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문제 정의
- 본 논문에서는 알루미늄 합금 Al7050-T7451의 밀링가공에서 가공조건에 따른 절삭력신호, 진동가속도신호, AE 신호, 그리고 가공표면상태 및 표면거칠기에 대한 분석을 통해 가공성이 양호한 적정가공조건을 도출하고자 한다. 실험조건은 반응표면법(Response Surface Methodology)의 중심합성계획을 이용하여 생성되었으며, 실험에서 변수는 날당이송, 주축회전속도, 축방향절삭깊이, 그리고 반경방향절삭깊이로 정하였다.
제안 방법
- Al7050-T7451소재의 밀링가공실험을 통해 가공성을 평가하고, 생산성과 가공품질을 고려한 최적의 가공조건을 도출하기 위해 반응표면분석을 수행하였다. 본 논문의 실험결과를 바탕으로 다음의 결론을 도출하였다.
- 가공시발생하는 절삭력 신호를 획득하기 위해 공구동력계(9257b, Kistler)를 머시닝센터의 베드에 장착하였으며, 진동가속도를 측정하기 위해 가속도계(4384, B&K)를 시편에 부착하였다.
- 가공실험은 최고 20,000 rpm의 주축회전속도를 가지는 고속머시닝센터(V55, Makino)를 이용하여 수행되었다. 가공시발생하는 절삭력 신호를 획득하기 위해 공구동력계(9257b, Kistler)를 머시닝센터의 베드에 장착하였으며, 진동가속도를 측정하기 위해 가속도계(4384, B&K)를 시편에 부착하였다.
- 실험조건은 반응표면법의 중심합성계획을 활용하여 생성하였다. 독립변수는 날당이송, 주축회전속도, 축방향절삭깊이, 그리고 반경 방향절삭깊이로 정하였으며, x1, x2, x3, x4로 표현하였다. 각 독립변수의 수치는 일정한 증분으로 3단계로 나누었다.
- 가공시발생하는 절삭력 신호를 획득하기 위해 공구동력계(9257b, Kistler)를 머시닝센터의 베드에 장착하였으며, 진동가속도를 측정하기 위해 가속도계(4384, B&K)를 시편에 부착하였다. 또한 Acoustic Emission (AE) 신호를 획득하기 위해 AE센서를 시편에 부착하였다. 신호획득은 DAQ보드(4472b, NI)를 이용하였으며 신호처리 및 저장은 NI사의 Labview V12.
- 또한 실험결과를 활용한 반응표면분석을 이용하여 안정적인 가공이 가능한 가공조건의 범위를 구하였으며, 생산성을 고려한 밀링 가공의 최적조건을 도출하였다.
- 가공시편의 소재는 Al7050-T7451이며, 소재 물성치는 Table 2에 나타내었다. 밀링가공실험은 10 mm의 공구경을 가지는 3날 엔드밀(AZS3100, 유니온툴)을 이용하여 수행하였다.
- 0를 이용하였다. 신호의 샘플링레이트는 20,480 Hz로 설정하였다. Fig.
- 10에는 날당이송, 주축회전속도, 주축방향절삭깊이, 그리고 반경방향절삭깊이를 요인으로 하는 절삭력, Acc RMS, AE RMS, 그리고 가공표면거칠기의 반응표면에 대한 등고선을 이용하여 수행한 반응표면분석 결과에 대해 나타내었다. 실험결과를 이용하여 격자무늬가 생성되지 않는 조건의 절삭합력, Acc RMS, AE RMS, 그리고 가공표면거칠기에 대한 각각의 평균을 기준으로 하여, 절삭합력은 250～500 N, Acc RMS는 10～22 m/s2, AE RMS는 1.2～2.0 mV의 범위에 대한 반응표면분석을 통해 정상가공을 위한 가공조건의 범위를 구하였으며 Table 4에 나타내었다.
- 실험조건은 반응표면법(Response Surface Methodology)의 중심합성계획을 이용하여 생성되었으며, 실험에서 변수는 날당이송, 주축회전속도, 축방향절삭깊이, 그리고 반경방향절삭깊이로 정하였다. 실험결과에 대한 분석은 반응 표면법을 이용하여 수행하였으며, 생산성을 고려한 효과적인 밀링 가공조건을 도출하였다.
- 알루미늄 합금 가공시, 날당이송, 주축회전속도, 축방향절삭깊이, 그리고 반경방향절삭깊이가 절삭신호 및 가공면품질에 미치는 영향을 분석하기 위해 중심합성계획을 이용하여 실험설계하여, Table 3에 실험조건들에 대해 나타내었으며, 가공실험은 건식으로 수행하였다.
- X축방향을 Feed방향으로 하고 중심합성계획을 통해 생성된 가공조건을 이용하여 밀링가공을 수행하면서 절삭력신호, 진동가속도(Acc)신호, AE신호들을 획득한다. 절삭력의 평균과 Acc Root mean square (RMS) 평균, AE RMS평균을 연산하고 Acc신호에 대한 FFT분석을 수행한다.
대상 데이터
- 가공시편의 소재는 Al7050-T7451이며, 소재 물성치는 Table 2에 나타내었다. 밀링가공실험은 10 mm의 공구경을 가지는 3날 엔드밀(AZS3100, 유니온툴)을 이용하여 수행하였다.
데이터처리
- 반응표면을 이용한 최적조건분석은 통계전용프로그램인 Minitab 을 이용하여 수행하였으며, 이에 대해 Fig. 11에 나타내었다. 이를 통해 안정적인 가공조건범위 내에서 생산성을 고려한 최적의 가공 조건을 도출하였으며 Table 5에 정리하여 나타내었다.
이론/모형
- 또한 Acoustic Emission (AE) 신호를 획득하기 위해 AE센서를 시편에 부착하였다. 신호획득은 DAQ보드(4472b, NI)를 이용하였으며 신호처리 및 저장은 NI사의 Labview V12.0를 이용하였다. 신호의 샘플링레이트는 20,480 Hz로 설정하였다.
- 본 논문에서는 알루미늄 합금 Al7050-T7451의 밀링가공에서 가공조건에 따른 절삭력신호, 진동가속도신호, AE 신호, 그리고 가공표면상태 및 표면거칠기에 대한 분석을 통해 가공성이 양호한 적정가공조건을 도출하고자 한다. 실험조건은 반응표면법(Response Surface Methodology)의 중심합성계획을 이용하여 생성되었으며, 실험에서 변수는 날당이송, 주축회전속도, 축방향절삭깊이, 그리고 반경방향절삭깊이로 정하였다. 실험결과에 대한 분석은 반응 표면법을 이용하여 수행하였으며, 생산성을 고려한 효과적인 밀링 가공조건을 도출하였다.
- 실험조건은 반응표면법의 중심합성계획을 활용하여 생성하였다. 독립변수는 날당이송, 주축회전속도, 축방향절삭깊이, 그리고 반경 방향절삭깊이로 정하였으며, x1, x2, x3, x4로 표현하였다.
성능/효과
- Acc RMS, 가공표면상태, 표면거칠기에 대한 분석에서 Acc RMS가 18 m/s2일 때부터 표면상태가 좋지 않으며, 20 m/s2 이상에서는 가공바닥면에 진동에 의한 격자무늬가 발생하였으며, 표면거칠기도 0.84µm 이상으로 상대적으로 높게 측정되었다.
- 가공면상태, 가공면거칠기, 그리고 진동가속도신호의 FFT 분석을 통해 Acc RMS가 20 m/s2 이상으로 증가하면, 가공표면건전성이 악화되며, 주파수영역분석에서 TPF의 진폭보다 다른 주파수의 진폭이 더 커짐을 확인하였다.
- 날당이송, 축방향절삭깊이, 그리고 반경방향절삭깊이의 증가에 따른 소재제거율의 증가로 인해 절삭합력이 증가하였으며, 특히 날 당이송이 증가할수록 Acc RMS도 증가함을 확인하였다. AE RMS와 가공표면거칠기는 유사한 성향을 나타내었으며, 가공중에 가공표면상태에 대한 상대적인 비교 및 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 9에는 두 가공표면에 대한 진동가속도신호의 FFT그래프를 각각 나타내었다. 이를 통해 정상적인 가공이 이루어질 경우 공구날 회전주파수(TPF) 가 주파수로 나타나지만, 표면에 격자무늬가 생성된 불안정한 가공에서는 TPF의 값보다, TPF의 배수주파수의 값이 더 높게 나타났으며, 이를 통해 밀링가공시 진동이 발생한 것으로 판단된다.
후속연구
- 날당이송, 축방향절삭깊이, 그리고 반경방향절삭깊이의 증가에 따른 소재제거율의 증가로 인해 절삭합력이 증가하였으며, 특히 날 당이송이 증가할수록 Acc RMS도 증가함을 확인하였다. AE RMS와 가공표면거칠기는 유사한 성향을 나타내었으며, 가공중에 가공표면상태에 대한 상대적인 비교 및 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 실험조건에 따른 가공표면거칠기의 변화는 일부조건을 제외하고, AE RMS와 유사한 경향을 나타내었다. 이를 통해 AE RMS값을 이용하여 가공표면거칠기의 상대적인 예측이 가능할 것으로 사료된다.
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