[논문]Taguchi법에 의한 방전가공의 공정변수 최적화

최만성

Taguchi법에 의한 방전가공의 공정변수 최적화
Optimization of Process Parameters for EDM using Taguchi Design 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.14 no.4, 2015년, pp.78 - 83

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The method of electrical discharge machining (EDM), one of the processing methods based on non-traditional manufacturing procedures, is gaining increased popularity, since it does not require cutting tools and allows machining involving hard, brittle, thin and complex geometry. Modern ED machinery is capable of machining geometrically complex or hard material components, that are precise and difficult-to-machine such as heat treated tool steels, composites, super alloys, ceramics, etc. This paper reports the results of an experimental investigation by Taguchi method carried out to study the effects of machining parameters on material surface roughness in electric discharge machining of SM45C. The work material was ED machined with graphite and copper electrodes by varying the pulsed current, voltage and pulse time. Investigations indicate that the surface roughness is strongly depend on pulsed current.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이는 복잡한 통계 이론을 통하여 잡음변수의 영향을 차단하고자 하는 종래의 실험계획법에 비하여 훨씬 더 이해하기 쉽고 현실적인 방안으로 받아들여지고 있으며 강건설계의 기본적인 수단을 이루고 있다. 강건설계는 제품의 사용환경, 작업자의 숙련도, 소비자의 수준 등과 같은 잡음변수의 영향 하에서 생산 및 소비 비용이 최소화된 제품을 최단 시간에 시장에 공급 하는 것을 목적으로 한다. 다구찌법은 제품의 개발 초기 단계에서 각 설계변수의 영향을 신속하게 파악 하고 발생 가능한 문제를 예방하는 수단을 제공 하므로 강건설계의 유력한 수단이다.
가공 조건이란 기계의 제어회로에 내장되어있는 기능 중 가공속도와 정밀도를 제어하는 요소를 포함하고 있다. 본 연구에서는 펄스전류, 펄스전압, 통전시간의 가공조건과 그래파이트 및 구리 전극를 사용하여 표면거칠기에 미치는 영향을 알아보았다. 실험의 효율적인 결과도출을 위해 실헙계획법 중의 하나인 Taguchi법을 사용하였다.

제안 방법

회귀함수가 얼마나 유효한가는 분산분석표를 작성 하여 t-검정 을 실시하거나, 실험에서 얻어지는 총 편차의 제곱 합과 회귀제곱 합으로부터 구해지는 결정계수 R²을 이용하여 평가한다. 각 인자들로부터 표면거칠기를 예측하기 위한 방법으로 Table 4의 자료를 이용하여 구리전극을 이용한 방전가공에 있어서 가공변수와 표면거칠기의 다중회귀식을 구하였다.
이 방법에 따르면 총 변수조합에 비하여 현저히 감소된 실험만으로 각 변수의 영향을 확인할 수 있게 되었다. 또한 변수들을 현실적으로 제어가 가능한 제어변수와 제어가 어려운 잡음변수로 구분하여 최적 제어변수의 조합을 찾는 방법을 제안하였다. 이는 복잡한 통계 이론을 통하여 잡음변수의 영향을 차단하고자 하는 종래의 실험계획법에 비하여 훨씬 더 이해하기 쉽고 현실적인 방안으로 받아들여지고 있으며 강건설계의 기본적인 수단을 이루고 있다.
Table 4는 실험에 사용된 제어인자와 각 수준에 따른 가공조건을 나타내었다. 실험방법은 SM45C에 펄스전류, 방전시간, 전압을 바꾸어가며 깊이 1 mm로 방전펄스를 실시하였다. 각 인자의 수준은 3수준으로 총 9번의 가공을 실시하고, 이를 반복한다.
1은 실험에 사용된 방전가공기의 본체를 나타내었다. 실험에 앞서 방전가공에 필요한 시편 제작과 전극 제작을 하였다. 방전전극의 치수는 그래파이트(graphite)가 가로 10.
한번 가공을 하고 가공이 끝나면 가공시간을 결과표에 작성 하였고, 이후 시편을 빼내고, 절삭유를 잘 빼낸 후 표면거칠기를 측정하였다. 여기서 원점을 매번 맞추는 것을 줄이기 위해 X축과 Y축을 고정시키기 위해 다른 시편을 이용해 표시를 해두었다. Z축은 매번 다른 시편을 이용해 표시를 해두었다.
이런 방식으로 총 36번의 실험을 하고 총 36개의가공 결과물에 대해 표면 거칠기 측정기로 표면거칠기를 측정하였다, 정밀도가 높은 저울을 이용하여 총 가공 후 시편의 질량을 측정하고, 피삭재 (SM45C)의 비중을 고려하여 단위시간당 가공된 양을 측정하였다. 이러한 측정값들을 통계적 기법을 이용하여 방전가공의 최적조건을 선정하였다. 실험 조건은 Table 4와 같다.
Z축은 매번 원점을 맞추어야 하는데 이유는 전극의 소모량으로 인해 1mm보다 더 적게 파이는 것을 대비하였다. 이런 방식으로 총 36번의 실험을 하고 총 36개의가공 결과물에 대해 표면 거칠기 측정기로 표면거칠기를 측정하였다, 정밀도가 높은 저울을 이용하여 총 가공 후 시편의 질량을 측정하고, 피삭재 (SM45C)의 비중을 고려하여 단위시간당 가공된 양을 측정하였다. 이러한 측정값들을 통계적 기법을 이용하여 방전가공의 최적조건을 선정하였다.
시편준비로 SM 45 C 연강을 각 1개씩 두 개를 준비하였다. 준비된 시편과 전극을 이용하여 각 3가지 요인과 3수준에 따른 표면거칠기를 측정하였다. Table 3은 실험에 사용된 장비와 계측기의 제원을 나타낸 것이다.
전극은 그래파이트와 구리를 이용하였다. 한번 가공을 하고 가공이 끝나면 가공시간을 결과표에 작성 하였고, 이후 시편을 빼내고, 절삭유를 잘 빼낸 후 표면거칠기를 측정하였다. 여기서 원점을 매번 맞추는 것을 줄이기 위해 X축과 Y축을 고정시키기 위해 다른 시편을 이용해 표시를 해두었다.

대상 데이터

방전전극의 치수는 그래파이트(graphite)가 가로 10.5 mm 세로 9.5 mm이고, 구리(copper)가 Ø10 mm로 제작하였다.
본 실험에 사용된 재료는 기계구조용 탄소강인 SM45C를 사용하였으며, 화학적인 조성과 기계적성질은 Table 1과 Table 2와 같다. Fig.
5 mm이고, 구리(copper)가 Ø10 mm로 제작하였다. 시편준비로 SM 45 C 연강을 각 1개씩 두 개를 준비하였다. 준비된 시편과 전극을 이용하여 각 3가지 요인과 3수준에 따른 표면거칠기를 측정하였다.
각 인자의 수준은 3수준으로 총 9번의 가공을 실시하고, 이를 반복한다. 전극은 그래파이트와 구리를 이용하였다. 한번 가공을 하고 가공이 끝나면 가공시간을 결과표에 작성 하였고, 이후 시편을 빼내고, 절삭유를 잘 빼낸 후 표면거칠기를 측정하였다.

데이터처리

Taguchi법[11-15]은 기계, 화학, 전기, 전자 등 산업전반에 걸쳐 생산공정의 공정조건을 최적화 하고 품질손실 비용을 줄일 수 있는 최적화 설계 기법이다. 따라서 방전가공기의 가공공정의 특성 치를 최적화시키고 생산성과 정밀도를 향상시키기 위해 직교배열에 의한 실험계획과 S/N비를 도출하고 분산분석(ANOVA)을 통해 가공변수의 유의성을 검정하였으며 특성치인 표면거칠기에 대한 최적 방전조건을 구하였다.
다중회귀분석(multiple regression analysis)은 두 개 이상의 예측변수와 한 개의 반응변수와의 관계를 직선으로 가정하는 회귀분석을 말한다. 회귀함수가 얼마나 유효한가는 분산분석표를 작성 하여 t-검정 을 실시하거나, 실험에서 얻어지는 총 편차의 제곱 합과 회귀제곱 합으로부터 구해지는 결정계수 R²을 이용하여 평가한다. 각 인자들로부터 표면거칠기를 예측하기 위한 방법으로 Table 4의 자료를 이용하여 구리전극을 이용한 방전가공에 있어서 가공변수와 표면거칠기의 다중회귀식을 구하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Taguchi법을 이용하여 SM45C를 피삭재로 사용하여 방전가공을 하였다. 이에 따른 표면거칠기의 영향을 분석한 결과에 따르면, 표면 거칠기를 가장 양호하게 하는 공정변수의 조건은 구리전극과 그래파이트전극 모두 방전전류가 9A일 때 가장 양호하였다.
본 연구에서는 펄스전류, 펄스전압, 통전시간의 가공조건과 그래파이트 및 구리 전극를 사용하여 표면거칠기에 미치는 영향을 알아보았다. 실험의 효율적인 결과도출을 위해 실헙계획법 중의 하나인 Taguchi법을 사용하였다. Taguchi법[11-15]은 기계, 화학, 전기, 전자 등 산업전반에 걸쳐 생산공정의 공정조건을 최적화 하고 품질손실 비용을 줄일 수 있는 최적화 설계 기법이다.

성능/효과

본 연구에서는 Taguchi법을 이용하여 SM45C를 피삭재로 사용하여 방전가공을 하였다. 이에 따른 표면거칠기의 영향을 분석한 결과에 따르면, 표면 거칠기를 가장 양호하게 하는 공정변수의 조건은 구리전극과 그래파이트전극 모두 방전전류가 9A일 때 가장 양호하였다. 그리고 구리전극인 경우 펄스 전압은 표면거칠기에 미치는 영향이 거의 없었으나 그래파이트 전극인 경우에는 방전전류와 방전시간과 마찬가지로 표면거칠기에 영향을 크게 미쳤다.

후속연구

그리고 구리전극인 경우 펄스 전압은 표면거칠기에 미치는 영향이 거의 없었으나 그래파이트 전극인 경우에는 방전전류와 방전시간과 마찬가지로 표면거칠기에 영향을 크게 미쳤다. 향후 방전전극에 따른 다양한 공정변수가 표면 거칠기에 미치는 영향을 분석하기 위해 마하라노 비스-다구찌 법을 적용하면 방전가공의 표면거칠기를 더욱 개선할 수 있을 것이라고 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Taguchi법이란?	실험의 효율적인 결과도출을 위해 실헙계획법 중의 하나인 Taguchi법을 사용하였다. Taguchi법[11-15]은 기계, 화학, 전기, 전자 등 산업전반에 걸쳐 생산공정의 공정조건을 최적화 하고 품질손실 비용을 줄일 수 있는 최적화 설계 기법이다. 따라서 방전가공기의 가공공정의 특성 치를 최적화시키고 생산성과 정밀도를 향상시키기 위해 직교배열에 의한 실험계획과 S/N비를 도출하고 분산분석(ANOVA)을 통해 가공변수의 유의성을 검정하였으며 특성치인 표면거칠기에 대한 최적 방전조건을 구하였다.
	방전가공에서 가장 중요한 장점은 무엇인가?	또한 이 가공법은 재료의 경도에 무관하게 가공할 수 있으 며, 매우 복잡한 형상의 부품을 저렴한 방전전극을 사용하여 고정도의 부품을 가공할 수 있으므로 산 업체에서 선호하는 가공법 중 하나이다[1-4]. 이 공정의 가장 중요한 장점은 고경도, 고취성, 고강도의 난삭재를 원하는 형태대로 가공할 수 있다는 것이다[5]. 방전가공기는 플라스틱 사출금형, 다이캐스팅, 반도체 장비제작 등을 생산하는 산업체에 주로 사용되는 기계로 이 분야에 필수불가결한 장비로 보편화되어 있다.
	Taguchi 기법의 핵심은 무엇인가?	생산 현장은 재료의 다양함, 작업자의 부주의, 통제 불가능한 외부환경 등이 있다. 따라서 Taguchi 기법은 잡음의 영향을 최소화하고 제어가능한 영향력 이 강한 인자를 찾아내어 잡음의 영향력을 최소화 하는 강건설계(robust design)가 핵심이다. 이러한 강건설계에 필요한 기법이 S/N(signal and noise) 비이다.

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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