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문제 정의
- 4날형 드릴의 최대 feed 값을 기준으로 가공 조건을 잡아 실험을 진행하였다. 그 이유는, 동일한 feed 값 조견에서 일정한 홀 생산 속도를 가진다는 기준에서 두 드릴의 가공성을 비교하고자 하였다.
- 드릴의 형상이 새롭게 필요로 한다. 본 연구를 통해 기존 홀 가공에 많이 사용하는 PCD 드릴과 내구성이 비슷하며 드릴의 형상 변화가 가능한 CVD 다이아몬드 드릴을 이용하여 홀 가공성을 비교 평가하였다. PCD 드릴의 홀 가공 시발생되는 열적 데미지는 CVD 다이아몬드 드릴에 비해 낮은편이였다.
- (2)식은 홀 가공 시 드릴 한 날이 한 번의 회전으로 홀 내벽을 얼마만큼 절삭하는 정도를 나타내며, 홀 내벽의 조도 및 가공 조건과 연관이 있다. 본 연구에서는 CFRP에 맞는 홀 가공 조건들 (즉, tpm, 피드)을 도출하기 위해 이용하였다. Z값이 증가될수록 1날당 이송량이 작아져서 N값을 증가시켜 날당 이송량을 증가 시킬 수 있다.
- 본 연구에서는, 가공 속도와 드릴 툴의 마모정도, 홀 가공 결과에 대한 홀 치수 정확성에 대한 평가 기준을 두고 기존에 사용하고 있는 PCD 드릴과 CVD 다이아몬드 드릴의 가공 능력을 비교 평가 했다. 홀 가공 시 측정되는 가공 단계의 온도를 측정하여 가공 시 발생되는 발열량을 확인하고 두 드릴의 성능을 평가했다.
제안 방법
- 1과 같이 준비하여 실험했다. 4날 형태의 CVD 다이아몬드 드릴과 트위스트 형태의 2날 형태의 PCD 드릴의 형상 차이에 따른 홀 가공의 차이를 검토하였다.
- 이에 따라 절삭 속도가 증가함으로써 4날형 드릴의 구조가 2 날 형보다 생산성이 우수하다. 4날형 드릴의 최대 feed 값을 기준으로 가공 조건을 잡아 실험을 진행하였다. 그 이유는, 동일한 feed 값 조견에서 일정한 홀 생산 속도를 가진다는 기준에서 두 드릴의 가공성을 비교하고자 하였다.
- 5는 TGA 장비를 이용하여 홀 가공 시 생성된 칩을 통한 홀 가공 중에 발생되는 열적 데미지를 각각의 드릴별로 확인하였다. CFRP 속의 에폭시 포함 정도를 비교하여 홀 가공 과정의 발열 정도를 평가하였다. 평가가 가능한 이유는 홀 가공을 하기 전에 CFRP 표면에 존재하는 에폭시 함량을 측정해 봤을 경우, 그래프와 같이 약 에폭시 35% 정도를 포함하고 있었다.
- 두고 가공 조건에 따른 결과를 비교하였다. CVD 다이아몬드 드릴과 PCD 드릴을 날당 이송량 F, 과 절삭속도 K를 통해 비교하였다. PCD 드릴은 날이 두 개인 트위스트 형태의 드릴이며, 높은 feed 조건을 만족하기 위해선 높은 rpm 값으로 4날형 드릴의 절삭량을 2날로써 빠르게 절삭해야 하기 때문에 높은 rpm 조건에서 좋은 가공성을 보여 주었다.
- Fig- 2와 같이 드릴의 홀 가공 시 홀 부분의 발열 정도를 열화상 카메라로 측정하여 가공 중에 시편에 전달되는 열적 데미지를 확인하였다.
- KAI (한국항공우주산업)에서 제공받은 CFRP (두께: 14 mm)를 이용하여 홀 가공 실험을 진행 하였고 PCD 드릴 (Walter사, 직경: 6.35 mm)과 CVD 다이아몬드 드릴 (Amamco 사, 직경: 6.38 mm)를 이용하여 다이아몬드 코팅법과 드릴의 형상이 다른 두 드릴을 이용하여 홀 가공 능력을 비교 했고, 열화상 카메라 (Dail사, 중국)를 이용하여 홀 가공 과정을 분석하고 보어 게이지 (bore gage, Mitutoyo사 , 일본)를 통하여 홀 상태를 평가하였다. 홀 내부 상태를 확인하기 위해 반사현미경을 이용했다.
- 7은 가공한 홀의 직경을 보어게이지로 측정하여 홀직경 치수 정확성을 확인한 결과이다. 가공한 홀 직경을 세 부분 (홀 앞면, 홀 내부, 홀 뒤편)으로 나누어 가공한 홀 치수의 편차를 확인하였다. 홀 직경 측정 결과 열적 데미지평가의결과와 유사하게 CVD 다이아몬드 드릴은 높은 rpm 조건에서 홀 직경의 정확도가 떨어지고, 낮은 rpm일수록 치수 정확도가 높아졌다.
- 홀 가공에서 홀 생산성이 중요한 부분이기 때문에 가공 속도에 의한 두 드릴의 성능 평가를 진행했다. 기존 PCD 드릴의 가공 feed 값을 CVD 다이아몬드 드릴의 기준에 맞춰 가공속도에 따른 결과를 비교 평가 했다.
- 홀 가공 시 측정되는 가공 단계의 온도를 측정하여 가공 시 발생되는 발열량을 확인하고 두 드릴의 성능을 평가했다. 다이아몬드 코팅 면적의 제한이 있는 PCD 드릴과 다이아몬드 코팅이 코팅 면적에 제한이 없어 다양한 드릴 형상을 제조할 수 있는 CVD 다이아몬드 드릴을 이용하여 드릴 형상에 따른 가공 결과를 평가 했다. 홀 가공에서 홀 생산성이 중요한 부분이기 때문에 가공 속도에 의한 두 드릴의 성능 평가를 진행했다.
- 홀 직경을 측정하기 위해 보어 게이지 (bore Eage)를 사용하여 홀 치수 정확성을 평가하고 절삭 가공 이론식에 의해 설정한 가공 조건의 타당성을 비교하였다[9]. 마지막으로 육안검사를 통해 홀을 검사하여 필업 (peel up) 균열 과 홀 내부균열 정도를 비교하여 CVD 다이아몬드 드릴과 PCD 드릴의 가공 성능을 평가 하였다.
- 보잉사의 7E7 모델의 시작으로 항공기 시장에 경제성과 효율성을 강조하면서 비강도가 큰 탄소섬유강화 플라스틱 (CFRP)의 이용으로 항공기 부품 시장의 변화를 주도하였다. 또한, 이런 항공기 분야 뿐 아니라 지상의 운송수단의 외장재 및 구조재료로써 재료의 응용이 다양화 되면서 CFRP의 활용성이 높아지고 사용량이 증가되고 있다
- Instrument사, 미국)를 이용하였다. 시편에 포함 된 에폭시의 함량을 가공 전과 홀 가공 후 발생한 칩을 이용하여 손실 되는 에폭시 양을 비교하여 발열 정도를 평가 했다. 일반적으로 CFRP 내부의 에폭시 함량은 35%를 차지하고 있었으며 홀 가공 시 발생 칩의 함량은 소폭 감소한 경향을 확인 할 수 있었다.
- 반면에 C는 칩 배출이 가장 미흡해지면서 낮은 온도 값을 얻을 때의 온도 값이다. 칩 배출이 잘되고, 안될 때의 영향에 따른 홀 가공 시 칩 배출 정도를 평가하였다. 홀 가공 시 칩이 원활히 배출 되어야 홀 내벽에 칩에 의한 미세 크랙 정도가 작아지기 때문에 홀 가공 시 칩의 배출 정도는 홀 가공 품질에 대해 영향이 크다.
- 홀 가공 과정 상 발생하는 열적 데미지 비교를 통한 가공능력에 대한 분석 이외에, 홀 가공으로 생성된 홀 직경 정확성과 CFRP 시편의 앞면과 뒷면의 균열 정도를 비교하였다. 홀 직경을 측정하기 위해 보어 게이지 (bore Eage)를 사용하여 홀 치수 정확성을 평가하고 절삭 가공 이론식에 의해 설정한 가공 조건의 타당성을 비교하였다[9].
- 능력을 비교 평가 했다. 홀 가공 시 측정되는 가공 단계의 온도를 측정하여 가공 시 발생되는 발열량을 확인하고 두 드릴의 성능을 평가했다. 다이아몬드 코팅 면적의 제한이 있는 PCD 드릴과 다이아몬드 코팅이 코팅 면적에 제한이 없어 다양한 드릴 형상을 제조할 수 있는 CVD 다이아몬드 드릴을 이용하여 드릴 형상에 따른 가공 결과를 평가 했다.
- 다이아몬드 코팅 면적의 제한이 있는 PCD 드릴과 다이아몬드 코팅이 코팅 면적에 제한이 없어 다양한 드릴 형상을 제조할 수 있는 CVD 다이아몬드 드릴을 이용하여 드릴 형상에 따른 가공 결과를 평가 했다. 홀 가공에서 홀 생산성이 중요한 부분이기 때문에 가공 속도에 의한 두 드릴의 성능 평가를 진행했다. 기존 PCD 드릴의 가공 feed 값을 CVD 다이아몬드 드릴의 기준에 맞춰 가공속도에 따른 결과를 비교 평가 했다.
- 비교하였다. 홀 직경을 측정하기 위해 보어 게이지 (bore Eage)를 사용하여 홀 치수 정확성을 평가하고 절삭 가공 이론식에 의해 설정한 가공 조건의 타당성을 비교하였다[9]. 마지막으로 육안검사를 통해 홀을 검사하여 필업 (peel up) 균열 과 홀 내부균열 정도를 비교하여 CVD 다이아몬드 드릴과 PCD 드릴의 가공 성능을 평가 하였다.
대상 데이터
- 형상과 가공 조건 선정이 중요하다. CFRP에 적합한 드릴 형상을 알아보기 위해 CFRP 홀 가공 과정이 다른 2가지 드릴 형상을 Fig. 1과 같이 준비하여 실험했다. 4날 형태의 CVD 다이아몬드 드릴과 트위스트 형태의 2날 형태의 PCD 드릴의 형상 차이에 따른 홀 가공의 차이를 검토하였다.
이론/모형
- 또 다른 홀 가공 열적 데미지 평가 방법으로, TGA (Q50, TA Instrument사, 미국)를 이용하였다. 시편에 포함 된 에폭시의 함량을 가공 전과 홀 가공 후 발생한 칩을 이용하여 손실 되는 에폭시 양을 비교하여 발열 정도를 평가 했다.
- 38 mm)를 이용하여 다이아몬드 코팅법과 드릴의 형상이 다른 두 드릴을 이용하여 홀 가공 능력을 비교 했고, 열화상 카메라 (Dail사, 중국)를 이용하여 홀 가공 과정을 분석하고 보어 게이지 (bore gage, Mitutoyo사 , 일본)를 통하여 홀 상태를 평가하였다. 홀 내부 상태를 확인하기 위해 반사현미경을 이용했다.
성능/효과
- 이러한 이유는 가공 시 발생 되는 열적 데미지로 인하여, 칩 내부에 손실양이 발생되기 때문이다. CVD 다이아몬드 드릴을 이용한 가공이 PCD 드릴에 비해 더 높은 열적 데미지를 CFRP 홀 내부에 주기 때문에 더 많은 손실 양을 가짐을 확인했다.
- PCD 드릴의 홀 가공 시발생되는 열적 데미지는 CVD 다이아몬드 드릴에 비해 낮은편이였다. CVD 다이아몬드 드릴의 4날형 드릴 형상에 의해 칩 발생 속도는 빠르나 칩 배출 속도는 rpm에 영향이 크기 때문에 높은 rpm 조건에서보다 낮은 rpm일 경우 좋은 칩 배출 속도를 확인하였다. 전반적으로 PCD 드릴은 좋은 홀 가공성을 가지나 홀 가공 속도가 CVD 다이아몬드 드릴에 비해 느리다는 점을 확인했다.
- CVD 다이아몬드 드릴과 PCD 드릴을 날당 이송량 F, 과 절삭속도 K를 통해 비교하였다. PCD 드릴은 날이 두 개인 트위스트 형태의 드릴이며, 높은 feed 조건을 만족하기 위해선 높은 rpm 값으로 4날형 드릴의 절삭량을 2날로써 빠르게 절삭해야 하기 때문에 높은 rpm 조건에서 좋은 가공성을 보여 주었다. 이에 비해, CVD 다이아몬드 4날형 드릴은 4날이 CFRP의 조건에 맞게 홀 내벽을 절삭해야 하기 때문에 가공 속도는 높일 수 있으나 rpm에 따라 홀 내벽에 조도를 크게 변형시킨다.
- 전반적으로 PCD 드릴은 좋은 홀 가공성을 가지나 홀 가공 속도가 CVD 다이아몬드 드릴에 비해 느리다는 점을 확인했다. 많은 CFRP 홀 가공을 빠르게 생산하기 위해서는 CVD 다이아몬드 드릴이 적합하지만 정확하고 정밀한 결과를 얻기 위해서는 CVD 드릴보다는 PCD 드릴을 활용하는 것이 보다 나은 홀 결과를 확인하였다.
- 이는 칩 배출이 원활하지 못한 드릴 형상이므로 홀 가공 시 배출 되지 못한 뭉친 칩들이 드릴과 같이 나오면서 홀 앞, 뒷부분을 긁으면서 미세 균열을 생성한 것으로 생각된다. 이러한 결과로 PCD 드릴은 높은 피드 값 보다는 낮은 피드 값으로 CFRP를 한충 씩 절삭하여야 하며, CVD 다이아몬드 드릴에 비해 느린 홀 생산 속도를 가지는 드릴이라고 생각된다.
- 하지만, PCD 드릴 같은 경우 그 편차가 대부분 작았으나, 좋은 홀 가공 결과를 가지지 못했던 낮은 rpm 조건에서는 큰 편차를 가졌다. 이를 통해, 드릴에 적합한 가공 조건일 경우, 흘 치수 정확성이 높으며 이러한 결과는 열적 데미지 평가 결과와 칩 배출 정도와 연관성이 있음을 확인 할 수 있었다. 또한, 드릴의 형상학적으로 평가해 볼 때 PCD 드릴은 CFRP 표면을 드릴 팁 부분의 형상에 맞게 CFRP 표면을 베어 나가는 형태인데 낮은 rpm일 경우 섬유와 에폭시를 원활하게 절삭하지 못하기 때문에 홀 치수 정확성이 떨어진다.
- 평가가 가능한 이유는 홀 가공을 하기 전에 CFRP 표면에 존재하는 에폭시 함량을 측정해 봤을 경우, 그래프와 같이 약 에폭시 35% 정도를 포함하고 있었다. 이에 비해, 홀 가공 이후 CFRP의 에폭시 함량은 홀 가공을 진행했던 드릴에 따라 에폭시 함량이 다름을 확인할 수 있었다. 이러한 이유는 가공 시 발생 되는 열적 데미지로 인하여, 칩 내부에 손실양이 발생되기 때문이다.
- 홀 직경 측정 결과 열적 데미지평가의결과와 유사하게 CVD 다이아몬드 드릴은 높은 rpm 조건에서 홀 직경의 정확도가 떨어지고, 낮은 rpm일수록 치수 정확도가 높아졌다. 이와 반대로, PCD 드릴은 높은 rpm일수록 홀 정확도가 높았다. 전반적으로, Fig.
- CVD 다이아몬드 드릴의 4날형 드릴 형상에 의해 칩 발생 속도는 빠르나 칩 배출 속도는 rpm에 영향이 크기 때문에 높은 rpm 조건에서보다 낮은 rpm일 경우 좋은 칩 배출 속도를 확인하였다. 전반적으로 PCD 드릴은 좋은 홀 가공성을 가지나 홀 가공 속도가 CVD 다이아몬드 드릴에 비해 느리다는 점을 확인했다. 많은 CFRP 홀 가공을 빠르게 생산하기 위해서는 CVD 다이아몬드 드릴이 적합하지만 정확하고 정밀한 결과를 얻기 위해서는 CVD 드릴보다는 PCD 드릴을 활용하는 것이 보다 나은 홀 결과를 확인하였다.
- 이와 반대로, PCD 드릴은 높은 rpm일수록 홀 정확도가 높았다. 전반적으로, Fig. 7의 데이터를 통해 확인할 수 있는 것은 발열량이 높고 칩 배출이 용이하지 못했던 CVD 다이아몬드 드릴의 경우 홀 앞면과 뒷면 그리고 홀 내부의 크기의 편차가 컸다. 하지만, PCD 드릴 같은 경우 그 편차가 대부분 작았으나, 좋은 홀 가공 결과를 가지지 못했던 낮은 rpm 조건에서는 큰 편차를 가졌다.
- 가공한 홀 직경을 세 부분 (홀 앞면, 홀 내부, 홀 뒤편)으로 나누어 가공한 홀 치수의 편차를 확인하였다. 홀 직경 측정 결과 열적 데미지평가의결과와 유사하게 CVD 다이아몬드 드릴은 높은 rpm 조건에서 홀 직경의 정확도가 떨어지고, 낮은 rpm일수록 치수 정확도가 높아졌다. 이와 반대로, PCD 드릴은 높은 rpm일수록 홀 정확도가 높았다.
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