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문제 정의
- 금속재료의 표면거칠기 개선을 위한 연구는 이론적, 시뮬레이션 방법 등을 고려할 수 있으나, 실험적 방법을 통하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 절삭 조건에 따른 Al2024의 표면거칠기 향상을 위한 실험 후 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
- (1) 고속가공이 가능한 정면밀링커터 바디를 사용하여 표면 거칠기 향상을 위한 고속 정면 밀링가공을 안전하게 수행하였다.
- 실험에 사용된 밀링커터는 지름 80mm, 공작물의 표면과 만나는 어프로치 각 45°, 축 방향 경사각 15°, 반경 방향 경사각 -3°등 포지x네거티브 경사각 조합방법을 채택하였다. 또한 격심한 충격하중이 지속되는 것을 극복하기 위하여 여유각을 작게 하였다. 직접 절삭가공을 수행하는 드로우 어웨이 형식의 인서트 팁 규격은 SEEX09T3AFN-E04 F15M이며 팁은 한번 실험 후 새로운 팁을 사용하여 구성인선 또는 공구마멸에 의한 영향이 없도록 하였다.
- 시편은 100mm×100mm×50mm(가로×세로×높이)의 Al2024를 사용하여 건식절삭 하였다. 또한 다인공구의 특성인 절삭선단의 높낮이 차이로 인한 런아웃(run out)의 영향을 받지 않도록 하여 가공물의 표면품위를 향상시킬 수 있도록 단인 선단에 의한 절삭이 되도록 하였다.
- 본 연구에서는 고속 평면가공을 안전하게 수행하기 위해서 정면밀링커터 바디와 그 부속품인 카트리지를 초두랄루민으로 제조한 후 ISO 규격에 적합하게 밸런싱된 정면밀링커터 바디를 사용하였다.
- 본 연구에서는 초두랄루민 소재의 정면밀링커터 바디에 인서트 팁을 조립하여 항공용 부품으로 사용되는 Al2024의 고속 정면밀링가공 후 표면 거칠기를 측정하였다. 실험에 사용된 밀링커터는 지름 80mm, 공작물의 표면과 만나는 어프로치 각 45°, 축 방향 경사각 15°, 반경 방향 경사각 -3°등 포지x네거티브 경사각 조합방법을 채택하였다.
- 실험에 사용된 밀링커터는 지름 80mm, 공작물의 표면과 만나는 어프로치 각 45°, 축 방향 경사각 15°, 반경 방향 경사각 -3°등 포지x네거티브 경사각 조합방법을 채택하였다.
- 연질특성의 Al2024를 고속 정면밀링가공 후 절삭조건이 표면거칠기에 미치는 영향을 실험적으로 파악하기 위해 절삭속도, 이송속도, 절삭깊이 등 절삭조건의 변화에 따른 영향을 분석하였다. 측정장비(Surtronic3+)를 사용하여 절삭 후 표면거칠기(Ra)를 측정하였으며 절삭력 측정은 공구동력계(Kistler 9272)를 이용하였다.
- 7은 절삭속도 800∼2,200m/min 범위에서 정면밀링 가공 후 절삭력과 표면 거칠기의 측정 결과를 나타낸 것이다. 적용된 절삭속도 범위 내에서 200m/min의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 그 결과 절삭속도의 증가에 따라 표면품위가 향상되는 것으로 나타났다.
- 또한 격심한 충격하중이 지속되는 것을 극복하기 위하여 여유각을 작게 하였다. 직접 절삭가공을 수행하는 드로우 어웨이 형식의 인서트 팁 규격은 SEEX09T3AFN-E04 F15M이며 팁은 한번 실험 후 새로운 팁을 사용하여 구성인선 또는 공구마멸에 의한 영향이 없도록 하였다. 시편은 100mm×100mm×50mm(가로×세로×높이)의 Al2024를 사용하여 건식절삭 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 고속가공이 가능한 정면밀링커터 바디를 사용하여 연질특성 소재인 Al2024를 대상으로 고속가공을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 시편은 100mm×100mm×50mm(가로×세로×높이)의 Al2024를 사용하여 건식절삭 하였다.
이론/모형
- 연질특성의 Al2024를 고속 정면밀링가공 후 절삭조건이 표면거칠기에 미치는 영향을 실험적으로 파악하기 위해 절삭속도, 이송속도, 절삭깊이 등 절삭조건의 변화에 따른 영향을 분석하였다. 측정장비(Surtronic3+)를 사용하여 절삭 후 표면거칠기(Ra)를 측정하였으며 절삭력 측정은 공구동력계(Kistler 9272)를 이용하였다. 절삭력과 표면거칠기 측정결과는 Fig.
성능/효과
- (2) 생산성과 표면품위를 고려한 이송속도는 200mm/min 범위 내에서 적용되어야 한다.
- (3) 절삭깊이 증가로 인한 절삭력 상승은 가공면의 탄·소성변형을 초래하여 표면 거칠기를 상승시켰으며, 특히 0.8mm이상의 절삭깊이에서 표면 거칠기를 크게 하였다.
- (4) 절삭속도의 고속화는 피삭재의 열연화 현상을 초래하여 절삭력을 하락시키고 가공성을 향상시킨다. 그러나 가공 후 피삭재 면의 소성유동을 유발시켰고 특히 2,000m/min이상에서 표면 거칠기를 급격히 악화시켰음을 SEM 사진으로 확인하였다.
- Fig. 3은 본 연구에 사용된 정면밀링커터 바디의 자유 상태에서 주파수 응답을, Fig. 4는 절삭속도 1885m/min에서 가공 중 파워스펙트럼 밀도(power spectrum density) 결과를 나타낸 것으로써 자유상태에서는 4.528kHz의 고유 진동수와 이에 대한 배수 성분을, 가공 중에는 X, Y, Z 방향에 대한 공진 영역 약 4.5kHz에서 진폭이 증가함을 확인하였고 특히, ISO 규격에 근거하여 G1.0mm/s에서 1,5000rpm을 기준으로 할 때 최대 편심량 1.2gr·mm로 1,5000rpm의 고속회전 가공에도 안전함을 확인하였다[12].
- 적용된 절삭속도 범위 내에서 200m/min의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 그 결과 절삭속도의 증가에 따라 표면품위가 향상되는 것으로 나타났다. 그러나 1,800m/min에서 표면 거칠기 값이 상승하였고 2,000m/min이상에서는 급격히 상승하는 것으로 나타났다.
- (4) 절삭속도의 고속화는 피삭재의 열연화 현상을 초래하여 절삭력을 하락시키고 가공성을 향상시킨다. 그러나 가공 후 피삭재 면의 소성유동을 유발시켰고 특히 2,000m/min이상에서 표면 거칠기를 급격히 악화시켰음을 SEM 사진으로 확인하였다. 그러므로 부품의 표면품위와 공작기계의 안전 그리고 경제적 관점을 고려할 때 절삭속도는 1,600m/min로 적용하여야 한다.
- 2gr·mm로 1,5000rpm의 고속회전 가공에도 안전함을 확인하였다[12]. 그러므로 정면밀링커터 바디는 본 연구의 절삭조건에서 안전하게 사용할 수 있다.
- 따라서 부품의 표면품위와 공작기계의 안전을 고려할 때 절삭속도는 1,600m/min으로 하는 것이 바람직하다. 그리고 절삭속도의 고속화로 인한 피삭재의 열연화현상은 가공성을 향상시켜 절삭력의 지속적인 감소에 영향을 주었다.
- 절삭속도가 고속으로 증가할수록 피삭재에 열연화 현상이 발생하였고, 이로 인하여 가공 후 연질특성의 Al2024 피삭재 표면에 소성유동을 유발시켰기 때문으로 사료된다. 이와 같은 현상을 규명하기 위해 가공된 시편의 일부를 Fig. 8과 같이 SEM사진으로 판독한 결과 피삭재 표면에 소성 유동이 발생한 것을 확인하였으며 이것이 표면 거칠기를 악화시켰음을 검증하였다[13]. 실험결과 절삭속도 1,600m/min까지는 열연화 현상에 의한 표면 거칠기의 상승이 없다.
후속연구
- 이러한 이유 때문에 정면밀링커터 바디를 사용한 고속가공은 공작기계의 안전을 저해할 수있어 지속적인 실험적 연구가 어려웠다. 특히 본 연구에서는 이미 검증된 고속가공이 가능한 정면밀링커터 바디를 사용하여 실험적 연구를 수행하였으며, 때문에 공작기계의 안전을 고려한 연구였다는 점에서 더 의미가 있다고 사료된다. 금속재료의 표면거칠기 개선을 위한 연구는 이론적, 시뮬레이션 방법 등을 고려할 수 있으나, 실험적 방법을 통하는 것이 매우 중요하다.
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