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문제 정의
- 내면 연삭가공은 크게 반경방향으로 절입하면서 가공하는 플런지(Plunge) 연삭과 절입한 상태로 축방향으로 이송하면서 가공하는 스러스트(Thrust) 연삭으로 나눌 수 있는데, 이들 가공방법에 따라 연삭특성들도 다르게 되며, 가공성능도 차이가 나타나게 된다 특히 실제 산업현장에서는 효율적인 가공을 위한 연삭가공법의 선택은 매우 중요하므로, 머시닝센터를 이용한 내면 플런지 연삭과 내면 스러스트 연삭 특성을 비교하여 효과적인 내면 연삭가공법을 선택하는 기초 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- [3] 이를 위한 방법으로 숫돌을 머시닝센터의 y축 방향으로, 공작물 지름의 양 끝 두 지점에 각각 접촉하여 좌표 값의 1/2 지점에 주축의 중심을 위치시킨 후, x축 방향으로 이동시켜 공작물과 숫돌이 만나는 지점을 절입의 기준점으로 하고 숫돌의 절입 방향을 x축으로 하여 실험을 실시하였다.
- 공작물 표면의 진원과 표면경사의 오차를 최소화하기 위하여 정삭가공을 실시하였다. 정삭가공 방법은 절입깊이 1㎛씩 미소 절입하여 공구동력계에서 얻어지는 힘의 값이 처음 공작물과 숫돌이 처음 접하는 순간의 값과 유사한 값이 될 때까지 스파크 아웃(Spark-out) 가공을 행한 후, z축을 서서히 움직이면서 스러스트 가공을 행하여 기준을 잡았다.
- 측정된 단차이가 실제절입깊이(aa)가 되며, 가공오차 (δ)는 설정절입깊이(as)와 실제절입깊이(aa)의 차로써 구할 수 있다. 내면 스러스트 연삭은 실험 후 공작물 상단에 디지털변위측정기를 접촉시켜 공작물 하단까지 이송함으로써 숫돌의 실제절입깊이를 측정하여 가공오차를 구하였다.
- 내면 연삭 가공을 수행하기 위하여 숫돌을 머시닝 센터의 x축의 (-)방향으로 절입깊이를 설정하고, 숫돌과 공작물의 회전방향을 반대로 하여 z축의 (-)방향으로 이송속도(Vt)를 변화시켜가며 습식 상향 내면 연삭실험을 수행하였다. 트루잉과 드레싱은 단석 다이아몬드 드레서(1/2") 를 사용하여 실험 전 숫돌의 진원을 유지하기 위하여 숫돌의 측면과 밑면을 트루잉 하였으며, Table 1의 조건으로 매 실험마다 드레싱을 실시하였다.
- 내면 플런지 연삭가공과 내면 스러스트 연삭가공 특성을 비교하기 위하여 연삭가공 방법에 대한 동일한 재료제거율(Material removal rate, Zw) 약 110 mm3/min, 220 mm3/min이 되도록 가공조건을 설정하였다. 먼저 숫돌 회전수를 3,000rpm, 공작물 회전수를 40rpm, 설정절입깊이를 30㎛로 동일하게 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 비트리파이드 CBN 숫돌을 사용하여 합금공구강 STD-11 (HRCRC 60)을 머시닝센터 상에서 내면 플런지 연삭과 내면 스러스트 연삭 실험을 수행하여, 연삭성능을 평가하는 지표인 연삭저항력, 연삭소비동력, 연삭비, 가공오차, 가공물의 표면거칠기 비교 분석을 통해 효과적인 연삭가공 방법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 머시닝센터를 이용하여 비트리파이드 CBN 숫돌로 합금공구강의 내면 플런지 연삭과 내면 스러스트 연삭실험을 각각 수행하였고, 연구범위 내에서 두 연삭 방법에 의한 가공 특성을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험 장치는 연삭가공시 숫돌의 접선방향, 법선방향의 연삭저항을 측정하기 위하여 압전형 공구동력계를 머시닝센터 베드 위에 설치하고, 그 위에 제작된 회전 테이블형 지그를 부착하여 공작물을 고정하였다.
- 공작물 표면의 진원과 표면경사의 오차를 최소화하기 위하여 정삭가공을 실시하였다. 정삭가공 방법은 절입깊이 1㎛씩 미소 절입하여 공구동력계에서 얻어지는 힘의 값이 처음 공작물과 숫돌이 처음 접하는 순간의 값과 유사한 값이 될 때까지 스파크 아웃(Spark-out) 가공을 행한 후, z축을 서서히 움직이면서 스러스트 가공을 행하여 기준을 잡았다.[3]
- 트루잉과 드레싱은 단석 다이아몬드 드레서(1/2") 를 사용하여 실험 전 숫돌의 진원을 유지하기 위하여 숫돌의 측면과 밑면을 트루잉 하였으며, Table 1의 조건으로 매 실험마다 드레싱을 실시하였다.
- 회전 테이플은 속도제어 모터와 타이밍 벨트를 이용하여 구동되며 별도의 제어 드라이버를 이용하여 공작물의 회전수를 10~180rpm의 범위까지 조절할 수 있도록 제작하였다. 실험 장치는 연삭가공시 숫돌의 접선방향, 법선방향의 연삭저항을 측정하기 위하여 압전형 공구동력계를 머시닝센터 베드 위에 설치하고, 그 위에 제작된 회전 테이블형 지그를 부착하여 공작물을 고정하였다.
대상 데이터
- 공작물은 합금공구강 (STD-11)의 환봉을 외경(D) φ 60, 내경(d) φ38, 길이(S) 70mm로 가공하고, 내면 연삭가공을 수행하기 위해 연삭폭(Bwork)이 각각 10, 20mm가 되도록, 나머지 내면을 φ44로 선반가공을 하여 제작한후 경도 HRC 60으로 열처리하여 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 숫돌은 비트리파이드(V) 본드를 사용한 CBN 소형 숫돌을 사용하였으며, 입도 #230, 집중도 100, 결합도는 G등급이다. 숫돌의 크기는 직경 φ35, 폭 20mm이며, 길이 100mm로 정밀 가공된 고속도강 퀼 축에 너트를 이용하여 고정하였다.
- 숫돌의 크기는 직경 φ35, 폭 20mm이며, 길이 100mm로 정밀 가공된 고속도강 퀼 축에 너트를 이용하여 고정하였다.
성능/효과
- 1. 가공중 발생하는 최대법선저항력은 플런지 연삭 가공이 더 크고, 최대접선저항력은 스러스트 연삭 가공이 더 큼을 알 수 있었다.
- 2. 최대 연삭소비동력은 플런지 연삭가공이 스러스트 연삭가공보다 더 작게 발생하였다.
- 3. 연삭비는 플런지 연삭가공이 스러스트 연삭가공보다 높게 나타났다.
- 4. 가공오차는 플런지 연삭가공이 스러스트 연삭가공보다 더 작게 발생하였다.
- 5. 가공면의 표면거칠기는 가공방법과 재료제거율에 따른 변화가 거의 없었다.
- 6. 공작물 폭이 숫돌폭 이하인 경우에 플런지 연삭가공방법이 스러스트 연삭가공방법보다 더 효율적이다.
- 플런지 연삭과 스러스트 연삭 후 공작물의 표면거칠기를 비교해보면, 플런지 연삭에 의한 공작물의 표면거칠기가 더 좋음을 확인할 수 있으나, 그 차이는 미미하고, 재료제거율에 따른 표면거칠기 변화도 거의 없음을 확인할 수 있다.
- 플런지 연삭과 스러스트 연삭을 비교해 보면 재료제거율이 각각 2배씩 증가함에 따라 플런지 연삭의 최대소비동력의 상승폭이 스러스트 연삭보다 훨씬 더 큼을 확인할 수 있었다.
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