절삭력 최적화전의 조건과의 비교를 위해 총 4가지의 조건을 Doosan VW84H를 이용하여 가공하였다. Fig.
성능/효과
(1) Insert 금형가공 Toolpath의 Tangential Force 해석을 통해 80, 85, 90%의 절삭력 최적화를 수행하였다.
(2) 가공시간은 90% 조건에서 22.106%로 가장 큰 단축률을 나타내었고, 절삭력 최적화 크기에 따라 단축률이 크게 나타났다.
(3) 표면 조도는 90%의 경우 가장 큰 값을 나타냈으며 최적 화전의 경우보다 2배 이상의 향상된 값을 도출했다.
(4) 가공시간과 표면 조도 결과 값을 종합해보면 90%에서 가장 뛰어난 값을 나타내므로 90%에서 최적의 효과를 나타내었다.
Fig. 13에서 보듯이 Tangential Force 최적화 크기에 따라 표면조도는 좋게 나타났으며 90%의 경우 거의 2배의 향상된 수치를 나타냈다. 이러한 결과는Tangential Force 최적화에 따른 절삭력 안정화로 인해 가공 시 공구 부하를 줄여 표면 조도가 향상되었다고 판단된다.
위의 결과에서 중삭의 경우 초기 공구 진입에 따라서 최대 13221N의 큰 절삭력이 나타났으며 가공 시간에 따라 점차 절삭력이 줄어들면서 일정한 절삭력이 나타나는 것을 알 수 있다. 그리고 절삭력의 분포는 크게 최대 13221N, 3489.
13에서 보듯이 Tangential Force 최적화 크기에 따라 표면조도는 좋게 나타났으며 90%의 경우 거의 2배의 향상된 수치를 나타냈다. 이러한 결과는Tangential Force 최적화에 따른 절삭력 안정화로 인해 가공 시 공구 부하를 줄여 표면 조도가 향상되었다고 판단된다.
106 %의 단축률을 보인다. 이상의 결과에서 Tangential Force의 Min값 설정에 크기에 따라 가공시간은 더욱 더 단축되는 것을 알 수 있다.
전체 금형의 가공시 본 연구와 같이 Tangential Force의 NC code 최적화를 통해 최소 20%이상의 금형 가공시간을 단축할 것으로 예상된다.
최적화 후의 가공시간은 최적화 전보다 가공에 따라 90% 경우의 정삭에서 최대 24.512%단축되었고, 전체시간으로 22.106 %의 단축률을 보인다. 이상의 결과에서 Tangential Force의 Min값 설정에 크기에 따라 가공시간은 더욱 더 단축되는 것을 알 수 있다.
참고문헌 (7)
Lee, S. Y., and Im, Y. M., 2004, "Prediction and Experiments of Cutting Forces in End Milling," Journal of KSMTE, Vol. 13, No. 4, pp. 9-15.
Lee, K. Y., Kang, M. C., and Kim, J. S., 1997, "The Prediction of Cutting Force and Surface Topography by Dynamic Force Model in End Milling," Journal of KSPE, Vol. 14, No. 4, pp. 38-45.
Hyun, E. J., and Jung, Y. H., 1999, "Chip Load Prediction for Ball End Mill," KSPE Spring Conference, pp. 1014-1018.
Young, H. T., Mathew, P., and Oxley, P. L. B., 1994, "Predicting Cutting Forces in Face Milling," International Journal of machine tool and manufacture, Vol. 34, No. 6, pp. 771-783.
Li, X. P., Nee, A. Y. C., Wong, Y. S., and Zheng, H. Q., 1999, "Theoretical Modelling and Simulation of Milling Forces," Journal of Materials Technology, Vol. 89-90, No. 1, pp. 266-272.
Zheng, H. Q., Li, X. P., Wong, Y. S., and Nee, A. Y. C., 1999, "Theoretical Modelling and Simulation of Cutting Forces in Face Milling with Cutter Runout," International Journal of machine tool and manufacture, Vol. 39, No. 12, pp. 2003-2018.
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