엔드밀링 공정에 의하여 생성된 측벽의 기하학적 특성과 평엔드밀 형상 사이의 관계 Relationship Between Flat End-mill Shape and Geometrical Characteristics in Side Walls Generated by End-milling Process원문보기
평엔드밀 가공된 측벽 형상에 공구 형상이 미치는 영향에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위하여, 공구 형상을 비틀림각, 절삭날 수, 직경으로 구분하여 특징지었으며, 가공면의 기하학적 특성은 서로 직교하는 이송방향 형상과 축방향 형상으로 나누어 고려하였다. 각 방향의 형상 특성은 공구와 공작물 및 절삭날과 공작물의 간섭 영역으로부터 계산한 순간 절삭면적을 바탕으로 추정하였으며, 추정의 타당성을 가공면 형상 및 배분력 측정을 통하여 검증하였다. 연구 결과, 이송방향 형상의 결함은 공구 퇴출 및 공구 경로의 곡률반경이 변하는 구간에서 나타나며, 이외의 구간에서는 축방향 형상의 결함이 주를 이루는 것이 확인되었다. 측벽의 가공정밀도를 향상시키기 위해서는, 상대적으로 직경이 작고, 비틀림각이 큰 절삭날을 많이 갖는 엔드밀을 사용하여 상향절삭 하는 것이 바람직할 것으로 추천된다.
평엔드밀 가공된 측벽 형상에 공구 형상이 미치는 영향에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위하여, 공구 형상을 비틀림각, 절삭날 수, 직경으로 구분하여 특징지었으며, 가공면의 기하학적 특성은 서로 직교하는 이송방향 형상과 축방향 형상으로 나누어 고려하였다. 각 방향의 형상 특성은 공구와 공작물 및 절삭날과 공작물의 간섭 영역으로부터 계산한 순간 절삭면적을 바탕으로 추정하였으며, 추정의 타당성을 가공면 형상 및 배분력 측정을 통하여 검증하였다. 연구 결과, 이송방향 형상의 결함은 공구 퇴출 및 공구 경로의 곡률반경이 변하는 구간에서 나타나며, 이외의 구간에서는 축방향 형상의 결함이 주를 이루는 것이 확인되었다. 측벽의 가공정밀도를 향상시키기 위해서는, 상대적으로 직경이 작고, 비틀림각이 큰 절삭날을 많이 갖는 엔드밀을 사용하여 상향절삭 하는 것이 바람직할 것으로 추천된다.
This paper presents the effects of the tool shape on the geometrical characteristics of flat end-milled side walls. A tool shape is characterized by such parameters as helix angle, number of cutting edges, and diameter. The geometrical characteristics of the side walls are represented by the surface...
This paper presents the effects of the tool shape on the geometrical characteristics of flat end-milled side walls. A tool shape is characterized by such parameters as helix angle, number of cutting edges, and diameter. The geometrical characteristics of the side walls are represented by the surface profiles in the feed and axial directions, which are orthogonal to each other. The geometrical defects in each direction are estimated based on the instantaneous apparent cutting areas, which are represented by the interference area between the tool and workpiece and that between the cutting edge and workpiece. It is confirmed that a geometrical defect in the feed direction is formed when the tool leaves the workpiece and the curvature of the tool path changes. Defects in the axial direction are also found in the side walls, except for the defect zone in the feed direction. An up-cut using an end-mill with a steeper helix angle, a greater number of cutting edges, and a smaller diameter are thus found to improve the geometrical accuracy of end-milled side walls.
This paper presents the effects of the tool shape on the geometrical characteristics of flat end-milled side walls. A tool shape is characterized by such parameters as helix angle, number of cutting edges, and diameter. The geometrical characteristics of the side walls are represented by the surface profiles in the feed and axial directions, which are orthogonal to each other. The geometrical defects in each direction are estimated based on the instantaneous apparent cutting areas, which are represented by the interference area between the tool and workpiece and that between the cutting edge and workpiece. It is confirmed that a geometrical defect in the feed direction is formed when the tool leaves the workpiece and the curvature of the tool path changes. Defects in the axial direction are also found in the side walls, except for the defect zone in the feed direction. An up-cut using an end-mill with a steeper helix angle, a greater number of cutting edges, and a smaller diameter are thus found to improve the geometrical accuracy of end-milled side walls.
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문제 정의
이송방향의 구체적인 형상은 기 발표한 연구 결과로 추정할 수 있으나,(13~15) 축방향의 경우에는 가공면이 급격히 변화하는 특이점의 위치 추정 및 실험 결과와의 비교를 통하여 기하학적 형상 특성을 알 수 있다.(16) 따라서, 본 연구에서는 평엔드밀의 직경 및 절삭날 비틀림각, 절삭날 수를 주된 가공변수로 하여 가공면의 특이점을 추정하고 이 특이점의 위치를 실험을 통하여 검증하고자 한다. 아울러, 실험 결과인 축방향 형상 특성과 기 발표한 연구 결과인 이송방향 형상을 종합하여, 측벽의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있는 공구 형상의 선택 방안을 제시하고자 한다.
공구 형상이 평엔드밀 가공된 측벽 형상에 미치는 영향을 알아보았다. 공구 형상 특징은 비틀림 각, 절삭날 수, 직경을 대상으로 하였으며, 가공면의 기하학적 특성은 서로 독립적인 이송방향 형상과 축방향 형상으로 구분하여 고려하였다.
(1~12) 그러나 공작기계 자체에서 결정되는 가공 변수 및 공작물의 재질, 가공 전, 후 형상 등의 다양성을 고려할 때, 가공 현장에서 작업자가 가공 조건을 조정하여 가공 정밀도를 향상시키는 것은 어려움이 따른다. 그러므로 본 연구에서는, 상대적으로 제한적인 선택이 가능한 공구 측면에서, 엔드밀링 가공된 측벽의 형상 특성과 공구 형상의 관계를 알아보고자 한다.
(16) 따라서, 본 연구에서는 평엔드밀의 직경 및 절삭날 비틀림각, 절삭날 수를 주된 가공변수로 하여 가공면의 특이점을 추정하고 이 특이점의 위치를 실험을 통하여 검증하고자 한다. 아울러, 실험 결과인 축방향 형상 특성과 기 발표한 연구 결과인 이송방향 형상을 종합하여, 측벽의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있는 공구 형상의 선택 방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
가공면의 축방향 형상은 중앙에서 하단으로부터 2mm 떨어진 지점에서 위쪽으로 Taylor Hobson 사의 Talysurf Series2 를 사용하여 측정하였다. 아울러, 절삭날 각변위에 따라 변화되는 배분력과 이 각변위에 해당하는 축방향 가공면 형상과의 관계를 확 인하고자 AMTI 사의 MC818 공구동력계와 DSA-6 디지털 앰프를 사용하여 배분력을 측정하였다.
공구 형상이 평엔드밀 가공된 측벽 형상에 미치는 영향을 알아보았다. 공구 형상 특징은 비틀림 각, 절삭날 수, 직경을 대상으로 하였으며, 가공면의 기하학적 특성은 서로 독립적인 이송방향 형상과 축방향 형상으로 구분하여 고려하였다.
본 연구에서는 공구의 형상 특징을 비틀림각, 절삭날 수, 직경으로 구분하였으며, 엔드밀 가공된 측벽은 서로 독립적인 이송방향 형상과 축방향 형상으로 나누어 고려하였다. 따라서, 기 진행된 연구 결과를 바탕으로, 공구 형상 특징들과 각 방향의 기하학적인 형상 특성의 관계를 정리하면 다음과 같다.
가공면의 축방향 형상은 중앙에서 하단으로부터 2mm 떨어진 지점에서 위쪽으로 Taylor Hobson 사의 Talysurf Series2 를 사용하여 측정하였다. 아울러, 절삭날 각변위에 따라 변화되는 배분력과 이 각변위에 해당하는 축방향 가공면 형상과의 관계를 확 인하고자 AMTI 사의 MC818 공구동력계와 DSA-6 디지털 앰프를 사용하여 배분력을 측정하였다.
대상 데이터
6과 같으며, 시편 재료로는 기계구조용 탄소강 SM45C를 사용하였다. 공작기계와 공구는 각각 통일중공업의 수직형 CNC 밀링머신 TMV-40M 및 OSG사의 TiCN 코팅 처리된 고속도강 엔드밀(비틀림각: 15˚, 30˚/ 절삭날 수: 2날, 4날)을 사용하였다. 구체적인 실험 조건은 Table 1에 나타나 있다.
3. 실험
실험에서 사용한 시편 형상은 Fig. 6과 같으며, 시편 재료로는 기계구조용 탄소강 SM45C를 사용하였다. 공작기계와 공구는 각각 통일중공업의 수직형 CNC 밀링머신 TMV-40M 및 OSG사의 TiCN 코팅 처리된 고속도강 엔드밀(비틀림각: 15˚, 30˚/ 절삭날 수: 2날, 4날)을 사용하였다.
성능/효과
공구 퇴출 및 공구 경로의 곡률반경이 변하는 구간에서는 이송방향 형상의 결함이 크게 나타나며, 이외의 구간에서는 축방향 형상의 결함이 주를 이루는 것으로 판단된다. 아울러, 이송방향 형상과 축방향 형상의 가공오차는 각각 공구 직경과 공구 비틀림각의 영향을 가장 크게 받는 것이 확인되었다. 연구 결과, 엔드밀링 가공된 측벽의 가공정밀도를 향상시키기 위해서는, 상대적으로 직경이 작고, 비틀림각이 큰 절삭날을 많이 갖는 엔드밀을 사용하여 상향절삭 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
아울러, 이송방향 형상과 축방향 형상의 가공오차는 각각 공구 직경과 공구 비틀림각의 영향을 가장 크게 받는 것이 확인되었다. 연구 결과, 엔드밀링 가공된 측벽의 가공정밀도를 향상시키기 위해서는, 상대적으로 직경이 작고, 비틀림각이 큰 절삭날을 많이 갖는 엔드밀을 사용하여 상향절삭 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
이 실험에서, 공작물은 동시에 2개 이상의 절삭날과 접하지 않으며 절삭날 당 이송거리는 0.09mm/tooth로 일정하게 유지되었다. 따라서 반경 방향 절삭깊이를 동일하게 준 상태에서 동일 방향의 절삭을 한 경우에는, 배분력 곡선 및 축방향 형상이 절삭날 수의 영향을 받지 않을 것으로 예상된다.
전반적인 실험 결과, 비틀림각이 큰 엔드밀을 사용하여 반경방향 절삭깊이가 작게 상향절삭함으로써 상대적으로 배분력 곡선의 최대값 및 변화율을 작게 유지할 수 있으므로, 엔드밀 가공된 측벽의 축방향 가공오차를 줄일 수 있다고 판단된다.
종합하여 볼 때, 평면 및 원통면 가공의 공구 퇴출구간과 공동부 또는 돌출부 가공 시 코너 부분과 같은 공구경로의 곡률반경이 변하는 지점에 들어가거나 나오는 구간과 같은 절삭면적이 변하는 부분에서는 이송방향 형상이 축방향 형상보다 더 큰 기하학적 결함을 나타내며, 이를 제외한 가공면에서는 축방향 형상이 주된 기하학적 결함으로 나타날 것으로 보인다. 그러므로, 가공오차 및 형상공차를 측면에서는 직경이 작으며 비틀림각은 크고, 절삭날 수가 많은 엔드밀을 사용하여 반경 방향 절삭깊이를 작게 유지하며 상향절삭 하는 것이 유리하다.
9, 10은 절삭날 수가 2개 및 4개인 경우에 대하여 가공면의 축방향 형상과 배분력 변화를 각각 보여주고 있다. 추정한 특이점의 위치 및 특이점 전, 후의 가공면 기울기 변화, 가공면 형상에 대응하는 배분력의 변화에 있어서, 앞선 비틀림각 실험과 동일한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 반경방향 절삭깊이의 증가에 따른 축방향 형상의 미절삭량 증가 및 배분력의 변화 양상도 선행연구 결과와 일치한다.
후속연구
축방향에 대하여 이송방향 형상과 동일한 수준으로 형상 전체를 추정할 수는 없으나, 축방향 형상 특이점의 존재 유무 및 존재 시 위치를 통하여 진직도 측면에서의 형상 특성 추정이 가능하다. 그러므로, 실험 가공된 형상 측정 결과와의 비교를 통하여 추정한 특이점 위치가 합당한 것을 확인할 수 있으면, 이 추정한 특이점의 위치 및 실제 가공면의 전형적인 특징을 연계하여 축방향 형상 전반에 대한 특성을 파악할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
금형제작에 있어서 금형 정밀도와 제작시간은 무엇과 연관되어 있는가?
따라서 금형의 정밀도 및 복잡성은 높아지는 동시에 소요 제작시간은 지속적으로 단축하는 것이 요구된다. 금형제작에 있어서 요구되는 금형 정밀도와 제작시간은 사상작업과 연계시켜서 생각하는 것이 일반적이다. 그러나 사상작업시간을 단축시키려면 사상 이전 작업인 정삭밀링에서 정밀도를 높이는 것이 요구되며, 마찬가지로 정삭작업 시간을 단축하려면 정삭 이전 작업인 황삭밀링에서 정밀도를 높이는 것이 요구된다.
가공탄성이란?
따라서, 연삭가공에 적용되는, 이상적인 소재 제거량과 실제적인 소재 제거량 사이에는 일정한 비율이 존재한다는 가공탄성(Machining elasticity) (17) 개념을 식 (5)를 이용하여 구한 이상적인 소재 제거량에 적용하면, 순간 순간의 실제적인 소재 제거량을 계산할 수 있으므로 가공 후 측벽의 이송 방향 형상을 추정할 수 있다.
금형의 정밀도 및 복잡성은 높아지는 동시에 소요 제작시간은 지속적으로 단축하는 것이 요구되는 이유는?
이 현상에 있어 표면적으로는 새로운 기술 및 기능을 제품에 적용하는 것이 중요하다. 그러나 이면적으로는 경쟁력 있는 고부가가치 제품을 생산함에 있어서 외양디자인 및 이의 구현에 필요한 금형의 중요성이 점차 커지고 있다. 따라서 금형의 정밀도 및 복잡성은 높아지는 동시에 소요 제작시간은 지속적으로 단축하는 것이 요구된다.
참고문헌 (17)
Kline, W. A., DeVor, R. E. and Lindberg, J. R., 1982, "The Prediction of Cutting Forces in End Milling with Application to Cornering Cuts," Int. J. Mach. Tool Design Research, Vol. 22, pp. 7-22.
Kline, W. A., DeVor, R. E. and Shareef, I. A., 1982, "The Prediction of Surface Accuracy in End Milling," ASME J. of Eng. for Ind., Vol. 104, pp. 272-278.
Kline, W. A. and DeVor, R. E., 1983, " The Effect of Runout on Cutting Geometry and Forces in End Milling," Int. J. Mach. Tool Design Research, Vol. 23, pp. 123-140.
Sutherland, J. W. and DeVor, R. E., 1986, "An Improved Method for Cutting Force and Surface Error Prediction in Flexible End Milling Systems," ASME J. of Eng. for Ind., Vol. 108, pp. 269-279.
Elbestawi, M. A., Ismail. F. and Yuen, K. M., 1994, "Surface Topography Characterization in Finish Milling," Int. J. Mach. Tool Manu., Vol. 34, pp. 245-255.
Yang, M. Y. and Choi, J. G., 1997, "On-line Tool Deflection Compensation System for Precision Endmilling," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 21, No. 2, pp. 189-198.
Lee, S. K. and Ko, S. L., 1999, "Analysis on the Precision Machining in End Milling Operation by Simulating Surface Generation," J. of the KSPE, Vol. 16, No. 4, pp. 229-236.
Ryu, S. H., Kim, M. T., Choi, D. K. and Chu, C. N., 1999, "Plane Surface Generation with a Flat End Mill," J. of the KSPE, Vol. 16, No. 2, pp. 234-243.
Ryu, S. H., Choi, D. K. and Chu, C. N., 2003, "Optimal Cutting Condition in Side Wall Milling Considering Form Accuracy," J. of the KSPE, Vol. 20, No. 10, pp. 31-40.
Ryu, S. H. and Chu, C. N., 2004, "Form Error Prediction in Side Wall Milling Considering Tool Deflection," J. of the KSPE, Vol. 21, No. 6, pp. 43-51.
Song, T. S., Ko, T. J., Kim, H. S. and Lee, J. H., 2007, "Study on the Change of Cutting Force Direction in Endmilling," J. of the KSPE, Vol. 24, No. 10, pp. 37-45.
Kim, K., 2007, "Unavoidable Geometric Errors in the Side Walls of End-Milled Parts-Flat Surface-," J. of Mech. Sci. and Tech., Vol. 21, No. 1, pp. 48-56.
Lee, K. S. and Kim, K., 2008, "Unavoidable Geometric Errors in the Side Walls of End-Milled Parts-Cylindrical Surface-," J. of Mech. Sci. and Tech., Vol. 22, pp. 1-9.
Lee, K. S. and Kim, K., 2009, "Analysis of Unavoidable Geometric Errors in the Side Wall of End-Milled Parts for Corner Surface," J. of Mech. Sci. and Tech., Vol. 23, pp. 525-535.
Kim, K., 2013, "Effects of Cutting Area on Straightness Characteristics in Side Walls Caused by Form Generation Mechanism in End-Milling Process," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 10, pp. 1269-1278.
Rowe, W. B. and Barash, M. M., 1964, "Computer Method for Investigating the Inherent Accuracy of Centerless Grinding," Int. J. Mach. Tool Des. Res., Vol. 4, pp. 91-116.
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