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문제 정의
- 본 연구는 알루미늄 합금의 절삭가공에서 공작물에 초음파 진동을 응용하여 알루미늄 합금의 피삭특성을 분석하였다. 초음파 진동은 초음파 진동 테이블을 제작하여 공작물에 적용하였으며 엔드밀 절삭 가공 실험을 통해 초음파 진동이 공작물의 가공 표면에 미치는 영향을 평가하였다.
- 본 연구에서는 알루미늄합금(Al6061) 소재를 대상으로 5축 고속가공기를 이용한 엔드밀 가공에서 초음파 진동이 절삭가공에 미치는 영향을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 초음파 절삭가공 실험에서는 초음파 진동의 적용 여부에 따른 실제 가공깊이의 변화와 표면조도 변화를 측정하여 비교 분석하였다. 초음파 진동의 세기가 피삭성에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 수행하였다. 초음파 진동의 세기는 초기 입력전류를 변화시킴으로서 조절할 수 있다.
제안 방법
- 특히 가공성은 피삭소재와 공구의 관련성이 깊다.[4] 초음파 진동이 공작물의 절삭 깊이에 미치는 영향을 확인하기 위하여 동일한 이송속도 1200mm/min에서 절입 깊이를 각각 0.2mm, 0.5mm, 0.8mm로 변화시켰을 때 실제 절입 깊이를 비교하였다. Table 1은 초음파 입력전류 변화에 따른 절입 깊이 변화를 측정한 결과를 표로 나타낸 것이다.
- [5] 동일한 절입 깊이에서 공구의 이송속도가 변할 때 초음파 진동이 절삭가공에 미치는 영향을 확인하였다. 절입 깊이는 0.
- ltd)를 활용하였다. 가공 중 공작물에 초음파 진동을 인가하기 위한 초음파 테이블은 40kHz의 발진주파수를 가진 PZT압전소자를 사용하여 제작하였다. 공작물의 초음파 진동 방향은 공구의 이송방향과 수직하며, Fig.
- )를 이용하였고 공작물의 가공표면 상태를 확인하기 위하여 광학식 표면관찰 현미경(IMS-M-345)을 이용하였다. 실험방법은 초음파 진동이 절입 깊이에 미치는 영향과 이송속도와의 상관성을 확인하기 위한 실험으로 나누어 진행하였다. 초음파 진동이 절입 깊이에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험에서는 이송속도를 1200mm/min으로 두고 절입 깊이는 각각 0.
- 절삭가공에서 초음파 진동이 공작물의 가공 표면에 미치는 영향을 확인하기 위해서 표면조도를 측정하였다. Table 5와 Fig.
- [5] 동일한 절입 깊이에서 공구의 이송속도가 변할 때 초음파 진동이 절삭가공에 미치는 영향을 확인하였다. 절입 깊이는 0.5mm를 기준으로 하였으며, 이송속도는 각각 800, 1000, 1400mm/min로 설정하여 실험하였다. Table 3은 각각의 이송속도에 대하여 초음파 입력전류의 세기에 따른 실제 절입 깊이를 측정한 결과표이다.
- 초음파 입력 전류와 지령 절입깊이의 변화에 따른 절삭가공 표면을 비교하기 위해 광학현미경 사진을 촬영하였다. Table 2는 지령 절입깊이 변화에 따른 가공표면 사진을 나타낸 것이다.
- 실험에서 사용된 초음파 테이블은 입력 전류가 증가하면 초음파 진동의 진폭이 증가하도록 설계되어 있다. 초음파 절삭 실험의 입력전류는 초음파 테이블의 조정 스위치로 0.8A, 1.6A, 2.4A로 각각 설정하였다.
- 초음파 절삭가공 실험에서는 초음파 진동의 적용 여부에 따른 실제 가공깊이의 변화와 표면조도 변화를 측정하여 비교 분석하였다. 초음파 진동의 세기가 피삭성에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 알루미늄 합금의 절삭가공에서 공작물에 초음파 진동을 응용하여 알루미늄 합금의 피삭특성을 분석하였다. 초음파 진동은 초음파 진동 테이블을 제작하여 공작물에 적용하였으며 엔드밀 절삭 가공 실험을 통해 초음파 진동이 공작물의 가공 표면에 미치는 영향을 평가하였다.
- 실험방법은 초음파 진동이 절입 깊이에 미치는 영향과 이송속도와의 상관성을 확인하기 위한 실험으로 나누어 진행하였다. 초음파 진동이 절입 깊이에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험에서는 이송속도를 1200mm/min으로 두고 절입 깊이는 각각 0.2, 0.5, 0.8mm로 설정하였으며, 이송속도와의 상관성을 확인하기 위한 실험에서는 절입 깊이는 0.5mm로 일정하게 두고 이송속도를 800, 1000, 1400mm/min으로 변화시켰다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 시편은 쾌삭성과 내식성이 개선된 Al6061이다. 엔드밀 절삭성을 평가하기 위한 실험 장치로서는 5축 고속가공기(HSC 600, EXEPON co.
- 본 실험에서 사용된 시편은 쾌삭성과 내식성이 개선된 Al6061이다. 엔드밀 절삭성을 평가하기 위한 실험 장치로서는 5축 고속가공기(HSC 600, EXEPON co. ltd)를 활용하였다. 가공 중 공작물에 초음파 진동을 인가하기 위한 초음파 테이블은 40kHz의 발진주파수를 가진 PZT압전소자를 사용하여 제작하였다.
- 절삭공구는 직경 6mm의 초경 2날 평엔드밀을 사용하였고, 공구의 회전속도는 10,000rpm으로 동일하게 하였다. 실험 결과는 접촉식 표면조도 측정기(Form Talysurf Series2, Taylor Hobsin co.
이론/모형
- 절삭공구는 직경 6mm의 초경 2날 평엔드밀을 사용하였고, 공구의 회전속도는 10,000rpm으로 동일하게 하였다. 실험 결과는 접촉식 표면조도 측정기(Form Talysurf Series2, Taylor Hobsin co. ltd.)를 이용하였고 공작물의 가공표면 상태를 확인하기 위하여 광학식 표면관찰 현미경(IMS-M-345)을 이용하였다. 실험방법은 초음파 진동이 절입 깊이에 미치는 영향과 이송속도와의 상관성을 확인하기 위한 실험으로 나누어 진행하였다.
성능/효과
- 1. 이송속도 1200mm/min, 지령 절입깊이 0.2mm인 가공 조건에서 초음파 입력 전류, 0.8A에서는 초음파 절삭 전후의 실제 절입깊이 변화는 없었으나, 입력전류가 1.6A이상이 되면 실제 절입 깊이는 증가하였다.
- 2. 이송속도(800, 1000, 1400mm/min)와 초음파 입력 전류(0.8A, 1.6A, 2.4A)의 변화에 따른 실제 절입깊이를 측정한 결과, 초음파 입력 전류와 이송속도가 증가하면 실제 절입 깊이도 증가하는 경향이 나타났으나, 이송속도가 실제 절입깊이에 미치는 영향은 초음파 입력 전류의 영향에 비해 낮았다.
- 3. 초음파 진동이 표면조도에 미치는 영향을 실험한 결과, 절입 깊이가 깊고, 이송 속도가 감소할수록 초음파 절삭가공면의 표면조도는 개선되었다. 또한, 초음파 입력 전류가 높아질수록 표면조도가 개선됨을 확인하였다.
- 5mm일 때 이송 속도 변화에 따른 초음파 절삭 전후의 가공표면을 측정한 결과이다. 공구의 이송속도가 증가할수록 표면조도는 증가하고 초음파 입력 전류가 증가함에 따라 표면조도는 감소하는 경향이 나타났다.
- 그러나 절입 깊이가 증가하면 초음파 유무에 따른 표면조도의 차이는 크게 감소하였다. 낮은 입력전류(0.8A)에서는 절입 깊이가 증가함에 따라 표면조도는 1.985umRa에서 1.883umRa로 완만하게 개선된 반면에, 높은 입력전류(2.4A)에서는 2.15umRa에서 1.69umRa로 크게 개선되었다. 초음파 입력 전류가 낮고 절입 깊이가 작을 때 초음파 진동이 표면조도에 미치는 영향은 크게 나타났다.
- 8mm일 때는 입력 전류가 낮은 경우에도 실제 절입깊이는 증가하였다. 또한 동일한 초음파 입력 전류에도 불구하고 지령 절입깊이가 증가할수록 추가 절입깊이도 증가하였다.
- 초음파 진동 절삭은 공작물의 진원도 및 표면조도 개선과 공구의 발열방지로 인한 공구수명을 연장할 수 있는 장점이 있다. 또한 펄스 충격력에 의해 절삭되므로 소동력에 의한 절삭으로 공작기계의 강성을 강화하는데 효과적이다.[3] 그러나 초음파를 공구에 강제하는 방법은 스핀들 및 공구의 구성이 복잡해지며 절삭방향의 변화에 따른 초음파 진동 방향을 설정하는데 어려움이 있다.
- 초음파 진동이 표면조도에 미치는 영향을 실험한 결과에서 절입 깊이가 깊고, 이송 속도가 감소할수록 초음파 절삭가공면의 표면조도는 개선되었다. 또한, 초음파 입력 전류가 높아질수록 표면조도가 개선됨을 확인하였다.
- 이송속도 1200mm/min, 지령 절입깊이 0.2mm인 경우에 초음파 입력 전류가 낮을 때(0.8A)는 실제 절입깊이의 차이는 거의 나타나지 않았으나, 입력전류가 1.6A이상이 되면 실제 절입깊이의 차이가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 이송속도 800mm/min 에서는 초음파 입력 전류가 표면조도에 미치는 영향은 거의 나타나지 않았으나, 1000mm/min이상의 이송속도에서는 초음파 입력전류가 증가함에 따라 표면조도가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 초음파 진동이 표면조도에 미치는 영향을 실험한 결과에서 절입 깊이가 깊고, 이송 속도가 감소할수록 초음파 절삭가공면의 표면조도는 개선되었다.
- 이송속도 800mm/min, 낮은 입력전류(0.8A)에서의 초음파 절삭가공 표면은 공구의 회전방향으로 절삭흔적이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있으나, 입력 전류 2.4A일 때는 거친 가공 표면이 생성되는 것을 확인되었다. 이송 속도 1000mm/min에서는 초음파 입력전류의 크기에 따른 절삭 가공면의 변화는 현저하지 않았으나 초음파 적용 전과 후의 가공면에는 차이를 보였다.
- 69umRa로 크게 개선되었다. 초음파 입력 전류가 낮고 절입 깊이가 작을 때 초음파 진동이 표면조도에 미치는 영향은 크게 나타났다. Table 6과 Fig.
- 초음파 진동을 위한 입력전류가 높아질수록 추가 절입 깊이가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 입력전류가 증가함에 따라 초음파 테이블의 진폭이 증가하게 됨으로서 추가 절입 깊이가 증가하는 것으로 사료된다.
- 이송속도 800mm/min 에서는 초음파 입력 전류가 표면조도에 미치는 영향은 거의 나타나지 않았으나, 1000mm/min이상의 이송속도에서는 초음파 입력전류가 증가함에 따라 표면조도가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 초음파 진동이 표면조도에 미치는 영향을 실험한 결과에서 절입 깊이가 깊고, 이송 속도가 감소할수록 초음파 절삭가공면의 표면조도는 개선되었다. 또한, 초음파 입력 전류가 높아질수록 표면조도가 개선됨을 확인하였다.
- 8mm로 절삭가공 후 표면조도를 측정한 결과이다. 측정결과를 살펴보면, 초음파를 이용한 절삭가공은 표면조도의 개선에는 기여하지 못하고 거칠기 값이 오히려 증가하는 경향이 나타났다. 그러나 절입 깊이가 증가하면 초음파 유무에 따른 표면조도의 차이는 크게 감소하였다.
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