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문제 정의
- 가공조건과 윤활조건은 고려해야 할 요소가 매우 많으므로, 선행연구에서 가장 영향이 큰 인자를 고정인자로 사용하였다. 따라서 본 연구에서는 절삭속도, 이송속도, 절삭유 분사각도와 거리를 고려하여 MQL과 Wet 가공에서 절삭력과 표면거칠기에 영향을 미치는 가공성평가를 수행하였다.
- 이번 연구에서는 공작물 가공 중 측정된 절삭력과 가공 후 측정된 표면거칠기 분석을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 시편의 재질은 SCM440으로 선정하고, 형상은 테이퍼(taper) 각도를 0°, 10° 로 변화시켰다.
- 많은 연구자들이 선삭에서 표면거칠기 및 절삭력에 영향을 미치는 가공조건을 찾는 연구와 더불어 MQL 가공과 Wet 가공을 비교하여 MQL 가공의 경제성 및 친환경성을 검증하였다. 하지만 MQL과 Wet등의 윤활방법과 공작물 형상을 동시에 고려하여 가공성을 평가한 연구는 거의 없다.
- 선삭가공시 절삭력 측정을 위하여 Fig. 1과 같은 실험장비를 구성하였으며 MQL 장치, 선반, 공구동력계 등으로 구성하였다. Table 1에는 실험장비인 선반, 표면거칠기, 공구동력계, MQL장치의 사양을 나타내었고, Table 2에는 MQL 구동조건을 표기하였다.
- 가공조건 선정을 위한 설계변수는 절삭속도, 이송속도 등 2가지로 선정하였으며, 윤활조건 선정을 위한 설계변수는 노즐설치 각도, 노즐과 시편거리 등 2가지를 선정하였다. 수준은 설계변수별 3개로 정의하였고 Table 5와 같다.
- 절삭력은 공구대에 설치된 공구동력계를 통하여 가공 중 측정하였고, Fig. 2의 Taper면에 대한 주분력을 사용하였다. 표면거칠기는 중심선 평균 거칠기(Ra)로 Taper면의 평균을 사용하였다.
- MQL 가공과 Wet 가공이라는 윤활방법의 차이 및 시편의 형상변화에 따른 가공성 비교를 그래프로 표현하였다.
- 윤활방법 및 시편의 Taper각 변화에 따른 전체 4가지 시험에 대하여 다구찌 방법을 사용하여 설계변수에 대한 평가를 나타내었다.
- 1. 가공성 평가를 위한 특성치는 절삭력 및 표면 거칠기로 선정하였다. 가공조건의 절삭깊이, 윤활조건의 압력 및 노즐직경은 고정인자로하고, 절삭속도, 이송속도, 노즐설치 각도 및 노즐과 시편거리를 제어가능 한 설계변수로 선정하였다.
- 가공성 평가를 위한 특성치는 절삭력 및 표면 거칠기로 선정하였다. 가공조건의 절삭깊이, 윤활조건의 압력 및 노즐직경은 고정인자로하고, 절삭속도, 이송속도, 노즐설치 각도 및 노즐과 시편거리를 제어가능 한 설계변수로 선정하였다.
- 5. 소재의 형상 변경에 따른 MQL과 Wet 가공시 각각의 최적가공조건을 제시하였다. 본 연구의 결과는 MQL 및 Wet 윤활을 이용한 선삭 가공에서 가공 및 윤활조건의 선정에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
대상 데이터
- 선반은 국내 화천기계의 Hi-EC0 10으로 최대회전수 4,500 rpm, 가공물 최대길이 400 mm, 최대 가공직경 Ø220이다.
- 가공물의 표면거칠기 측정은 KOSAKA사의 VC-10을 사용하였고, 표면절삭력은 KISTLER사의 9257B를 사용하여 측정하였다. MQL 장치는 독일 VOGEL사의 제품을 사용하였다.
- 시편의 재료는 SCM440으로서 화학적 조성은 Table 3과 같으며, 형상은 길이 86 mm, 직경 60 mm이며 시편형상은 Fig. 2와 같이 나타낸다.
- 절삭공구는 노즈반경(Nose radius) 0.4 mm이고 K10카바이드 인서트팁(CCGT 120404FL, TaeguTEC)을 사용하였다. 공구홀더는 외경선삭용으로 앞날각과 옆날각은 5° 이고, 절입각은 95° 이다.
데이터처리
- 2의 Taper면에 대한 주분력을 사용하였다. 표면거칠기는 중심선 평균 거칠기(Ra)로 Taper면의 평균을 사용하였다.
- 2. 윤활방법 조건은 MQL 가공과 Wet 가공을 비교분석하였고, 시편의 형상은 10° 테이퍼 각을가진 것과 테이퍼 각이 없는 것으로 선정하여 비교실험하였다.
이론/모형
- 선반은 국내 화천기계의 Hi-EC0 10으로 최대회전수 4,500 rpm, 가공물 최대길이 400 mm, 최대 가공직경 Ø220이다. 가공물의 표면거칠기 측정은 KOSAKA사의 VC-10을 사용하였고, 표면절삭력은 KISTLER사의 9257B를 사용하여 측정하였다. MQL 장치는 독일 VOGEL사의 제품을 사용하였다.
- 3은 설치된 노즐을 나타내고 있다. 실험계획 수립은 다구찌 방법15을 활용하였으며 Table 6와 같고, 통계분석 등에 MINITAB16,17을 활용하였다.
- 본 연구에서는 SCM440의 선삭에서 윤활방법과 테이퍼 각에 따른 가공성을 평가하기 위해 다구찌 방법을 이용하여 실험을 설계하고, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
- 즉, MQL 가공이 Wet 가공에 비해 절삭력이 작게 소요되며, 시편의 Taper 각이 0° 일때 절삭력이 보다 작게 나타났다.
- 시편의 형상에 대한 비교에서는 Wet에서 Taper 10° 의 시편이 0° 보다 거칠기가 우수하나, MQL에서는 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 7은 4가지 시험에 대한 표면거칠기의 크기로 Wet Taper 0° > Wet Taper 10° > (MQL Taper 0°, MQL Taper 10°) 순서인 경향을 보이고 있다. 즉,MQL 가공이 Wet 가공에 비해 표면거칠기가 우수하게 나타났다. 시편의 형상에 대한 비교에서는 Wet에서 Taper 10° 의 시편이 0° 보다 거칠기가 우수하나, MQL에서는 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 3. 윤활방법에 대한 비교시 MQL 가공이 Wet가공에 비해 절삭력 및 표면거칠기가 더 좋게 나타났다. 시편형상에 대한 비교시 절삭력은 테이퍼 각이 있는 시편이 보다 좋지 않게 나타났으며, 표면거칠기는 테이퍼 각이 있는 시편이 없는 시편보다 Wet 가공에서 보다 좋은 결과를 나타냈고, MQL에서는 테이퍼 각에 따른 거칠기에 대한 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 4. 다구찌 방법을 이용하여 분석한 결과, 가공성에 영향을 미치는 설계변수의 중요도는 이송속도, 절삭속도, 분사거리 그리고 분사각도 순으로 나타났고, 윤활조건 보다는 가공조건이 가공성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 윤활방법에 대한 비교시 MQL 가공이 Wet가공에 비해 절삭력 및 표면거칠기가 더 좋게 나타났다. 시편형상에 대한 비교시 절삭력은 테이퍼 각이 있는 시편이 보다 좋지 않게 나타났으며, 표면거칠기는 테이퍼 각이 있는 시편이 없는 시편보다 Wet 가공에서 보다 좋은 결과를 나타냈고, MQL에서는 테이퍼 각에 따른 거칠기에 대한 영향이 없는 것으로 나타났다.
후속연구
- 소재의 형상 변경에 따른 MQL과 Wet 가공시 각각의 최적가공조건을 제시하였다. 본 연구의 결과는 MQL 및 Wet 윤활을 이용한 선삭 가공에서 가공 및 윤활조건의 선정에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
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