선삭작업에서 가공 여유각 변경은 가공특성을 변화시킨다. 본 연구에서는 피삭재로 기계구조용탄소강, 크롬믈리브텐강, 스테인리스강을 선택하여 정해진 가공조건으로 재질들의 특색이 어떻게 변화하는지 나타내었다. 피삭재의 재질별 표면거칠기를 알아보기 위하여 촉침식 표면 거칠기 측정기로 측정한 결과 인장강도가 높은 피삭재가 표면거칠기 값이 좋게 나왔다. 또한, 가공 이송속도 0.07 mm/rev와 0.10 mm/rev를 비교하였을 경우, 0.07mm/rev일 때가 재질과 관계없이 표면거칠기가 매우 좋게 나타났다. 선삭 여유각 변경에 따른 표면거칠기를 종합하여 분석하여 보면 3가지 재질 모두 $0.9^{\circ}$일 때 가장 좋은 거칠기 값을 보였으며 $0.3^{\circ}$일 때 가장 나쁜 거칠기 값을 보였다.
선삭작업에서 가공 여유각 변경은 가공특성을 변화시킨다. 본 연구에서는 피삭재로 기계구조용탄소강, 크롬믈리브텐강, 스테인리스강을 선택하여 정해진 가공조건으로 재질들의 특색이 어떻게 변화하는지 나타내었다. 피삭재의 재질별 표면거칠기를 알아보기 위하여 촉침식 표면 거칠기 측정기로 측정한 결과 인장강도가 높은 피삭재가 표면거칠기 값이 좋게 나왔다. 또한, 가공 이송속도 0.07 mm/rev와 0.10 mm/rev를 비교하였을 경우, 0.07mm/rev일 때가 재질과 관계없이 표면거칠기가 매우 좋게 나타났다. 선삭 여유각 변경에 따른 표면거칠기를 종합하여 분석하여 보면 3가지 재질 모두 $0.9^{\circ}$일 때 가장 좋은 거칠기 값을 보였으며 $0.3^{\circ}$일 때 가장 나쁜 거칠기 값을 보였다.
The turning clearance angle changes the machining characteristics. In this study, three workpiece materials, machine structural carbon steel, chrome-molybdenum steel and stainless steel, were examined. The experiments revealed how the features of selected materials changed when they were processed w...
The turning clearance angle changes the machining characteristics. In this study, three workpiece materials, machine structural carbon steel, chrome-molybdenum steel and stainless steel, were examined. The experiments revealed how the features of selected materials changed when they were processed with machining operation. To find the surface roughness of workpiece materials, the workpiece materials, which have a higher tensile strength, showed a much better surface roughness in the surface roughness tester. Moreover, the process feed rate was compared between 0.07 mm/rev and 0.10 mm/rev. When the process feed rate was 0.07 mm/rev, the surface roughness has superior results without reference to the quality of the materials. According to this research on the turning clearance angle, the best roughness value was observed when the quality of the materials were $0.9^{\circ}$, whereas the worst roughness was observed when quality of the materials was $0.3^{\circ}$.
The turning clearance angle changes the machining characteristics. In this study, three workpiece materials, machine structural carbon steel, chrome-molybdenum steel and stainless steel, were examined. The experiments revealed how the features of selected materials changed when they were processed with machining operation. To find the surface roughness of workpiece materials, the workpiece materials, which have a higher tensile strength, showed a much better surface roughness in the surface roughness tester. Moreover, the process feed rate was compared between 0.07 mm/rev and 0.10 mm/rev. When the process feed rate was 0.07 mm/rev, the surface roughness has superior results without reference to the quality of the materials. According to this research on the turning clearance angle, the best roughness value was observed when the quality of the materials were $0.9^{\circ}$, whereas the worst roughness was observed when quality of the materials was $0.3^{\circ}$.
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문제 정의
우선 가공깊이와 여유각 변경에 따른 산술 평균 거칠기와 10점 평균 거칠기를 비교 분석한다. 또한, 가공깊이별 가공 정밀도와 절삭가공 여유각 변경에 따른 정밀도를 비교분석하고자 한다.
본 연구에서는 선삭 여유각, 즉 가공 공구인 인서트 홀더의 절인 경사각을 변경시켜 피삭재별 표면거칠기 변화에 대하여 알아보고자 실험하였다. 3가지 재질 SM45C(기계구조용탄소강), SCM415(크롬몰리브덴강), STS303(스테인리스강)을 선택하여 정해진 가공조건에 따라 가공하였을 경우 선택한 재질들의 표면거칠기를 비교하였다.
또한 다른 측면으로 본다면 이젠 단면적인 실험[5]이나 연구는 점차로 줄어들고 시스템적이며 다면적인 실험이 수행되어야 함을 알 수 있으며, 절삭가공에서의 인선각도, 가공속도, 재료 등을 복합적인 실험을 통하여 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 이제까지 수행되지 않았던 선삭 여유각 변경에 따른 피삭재의 가공특성 변화에 대한 연구를 살펴보고자 피삭재의 재질에 따른 표면거칠기 및 정밀도를 비교 분석하고자 하였다. 피삭재로는 대표적인 강의 하나인 SM45C와 성질이 다른 합금강인 SCM415, 비철금속재료인 STS303 등 3종류의 재료를 선택하였다.
사용된 시험재료에 대한 기초 가공용 CNC데이터를 코딩하고 각 재료별로 정삭가공을 위한 코딩작업을 다시하여 실험데이터를 얻고자 하였다. [Table 2]는 선택 시험재료에 대한 기계적 성질을 나타낸 것이다.
제안 방법
본 연구에서는 선삭 여유각, 즉 가공 공구인 인서트 홀더의 절인 경사각을 변경시켜 피삭재별 표면거칠기 변화에 대하여 알아보고자 실험하였다. 3가지 재질 SM45C(기계구조용탄소강), SCM415(크롬몰리브덴강), STS303(스테인리스강)을 선택하여 정해진 가공조건에 따라 가공하였을 경우 선택한 재질들의 표면거칠기를 비교하였다.
실질적인 연구와 측정에 사용될 시편을 제작하기 위해서 시편용 가공조건을 결정하여야 한다. SM45C, SCM415, STS303 등의 3종류 재료에 대해 가공 깊이를 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm로 결정하고 가공에 따른 이송속도를 0.07 mm./rev, 0.
가공 후 측정한 각도별 표면거칠기를 [Table 7]과 [Table 8]과 같이 재료에 따른 각도별로 구분하여 Ra(산술 평균 거칠기)와 Rz(10점 평균거칠기) 값을 비교하여 분석하고자 한다.
본 실험에서는 최대 높이 거칠기 값을 제외하고 산술평균 거칠기 값과 10점 평균거칠기 값을 가지고 비교 분석하였다. 물론, 최대높이와 10점 평균거칠기 값을 비교한 결과 그 값이 한 치의 오차도 없이 동일하게 나타났다.
피삭재로는 대표적인 강의 하나인 SM45C와 성질이 다른 합금강인 SCM415, 비철금속재료인 STS303 등 3종류의 재료를 선택하였다. 우선 가공깊이와 여유각 변경에 따른 산술 평균 거칠기와 10점 평균 거칠기를 비교 분석한다. 또한, 가공깊이별 가공 정밀도와 절삭가공 여유각 변경에 따른 정밀도를 비교분석하고자 한다.
인서트 바이트의 인선높이, 절인 경사각, 전면 여유각 등이 동시에 변화가 되는 팁 받침인 시트의 각도를 최초 가공하지 않은 0.0˚, 그리고 -0.3˚, -0.9˚로 받침 시트를 가공하여 3종류의 재료를 각각 18개씩 54개의 시험편을 가공하였다.
4에 측정 장비의 사양 및 장비의 형상을 나타내었다. 측정 면을 검출기로 긁어 유닛을 통하여 전기적, 기계적, 광학적 방법으로 확대하여 거칠기를 측정 데이터와 프린터로 결과 값을 보여주고 있으며 본 연구에서 이 방식을 채택하여 실험하였다.
표면거칠기를 수치로 평가하는 파라미터로 단위는(㎛)를 사용하고 거칠기 곡선의 최대 높이(Rmax), 거칠기 곡선의 산술 평균 거칠기(Ra),거칠기 곡선의 10점 평균 거칠기(Rz)의 3가지 종류의 측정방식을 이용하고자 한다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 절삭공구는 DCLN형[9] 홀더로 Fig. 5에 인서트 공구의 명칭을 표시하였다. 또한, Fig.
본 연구의 가공장비는 Fig. 3과 같은 현대 위아 공작기계에서 판매하는 터닝센터로써 연구용 피삭재를 가공용으로 사용하였다.
본 연구에서는 이제까지 수행되지 않았던 선삭 여유각 변경에 따른 피삭재의 가공특성 변화에 대한 연구를 살펴보고자 피삭재의 재질에 따른 표면거칠기 및 정밀도를 비교 분석하고자 하였다. 피삭재로는 대표적인 강의 하나인 SM45C와 성질이 다른 합금강인 SCM415, 비철금속재료인 STS303 등 3종류의 재료를 선택하였다. 우선 가공깊이와 여유각 변경에 따른 산술 평균 거칠기와 10점 평균 거칠기를 비교 분석한다.
이론/모형
본 연구를 위하여 피삭재를 가공하기 위해서 사용한 장비는 매우 정밀하고 사용에 전문성이 요구되는 장비로 CNC 터닝 센터(SKT200 Series)이다. CNC 터닝센터는 일반 보통 선반보다 수치제어프로그램을 내장한 소형컴퓨터가 부착되어 가공 수치제어코드를 입력하여 자동 가공하는 장비이며 자동공구 교환장치 및 무단변속기 등의 최첨단 장치가 부착되어 있으며 2축이 동시에 작동되는 볼트 및 구형가공 등을 쉽게 할 수 있어 다품종 소량생산과 대량생산에 사용된다[7,8].
성능/효과
둘째, SCM415의 경우 feed = 0.07일 때 Ra는 0.3˚ → 0.0˚ → 0.9˚이고 Rz는 0.3˚ → 0.0˚ → 0.9˚로 동일하게 변화하였으며, feed = 0.10일 때 Ra는 0.3˚ → 0.0˚ → 0.9˚이고 Rz는 0.3˚ → 0.0˚ → 0.9˚ 순으로 거칠기 값이 두 이송속도와 관계없이 동일하게 변화하였다.
둘째, 가공 속도만을 기준으로 본다면 feed = 0.07 mm/rev일 때와 feed = 0.10 mm/rev일 때 SCM415 → STS303 → SM45C 순으로 동일한 결과 값이 확인되었을 뿐만 아니라 이 결과는 재료별 특색이 명확히 확인되었다.
둘째, 절인 경사각을 배제하고 가공 속도만을 기준으로 표면거칠기를 비교한 결과는 가공 이송속도 0.07mm/rev일 때 STS303 → SM45C →SCM415 순으로 STS303이 세 가지 재질 중 가장 나쁜 거칠기 값을 보이고, 가공 이송속도 0.10 mm/rev일 때 SM45C → SCM415 → STS303 순으로 확인되었다.
3˚일 때 가장 나쁜 거칠기 값을 보였다. 따라서 현재 사용되는 인서트 홀더 시트의 네거티브 각도를 –6.9˚로 변경한다면 상기 실험한 재료의 종류와 관계없이 좋은 가공도가 나올 것으로 판단된다.
표면거칠기는 SM45C → STS303 → SCM415 순으로 SM45C가 표면거칠기가 가장 나쁘게 나왔다. 또한, SM45C, SCM415, STS303이 세 가지 모두 0.9˚일 때 가장 좋은 거칠기 값을 보였으며 0.3˚일 때 가장 나쁜 거칠기 값을 보였다. 따라서 현재 사용되는 인서트 홀더 시트의 네거티브 각도를 –6.
셋째, Fig. 7와 같이 재료별로 전체 통합하여 산술평균 거칠기를 비교 관찰하여 보면 이송속도에 따라 거칠기 값이 확연히 다르게 나타나고 이송속도가 적으면 거칠기 값이 좋아짐을 알 수 있었다.
셋째, STS303의 경우 feed = 0.07일 때 Ra는 0.0˚ → 0.9˚ → 0.3˚ 순으로 거칠기 값이 좋게 변하였고 Rz는 0.0˚ → 0.3˚ → 0.9˚이었다가 feed = 0.10일 때 Ra는 0.0˚ → 0.3˚ → 0.9˚순으로 변하였고 Rz는 0.3˚ → 0.0˚ → 0.9˚순으로 변함을 알 수 있었다.
위의 두 항목결과를 종합해 보면 산술 평균 거칠기 값과 10점 평균거칠기 값을 비교 분석한 결과 수치에 대한 약간의 차이는 있으나 재료별 거칠기 값은 SCM415 → STS303 → SM45C 순으로 동일하게 나왔음을 알 수 있었다.
첫째, SM45C의 경우 feed = 0.07일 때 Ra는 0.0˚ → 0.3˚ → 0.9˚ 순으로 거칠기 값이 좋게 변하였고 Rz는 0.3˚ → 0.9˚ → 0.0˚ 이었다가 feed = 0.10일 때 Ra는 0.3˚ → 0.9˚ → 0.0˚순으로 변하였고 Rz는 0.0˚→ 0.3˚ → 0.9˚로 변하였다.
첫째, 위와 동일한 방식으로 확인한 결과 [Table 6]과 같이 가장 좋은 결과 값을 순서대로 나온 재료별로 보면, SCM415 → STS303 → SM45C로 산출 평균거칠기(Ra)와 같은 결과로 확인되었다.
첫째, 재료별 산술 평균 거칠기(Ra) 결과 값을 순차 합계 방식으로 확인한 결과 [Table 4]와같이 가장 좋은 거칠기 값이 나온 SCM415, 다음으로 STS303, 그리고 표면거칠기가 가장 나쁜 결과 값이 나온 SM45C로 확인되었다.
표면거칠기는 SM45C → STS303 → SCM415 순으로 SM45C가 표면거칠기가 가장 나쁘게 나왔다.
피삭재의 재질별 표면거칠기를 알아보기 위하여 촉침식 표면거칠기 측정기로 측정한 결과 인장강도가 높은 피삭재가 표면거칠기 값이 좋게 나왔다.
후속연구
점차적으로 변화되는 모습을 분석하면 몸으로 느끼고 눈으로 직접 결과를 확인할 수 있는 과정에서 점차 방향을 바꾸어 유한요소법을 이용한 절삭공구의 온도 분포 해석이나 정밀 절삭을 위한 시뮬레이션 및 이송속도 스케줄링 시스템 개발 등 수학적이고 분석적인 방향을 진행하고 있는 실정이다[3,4]. 또한 다른 측면으로 본다면 이젠 단면적인 실험[5]이나 연구는 점차로 줄어들고 시스템적이며 다면적인 실험이 수행되어야 함을 알 수 있으며, 절삭가공에서의 인선각도, 가공속도, 재료 등을 복합적인 실험을 통하여 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 이제까지 수행되지 않았던 선삭 여유각 변경에 따른 피삭재의 가공특성 변화에 대한 연구를 살펴보고자 피삭재의 재질에 따른 표면거칠기 및 정밀도를 비교 분석하고자 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
표면거칠기를 측정하는 방법에는 무엇이 있는가?
본 연구에서 표면거칠기는 측정대상물의 표면으로부터 임의로 채취한 요철 부분에서의 측정된 값으로 측정 대상물의 표피에 대한 정밀도와 매우 밀접한 관계가 있다. 표면거칠기를 측정하는 방법으로는 표준 편과의 비교에 의한 비교 측정법, 촉침식 측정법, 광절단식 측정법이 있다.
CNC 터닝센터는 어떤 장비인가?
본 연구를 위하여 피삭재를 가공하기 위해서 사용한 장비는 매우 정밀하고 사용에 전문성이 요구되는 장비로 CNC 터닝 센터(SKT200 Series)이다. CNC 터닝센터는 일반 보통 선반보다 수치제어프로그램을 내장한 소형컴퓨터가 부착되어 가공 수치제어코드를 입력하여 자동 가공하는 장비이며 자동공구 교환장치 및 무단변속기 등의 최첨단 장치가 부착되어 있으며 2축이 동시에 작동되는 볼트 및 구형가공 등을 쉽게 할 수 있어 다품종 소량생산과 대량생산에 사용된다[7,8].
제품의 가공정밀도를 판정하는 기준의 하나인 표면거칠기의 예측이 어려운 이유는 무엇인가?
제품의 가공정밀도를 판정하는 기준의 하나로 표면거칠기가 활용되고 있다. 그러나 표면거칠기의 예측은 실제로 절삭인자가 많아 이론식으로 접근하기가 어려운 실정이다[2]. 점차적으로 변화되는 모습을 분석하면 몸으로 느끼고 눈으로 직접 결과를 확인할 수 있는 과정에서 점차 방향을 바꾸어 유한요소법을 이용한 절삭공구의 온도 분포 해석이나 정밀 절삭을 위한 시뮬레이션 및 이송속도 스케줄링 시스템 개발 등 수학적이고 분석적인 방향을 진행하고 있는 실정이다[3,4].
참고문헌 (9)
Yeom, S. H., Oh, J. U., Nam, H. C, "A study on optimum of cutting ability with change of tool rake angles", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A56, pp. 1043-1054, 1988.
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Jeong, S. C., Kim, K. W., "A Study on Temperature Distributions of Tool Insert Using FEM", Proceedings of KAIS Annual 2003 Spring Conference, pp. 110-112, The Korea Academia-Industrial cooperation Society, 2003.
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Kim, K. T., Kim, W. I., "A Study on the Numerical Simulation of Surface roughness Due to cutting condition", Proc. of KSME 2007 Autumn Conference, pp. 54-56, 2007.
KSB0161, "Surface roughness-Definitions and designation", Korean Standards Association, 2009.
Ha, J. K., "The Theory of CNC Machine Tool", Human Resources Development Service of Korea, 1998.
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