[논문]고경도 선삭에서의 표면품위에 관한 연구

이한교; 신형곤; 유승현; 김태영

doi:10.7735/ksmte.2012.21.6.871

고경도 선삭에서의 표면품위에 관한 연구
A Study on Surface Integrity in Hard Turning 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.6, 2012년, pp.871 - 877

이한교 (한국폴리텍대학 김제캠퍼스 컴퓨터응용기계과) , 신형곤 (전북대학교 기계시스템 공학부) , 유승현 (전북대학교 대학원 기계시스템공학과) , 김태영 (전북대학교 기계시스템 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

New materials widely used for automobile related industry, aircraft, space development area are mostly high hardness materials. The hardness value of some hardened materials is over HRC45 and machining of this hardened materials is called as hard turning. Hard turning has its advantage on processing flexibility, cycle time and tool cost reduction. Also this process obtains high efficiency in processing and precise surface roughness through application of the CBN tools. In hard turning process with CBN tool, surface integrity is the important factor for considering the design of machine part and component under high stress and load conditions. A purpose of this study is to analyze optimal condition in hard turning process of AISI 52100 steel (HRC62) with high CBN and low CBN on turning characteristics, tool wear mechanism comparison and surface integrity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하드터닝의 경우 공구와 공작물 사이에 발생하는 고열로 인하여 체적 변화에 따른 압축잔류응력이 발생하는 것으로 되어 있다. 따라서 보다 경제적인 가공 방법을 찾기 위해, 고경도 강의 하드터닝에 사용하는 high CBN과 low CBN 공구에 대해 피삭재 표면에 발생하는 압축 잔류응력이 어느 정도인지를 알고, 어느 깊이까지 영향이 미치는 가를 알아보았다.
본 연구는 난삭재인 AISI 52100의 피삭재를 PCBN 공구를 이용한 선삭으로 다양한 가공특성에 대하여 살펴보았다. 특히 하드터닝 시 high CBN과 low CBN 공구에 대한 절삭력, 공구 마모, 피삭재에 대한 표면거칠기, 잔류응력 등을 분석해 보고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이러한 관점에서 본 논문에서는 하드터닝에서의 최적 조건과 공구 및 재질의 분석을 위해 고경도강인 AISI 52100 강(HRC 62)을 재료로 하여 high CBN 공구와 low CBN 공구 절삭 시절삭특성과 공구마모의 변화와 표면의 품질에 대한 영향을 연구하였다.

제안 방법

Fig. 4에서는 절삭속도 130m/min인 조건에서 이송속도에 따른 평균 절삭력 양상을 나타낸 것으로 high CBN 공구와 low CBN공구를 비교하였다. 평균 절삭력은 절삭력 중 가장 영향력이 큰 배분력의 평균값을 선택하였다.
고경도강의 절삭은 공구의 재료에 따라 절삭의 경향이 어떻게 나타나는가를 알아보기 위해, 공구의 재료 성분이 다른 high CBN 공구와 low CBN 공구를 이용하여 절삭을 행한 후 가공면의 표면 거칠기와 공구마모 및 절삭력 변동 특성을 살펴보았다.
실험에 상용된 CBN공구는 TaeguTec(주) 제품인 KB90 (high CBN) TB650(low CBN)을 선택하였다. 공구와 가공물에 사이에 생기는 절삭력을 측정하기 위해 공구동력계를 설치하였으며 공구동력계 위에 공구를 장착하기 위해 지그를 설계․ 제작하여 장착하였다. Fig.
절삭과정 중에 절삭저항을 측정하였으며 절삭저항이 아주 미세하게 나타나므로 증폭기의 레인지(range)를 민감한 범위로 설정하였고, 절삭조건에 따른 절삭시간이 짧아 데이터의 입력 시간을 증폭시킨 후 A/D컨버터를 통하여 컴퓨터로 입력시켜 저장한 후 최대, 최소, 평균값을 계산하여 모니터 상에 출력하였다. 마모의 영상은 CCD 카메라를 통해 프레임 그레버(frame grabber)에 의해 256 밝기 등급으로 컴퓨터에 저장된 이 영상을 컴퓨터에서 분석하였다.
절삭과정 중에 절삭저항을 측정하였으며 절삭저항이 아주 미세하게 나타나므로 증폭기의 레인지(range)를 민감한 범위로 설정하였고, 절삭조건에 따른 절삭시간이 짧아 데이터의 입력 시간을 증폭시킨 후 A/D컨버터를 통하여 컴퓨터로 입력시켜 저장한 후 최대, 최소, 평균값을 계산하여 모니터 상에 출력하였다. 마모의 영상은 CCD 카메라를 통해 프레임 그레버(frame grabber)에 의해 256 밝기 등급으로 컴퓨터에 저장된 이 영상을 컴퓨터에서 분석하였다.
절삭속도, 이송속도 및 절입 깊이 등의 절삭조건을 각각의 조건별로 실험한 후 절삭조건에 따른 가공면의 표면 거칠기를 촉침식 표면거칠기 측정기를 이용하여 컷오프 0.8 mm의 조건에서 최대 높이 표면거칠기 Rmax를 측정하였다.
표면 조도계를 이용하여 가공 후 공작물의 표면을 측정하여 공구에 따른 표면 거칠기 및 가공 조건에 따른 표면 거칠기 특성을 알아보았다. Fig.

대상 데이터

이 장비를 지그에 설치하고 가공을 마친 공작물에 대하여 스트레인 게이지를 부착하였다. 구멍을 뚫기 위한 드릴의 직경은 1.6mm 크기를 사용하였다. 잔류응력에 대한 측정은 공작물에 3방향 스트레인 게이지를 부착한 후 구멍 뚫기 방법 (hole drilling method)에 의해 이뤄졌다.
본 실험에 사용한 재료는 고경도강인 AISI 52100이며 직경은 45mm이고 길이는 250mm이다. 재료의 화학적 성분은 Table 1과 같다.
실험에 상용된 CBN공구는 TaeguTec(주) 제품인 KB90 (high CBN) TB650(low CBN)을 선택하였다. 공구와 가공물에 사이에 생기는 절삭력을 측정하기 위해 공구동력계를 설치하였으며 공구동력계 위에 공구를 장착하기 위해 지그를 설계․ 제작하여 장착하였다.

데이터처리

4에서는 절삭속도 130m/min인 조건에서 이송속도에 따른 평균 절삭력 양상을 나타낸 것으로 high CBN 공구와 low CBN공구를 비교하였다. 평균 절삭력은 절삭력 중 가장 영향력이 큰 배분력의 평균값을 선택하였다. 그림에서 알 수 있듯이 절삭속도가 일정할 때 이송속도의 변화에 대해서 low CBN 공구의 배분력이 high CBN공구 보다 작게 나옴을 알 수 있으며, high CBN 공구와 low CBN 공구 모두 이송속도의 증가에 따라 배분력이 증가함을 보여준다.

이론/모형

6mm 크기를 사용하였다. 잔류응력에 대한 측정은 공작물에 3방향 스트레인 게이지를 부착한 후 구멍 뚫기 방법 (hole drilling method)에 의해 이뤄졌다.

성능/효과

(1) 고경도강 절삭엔 low CBN 공구가 효과적임을 확인했다. 이는 low CBN에는 TiC가 다량(65.
(2) 동일한 절삭속도와 이송속도에서 low CBN공구가 high CBN보다 많게는 5배 정도의 가공시간을 유지하였다. 이는 low CBN 공구의 플랭크 마모가 high CBN 공구의 경우에 비해 미세하게 진행됨을 알 수 있었다.
(3) low CBN 공구로 선삭 시, 피삭재에 대하여 접선 방향과 피드 방향에 대한 압축 잔류응력 상태를 살펴보면 피드 방향이 크게 나타났으며, 표면층에서 깊이가 증가할수록 감소하고 절삭속도와 이송속도가 가장 가혹한 130m/min과 0.193mm/rev인 경우에 압축 잔류응력이 크게 발생한 것을알 수 있었다.
(4) high CBN과 low CBN의 동일한 가혹조건에서 압축 잔류 응력 값을 비교하였더니 방향에 관계없이 깊이 0.1 mm 부근에서 압축이 크게 나타났다. 또한 압축 잔류응력에 대하여 high CBN이 약 2배 정도 크게 나타났으며 절삭속도와 이송속도가 저속 일수록 가공조건이 유리함을 알 수 있었다.
그림에서 나타난 것처럼 가공시간의 증가에 따라 모든 조건에서 플랭크 마모길이가 증가함을 알 수 있다. 그리고 low CBN 공구가 high CBN 공구보다도 플랭크 마모길이가 서서히 증가됨도 알 수 있으며, low CBN 공구가 고경도강 절삭에 적합하다는 것을 알 수 있다.
접선 방향과 피드 방향에 대한 잔류응력의 분포 상태를 살펴보면 초기 깊이에서 압축이 크게 나타남을 알 수 있으며 표면층에서 깊이가 증가할수록 압축 잔류응력이 감소하는 것을 알 수 있다. 그리고 압축 잔류응력은 접선 방향보다 피드 방향에서 더 크게 나타났으며 절삭속도와 이송속도 중에서 가장 가혹한 조건에서 큰 변화를 보여주고 있다. 이송속도가 0.
평균 절삭력은 절삭력 중 가장 영향력이 큰 배분력의 평균값을 선택하였다. 그림에서 알 수 있듯이 절삭속도가 일정할 때 이송속도의 변화에 대해서 low CBN 공구의 배분력이 high CBN공구 보다 작게 나옴을 알 수 있으며, high CBN 공구와 low CBN 공구 모두 이송속도의 증가에 따라 배분력이 증가함을 보여준다. 이는 이송속도의 증가에 따라 절삭되는 체적이 증가하기 때문이며, 고경도강 절삭에도 이송 속도의 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있다.
1 mm 부근에서 압축이 크게 나타났다. 또한 압축 잔류응력에 대하여 high CBN이 약 2배 정도 크게 나타났으며 절삭속도와 이송속도가 저속 일수록 가공조건이 유리함을 알 수 있었다.
이를 통해 고경도강의 경우는 표면 거칠기 low CBN 공구가 high CBN 공구 보다 우수하지만, 두 공구 모두 연강 등 일반적인 절삭의 표면 거칠기 보다는 상대적으로 매우 양호함을 알 수 있다. 실험결과 표면 거칠기는 이송속도와 절삭속도의 영향을 받으며 특히 이송 속도의 영향을 더욱 많이 받는 것으로 나타났다.
high CBN과 low CBN 공구가 동일하게 절삭력 중 배분력이 가장 크게 나타나고 있다. 이는 절삭력 중에서 고경도강 가공 시 배분력이 주분력과 이송분력보다 높은 값을 보여주고 있는 것으로 고경도강 절삭시 배분력이 절삭에 더 많은 영향을 주고 있는 것을 알 수 있었으며, 이의 결과는 다른 연구가들에 의해 발표된 결과와 유사한 결과를 보여주고 있는 것이다.^(7~9)
5μm을 보여준다. 이송속도가 일정할 때 절삭속도의 증가에서도 표면거칠기의 값은 high CBN 공구가 low CBN 공구보다 많이 증가함을 알 수 있다. 이를 통해 고경도강의 경우는 표면 거칠기 low CBN 공구가 high CBN 공구 보다 우수하지만, 두 공구 모두 연강 등 일반적인 절삭의 표면 거칠기 보다는 상대적으로 매우 양호함을 알 수 있다.
10과 11은 AISI 52100의 고경도강을 high CBN 공구로 선삭 할 경우 구멍 깊이에 대하여 압축 잔류응력을 나타내었다. 접선방향과 이송방향에 대한 잔류응력의 분포 상태를 살펴보면 0.1㎛ 이하에서 압축이 크게 나타남을 알 수 있으며 이는 high CBN 공구의 높은 경도치에 따라 초기에 재료의 압축률이 증가한 것으로 판단되며, 접선 방향보다 피드 방향에서 더 크게 나타나고 절삭속도와 이송속도 중에서 가장 가혹한 조건에서 큰 변화를 보여주고 있다.
이는 공구와 가공물간의 온도가 높아지지만 고경도의 절삭 시에 작은 절삭깊이 등의 조건으로 작은 절삭력으로 가공하기 때문이다. 한편, 절삭속도 120m/min이상의 속도에서는 구성인선 등 절삭저항의 증가 요인이 발생하기 않기 때문에 고경도강 선삭시 120m/min 속도 이상의 빠른 절삭속도를 가공 조건으로 유지하고 이송속도의 경우는 0.157mm/rev 보다 낮은 조건을 선택하는 것이 원활한 절삭을 행하는데 적절함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차･항공기･원자력･우주개발 관련 산업에서 활용되는 신소재의 대부분은 무엇으로 분류되나?	최근 자동차･항공기･원자력･우주개발 관련 산업 등에 폭넓게 활용되고 있는 신소재의 대부분은 난삭재로 분류되고 있다. 난삭재에는 알루미늄 등과 같이 연성이 큰 재료와 고경도강 같은 HRC 45 이상의 강들이 존재한다.
	난삭재의 예?	최근 자동차･항공기･원자력･우주개발 관련 산업 등에 폭넓게 활용되고 있는 신소재의 대부분은 난삭재로 분류되고 있다. 난삭재에는 알루미늄 등과 같이 연성이 큰 재료와 고경도강 같은 HRC 45 이상의 강들이 존재한다. 고경도강 가공 시 절삭력과 마모의 변화를 관찰해 보면, 절삭공구의 점진적인 마모와 급작스런 파손 등은 고정밀도를 요구하는 가공재료의 표면 거칠기를 나쁘게 만들뿐만 아니라 공작기계의 강성에도 나쁜 영향을 주게 되므로 경제적인 손실을 입게 된다.
	CBN(cubic boron nitride) 절삭공구 적용범위가 넓지 못한 이유?	CBN 공구는 결합재 속에 CBN이 분리되어 있는 다결정 형태가 대부분이며, 결합재는 주로 내열성이 높은 세라믹 재료 (TiN, TiC, Al2O3 등)가 사용되고 있는 추세이다. 하지만 CBN 공구 적용범위가 넓지 못한데 그 이유는 매우 부서지기 쉬우며 단단함 때문에 취급이 어려운 소재이기 때문이다. 그리고 가공 후의 표면품질에 대한 데이터 부족과 CBN 공구의 파손 및 마모에 대한 이해의 부족이 원인으로 지적되고 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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