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문제 정의
- CNC선삭에서 절삭조건이 공구수명에 미치는 영향[3]은 발표된 바 있으나 아직까지 여러 재질에 따라 바이트를 바꿔야 하고 바이트별로 다른 인선각이 적용되었을 때에 표면거칠기의 변화에 대해서는 연구되지 않고 있었다. 따라서 재질별 바이트 각도에 따른 표면거칠기 영향을 분석하기 위한 전단계로 CNC 선삭에서 가공환경에 따른 칩의 형상을 분석해 보고자 한다.
- 본 연구에 필요한 측정용 시험편을 만들기 위해서 재료를 우선적으로 선정하고 물성치에 대하여 알아보았다. 그 후 가공에 필요한 도면을 작성하여 SM45C, SCM415, STS303 3종류의 재료를 가공하였다.
- 특히, 시중에서 판매되는 절삭가공에 사용되는 선삭용 바이트와 인서트 팁을 이용하여 두 종류의 공작물 재료를 가공함에 있어 재질에 따라 일정 패턴으로 가공하고 그 형상을 관찰, 절삭 칩의 형상으로 절삭성을 평가하려고 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 선삭가공의 외형가공용 공구인 인서트바이트로 가공 여유각인 절인 경사각을 변경하고, 절삭속도, 이송속도를 변경해 가면서 가공하였을 때 가공특성을 분석하였다. 3가지 재질은 SM45C, SCM415, STS303을 선택하여 절삭 칩을 이송속도별, 가공깊이별, 변경 각도별 분류하여 형상에 따라 비교해 보았다. 가공이송속도가 0.
- 3종류의 재료를 가공하면서 가공과정이 끝나면 절삭 분(칩)을 분류하여 모아 두는 과정을 각 시료별로 종료 시까지 반복하여 분류하면서 그 특성을 비교 분석하였다. 하나의 예로 각 재료에 대해 가공깊이가 0.
- 시험편을 가공하기 위한 NC 프로그램은 Table 4로 가공업체와 상의하여 직접 코딩하였다. 가공에 필요한 절삭조건은 2,500 rpm과 이송속도 0.15 mm/rev 가공속도를 제어하였고 고속가공의 열 변형을 최소화하기 위하여 수용성 절삭유를 사용하여 가공하였다.
- 기초 가공의 기준 시편을 측정하여 기준을 세우고 정밀 측정용 데이터를 이용하여 시험용 시편을 제작하였다.
- 10 mm/rev 으로 각각 결정하였다. 또한 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.
- 본 연구에서는 선삭가공의 외형가공용 공구인 인서트바이트로 가공 여유각인 절인 경사각을 변경하고, 절삭속도, 이송속도를 변경해 가면서 가공하였을 때 가공특성을 분석하였다. 3가지 재질은 SM45C, SCM415, STS303을 선택하여 절삭 칩을 이송속도별, 가공깊이별, 변경 각도별 분류하여 형상에 따라 비교해 보았다.
- 사용된 시험재료로는 SM45C, SCM415, STS303 등의 3종류로써 기초 가공용 CNC데이터를 코딩하고 각 재료별로 정삭가공을 위한 코딩작업을 다시 하여 실험데이터를 얻고자 하였다. Table 3은 선택 시험재료에 대한 기계적 성질을 나타낸 것이다.
- 시험편 가공에 쓰인 절삭공구인 외경 선삭용 인서트바이트의 마모분석을 위해서 전자현미경을 이용하여 각 재료별로 가공 팁을 결정하여 절삭작업을 하여 Fig. 8과 같은 결과를 얻었다. 이것은 몇 가지 형태의 마모분석이 있어야 하는 데 단순히 재료별 팀의 마모분석만을 가지고 분류하였으며, 그 결과는 다음과 같이 분석되었다.
- 절삭 칩의 육안으로 분류하는 형태만으로 명확히 판단하기 곤란하여 전자현미경으로 1,000배율 확대하여 칩의 내면과 외면을 위의 가공에 따른 형상분류와 같은 방식으로 분류하고 관찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 앞 절의 기초가공용 시험편이 완성되면 실질적인 연구와 측정에 사용될 시험편을 제작하기 위하여 시험편용 가공조건을 결정하여야 한다. 측정용 시험편의 가공조건으로 3종류 재료에 대해 가공깊이를 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm로 결정하고 가공에 따른 이송속도를 0.07 mm./rev, 0.
- 주사 전자 현미경(SEM)의 경우 시료를 시험판에 양면테이프로 부착하여 시료 교환 장치 내부에 넣고 수동 조작 패널을 이용하여 위치결정을 한다. 측정하고자 하는 절삭 칩의 형상이 가장 잘 표현되는 배율을 결정하여 촬영한다.
대상 데이터
- 가공용 인서트 홀더에 필요한 인서트 팁으로 일반 정삭용으로 사용하기 위하여 사용한 인서트 팁은 SANDVIK Coromant에서 판매하는 CNMG-MF 고성능 터닝을 위한 인서트 팁을 사용하였고 기초가공을 제외한 정삭 및 시험가공을 하고자 한다. Table 2는 인서트 팁의 제원을 나타낸 것이다.
- 본 연구에 필요한 측정용 시험편을 만들기 위해서 재료를 우선적으로 선정하고 물성치에 대하여 알아보았다. 그 후 가공에 필요한 도면을 작성하여 SM45C, SCM415, STS303 3종류의 재료를 가공하였다.
- 실험 피삭재 가공용 절삭공구는 한국 교세라 정공(주)에서 일반 판매용으로 거래되는 인서트 바이트인 DCLN형(외경․단면가공) 홀더를 사용하여 시험편을 가공하고자 한다. Fig.
이론/모형
- 형상 정밀 촬영을 위해 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)를 사용하였다. 주사전자현미경 (SEM, 모델명: HITACHI S-4800)[3]은 전자선이 시료면 위를 주사(scanning)할 때 시료에서 발생되는 여러 가지 신호 중 그 발생확률이 가장 많은 이차전자(secondary electron) 또는 반사전자(back scattered electron)를 검출하는 것으로 대상 시료를 관찰한다.
성능/효과
- 3가지 재질은 SM45C, SCM415, STS303을 선택하여 절삭 칩을 이송속도별, 가공깊이별, 변경 각도별 분류하여 형상에 따라 비교해 보았다. 가공이송속도가 0.10 mm/rev일 때와 가공깊이 0.3mm일 때가 유동형 칩으로 재질이나 가공특색을 분류하지 않고 가장 좋은 형상을 보였다. 또한, SM45C, SCM415 재질은 물성치가 단단하고 강성이 높아 이송속도에 대한 형상변화가 명확히 나타났으며, STS303의 경우 단단하긴 하나 강성이 낮아 밀리는 현상이 보였다.
- 그리고, 바이트 팁을 주사 전자 현미경으로 촬영한 결과 SM45C를 가공한 팁은 플랭크 마모 현상, SCM415를 가공한 팁은 경계마모, STS303을 가공한 팁은 치핑현상에 초기단계의 마모상태를 파악할 수 있었다.
- 둘째, SCM415를 전용으로 가공한 팁의 형상을 분석하면 가공접속 면적이 약간 뭉뚝해 지려는 모습이 보이기 시작함을 알 수 있다. 이것은 경계마모가 시작되는 현상이라 여겨지며 이런 현상은 흑표피, 질화부 및 가공경화층 등 표면이 단단한 재료에서 발생하곤 한다.
- 둘째, SM45C와 SCM415는 특징을 구분할 수 없으나, STS303의 경우 일자줄무늬가 명확하지 않고 여러부분별 밀리는 현상으로 균열형 칩의 형상을 부분적으로 보이고 있다. 이런 현상은 다른 재질보다 물성치가 강하여 나타나는 형상이라 판단되어 지며 스테인리스강의 고유 성질로 보여 진다.
- 둘째, 시험 피삭재별 이송속도(0.07 mm/rev, 0.1 mm/rev)와 절삭깊이(0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm)의 차이로 절삭칩 형상을 분류하고 관찰하여 본다면 절삭깊이 0.1 mm일 때는 재질의 종류와 관계없이 약간의 전단형에서 유동형으로 감기는 현상을 미세하게 보이고, 점차 절삭깊이가 0.2 mm, 0.3 mm로 커짐에 따라 스프링처럼 꼬이는 유동형 칩으로 변화됨을 알 수 있었다.
- 3mm일 때가 유동형 칩으로 재질이나 가공특색을 분류하지 않고 가장 좋은 형상을 보였다. 또한, SM45C, SCM415 재질은 물성치가 단단하고 강성이 높아 이송속도에 대한 형상변화가 명확히 나타났으며, STS303의 경우 단단하긴 하나 강성이 낮아 밀리는 현상이 보였다.
- 비교 분석한 결과를 요약하면, 첫째, 시험 피삭재별 기준에서 관찰하여 본다면 SM45C, SCM415, STS303재질들의 절삭 칩 가공 배출 형상은 매우 흡사하게 진행됨을 알 수 있다.
- 셋째, STS303을 전용으로 가공한 팁의 형상을 분석하면 치핑(chipping) 현상이 일어났음을 알 수 있다. 이 현상은 팁의 모서리가 작은 조각으로 떨어져 나가는 현상을 말하며, 매우 단단한 재료를 가공하거나 공구재질이 너무 단단하고 이송량이 크며, 절인강도의 부족과 인서트 홀더의 강성이 부족한 경우이다.
- 셋째, 절삭 칩의 외면의 경우는 직접 절삭공구인 바이트가 접촉되는 부분이 아니라 유동형 칩의 형상을 만드는 모양으로 안쪽으로 접혀 말리는 형상으로 그 유형에 따라 접히는 골의 크기가 촘촘함과 굵기의 형상으로 분리되어 지고 있다. 특히 SM45C와 SCM415는 비슷한 유형의 형상으로 구분되어 지고 있으나, STS303은 한눈에 봐도 그 재료의 특징이 확연히 드러나고 있다.
- 위의 내용을 살펴보면 시험재료들을 가공한 인서트바이트 팁의 표면에 약간의 열 변형과 코팅 정도는 손상됨을 확인할 수 있으나, 세 가지 형태로 분류한 팁의 마모상태는 초기단계의 마모 모습이라 인서트 바이트 팁 사용 수명이 충분이 남아 있는 상태라 하겠다. 하지만, STS303을 가공한 인서트 바이트 팁은 치핑에 의한 파손으로 반대편으로 몇 개의 부품을 재가공하게 되었다.
- 첫째, SM45C를 전용으로 가공한 팁의 형상을 분석하면 플랭크 마모(flank wear)의 모습이 보이기 시작함을 알 수 있다. 이것은 재료의 경도가 높고 절삭공구의 경도가 낮은 경우와 평면상태가 불균일하고 표면 경화된 재료를 가공 시 선단부분에 미세마모가 일어나며 절삭속도가 너무 무르거나 여유각이 너무 작고, 이송량이 극단으로 너무 낮은 경우 발생하는 현상이다.
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