[논문]크리깅 메타모델을 이용한 MQL 밀링공정의 소비전력 예측 연구

장덕용; 정지현; 석종원

doi:10.7736/kspe.2015.32.4.353

크리깅 메타모델을 이용한 MQL 밀링공정의 소비전력 예측 연구
Prediction of Consumed Electric Power on a MQL Milling Process using a Kriging Meta-Model 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.4, 2015년, pp.353 - 358

장덕용 (중앙대학교 기계공학과) , 정지현 (중앙대학교 기계공학과) , 석종원 (중앙대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Energy consumption reduction has become an important key word in manufacturing that can be achieved through the efficient and optimal use of raw materials and natural resources, and minimization of the harmful effects on nature or human society. The successful implementation of this concept can only be possible by considering a product's entire life cycle and even its disposal from the early design stage. To accomplish this idea with milling, minimum quantity lubrication (MQL) strategies and cutting conditions are analyzed through process modeling and experiments. In this study, a model to predict the cutting energy in the milling process is used to find the cutting conditions, which minimize the cutting energy through a Kriging meta-modeling process. The MQL scheme is developed first to reduce the amount of cutting oil and costs used in the cutting process, which is then employed for the entire modeling and experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 엔드 밀 공구를 이용한 가공에서 소비되는 에너지 측정하고 이를 예측하는 연구를 수행하였다. 절삭 가공 시 윤활은 공정 비용과 가공물의 표면조도를 고려하였을 때 가장 우수하다고 알려진 MQL기법을 사용하였으며,^2,3 측정 변수로는 공구회전속도, 절삭 깊이, 이송속도, MQL유량을 사용하였다.
본 논문에서는 엔드 밀 공구를 이용한 가공에서 소비되는 에너지 측정하고 크리깅 메타모델을 이용하여 소비에너지를 예측하는 연구를 수행하였다. 공구회전속력, 절삭 깊이, 이송속도, MQL 유량의 변화에 따른 소비에너지를 측정하였고 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

가공조건에 따라 변하는 소비에너지을 알아보기 위한 실험가공은 밀링 RF-31에서 수행되었다. 절삭 시 발생하는 절삭력은 Piezoelectric type 공구동력계 PCB Piezotronics 241A02를 이용하여 3축 방향의 절삭력을 측정하였으며, 측정된 절삭저항 신호는 charge amplifier를 통해 증폭시키고 A/D converter를 이용하여 2kHz로 추출하여 저장하였다.
따라서 가공조건의 선택은 가공정밀도, 생산성, 비용 등을 복합적으로 고려하여 전정할 필요가 있다. 공구회전속력, 이송속도, 절삭 깊이 등의 절삭 조건은 공구 제작자의 추천 절삭조건을 참고하고 예비실험을 통하여 안정적인 절삭이 가능한 절삭조건을 실험 목적에 부합되게 선택하였다. 다음은 실험 장치 및 절삭조건을 보여주고 있다.
본 논문에서는 엔드 밀 공구를 이용한 가공에서 소비되는 에너지 측정하고 크리깅 메타모델을 이용하여 소비에너지를 예측하는 연구를 수행하였다. 공구회전속력, 절삭 깊이, 이송속도, MQL 유량의 변화에 따른 소비에너지를 측정하였고 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
절삭 시 발생하는 절삭력은 Piezoelectric type 공구동력계 PCB Piezotronics 241A02를 이용하여 3축 방향의 절삭력을 측정하였으며, 측정된 절삭저항 신호는 charge amplifier를 통해 증폭시키고 A/D converter를 이용하여 2kHz로 추출하여 저장하였다. 또한, 전력계 PPA500을 이용하여 소비 전력을 측정하였다.
엔드 밀을 이용한 절삭 가공에서는 절삭경로 및 가공방법에 따라 여러 종류의 절삭형태가 있다. 본 실험에서는 절삭에너지의 계산을 용이하게 하기 위해 가공재료를 정면으로 절삭하는 Slot 가공을 선택하였다.
MQL 절삭 공정에서 소비되는 에너지의 크기는 압축기 동력을 포함시켜야 정확한 비교가 가능하다. 압축기의 동력은 10분간 윤활유 공급 시 사용되는 압축기의 소비 전력량을 전력계를 이용하여 측정하고, 이를 실제 절삭 시간 동안 소비되는 전력량으로 환산하여 반영하였다.
^4-7 MQL은 압력조절을 통하여 분사되는 유량을 조절하였다. 예비실험을 통하여 안정적인 절삭이 가능한 절삭조건의 범위를 선택하였다. 이때, 비선형성이 강한 모델이나 설계 인자가 많은 문제에서도 비교적 정확한 크리깅 모델을 적용하여 절삭조건의 변화에 따른 소비 에너지를 예측하였다.
예비실험을 통하여 안정적인 절삭이 가능한 절삭조건의 범위를 선택하였다. 이때, 비선형성이 강한 모델이나 설계 인자가 많은 문제에서도 비교적 정확한 크리깅 모델을 적용하여 절삭조건의 변화에 따른 소비 에너지를 예측하였다.
가공조건에 따라 변하는 소비에너지을 알아보기 위한 실험가공은 밀링 RF-31에서 수행되었다. 절삭 시 발생하는 절삭력은 Piezoelectric type 공구동력계 PCB Piezotronics 241A02를 이용하여 3축 방향의 절삭력을 측정하였으며, 측정된 절삭저항 신호는 charge amplifier를 통해 증폭시키고 A/D converter를 이용하여 2kHz로 추출하여 저장하였다. 또한, 전력계 PPA500을 이용하여 소비 전력을 측정하였다.
절삭력은 공구동력계(PCB Piezotronics 241A02)를 사용하여 측정하였다. 총 절삭력의 크기는 다음과 같이 계산된다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 가공재료는 구조용강으로 많이 사용되는 SM45C를 사용하였으며 직경 12mm의 2날 초경 Flat-end mill로 가공하였다. 엔드 밀을 이용한 절삭 가공에서는 절삭경로 및 가공방법에 따라 여러 종류의 절삭형태가 있다.

이론/모형

본 논문에서는 엔드 밀 공구를 이용한 가공에서 소비되는 에너지 측정하고 이를 예측하는 연구를 수행하였다. 절삭 가공 시 윤활은 공정 비용과 가공물의 표면조도를 고려하였을 때 가장 우수하다고 알려진 MQL기법을 사용하였으며,^2,3 측정 변수로는 공구회전속도, 절삭 깊이, 이송속도, MQL유량을 사용하였다.^4-7 MQL은 압력조절을 통하여 분사되는 유량을 조절하였다.
크리깅 메타모델의 모수는 최우량추정법(MLE: Maximum likelihood function)을 이용하여 구한다.¹⁶ 우도함수(likelihood function)는 다음과 같이 정의된다.

성능/효과

(1) 크리깅 메타모델을 통해 소비에너지를 예측한 결과 공구 회전 속력이 증가함에 따라 MQL 유량에 의한 역학적 에너지의 차이는 줄어들었다. 따라서 전체적으로 MQL 유량이 역학적 에너지에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.
2은 크리깅 메타모델을 통한 소비에너지 예측 결과를 나타낸다. 모델을 검증하기 위해 동일 조건에서 증명실험을 한 결과 오차범위 1% 내외로 크리깅 메타모델의 유의성을 확인하였다.
(2) 이송 속도가 증가 할수록 역학적 에너지는 감소하는 경향을 보이는데 이는 에너지 증가량에 비해 절삭하는 부피의 증가량이 더 크기 때문이다. 압축기 동력을 포함시킨 Overall energy의 크기는 이송 속도가 낮을수록, 공구 회전 속력이 높을수록 증가하는 것을 알 수 있다. 역학적 에너지와 비교했을 때 그 차이는 더욱 두드러지는 것을 알 수 있다.
5는 압축기의 동력이 포함된 Overall energy를 나타낸다. 압축기 동력을 포합시킨 Overall energy의 크기는 이송 속도가 낮을수록, 공구 회전 속력이 높을수록 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 동일 공구 회전 속력인 경우에는 이송 속도를 빠르게 해주면 에너지 소비를 줄일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	크리깅이란 무엇인가?	크리깅은 관심 있는 지점에서 특정치를 알기 위해 이미 값을 알고 있는 주위의 값들의 가중 선형조합으로 그 값을 예측하는 통계적 기법이다.8 1989년 Sacks등9은 크리깅 모델을 전산실험계획법에 적합하도록 새로운 형태의 크리깅 메타모델을 제시하였다.
	크리깅 메타모델이 최적설계분야에 널리 사용되는 이유는?	8 1989년 Sacks등9은 크리깅 모델을 전산실험계획법에 적합하도록 새로운 형태의 크리깅 메타모델을 제시하였다. 크리깅 메타모델은 표본점에서의 응답값을 지나는 대표적인 보간모델로 최우량추정에 의해서 상관변수를 논리적이고 자동적으로 추정하기 때문에 비선형성이 강하고 동일한 입력에 대해 동일한 결과가 계산되므로 최적설계분야에 널리 사용되고 있다.10
	본 연구에서 MQL 유량이 역학적 에너지에 미치는 영향이 크지 않다고 판단되는 이유는?	(1) 크리깅 메타모델을 통해 소비에너지를 예측한 결과 공구 회전 속력이 증가함에 따라 MQL유량에 의한 역학적 에너지의 차이는 줄어들었다. 따라서 전체적으로 MQL 유량이 역학적 에너지에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.

참고문헌 (16)

Kuram, E., Ozcelik, B., Bayramoglu, M., Demirbas, E., and Simsek, B. T., "Optimization of Cutting Fluids and Cutting Parameters during End Milling by using D-Optimal Design of Experiments," Journal of Cleaner Production, Vol. 42, pp. 159-166, 2013.

상세보기
Gaitonde, V., Karnik, S., and Davim, J. P., "Selection of Optimal MQL and Cutting Conditions for Enhancing Machinability in Turning of Brass," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 204, No. 1, pp. 459-464, 2008.

상세보기
Iqbal, A., Ning, H., Khan, I., Liang, L., and Dar, N. U., "Modeling the Effects of Cutting Parameters in Mql-Employed Finish Hard-Milling Process using DOptimal Method," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 199, No. 1, pp. 379-390, 2008.

상세보기
Reddy, N. S. K. and Rao, P. V., "Experimental Investigation to Study the Effect of Solid Lubricants on Cutting Forces and Surface Quality in End Milling," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 46, No. 2, pp. 189-198, 2006.

상세보기
Deshpande, A., Snyder, J., and Scherrer, D., "Feature Level Energy Assessments for Discrete Part Manufacturing," Proc. of the NAMRI/SME, Vol. 39, 2011.
Vijayaraghavan, A. and Dornfeld, D., "Automated Energy Monitoring of Machine Tools," CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 59, No. 1, pp. 21-24, 2010.

상세보기
Hanafi, I., Khamlichi, A., Cabrera, F. M., Almansa, E., and Jabbouri, A., "Optimization of Cutting Conditions for Sustainable Machining of PEEK-CF30 using TiN Tools," Journal of Cleaner Production, Vol. 33, pp. 1-9, 2012.

상세보기
Simpson, T. W., Mauery, T. M., Korte, J. J., and Mistree, F., "Kriging Models for Global Approximation in Simulation-Based Multidisciplinary Design Optimization," AIAA Journal, Vol. 39, No. 12, pp. 2233-2241, 2001.

상세보기
Sacks, J., Welch, W. J., Mitchell, T. J., and Wynn, H. P., "Design and Analysis of Computer Experiments," Statistical Science, Vol. 4, No. 4, pp. 409-423, 1989.

상세보기
Koehler, J. and Owen, A., "Computer Experiments," Handbook of Statistics, Vol. 13, pp. 261-308, 1996.
Li, M., Li, G., and Azarm, S., "A Kriging Metamodel Assisted Multi-Objective Genetic Algorithm for Design Optimization," Journal of Mechanical Design, Vol. 130, No. 3, Paper No. 031401, 2008.

상세보기
Cho, T.-M., Ju, B.-H., Jung, D.-H., and Lee, B.-C., "Reliability Estimation using Two-Staged Kriging Metamodel and Genetic Algorithm," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 30, No. 9, pp. 1116-1123, 2006.

원문보기 상세보기
Mitchell, T. J. and Morris, M. D., "The Spatial Correlation Function Approach to Response Surface Estimation," Proc. of the 24th Conference on Winter Simulation, pp. 565-571, 1992.
Cox, D, D., Park, J, J., and Singer, C, E., "A Statistical Method for Turning a Computer Code to a Data Base," Computational Statistics & Data Analysis, Vol. 37, No. 1, pp.77-92, 2001.

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Lee, T., Lee, C., and Lee, K., "Shape Optimization of a CRT based on Response Surface and Kriging Metamodels," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 27, No. 3, pp. 381-386, 2003.
Lee, T. H. and Jung, J. J., "Generalized Kriging Model for Interpolation and Regression," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 29, No. 2, pp. 277-283, 2005.

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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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