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문제 정의
- 본 논문에서는 경량화 구조에 많이 활용되는 알루미늄 합금(Al6061-T6)에 대한 마이크로밀링가공을 수행하여 가공신호 특성과 미세버 길이의 상관관계를 파악하고자 한다. 이를 위해 공구동력계와 AE (acoustic emission)센서를 활용하여 가공중 절삭합력과 음향방출 신호를 획득하고 표면상태를 관찰하여 미세버를 측정한다.
제안 방법
- 이를 이용하여 생성된 절삭조건을 Table 1에 나타내었다. 마이크로밀링 가공 실험은 그루빙(grooving) 가공을 수행하였으며, 가공변수의 변화에 따른 절삭신호 특성을 파악하고 가공표면의 SEM 이미지를 이용하여 미세버 길이를 측정하였다.
- 이를 위해 공구동력계와 AE (acoustic emission)센서를 활용하여 가공중 절삭합력과 음향방출 신호를 획득하고 표면상태를 관찰하여 미세버를 측정한다. 신호처리를 통해 미세버 생성 시의 절삭변수에 따른 신호의 특성을 파악하고, 미세버와의 상관관계를 도출한다.
- 알루미늄 합금(Al6061-T6)의 마이크로밀링가공에서 절삭변수인 주축회전속도와 날당 이송량 그리고 절삭깊이의 변화에 따른 절삭신호 특성과 미세버의 상관관계를 파악하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 논문에서는 경량화 구조에 많이 활용되는 알루미늄 합금(Al6061-T6)에 대한 마이크로밀링가공을 수행하여 가공신호 특성과 미세버 길이의 상관관계를 파악하고자 한다. 이를 위해 공구동력계와 AE (acoustic emission)센서를 활용하여 가공중 절삭합력과 음향방출 신호를 획득하고 표면상태를 관찰하여 미세버를 측정한다. 신호처리를 통해 미세버 생성 시의 절삭변수에 따른 신호의 특성을 파악하고, 미세버와의 상관관계를 도출한다.
- 가공 소재는 알루미늄 합금(Al6061-T6)을 사용하였다. 절삭력신호를 획득하기 위해 공구동력계(Kistler, 9257B)를 이송테이블에 장착하였으며, AE신호를 획득하기 위해 소재 전면부에 AE센서(4357 Pico type)를 부착하였다.
- 절삭변수는 주축회전속도와 날당 이송량 그리고 절삭깊이로 선정하였으며, 주축회전속도는 60,000, 65,000, 70,000 rpm, 날당 이송량은 0.5, 1.0, 1.5 μm/tooth, 절삭깊이는 20, 30, 40 μm로 정하였다.
대상 데이터
- 2에 나타내었다. 가공 소재는 알루미늄 합금(Al6061-T6)을 사용하였다. 절삭력신호를 획득하기 위해 공구동력계(Kistler, 9257B)를 이송테이블에 장착하였으며, AE신호를 획득하기 위해 소재 전면부에 AE센서(4357 Pico type)를 부착하였다.
- 1에 나타내었다. 본 실험에서는 고속 머시닝센터 Makino V55를 사용하였으며, 주축에 최대 80,000 rpm급 에어 터빈 스핀들(air-turbine spindle)을 장착하였다. 이는 공압(air-pressure)으로 회전속도 조절이 가능하다.
- 직경 200 μm의 2날 마이크로 엔드밀공구(Union Tool, C-CES 2002-0040)를 사용하였으며 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 촬영한 공구형상을 Fig. 2에 나타내었다.
데이터처리
- 3에 실험의 개략도를 나타내었다. 가공 중 획득한 절삭력신호에 대한 연산을 통해 절삭력 합력의 평균값을 계산하였으며, AE 신호는 RMS(root mean square) 연산을 수행하였다. 절삭변수는 주축회전속도와 날당 이송량 그리고 절삭깊이로 선정하였으며, 주축회전속도는 60,000, 65,000, 70,000 rpm, 날당 이송량은 0.
성능/효과
- 날당 이송량이 증가함에 따라 음향방출 평균값과 절삭합력이 증가하는 경향을 보이고 있다. (a)의 60,000 rpm에서 음향방출 평균값의 증가특성은 미세하게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 날당 이송량의 변화에도 불구하고 AE신호에 발생에 영향을 주는 칩 형성 기구가 안정적으로 진행된 것에 기인한 것으로 사료된다.
- 미세버가 길고 크게 생성된 (c) Exp. 6과 (d) Exp. 9에서 음향방출 평균값은 진폭이 크고 불규칙한 형태를 나타내었다. 그러나 미세버가 작게 생성된 (a) Exp.
- 3, (f) Exp. 6, (i) Exp. 9에 보이는 바와 같이 날당 이송량이 증가함에 따라 미세버의 형상이 불규칙하며 표면 상태가 불량하였다. 주축회전속도 70,000 rpm, 날당 이송량 1.
- 8~Fig. 10의 상관관계 분석을 통하여 마이크로밀링가공에서 일정한 주축회전속도에서 날당 이송량의 변화에 따라 음향방출 평균값, 절삭합력, 미세버의 길이는 서로 상관관계를 가짐을 확인할 수 있었고, 날당 이송량의 변화에 따라 값이 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 날당 이송량의 증가에 따라 절삭합력과 음향방출 평균값이 증가하였고 이때의 미세버의 길이가 증가함을 확인하였다. 가공표면상태와 음향방출 평균값의 신호형태에 대한 분석을 통해 음향방출 평균값은 버의 크기와 상관관계를 가짐을 확인하였다.
- 미세버는 가공이 시작될 때의 형상을 촬영한 것으로, 버의 크기는 생성된 가장 긴 미세버를 측정하여 결정하였다. 날당 이송량과 주축회전속도의 증가에 따라 그리고 절삭깊이의 증가에 따라 미세버의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 10에는 일정 주축회전속도에서 날당 이송량의 변화에 따른 미세버 길이와 절삭합력 간의 특성에 대하여 나타내었다. 날당 이송량의 증가에 따라 미세버의 길이가 증가하며, 절삭합력도 증가하는 경향을 나타내었다. 이를 통하여 미세버의 길이와 절삭합력이 서로 상관관계를 가지는 것으로 사료된다.
- 날당 이송량의 증가에 따라 절삭합력과 음향방출 평균값이 증가하였고 이때의 미세버의 길이가 증가함을 확인하였다. 가공표면상태와 음향방출 평균값의 신호형태에 대한 분석을 통해 음향방출 평균값은 버의 크기와 상관관계를 가짐을 확인하였다.
- 9에는 일정 주축회전속도에서 날당 이송량의 변화에 따른 음향방출 평균값과 미세버 길이와의 상관관계에 대하여 나타내었다. 날당 이송량이 증가함에 따라 미세버의 길이와 음향방출 평균값이 증가하는 경향을 나타내었다. 이를 살펴볼 때 마이크로밀링가공에서 날당 이송량 변화에 따라 음향방출 평균값과 미세버 길이가 서로 상관관계를 가지는 것으로 사료된다.
- 마이크로밀링가공중 발생하는 미세버는 음향방출 평균값과 절삭합력과 각각 상관관계가 있으며, 이를 통하여 미세버의 모니터링에 활용될 수 있음을알 수 있다. 따라서 마이크로밀링가공 중에 음향방출 평균값과 절삭합력의 신호 중 획득이 용이한 신호를 선정하여 버의 감시에 효과적으로 적용할 수 있음을 알 수 있다.
- 12를 통하여 절삭합력과 미세버의 길이의 상관관계를 찾기 어려울 것으로 예측된다. 또한 마이크로밀링가공에서 주축회전속도의 변화에 따른 음향방출 평균값, 절삭합력, 미세버의 길이에서 둔감한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- 미세버의 생성과 절삭합력 그리고 음향방출 평균값은 주축회전 속도의 변화에 둔감하고, 날당 이송량과 절삭깊이의 변화에 민감함을 확인하였다.
- 본 가공실험 결과를 살펴볼 때, 마이크로밀링가공에서 날당 이송량과 절삭깊이의 변화에 민감하게 반응하며, 주축회전속도의 변화에는 둔감하게 반응하는 것을 확인할 수 있었다. 마이크로밀링가공중 발생하는 미세버는 음향방출 평균값과 절삭합력과 각각 상관관계가 있으며, 이를 통하여 미세버의 모니터링에 활용될 수 있음을알 수 있다.
- 4에 각 실험조건에 따른 절삭합력과 음향방출 평균값을 나타내었다. 상대적으로 절삭합력(resultant cutting force)과 음향방출 평균값이 큰 값을 가지는 가공 조건에서는 미세버의 길이가 길고 가공면에 생성량이 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 절삭합력과 음향방출 평균값의 신호를 동시에 획득함으로써 미세버의 생성량과 길이에 대하여 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
- 12에는 일정 날당 이송량에서 주축회전속도의 변화에 따른 음향방출 평균값과 미세버 길이의 관계에 대하여 나타내었다. 실험 결과를 볼 때 미세버 길이의 특성과 음향방출 평균값은 주축회전속도에 둔감한 특성을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
- 음향방출 평균값과 절삭합력 신호는 마이크로밀링가공에서 미세 버에 대한 계측, 제어, 그리고 효과적인 모니터링에 적용할 수 있음을 알 수 있다.
- 이 실험결과를 볼 때 두 값의 변화가 미미하거나 일관성이 적은 경향을 보였다. 음향방출 평균값과 절삭합력은 날당 이송량에 민감하게 반응하며, 주축회전속도에는 둔감한 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 11에서 일정 날당 이송량에서 주축회전속도의 변화에 따른 음향방출 평균값과 절삭합력 간의 관계를 나타내었다. 이 실험결과를 볼 때 두 값의 변화가 미미하거나 일관성이 적은 경향을 보였다. 음향방출 평균값과 절삭합력은 날당 이송량에 민감하게 반응하며, 주축회전속도에는 둔감한 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 날당 이송량이 증가함에 따라 미세버의 길이와 음향방출 평균값이 증가하는 경향을 나타내었다. 이를 살펴볼 때 마이크로밀링가공에서 날당 이송량 변화에 따라 음향방출 평균값과 미세버 길이가 서로 상관관계를 가지는 것으로 사료된다.
- 이는 날당 이송량의 변화에도 불구하고 AE신호에 발생에 영향을 주는 칩 형성 기구가 안정적으로 진행된 것에 기인한 것으로 사료된다. 전체적으로 볼 때 마이크로밀링가공에서 음향방출 평균값과 절삭합력이 서로 상관관계를 가지는 것으로 사료된다.
후속연구
- 4는 진폭이 작고 상대적으로 안정된 형태를 나타내었다. 이를 통해 음향방출 평균값의 변화와 미세버 크기와의 상관관계를 파악할 수 있으며, 마이크로밀링가공에서 미세버 발생에 대한 실시간 모니터 링에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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