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문제 정의
- 본 연구에서는 직교 절삭 기반 탄소섬유복합재 가공 특성을 알아보기 위하여 실험을 실시하고 절삭력, 박리현상에 대해서 분석하였으며 동시에 CFRP 절삭력 수치적 모델과 비교 분석하였다. 탄소섬유복합재의 직교 가공 실험은 80m/min, 120m/min의 공통적인 가공속도로 0.
가설 설정
- 이 모델에서는 탄소섬유복합재 가공에서 섬유와 에폭시 수지의 전단각이 섬유각도, θ와 동일하다고 가정한다.
제안 방법
- 6 Everstine과 Rogers는 최초로 연속체 역학에 기초하여 탄소섬유복합재 섬유의 각도가 0인 경우 절삭력 최소값을 예측하는 이론 모델을 구축하였다.7 또한, Bhatnagar은 탄소섬유가 일 방향으로 배열되어 있는 탄소섬유복합재의 가공 시 탄소섬유 각도 별절삭력을 예측하는 이론 모델을 구축하였다. 8 하지만, 수치적 모델과 실제 가공실험 사이 비교한 연구와 가공 조건에 따른 탄소섬유의 결함에 대한 분석에 대한 연구는 미비한 편이다.
- 직교 절삭 공정 시 생성되는 절삭력을 예측하기 위해 수치적 모델을 고안하고 같은 가공 조건으로 실험한 결과와 비교 분석하기로 하였다. Bhatnagar에 절삭력 예측 모델은 Uni-Direction (UD) 탄소섬유복합재를 기준으로 만들어졌기 때문에 절삭력 측정 실험에서 쓰인 Multi-Direction (MD) 탄소섬유복합재를 기준으로 Bhatnagar 절삭력 예측 모델에서 에폭시 수지 부분을 추가로 고려하여 식 (1)와 (2)와 같이 새로운 모델을 구축하였다.
- 2에서 볼 수 있듯이 직교 절삭 가공에 적합한 S&T 사의 TSL-6 모델의 CNC선반을 사용하였다. CNC 선반의 척에 직교가공용 시편을 고정한 지그를 고정하였다. 탄소섬유복합재의 직교 절삭 가공시 발생하는 절삭력을 측정하기 위하여 CNC선반의 Turret에 공구동력계 KISTLER사의 9127B를 체결하고 공구동력계 위에 공구를 고정하였다.
- Fig. 1에서 볼 수 있듯이 탄소섬유복합재 직교 가공 시 섬유의 각도와 MD 탄소섬유복합재를 고려하여 기존 모델에서 변형된 절삭력 예측 수치 해석 모델을 구축하였다.
- Table 3에서 보듯이 인장 실험을 통해 얻은 MD 탄소섬유복합재의 전단 강도와 마찰 실험을 통해 마찰 계수로부터 얻은 MD 탄소섬유복합재의 마찰각도 38.66도를 식에 대입하였고 에폭시 수지의 마찰 각도는 40도 정도 가정한 다음에 CFRP 가공력에 대한 예측하였다.
- 가공성 향상을 위해 가공 조건에 따른 탄소섬유복합재 가공성을 비교 분석하였다. 현미경 EGVM-452M을 이용하여 탄소섬유복합재 가공된 면의 미절삭 길이를 측정하였으며 이를 통해서 CFRP 가공 깊이가 클수록 미절삭 길이가 크다는 사실을 확인하였고 Fig.
- 탄소섬유복합재의 직교 가공 시 나타나는 가공 특성을 파악하기 위해 절삭력을 분석하였고, SEM 현미경을 이용하여 가공 표면에 나타난 박리현상을 관찰하였다. 또한 절삭력 FFT 분석을 활용하여 다른 금속 가공과는 차별된 탄소섬유복합재의 가공 특성을 알아볼 수 있었다. 절삭력 예측 수치적 모델을 정립하고 실험 결과와 비교하였다.
- 직교 절삭 가공에서는 Sandvik사의 N123J2-0620-0002-BG H10F 코팅이 되지 않은 초경합금 소재의 인서트 공구가 사용되었다. 또한 직교 가공실험을 위하여 SUS 소재를 이용하여 직교 가공용 지그를 설계 및 제작하였다. 본 실험에서는 Fig.
- 본 연구에서는 제조 방법에 따라 특성이 다른 두가지 탄소섬유복합재 시편을 각각 직교 가공시 섬유의 배향각도와 절단 속도 및 소재의 투입 속도에 따라 발생하는 절삭력을 측정하고 분석하였으며 이를 바탕으로 기존의 다른 금속 가공과의 상이점에 대해서 Fast Fourier Transform (FFT) 분석으로 통해 분석하였다. 또한, 탄소섬유복합재의 가공 후에 가공부에서 발생하는 결함에 대하여 분석하고 수치적 모델과 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 제조 방법에 따라 특성이 다른 두가지 탄소섬유복합재 시편을 각각 직교 가공시 섬유의 배향각도와 절단 속도 및 소재의 투입 속도에 따라 발생하는 절삭력을 측정하고 분석하였으며 이를 바탕으로 기존의 다른 금속 가공과의 상이점에 대해서 Fast Fourier Transform (FFT) 분석으로 통해 분석하였다. 또한, 탄소섬유복합재의 가공 후에 가공부에서 발생하는 결함에 대하여 분석하고 수치적 모델과 비교 분석하였다.
- 탄소섬유복합재의 직교 절삭 가공시 발생하는 절삭력을 측정하기 위하여 CNC선반의 Turret에 공구동력계 KISTLER사의 9127B를 체결하고 공구동력계 위에 공구를 고정하였다. 이 실험에서는 건식가공으로 직교 가공을 하였다. 본직교 절삭 실험 조건은 Table 1에 정리되어 있다.
- FFT 분석이 중요한 이유는 탄소섬유복합재의 가공 시 발생하는 진동이 소재의 가공성에 영향을 주기 때문이다. 이에 따라 탄소섬유복합재의 직교 가공실험을 통해 얻은 절삭력을 바탕으로 FFT 분석을 실시하였다.
- 절삭력 FFT 분석을 통해 탄소섬유복합재 가공이 일어나는 해당 진동수를 알아보았다. 일반 금속 가공에서는 절삭력 FFT 분석에 대한 연구가 활발히 진행되었지만 그에 비해 탄소섬유복합재 가공 시 발생하는 절삭력에 대한 FFT분석은 아직 미흡하다.
- 직교 절삭 공정 시 생성되는 절삭력을 예측하기 위해 수치적 모델을 고안하고 같은 가공 조건으로 실험한 결과와 비교 분석하기로 하였다. Bhatnagar에 절삭력 예측 모델은 Uni-Direction (UD) 탄소섬유복합재를 기준으로 만들어졌기 때문에 절삭력 측정 실험에서 쓰인 Multi-Direction (MD) 탄소섬유복합재를 기준으로 Bhatnagar 절삭력 예측 모델에서 에폭시 수지 부분을 추가로 고려하여 식 (1)와 (2)와 같이 새로운 모델을 구축하였다.
- 본 연구에서는 레진의 종류는 에폭시수지로 열경화성수지와 탄소섬유를 결합한 소재를 사용하였다. 탄소섬유가 단일방향으로 배열된 Uni-Direction (UD)섬유 배열각을 0도와 90도로 다양하게 적층한 3mm의 Multi-Direction (MD) 시편과 직물모양의 3mm의 Fabric 시편을 가지고 직교 절삭을 위한 디스크 시편을 지름 100mm로 설계하여 탄소섬유복합 재를 워터젯을 이용하여 직교 가공용 시편을 제작하였다.
- 직교 절삭 공정 시 생성되는 절삭력을 예측하기 위해 수치적 모델을 고안하고 같은 가공 조건으로 실험한 결과와 비교 분석하였다. 탄소섬유복 합재 직교 가공에 가장 적합한 Bhatnagar 식을 이용하여 구한 절삭력과 20, 40, 60도의 섬유 각도별 실험을 통해 얻은 절삭력을 비교 분석하고 수치적 모델의 정확도를 향상시키기 위해 에폭시 수지 변수를 식(1)와 (2)에 같이 추가하였다.
- 탄소섬유복합재의 직교 가공 시 나타나는 가공 특성을 파악하기 위해 절삭력을 분석하였고, SEM 현미경을 이용하여 가공 표면에 나타난 박리현상을 관찰하였다. 또한 절삭력 FFT 분석을 활용하여 다른 금속 가공과는 차별된 탄소섬유복합재의 가공 특성을 알아볼 수 있었다.
- 본 연구에서는 직교 절삭 기반 탄소섬유복합재 가공 특성을 알아보기 위하여 실험을 실시하고 절삭력, 박리현상에 대해서 분석하였으며 동시에 CFRP 절삭력 수치적 모델과 비교 분석하였다. 탄소섬유복합재의 직교 가공 실험은 80m/min, 120m/min의 공통적인 가공속도로 0.05 mm부터 0.21 mm까지 증가하는 가공 깊이에 따른 절삭력을 분석하였다.
- CNC 선반의 척에 직교가공용 시편을 고정한 지그를 고정하였다. 탄소섬유복합재의 직교 절삭 가공시 발생하는 절삭력을 측정하기 위하여 CNC선반의 Turret에 공구동력계 KISTLER사의 9127B를 체결하고 공구동력계 위에 공구를 고정하였다. 이 실험에서는 건식가공으로 직교 가공을 하였다.
- 탄소섬유복합재의 직교 절삭 실험에서 발생하는 결함에 관하여 분석하기 위하여 가공 전의 실험 시편의 가공부와 가공 후의 디스크 시편의 일부분을 잘라 가공부를 비교해 보았다. 그 결과 Fig.
대상 데이터
- 본 실험에서는 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 직교 절삭 가공에 적합한 S&T 사의 TSL-6 모델의 CNC선반을 사용하였다.
- 본 연구에서는 레진의 종류는 에폭시수지로 열경화성수지와 탄소섬유를 결합한 소재를 사용하였다. 탄소섬유가 단일방향으로 배열된 Uni-Direction (UD)섬유 배열각을 0도와 90도로 다양하게 적층한 3mm의 Multi-Direction (MD) 시편과 직물모양의 3mm의 Fabric 시편을 가지고 직교 절삭을 위한 디스크 시편을 지름 100mm로 설계하여 탄소섬유복합 재를 워터젯을 이용하여 직교 가공용 시편을 제작하였다.
데이터처리
- 또한 절삭력 FFT 분석을 활용하여 다른 금속 가공과는 차별된 탄소섬유복합재의 가공 특성을 알아볼 수 있었다. 절삭력 예측 수치적 모델을 정립하고 실험 결과와 비교하였다. 최종적으로 다음과 같은 결론을 구하였다.
- 직교 절삭 공정 시 생성되는 절삭력을 예측하기 위해 수치적 모델을 고안하고 같은 가공 조건으로 실험한 결과와 비교 분석하기로 하였다. Bhatnagar에 절삭력 예측 모델은 Uni-Direction (UD) 탄소섬유복합재를 기준으로 만들어졌기 때문에 절삭력 측정 실험에서 쓰인 Multi-Direction (MD) 탄소섬유복합재를 기준으로 Bhatnagar 절삭력 예측 모델에서 에폭시 수지 부분을 추가로 고려하여 식 (1)와 (2)와 같이 새로운 모델을 구축하였다.
성능/효과
- (1) 가공 속도가 높을수록, 가공 깊이가 클수록 절삭력 크기가 크게 나타나고 진폭이 커지며 이로 인해 탄소섬유복합재 가공성이 떨어지는 경향을 보여준다.
- (2) 섬유 각도 별 절삭력을 관찰한 결과, 섬유 각도에 따라 절삭력이 반복되는 구간이 나타났고 이를 통해 탄소섬유복합재 가공 특성이 섬유 각도에 따라 달라지는 것을 확인했다.
- (3) 절삭력 FFT 분석을 통해 절삭력 변동이 모든 진동수에서 나타났고 이는 탄소섬유복합재만의 가공 특성을 보여준다. 또한 가공속도가 빨라질수록 절삭력의 튀는 지점의 진동수가 커지는 경향을 보여준다.
- (4) 인장 실험과 마찰 실험을 통해 구한 탄소 섬유복합재의 물성치를 바탕으로 절삭력 예측 수치적 모델를 구축하고 실험결과와 비교해 본 결과 10% 내외의 오차로 절삭력을 예측할 수 있었다.
- (5) 소섬유복합재 가공 면에서 미절삭, 박리현상과 같은 결함들이 발생하였고 가공 깊이가 클수록 결함이 더 많이 발생하였다.
- (6) 본 연구에서는 가공속도와 가공 깊이가 클수록 절삭력의 크기가 크고 진폭이 크게 나타나고 이러한 경향으로 미루어 볼 때 탄소섬유복합재 가공성이 떨어지고 가공 표면에서 결함이 많이 발생한다는 결론을 얻었다.
- Fabric 탄소섬유복합재의 직교 가공으로 얻은 절삭력을 바탕으로 소재의 절삭력 FFT를 비교 분석하기 위해서 직교 가공 조건 가공속도 80m/min, 120m/min, 가공 깊이 0.15mm로 실험을 진행한 결과, Fig. 6에서 보듯이 절삭력 변화가 섬유 각도의 변화에 따라 나타나기 때문에 모든 진동수에서 그래프가 튀는 현상을 확인할 수 있었다.
- MD 탄소섬유복합재의 직교 가공실험에서 발생한 섬유 각도에 따른 절삭력과 수치적 모델을 비교해본 결과, Fig. 7과 Fig. 8에서 볼 수 있듯이 Cutting Force의 경우 모든 가공 조건과 섬유 각도에서 에폭시 수지를 추가하여 수정 보완한 수치적 모델의 정확도가 Bhatnagar 기존 모델의 정확도 보다 높은 경향을 보여준다. 반면, Thrust Force의 경우 Bhatnagar 기존 모델의 정확도가 수정 보완한 수치적 모델의 정확도 보다 대체적으로 높은 경향을 보여준다.
- MD 탄소섬유복합재의 직교 기초 가공실험 후 섬유의 배열에 따른 절삭력의 변화가 있는지 확인하기 위하여 1회전을 기준으로 0도에서 360도의 각도로 변환하여 절삭력을 확인해 본 결과, 0도에서 90도의 구간별로 절삭력의 변화를 확인하였고 Fig. 4에서 보는 바와 같이 구간이 1회전당 4번 반복되었다. 그 결과, 섬유의 각도가 45도, 135도에서 절삭력이 높게 나타났다.
- 5에서 볼 수 있듯이 현미경 EGVM-452M으로 가공 면을 관찰한 결과 구체적인 수치를 확인할 수 있었다. 가공 깊이가 커질수록 절삭력이 커지고 미절삭 길이가 커지는 경향성을 확인하였다. MD 탄소섬유복합재의 경우 Fabric 탄소섬유복합재 보다 미절삭 길이가 커지는 경향이 나타나는데 이는 MD 탄소섬유복합재의 경우, Fabric 탄소섬유복합재보다 섬유의 배향 각도에 따른 이 방향성의 특징을 많이 가지고 있기 때문이다.
- 탄소섬유복합재의 직교 절삭 실험에서 발생하는 결함에 관하여 분석하기 위하여 가공 전의 실험 시편의 가공부와 가공 후의 디스크 시편의 일부분을 잘라 가공부를 비교해 보았다. 그 결과 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 층간 분리 현상인 박리현상 (Delamination)과 미절삭 부분이 발견됨을 Scanning Electron Microscope (SEM)장비를 통해 확인할 수 있었다. 또한 가공 깊이가 커질수록 박리현상이 많이 나타남을 확인하였다.
- 4에서 보는 바와 같이 구간이 1회전당 4번 반복되었다. 그 결과, 섬유의 각도가 45도, 135도에서 절삭력이 높게 나타났다.
- 9에서 볼 수 있듯이 층간 분리 현상인 박리현상 (Delamination)과 미절삭 부분이 발견됨을 Scanning Electron Microscope (SEM)장비를 통해 확인할 수 있었다. 또한 가공 깊이가 커질수록 박리현상이 많이 나타남을 확인하였다. 이는 가공 깊이가 클수록 절삭력 크기와 진폭이 커져서 탄소섬유복합재 가공성이 떨어지기 때문이다.
- 위와 같은 조건으로 실험을 실시한 결과, Fig. 3에서 보듯이 MD와 Fabric 탄소섬유복합재 모두 가공 깊이가 0.11 mm 이전에 Thrust Force가 Cutting Force보다 높게 나왔고, 0.11 mm 이후부터 Cutting Force가 Thrust Force보다 높게 나타나는 것을 그래프를 통하여 가시적으로 확인할 수 있었다. 이는 너무 작은 가공 깊이일 경우에는 공구의 Round Edge 부분이 음의 Rake Angle과 같은 효과를 내기 때문에 Thrust Force가 높게 나타났고, 0.
- 가공성 향상을 위해 가공 조건에 따른 탄소섬유복합재 가공성을 비교 분석하였다. 현미경 EGVM-452M을 이용하여 탄소섬유복합재 가공된 면의 미절삭 길이를 측정하였으며 이를 통해서 CFRP 가공 깊이가 클수록 미절삭 길이가 크다는 사실을 확인하였고 Fig. 5에서 볼 수 있듯이 현미경 EGVM-452M으로 가공 면을 관찰한 결과 구체적인 수치를 확인할 수 있었다. 가공 깊이가 커질수록 절삭력이 커지고 미절삭 길이가 커지는 경향성을 확인하였다.
후속연구
- 추후에 추가적으로 수치적 모델 개발과 FEM 모델 구축을 통해 탄소섬유복합재 가공 특성을 미리 예측하고 가공성을 향상시키는 연구를 진행할 계획이다.
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