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문제 정의
- 본 논문에서는 난삭성 소재인 티타늄 합금 중 널리 사용되고 있는 Ti-6Al-4V 합금에 대하여 공구형상에 따른 가공성 평가를 수행하고자 한다. 엔드밀 공구의 주요 형상변수인 헬릭스 각과 경사각 따른 가공특성을 파악하기 위해 각 형상 변수에 따라 모델링된 공구를 이용하여 유한요소해석을 수행하였고, 실제 공구를 제작하여 이를 이용한 가공성 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 7에 가공실험의 개략도를 나타내었다. 12.5 mm길이의 돌출부를 갖는 티타늄 시편에 각 조건에 맞게 제작된 공구를 사용하여 밀링가공을 수행하였다. 가공 중 획득한 각 축 방향 절삭력 데이터로부터 합력을 계산하였고, 각 분력과 합력의 RMS 값을 계산하여 각 조건에 대한 대푯값을 계산하였다.
- 5 mm길이의 돌출부를 갖는 티타늄 시편에 각 조건에 맞게 제작된 공구를 사용하여 밀링가공을 수행하였다. 가공 중 획득한 각 축 방향 절삭력 데이터로부터 합력을 계산하였고, 각 분력과 합력의 RMS 값을 계산하여 각 조건에 대한 대푯값을 계산하였다.
- 각각의 공구 모델에 대해 같은 요소 크기조건, 절삭조건을 적용 하여 해석을 수행한 뒤 절삭력, 공구 여유면과 경사면의 압력분포를 분석하였다. 공구와 소재가 접촉된 상태에서 이송과 함께 90° 회전하는 동안 각 축방향 절삭분력의 데이터를 획득하였고, 절삭력합력과 RMS 평균값을 계산하여 대푯값으로 선정하였다.
- 공구와 소재가 접촉된 상태에서 이송과 함께 90° 회전하는 동안 각 축방향 절삭분력의 데이터를 획득하였고, 절삭력합력과 RMS 평균값을 계산하여 대푯값으로 선정하였다.
- 1에 보인바와 같이 공구 모델의 요소 크기를 조정하였다. 소재와 접촉하는 공구 날의 끝단의 요소 크기를 0.04 mm, 가공중 칩, 소재와 접촉하는 경사면과 여유면의 요소크기를 0.08 mm로 적용하였고, 소재에도 별도의 요소 크기 조건을 부여하였다. 가공환경은 건식으로 적용하였다.
- 6에 나타내었다. 수직형 3축 고속 머시닝센터 Makino V55를 사용하였으며 가공시 발생하는 절삭력 신호 획득을 위해 공구동력계(Kistler, 9257B)를 머시닝센터 베드에 장착하였다. 절삭력 신호획득은 DAQ 보드(NI, 4472B)를 이용하였고 신호의 샘플링레이트는 51,200 Hz로 설정하였다.
- 본 논문에서는 난삭성 소재인 티타늄 합금 중 널리 사용되고 있는 Ti-6Al-4V 합금에 대하여 공구형상에 따른 가공성 평가를 수행하고자 한다. 엔드밀 공구의 주요 형상변수인 헬릭스 각과 경사각 따른 가공특성을 파악하기 위해 각 형상 변수에 따라 모델링된 공구를 이용하여 유한요소해석을 수행하였고, 실제 공구를 제작하여 이를 이용한 가공성 평가를 수행하였다.
- 수직형 3축 고속 머시닝센터 Makino V55를 사용하였으며 가공시 발생하는 절삭력 신호 획득을 위해 공구동력계(Kistler, 9257B)를 머시닝센터 베드에 장착하였다. 절삭력 신호획득은 DAQ 보드(NI, 4472B)를 이용하였고 신호의 샘플링레이트는 51,200 Hz로 설정하였다.
- 공구와 소재가 접촉된 상태에서 이송과 함께 90° 회전하는 동안 각 축방향 절삭분력의 데이터를 획득하였고, 절삭력합력과 RMS 평균값을 계산하여 대푯값으로 선정하였다. 티타늄 합금의 가공에서 여유면과 소재의 좁은 접촉면적에서의 마찰이 공구마멸의 주요 원인이므로 공구마멸에 대해 고려하기 위해 공구 경사면과 여유면상의 압력분포를 같은 시점과 위치에서 각 모델별로 비교하였다[3,5].
- 플랫엔드밀을 이용한 티타늄 합금의 가공에서 엔드밀의 대표적인 형상변수인 헬릭스 각과 경사각의 변화에 따른 가공성을 평가하기 위해 유한요소해석과 가공실험을 수행하였다.
- 피삭재는 해석프로그램 상에서 표준 모델로 지원하는 Ti-6Al-4V로 적용하였으며, 일반적인 물성치를 Table 2에 나타내었다. 헬릭스 각과 경사각을 형상변수로 하여 플랫 엔드밀 공구 형상을 3차원 모델링 하였으며, 정확한 해석을 위해 Fig. 1에 보인바와 같이 공구 모델의 요소 크기를 조정하였다. 소재와 접촉하는 공구 날의 끝단의 요소 크기를 0.
대상 데이터
- 유한요소해석에는 절삭가공 전용해석 프로그램인 Third Wave 사의 AdvantEdge를 사용하였으며, 해석에 적용된 소재 및 가공조건을 Table 1에 나타내었다. 피삭재는 해석프로그램 상에서 표준 모델로 지원하는 Ti-6Al-4V로 적용하였으며, 일반적인 물성치를 Table 2에 나타내었다. 헬릭스 각과 경사각을 형상변수로 하여 플랫 엔드밀 공구 형상을 3차원 모델링 하였으며, 정확한 해석을 위해 Fig.
데이터처리
- 유한요소해석에는 절삭가공 전용해석 프로그램인 Third Wave 사의 AdvantEdge를 사용하였으며, 해석에 적용된 소재 및 가공조건을 Table 1에 나타내었다. 피삭재는 해석프로그램 상에서 표준 모델로 지원하는 Ti-6Al-4V로 적용하였으며, 일반적인 물성치를 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 가공실험 결과 절삭력의 합력은 헬릭스 각이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 경사각이 큰 경우 절삭력이 감소하였다. 해석결과와 실험결과에서 절삭력 합력에 차이가 있었으며 축방향 분력과 이송방향 분력에 의한 것임을 알 수 있었다.
- 경사각 2°, 5° 조건에서 공통적으로 헬릭스 각의 증가에 따라 절삭력이 증가하며, 반경방향, 축방향 절삭분력이 증가하였다.
- 경사각이 2°인 조건에서는 헬릭스 각 35°에서 축방향 분력이 이송방향 분력보다 작았으나 헬릭스 각의 증가에 따라 축방향 분력이 증가하여 이송방향 분력보다 커졌다.
- 공구 형상에 따른 표면거칠기 측정값은 헬릭스 각이 큰 조건에서 양호하였으며 경사각에 따른 두드러진 차이는 나타나지 않았다.
- 유한요소해석 결과와 비교할 때, 반경방향 분력과 축방향 분력의 증가로 인한 절삭력의 증가 경향은 일치하였다. 그러나 실험결과로 측정된 절삭력 합력이 해석결과의 절삭력 합력보다 작았으며 각 분력별 특성으로부터 실험에서 측정된 축방향 분력과 이송방향 분력의 크기가 더 작음을 확인하였다. 이러한 해석결과와 실험값의 차이의 원인은 실험에 적용된 공구 피복면의 마찰특성이 유한요소해석 조건보다 양호하여 경사면의 칩 흐름이 원활하였고, 해석과 실험에 사용된 피삭재의 기계적 물성에 차이가 있었기 때문으로 사료된다.
- 헬릭스 각의 증가에 따라 절삭력이 증가하였고, 반경방향과 축방향 분력의 증가에 의한 것임을 확인하였다. 유한요소해석 결과와 비교할 때, 반경방향 분력과 축방향 분력의 증가로 인한 절삭력의 증가 경향은 일치하였다. 그러나 실험결과로 측정된 절삭력 합력이 해석결과의 절삭력 합력보다 작았으며 각 분력별 특성으로부터 실험에서 측정된 축방향 분력과 이송방향 분력의 크기가 더 작음을 확인하였다.
- 유한요소해석결과 절삭력은 헬릭스 각이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 각 분력별로는 반경방향 분력과 축방향 분력의 증가 경향이 두드러졌다. 헬릭스 각과 경사각이 큰 경우 공구 여유면상에 낮고 넓은 범위의 압력분포를 나타내었고, 헬릭스 각과 경사각이 작은 경우 공구여유면상에 높고 좁은 범위의 압력분포를 보였다.
- 절삭력 합력의 경우 헬릭스 각의 증가에 비례하여 증가하는 경향을 보였으며, 그 증가 폭은 헬릭스 각 35°와 45°간의 절삭력 차이가 100 N 이상으로 나타났다.
- 가공실험 결과 절삭력의 합력은 헬릭스 각이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 경사각이 큰 경우 절삭력이 감소하였다. 해석결과와 실험결과에서 절삭력 합력에 차이가 있었으며 축방향 분력과 이송방향 분력에 의한 것임을 알 수 있었다.
- 유한요소해석결과 절삭력은 헬릭스 각이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 각 분력별로는 반경방향 분력과 축방향 분력의 증가 경향이 두드러졌다. 헬릭스 각과 경사각이 큰 경우 공구 여유면상에 낮고 넓은 범위의 압력분포를 나타내었고, 헬릭스 각과 경사각이 작은 경우 공구여유면상에 높고 좁은 범위의 압력분포를 보였다. 경사면에 나타난 압력분포는 헬릭스 각이 큰 경우에 작게 나타났다.
- 11에 각 분력방향 절삭력의 변화를 나타내었다. 헬릭스 각의 증가에 따라 절삭력이 증가하였고, 반경방향과 축방향 분력의 증가에 의한 것임을 확인하였다. 유한요소해석 결과와 비교할 때, 반경방향 분력과 축방향 분력의 증가로 인한 절삭력의 증가 경향은 일치하였다.
- 이는 헬릭스 각이 클 때 경사면과 가공 후 표면의 접촉 면적이 넓어지기 때문이다. 헬릭스 각이 작은 경우 좁은 범위에서 큰 압력이 발생하는 것으로 확인되며 경사각이 클수록 여유면상에서 발생하는 압력의 크기가 더 작은 것으로 나타났다
후속연구
- 본 연구에서 수행한 공구 형상변수에 따른 가공성 평가 결과를 엔드밀 공구 설계에 적용할 수 있을 것이다.
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