엔드밀링 공정의 형상창성기구에 의하여 절삭면적이 측벽 진직도 특성에 미치는 영향 Effects of Cutting Area on Straightness Characteristics in Side Walls Caused by Form Generation Mechanism in End-Milling Process원문보기
엔드밀링 공정은 형상창성기구의 특성 상, 절삭면적의 주기적인 변화를 피할 수 없다. 그러므로, 본 연구에서는, 가공 중 절삭날과 공작물 사이의 간섭영역에 해당하는 절삭면적의 모델을 확립하여, 가공면 형상 특성과 절삭면적의 관계를 규명하고자 한다. 대상 가공면은 측벽을 선정하였으며, 형상 특성은 축 방향 진직도를 선택하였다. 절삭면적 및 축방향 진직도에 영향을 미치는 특이점 추정 모델의 타당성은 반경 방향 및 축 방향 절삭깊이를 변화시키며 엔드밀링 가공을 수행하여 검증하였다. 연구 결과, 배분력이 음의 값을 갖지 않는 안정적인 엔드밀링 가공의 경우, 상향절삭은 절삭면적이 증가했다. 일정해지는 영역에서, 하향절삭은 절삭면적이 일정했다 감소하는 영역에서 가공면을 창성하며, 영역이 변화될 때 가공면에 특이점이 발생하는 것이 확인되었다.
엔드밀링 공정은 형상창성기구의 특성 상, 절삭면적의 주기적인 변화를 피할 수 없다. 그러므로, 본 연구에서는, 가공 중 절삭날과 공작물 사이의 간섭영역에 해당하는 절삭면적의 모델을 확립하여, 가공면 형상 특성과 절삭면적의 관계를 규명하고자 한다. 대상 가공면은 측벽을 선정하였으며, 형상 특성은 축 방향 진직도를 선택하였다. 절삭면적 및 축방향 진직도에 영향을 미치는 특이점 추정 모델의 타당성은 반경 방향 및 축 방향 절삭깊이를 변화시키며 엔드밀링 가공을 수행하여 검증하였다. 연구 결과, 배분력이 음의 값을 갖지 않는 안정적인 엔드밀링 가공의 경우, 상향절삭은 절삭면적이 증가했다. 일정해지는 영역에서, 하향절삭은 절삭면적이 일정했다 감소하는 영역에서 가공면을 창성하며, 영역이 변화될 때 가공면에 특이점이 발생하는 것이 확인되었다.
The cutting area changes periodically in the end-milling process because of its form generation mechanism. In this study, the effects of the cutting area on end-milled side walls are studied by developing a cutting area model that simulates the area formed by engagement between a workpiece and a cut...
The cutting area changes periodically in the end-milling process because of its form generation mechanism. In this study, the effects of the cutting area on end-milled side walls are studied by developing a cutting area model that simulates the area formed by engagement between a workpiece and a cutting edge of the end mill. To do this, the straightness profile of the side wall in the axial direction is investigated. Models for estimating the cutting area and the transition point, where the slope of the straightness profile changes suddenly, are verified from real end-milling experiments under various radial and axial depth of cut conditions. Through this study, it is confirmed that the final end-milled side wall is generated in the regions where cutting areas are constant and decreasing in the down-cut. Similarly, in stable up-cut, it is also generated in the regions where cutting areas are increasing and constant. It is found that the transition point appears when the region changes.
The cutting area changes periodically in the end-milling process because of its form generation mechanism. In this study, the effects of the cutting area on end-milled side walls are studied by developing a cutting area model that simulates the area formed by engagement between a workpiece and a cutting edge of the end mill. To do this, the straightness profile of the side wall in the axial direction is investigated. Models for estimating the cutting area and the transition point, where the slope of the straightness profile changes suddenly, are verified from real end-milling experiments under various radial and axial depth of cut conditions. Through this study, it is confirmed that the final end-milled side wall is generated in the regions where cutting areas are constant and decreasing in the down-cut. Similarly, in stable up-cut, it is also generated in the regions where cutting areas are increasing and constant. It is found that the transition point appears when the region changes.
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문제 정의
이 절삭력은 절삭면적과 밀접한 관계가 있는데, 모든 가공 조건이 일정하게 유지되는 경우에도, 다인 공구를 사용하는 밀링 가공은 단인 공구를 사용하는 선삭 가공과 달리 가공 중에 주기적으로 절삭면적이 변하는 것을 피할 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 엔드밀링 가공된 가공면이 창성되는 과정 중, 공구가 회전함에 따라 순간 순간의 날과 공작물의 상대적인 위치에 의하여 형성되는 기하학적 간섭면적을 해석적으로 구하여 절삭면적의 모델로 제시하고자 한다. 이 절삭면적의 변화가 절삭력 및 가공면의 형상 에 미치는 영향에 대하여 고찰하고, 이를 통하여 엔드밀링 가공 시 형상 창성기구에 의하여 측벽 가공면에 필연적으로 발생하는 축 방향 진직도 형상 특성에 대하여 살펴보고자 한다.
축 방향 절삭깊이가 가공형상에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 실시하였다. 본 실험에서는 배분력이 양의 값을 가지는 안정적인 절삭작업을 유지하기 위하여 하향절삭만을 수행하였다.
이 절삭면적의 변화는 배분력의 변화를 유발하여 공구 변형에 의한 가공면의 축 방향 진직도 특성에 영향을 미친다. 본 연구에서는 공구의 회전에 따른 공구와 공작물의 기하학적 관계를 규명하여 절삭면적을 모델링 하였다. 이모델 및 실험을 통하여, 음의 배분력이 발생하지 않는 안정적인 절삭작업에서, 상향절삭은 절삭면적이 증가-일정 영역에서, 하향절삭은 일정-감소 영역에서 가공면이 창성되는 것을 확인하였다.
따라서, 본 연구에서는 엔드밀링 가공된 가공면이 창성되는 과정 중, 공구가 회전함에 따라 순간 순간의 날과 공작물의 상대적인 위치에 의하여 형성되는 기하학적 간섭면적을 해석적으로 구하여 절삭면적의 모델로 제시하고자 한다. 이 절삭면적의 변화가 절삭력 및 가공면의 형상 에 미치는 영향에 대하여 고찰하고, 이를 통하여 엔드밀링 가공 시 형상 창성기구에 의하여 측벽 가공면에 필연적으로 발생하는 축 방향 진직도 형상 특성에 대하여 살펴보고자 한다.
절삭방향과 반경 방향 절삭깊이가 가공형상에 미치는 영향에 대해 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 절삭날 당 이송거리와 축 방향 절삭깊이는 0.
축 방향 절삭깊이가 가공형상에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 실시하였다. 본 실험에서는 배분력이 양의 값을 가지는 안정적인 절삭작업을 유지하기 위하여 하향절삭만을 수행하였다.
가설 설정
따라서, 절삭날과 공작물 간의 기하학적 간섭이 이루어지는 부분은 모두 절삭면적에 해당하는 것으로 간주하였다. 아울러, 공구가 공작물에 진입 혹은 퇴출하는 구간을 제외한 정상상태 가공 구간만을 고려함으로써, 이송 방향으로의 가공형상 변화는 없는 것으로 가정하였다. 이를 바탕으로, 절삭면적의 변화가 축 방향 진직도 특성에 미치는 영향을 추정하는 모델을 확립하였다.
제안 방법
1mm/tooth, 20mm 로 동일하게 하였으며, 직경이 20mm 인 공구를 사용하였다. Table 2 에서 볼 수 있듯이, 반경 방향 절삭깊이는 0.1, 0.5, 1.0, 1.5mm 로 변화를 주었으며, 각각의 반경 방향 절삭깊이에 대하여 상향과 하향절삭을 실시하였다.
가공면의 축 방향 진직도는 주분력보다 배분력의 영향을 크게 받는다. 그러므로, 본 연구에서는 절삭력의 x 축 방향 분력인 배분력을 측정하였다. Fig.
이모델 및 실험을 통하여, 음의 배분력이 발생하지 않는 안정적인 절삭작업에서, 상향절삭은 절삭면적이 증가-일정 영역에서, 하향절삭은 일정-감소 영역에서 가공면이 창성되는 것을 확인하였다. 아울러, 영역의 변화에 따른 가공면 기울기 변화 발생 위치에 대한 해석적 추정의 타당성도 실험을 통하여 확인하였다. 이와 같은 엔드밀링 가공 측벽의 진직도 특성은 형상창성기구에서 기인한 것이므로, 절삭 조건이나 공작기계-공구-공작물 시스템의 변화를 통하여 감소시킬 수 있으나, 반경 방향 및 축 방향 절삭깊이 값이 존재하는 한 항상 존재한다.
이때 미소날의 위치각은, Fig. 2 에서 볼 수 있듯이, 가공면의 법선을 기준으로 공구의 회전방향을 양의 방향으로 잡았다. θupper 와 θlower 는 가공면을 기준으로 절삭에 참여하는 미소날의 위쪽과 아래쪽의 위치각을 뜻한다.
아울러, 공구가 공작물에 진입 혹은 퇴출하는 구간을 제외한 정상상태 가공 구간만을 고려함으로써, 이송 방향으로의 가공형상 변화는 없는 것으로 가정하였다. 이를 바탕으로, 절삭면적의 변화가 축 방향 진직도 특성에 미치는 영향을 추정하는 모델을 확립하였다.
절삭력은 AMTI 사의 MC818 공구동력계와 DSA-6 디지털 앰프를 사용하였으며, 가공면의 진직도는 Taylor Hobson 사의 Talysurf Series2 로 측정하였다. 진직도 측정은 가공면의 중앙에서 하단으로부터 2mm 떨어진 지점으로부터 윗쪽으로 실시 하였다.
축 방향 절삭 깊이가 가공형상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Table 3 에서 제시한 조건으로 실험을 실시하였다. 축 방향 절삭깊이를 5, 10, 15, 20mm 로 변화시키면서 다른 절삭조건은 동일하게 유지하며 실험하였다. 공구는 직경 20mm 인 엔드밀을 사용하였다.
대상 데이터
축 방향 절삭깊이를 5, 10, 15, 20mm 로 변화시키면서 다른 절삭조건은 동일하게 유지하며 실험하였다. 공구는 직경 20mm 인 엔드밀을 사용하였다.
본 실험에서는 시편 재료는 기계구조용 탄소강 SM45C 를 사용하였으며, 시편 형상은 Fig. 4 와 같다. 모든 시편은 위치에 따른 반경 방향 절삭깊이를 일정하게 유지하고 정확한 측정을 위하여 실험 전에 가공면을 연삭하였다.
모든 시편은 위치에 따른 반경 방향 절삭깊이를 일정하게 유지하고 정확한 측정을 위하여 실험 전에 가공면을 연삭하였다. 엔드밀링 작업에는 통일중공업의 수직 형 CNC 밀링머신 TMV-40M 기종을 이용하였으며, 실험에 사용된 절삭공구는 내마모성과 내용착성이 우수한 OSG 사의 TiCN 코팅 처리된 HSS 엔드밀(두 날, 표준 비틀림각 30˚)을 사용하였다. 실험의 신뢰성을 높이기 위해 시편을 18 개 가공 후에는 새 공구로 교환하였다.
절삭방향과 반경 방향 절삭깊이가 가공형상에 미치는 영향에 대해 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 절삭날 당 이송거리와 축 방향 절삭깊이는 0.1mm/tooth, 20mm 로 동일하게 하였으며, 직경이 20mm 인 공구를 사용하였다. Table 2 에서 볼 수 있듯이, 반경 방향 절삭깊이는 0.
이론/모형
절삭력은 AMTI 사의 MC818 공구동력계와 DSA-6 디지털 앰프를 사용하였으며, 가공면의 진직도는 Taylor Hobson 사의 Talysurf Series2 로 측정하였다. 진직도 측정은 가공면의 중앙에서 하단으로부터 2mm 떨어진 지점으로부터 윗쪽으로 실시 하였다.
성능/효과
결과를 종합해 볼 때, 음의 배분력이 발생하지 않는 안정적인 절삭작업의 경우, 상향절삭은 1, 2영역에서, 하향절삭은 2, 3 영역에서 가공면의 창성이 이루어지는 것을 알 수 있는데, 이는 일반적인 정삭 조건에서 형상 오차는 상향가공의 절삭초기에 하향가공의 절삭후반부에 결정된다는 류시형의 연구 결과와 일치한다.(11) 따라서, 절삭면적의 변화를 통하여, 가공면의 기울기 및 급격한 기울기 변화 위치와 같은 가공면의 진직도 특성 추정이 가능하다고 판단된다.
61mm 로 계산되었으며 이 위치는 공구 끝에서 위로 이동하는 것으로 예측되었다. 그러나, 실험을 통하여 측정한 위치는 각각 2.0, 5.4, 5.6, 5.7mm 로 확인되어, 절삭깊이가 1.0, 1.5mm 로 증가하면 추정과 실험 결과가 일치하지 않을 뿐만 아니라, 과절삭이 발생하여 공작물과 공구의 기하학적인 간섭이 있는 부분보다 더 깊게 제거되는 경향을 보인다. 이 경향은, 앞선 절삭력 측정 결과와 마찬가지로, 음의 배분력 발생에서 기인한 불안정한 절삭작업의 결과로 추정된다.
9 에 있는 축 방향 가공면 형상을 축 방향 절삭깊이 차이에 해당하는 만큼 상하로 이동시키면, 모든 실험 결과는 한 가지 곡선 형태로 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서, 실험 오차를 감안할 때, 공작물 상단에서부터 아래로 동일한 축 방향 위치의 가공면 오차는 축 방향 절삭깊이의 영향을 크게 받지 않으며, 축 방향 절삭깊이를 제외한 모든 절삭 조건이 동일한 경우에는 항상 축 방향 위치에 해당하는 특정한 가공면 오차를 나타낼 것으로 예상된다. 또한, 가공면의 축 방향 형상은 서로 다른 기울기를 갖는 두 개의 직선이 교차하는 것으로 단순화 할 수 있으며, 이 때 두 직선의 교차점의 축 방향 위치는 zcs와 일치할 것으로 추정된다.
상대적으로 배분력 변화가 적은 구간인 2 영역의 크기는 축 방향 절삭 깊이가 10, 15, 20mm 로 증가할수록 해당 공구회전각이 7, 24, 40˚로 증가하는 것과, 배분력이 각각 증가, 감소하는 구간인 1 영역과 3 영역의 범위는 일정하게 공구회전각26˚ 상에 해당하는 것도 확인할 수 있다. 그러나 축 방향 절삭깊이가 5mm 인 경우에는 식 (6)의 부등식을 만족하지 않으므로 절삭가공 중 절삭면적이 일정한 구간이 존재하지 않으며, -9˚에서부터 절삭면적이 감소하기 시작한다.
5(b)에서볼 수 있듯이, 하향절삭의 경우 모든 실험에서 음의 배분력은 발생하지 않았다. 실험 오차를 감안할 때, 해석적으로 추정한 절삭면적의 변화 경향 및 위치가 실험을 통하여 측정한 배분력의 변화 경향 및 위치와 동일하게 나타났으며, 특히 하향가공 시 절삭날이 가공면을 창성하는 2, 3 영역에 있어서는 모든 실험 결과가 추정 결과와 정확히 일치되는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 가공면의 급격한 기울기 변화 위치를 계산하여 추정한 값들의 차이는 각각의 값에 해당하는 축 방향 절삭깊이의 차이와 정확히 일치한다. 이를 바탕으로 Fig. 9 에 있는 축 방향 가공면 형상을 축 방향 절삭깊이 차이에 해당하는 만큼 상하로 이동시키면, 모든 실험 결과는 한 가지 곡선 형태로 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서, 실험 오차를 감안할 때, 공작물 상단에서부터 아래로 동일한 축 방향 위치의 가공면 오차는 축 방향 절삭깊이의 영향을 크게 받지 않으며, 축 방향 절삭깊이를 제외한 모든 절삭 조건이 동일한 경우에는 항상 축 방향 위치에 해당하는 특정한 가공면 오차를 나타낼 것으로 예상된다.
본 연구에서는 공구의 회전에 따른 공구와 공작물의 기하학적 관계를 규명하여 절삭면적을 모델링 하였다. 이모델 및 실험을 통하여, 음의 배분력이 발생하지 않는 안정적인 절삭작업에서, 상향절삭은 절삭면적이 증가-일정 영역에서, 하향절삭은 일정-감소 영역에서 가공면이 창성되는 것을 확인하였다. 아울러, 영역의 변화에 따른 가공면 기울기 변화 발생 위치에 대한 해석적 추정의 타당성도 실험을 통하여 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
엔드밀링 가공된 측벽의 축방향진직도 오차가 완전한 제거는 불가능하다고 판단되는 이유는?
아 울러, 영역의 변화에 따른 가공면 기울기 변화 발생 위치에 대한 해석적 추정의 타당성도 실험을 통하여 확인하였다. 이와 같은 엔드밀링 가공 측벽의 진직도 특성은 형상창성기구에서 기인한 것이므로, 절삭 조건이나 공작기계-공구-공작물 시스템의 변화를 통하여 감소시킬 수 있으나, 반경 방향 및 축 방향 절삭깊이 값이 존재하는 한 항상 존재한다. 따라서, 엔드밀링 가공된 측벽의 축방향진직도 오차의 완전한 제거는 불가능하다고 판단 된다.
엔드밀링 공정은 어떻게 가공면 측벽 형상을 창성하는가?
엔드밀링 공정은 절삭면적이 증가-일정-감소하는 주기적인 변화의 반복을 통하여 가공면 측벽 형상을 창성한다. 이 절삭면적의 변화는 배분력의 변화를 유발하여 공구 변형에 의한 가공면의 축 방향 진직도 특성에 영향을 미친다.
엔드밀링가공 특성에 대한 연구가 다시 요구되는 이유는?
기술 발전 및 제품에 대한 소비자의 요구 사항 변화에 따라 전통적인 기계공작법에 대한 관심이 과거에 비하여 상대적으로 낮은 경향이 있다. 그러나, 핵심 부품의 표준화에 따른 성능 및 기능, 가격 측면에서의 차이가 적어짐에 따라, 제품 경쟁력에 있어서의 외양디자인 및 이의 제작과 관련된 금형기술의 중요성이 점차 커지고 있다. 따라서, 금형 제작에 보편적으로 활용되는 엔드밀링가공 특성에 대한 연구가 다시금 요구되고 있다.
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