[논문]유한요소해석과 가공실험을 통한 마이크로 밀링가공의 가공특성평가

구민수; 김정석; 김평호; 박진효; 강익수

문제 정의

본 논문은 마이크로 밀링가공에 대한 유한 요소해석과 가공실험을 통하여 가공조건 중에서 날당이 송의 변화에 따른 가공 특성을 파악하고, 그 결과를 이용하여 연료전지 분리판의 대량생산을 위한 금형가공에 있어서 보다 안정적인 절삭이 발생할 수 있는 날당이송을 제시하고자 한다.

가설 설정

공구의 소재는 고속가공에 주로 사용되는 초경합금(Tungsten Carbide)로 하였으며, 가공 시편의 소재는 SM45C종으로 하였다. 가공시편은 탄 소성 영역 거동을 나타낼 수 있도록 탄소성(Elasto-plastic) 타입으로 하였으며, 공구는 강체로 가정하였다. 그리고 마이크로 밀링가공에서는 수직 방향 절삭 깊이가 크지 않으므로 공구헬리컬 각의 영향은 무시하였다.
생성해야 한다. 본 논문에서 유한요소 모델은 해석시간을 최소화하기 위해 시 편형상을 가공하기 전의 형태가 아닌 가공 중의 형상으로 가정하여 생성하였다. 유한요소모델의 가공 중의 형상을 정의하기 위해서는 우선 미절삭칩 두께 t를 계산하여야 한다.

제안 방법

모든 신호는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)# 이용하여 100Hz~5, 000Hz대역의 신호만을 획득하도록 설정하였다. 각 신호의샘플링율은 앨리어스(Alias) 현상을 방지하고, 신호의 해상도를 높이기 위해 나이퀴스트 주파수(Nyquist Frequency)를 고려하여 20,480Hz로 하였다. Fig.
가공시 절삭력 신호를 얻기 위해 절삭력측정 센서가 장착된 절삭력 측정 시스템을 x-y 이송 계에 설치하고, 가공시편을 절삭력측정시스템 위에 고정시켰다. 그리고 가공시의 AE(Acoustic Emission)신호를 획득하기 위해가공시편의 측면에 AE 센서를 부착하였다. 절삭력측정 센서와AE센서의 신호는 내셔널인스트루먼트(NI) 사의 Labview 8.
날당이 송의 크기를 5단계로 나누어 유한 요소해석을 수행하였다. Fig.
6에는 실험장치를 나타내었다. 날당이송에 따른 마이크로 밀링가공의 특성을 파악하기 위해 날 당이송을 변화시키면서 실험을 수행하였다. Fig.
마이크로 밀링가공은 에어터빈스핀들이 장착된 3축 마이크로 머시닝스테이지를 활용하여 수행되었으며, 제어는 개인용컴퓨터를 이용하여 수행되었다. 가공시 절삭력 신호를 얻기 위해 절삭력측정 센서가 장착된 절삭력 측정 시스템을 x-y 이송 계에 설치하고, 가공시편을 절삭력측정시스템 위에 고정시켰다.
마이크로 밀링가공의 가공특성을 파악하고 소재의 정상적인 절삭이 발생하는 날당이송을 찾기 위해 유한 요소해석과 가공실험을 수행하여 다음의 결론을 얻었다.
2를 사용하여 동시에 획득하였다. 모니터링과 신호저장 및 신호 분석의 효율성을 증대시키기 위하여 모든 신호의 FFT(FastFourier Transform) 변환과 AE신호의 RMS(Root Mean Square)변환을 실시간으로 수행하도록 프로그램을 작성하였다. 모든 신호는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)# 이용하여 100Hz~5, 000Hz대역의 신호만을 획득하도록 설정하였다.
모니터링과 신호저장 및 신호 분석의 효율성을 증대시키기 위하여 모든 신호의 FFT(FastFourier Transform) 변환과 AE신호의 RMS(Root Mean Square)변환을 실시간으로 수행하도록 프로그램을 작성하였다. 모든 신호는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)# 이용하여 100Hz~5, 000Hz대역의 신호만을 획득하도록 설정하였다. 각 신호의샘플링율은 앨리어스(Alias) 현상을 방지하고, 신호의 해상도를 높이기 위해 나이퀴스트 주파수(Nyquist Frequency)를 고려하여 20,480Hz로 하였다.

대상 데이터

소재 절삭이 일어나는 공구 선단 경로 주변은 메쉬 밀도를 높게 하였다. 공구의 소재는 고속가공에 주로 사용되는 초경합금(Tungsten Carbide)로 하였으며, 가공 시편의 소재는 SM45C종으로 하였다. 가공시편은 탄 소성 영역 거동을 나타낼 수 있도록 탄소성(Elasto-plastic) 타입으로 하였으며, 공구는 강체로 가정하였다.

데이터처리

마이크로 밀링가공의 유한요소 해석을 수행하기 위해 Deform- 2D 프로그램을 이용하였다. 소재 절삭이 일어나는 공구 선단 경로 주변은 메쉬 밀도를 높게 하였다.

이론/모형

된다. 본 논문에서는 소성영역에서의 유동응력을 표현하기 위한 구성 모델로 식(1)에 나타낸 Johnson-Cook(JC) 모델이 사용되었다⑷. JC 모델은 소재의 가공경화와 열적 연화에 의한 응력변화를 나타내는 데 효과적이며, 마이크로 절삭가공의 유한요소해석에서 사용되고 있다.

성능/효과

(1) 유한요소 해석 에서 공구선단 반경에 대한 날당이 송의 비가 0.2일 때, 플라우잉 현상에 의한 치수 효과에 의해 칩이 생성되지 않았다.
(2) 가공 실험에서 절삭력 신호와 AE신호와 FFT주파수분석, 가공표면의 분석을 통해, 공구선단 반경에 대한 날당이 송의 비가 0.6 이하일 때 소재의 정상적인 절삭이 발생하지 않음을 확인하였다.
11에 가공표면의 SEM 이미지를 나타내었다. 1.0um와 0.8um의 날당이 송에서는 표면 상태가 비교적 매끄러우며, 벽면의 상태도 비교적 양호하였다. 이를 통해 소재 제거가 정상적으로 발생하였음을 확인할 수 있었다.
10에는 AE신호를 FFT변환한 결과를 나타내었다. 1.0um와 0.8um의 날당이송에서는 FFT그래프의 형태가 유사함을 확인할 수 있었다. 하지만, 0.
5에는 절삭력 신호의 형태에 대해 나타내었다. 날당이송이 1.0um과 0.8um일 경우에는 칩이 안정적으로 생성되며, 범용 밀링가공에서 관찰되는 형태의 전단응력 영역이 발견되었다. 절삭력 신호의 형태 또한 범용 밀링가공의 형태와 유사한 형태를 나타냄을 확인할 수 있었다.
13은 날 당이송에 따른 비절삭 에너지의 변화를 나타내고 있다. 날당이송이 작을수록 비절삭 에너지는 증가함을 알 수 있으며, 특히 날당이송이 0.6um일 때부터 비절삭 에너지가 급격히 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 치수 효과에 의해 발생하는 현상으로, 공구선단 반경과 관련된 플라우잉 현상에 의한 전단 에너지의 증가에 따른 것으로 판단된다.
이러한 현상은 치수 효과에 의해 발생하는 현상으로, 공구선단 반경과 관련된 플라우잉 현상에 의한 전단 에너지의 증가에 따른 것으로 판단된다. 따라서 마이크로밀링가공의 시뮬레이션과 실제적인 가공 실험의 결과에 대한 분석을 통해 공구선단 반경의 0.8배에 해당하는 0.8um 이상의 날당이 송에서 소재의 절삭이 정상적으로 발생함을 확인할 수 있었다.
정적이라는 것을 획-인할 수 있었다. 반면에 날당이송이 0.6um와 0.4um일 때의 절삭력신호는 비교적 불규칙하며, 특히 0.2um의 날당이송에서는 절삭력신호의 형태가 비주기적이며, 불규칙함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 플라우잉 현상과 슬라이딩 현상에 의해 소재의 절삭이 안정적으로 발생하지 않음을 간접적으로 확인할 수 있었다.
2um의 날당이송에서는 절삭력신호의 형태가 비주기적이며, 불규칙함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 플라우잉 현상과 슬라이딩 현상에 의해 소재의 절삭이 안정적으로 발생하지 않음을 간접적으로 확인할 수 있었다.
12에는 날당이송에 따른 절삭력의 합력의 평균과 AE RMS값의 평균을 나타내었다. 절삭력과 AE RMS는 상당히 유사한 성향을 나타냄을 확인할 수 있으며, AE RMS를 절삭력과 함께 가공과정의 모니터링에 활용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
4um일 경우, 절삭력 신호의 일부 구간에서 그 형태가 소재의 눌러짐에 의해 상대적으로 평평한 구간이 발견되었다. 특히, 날 당이송이 0.2um인 경우에는 칩이 생성되지 않고, 소재가 공구선단에 의해 눌리어지며, 절삭력 신호의 형태 또한 평평한 구간이 존재함을 확인할 수 있었다.
8um의 날당이송에서는 FFT그래프의 형태가 유사함을 확인할 수 있었다. 하지만, 0.6um와 0.4um의 날당이송에서는 500〜750Hz와 1, 000~1, 250Hz대역의 피크 값이 상승함을 확인할 수 있었으며, 특히 가장 작은 크기인 0.2um의 날당이송에서는 500〜750Hz와 1, 000-1, 250Hz 대역의 피크 값 뿐만 아니라, 2, 250~2,500Hz 대역의 피크값도 상승하였음을 확인할 수 있었다.

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