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문제 정의
- 그리고 가공 해석 소프트웨어와 가공 실험을 통하여 방전 신호와 절삭력 등을 측정함으로써 방전과 엔드밀링이 동시에 일어나는 것을 확인하였다. 결론적으로 단일 공정과의 비교 실험을 통하여 재질 별 가공성, 표면 거칠기, 가공시간 등을 측정하여 하이브리드 가공의 우수성을 입증하고 가능성을 제시하고자 한다.
- 10은 알루미늄을 대상으로 가공 실험을 하였으며 가공 후 표면 거칠기를 비교하였다. 실험의 목적은 하이브리드 가공 시 표면 거칠기의 특성을 파악하기 위함이다. 3가지 경우의 가공을 한 후 비접촉식 표면거칠기 측정기(Nano System)를 이용하여 측정한 결과, 순수 밀링가공(a)의 경우 100.
제안 방법
- 가공실험에 사용된 피삭재는 일반 밀링으로도 가공이 가능한 알루미늄과 탄소강, 그리고 일반 밀링으로는 가공할 수 없는 열처리가 된 고경도 금형강을 사용하여 가공 여부를 확인하였다. 실험에 사용된 조건은 Table 1과 같이 공구는 직경 1mm, 2날초경 엔드밀을 사용하고 방전의 영향을 고려하여 비교적 느린 이송속도로 가공하였다.
- 그리고 환봉전극을 이용하여 방전가공할 때는 공구와 공작물이 접촉하여 회로가 쇼트되면 제어를 통하여 공구를 후퇴시켜 방전 갭을 유지할 수 있도록 하였다. 엔드밀을 사용하여 하이브리드가공 할 때는 방전 회로의 쇼트가 매우 빠른 속도로 반복하여 일어나기 때문에 더 빠른 속도로 커패시터의 충전과 방전이 일어날 수 있도록 방전에너지를 낮게 설정하였다.
- 본 논문에서 제시하는 방법은 엔드밀을 전극으로 사용하고 고속의 회전 주축을 사용하여 절삭이 가능하도록 시스템을 구성하였다. 그리고 회전하는 엔드밀과 공작물에 방전 전원을 공급하여 방전과 엔드밀링이 한 공정에서 동시에 발생할 수 있도록 구성하였다.
- 따라서 본 논문에서는 기계적 공정인 엔드밀링과 전기적, 열적 공정인 방전가공을 결합한 형태의 하이브리드 가공 시스템을 구성하였다. 그리고 가공 해석 소프트웨어와 가공 실험을 통하여 방전 신호와 절삭력 등을 측정함으로써 방전과 엔드밀링이 동시에 일어나는 것을 확인하였다.
- 방전 전원을 공급하는 방법은 3축 제어가 가능한 밀링기를 기본으로 공구가 체결되는 주축에 카본 브러쉬를 연결하여 방전에너지를 공급할 수 있도록 구성하였다. 방전가공은 높은 전기에너지가 발생하여 시스템 전체에 악영향을 끼칠 수 있으므로 주축 및 본체에 절연필름으로 전기가 통하지 않도록 설계하였다.
- 방전 전원을 공급하는 방법은 3축 제어가 가능한 밀링기를 기본으로 공구가 체결되는 주축에 카본 브러쉬를 연결하여 방전에너지를 공급할 수 있도록 구성하였다. 방전가공은 높은 전기에너지가 발생하여 시스템 전체에 악영향을 끼칠 수 있으므로 주축 및 본체에 절연필름으로 전기가 통하지 않도록 설계하였다. 방전을 위한 전원공급시스템은 Fig.
- 방전과 밀링을 결합한 하이브리드 가공 시스템을 제안하였고, 3축 밀링기기를 기본으로 방전과 밀링이 복합화된 방전 밀링 하이브리드 가공 시스템을 구성하여 가공한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 논문에서 제시하는 방법은 엔드밀을 전극으로 사용하고 고속의 회전 주축을 사용하여 절삭이 가능하도록 시스템을 구성하였다. 그리고 회전하는 엔드밀과 공작물에 방전 전원을 공급하여 방전과 엔드밀링이 한 공정에서 동시에 발생할 수 있도록 구성하였다.
- 이를 해석하기 위하여 절삭해석 유한 요소해석프로그램인 AdvantEdge를 이용하였다. 시뮬레이션의 장점을 살리고자 3D로 실시하였으며 그에 따른 해석시간 단축을 위하여 공구와 공작물의 실제 접촉이 일어나는 미소영역만을 모델링 하였다. 절삭력 획득은 샘플링시간 100ms로 설정하였으며, 일반적으로 필터링하여 부드러운 곡선형태로 절삭력 경향을 보는데 반해 이렇게 되면 비접촉 부분 역시 곡선으로 표현되기 때문에 명확한 비교를 위해서 필터링 하지 않은 데이터를 사용하여 그래프를 표현하였다.
- 그리고 환봉전극을 이용하여 방전가공할 때는 공구와 공작물이 접촉하여 회로가 쇼트되면 제어를 통하여 공구를 후퇴시켜 방전 갭을 유지할 수 있도록 하였다. 엔드밀을 사용하여 하이브리드가공 할 때는 방전 회로의 쇼트가 매우 빠른 속도로 반복하여 일어나기 때문에 더 빠른 속도로 커패시터의 충전과 방전이 일어날 수 있도록 방전에너지를 낮게 설정하였다. 절연유는 등유를 사용하고 방전 부산물의 퇴적에 의한 2차 방전을 방지하고 절삭 칩을 제거하는 역할도 할 수 있도록 외부에서 공구 끝단에 흘려주는 형태로 실험하였다.
- 시뮬레이션의 장점을 살리고자 3D로 실시하였으며 그에 따른 해석시간 단축을 위하여 공구와 공작물의 실제 접촉이 일어나는 미소영역만을 모델링 하였다. 절삭력 획득은 샘플링시간 100ms로 설정하였으며, 일반적으로 필터링하여 부드러운 곡선형태로 절삭력 경향을 보는데 반해 이렇게 되면 비접촉 부분 역시 곡선으로 표현되기 때문에 명확한 비교를 위해서 필터링 하지 않은 데이터를 사용하여 그래프를 표현하였다. 2 날 엔드밀을 사용하였으며, 공구가 2.
- 엔드밀을 사용하여 하이브리드가공 할 때는 방전 회로의 쇼트가 매우 빠른 속도로 반복하여 일어나기 때문에 더 빠른 속도로 커패시터의 충전과 방전이 일어날 수 있도록 방전에너지를 낮게 설정하였다. 절연유는 등유를 사용하고 방전 부산물의 퇴적에 의한 2차 방전을 방지하고 절삭 칩을 제거하는 역할도 할 수 있도록 외부에서 공구 끝단에 흘려주는 형태로 실험하였다.
대상 데이터
- 가공실험에 사용된 피삭재는 일반 밀링으로도 가공이 가능한 알루미늄과 탄소강, 그리고 일반 밀링으로는 가공할 수 없는 열처리가 된 고경도 금형강을 사용하여 가공 여부를 확인하였다. 실험에 사용된 조건은 Table 1과 같이 공구는 직경 1mm, 2날초경 엔드밀을 사용하고 방전의 영향을 고려하여 비교적 느린 이송속도로 가공하였다.
데이터처리
- 즉, Endmilling 공정에서 공구와 피삭재가 접촉하여 가공하게 되면 절삭력이 발생하게 되고, 비접촉 기간에는 절삭력이 발생하지 않은 것을 보여 주는 것이다. 이를 해석하기 위하여 절삭해석 유한 요소해석프로그램인 AdvantEdge를 이용하였다. 시뮬레이션의 장점을 살리고자 3D로 실시하였으며 그에 따른 해석시간 단축을 위하여 공구와 공작물의 실제 접촉이 일어나는 미소영역만을 모델링 하였다.
성능/효과
- 그러나 방전가공의 경우 방전 흔적에 의해 일반적으로 표면이 나빠지는데, 마찬가지로 (b)와 같이 표면에 방전 흔을 볼 수 있으며, 거칠기도 다소 나빠진다. 한편, (c)와 같이 하이브리드 가공을 하게 되면, 다시 방전의 역할과 절삭가공의 역할이 동시에 부가되기 때문에 순수한 절삭가공보다는 표면이 거칠지만, 순수 방전 가공보다는 양호한 가공 면을 만들어냄을 알 수가 있다.
- 그러나 동일 조건에서 방전가공(b)과 방전과 밀링이 결합한 하이브리드 가공(c)은 가공할 수 있었으며, 같은 시간 동안 가공했을 시 하이브리드 가공이 방전가공보다 더 빨리 가공이 진행되었음을 확인하였다. 이는 방전가공의 영향으로 소재가 열적 용융을 하여 경도가 낮아졌을 때 절삭 날이 부러지지 않고 가공할 수 있었음을 알 수 있고 환봉형태의 전극을 이용한 방전가공의 경우 방전 회로가 쇼트되면 회로를 회복하기 위해 공구가 후퇴와 전진을 반복하며 방전 갭을 제어하기 때문에 같은 시간 동안이라도 가공량이 작음을 알 수 있다.
- 1. 가설한 밀링과 방전이 한 공정 내에서 이루어질 수 있음을 유한요소해석을 이용한 절삭력 예측을 통해 확인할 수 있었다.
- 2. 하이브리드 가공 중의 방전신호를 측정하여 절삭과 방전이 동시에 일어남을 실험적으로 규명할 수 있었다.
- 3. 방전의 열적 효과에 의해 고경도의 재료일지라도 하이브리드 가공으로 밀링가공이 가능할 수 있었고, 가공시간도 순수 밀링가공시간과 같게 유지할 수가 있었다.
- 4. 가공표면은 방전효과에 의해 순수 절삭가공보다는 다소 나쁜 결과를 보이지만, 방전가공보다는 좋은 표면을 보인다.
- 따라서 본 논문에서는 기계적 공정인 엔드밀링과 전기적, 열적 공정인 방전가공을 결합한 형태의 하이브리드 가공 시스템을 구성하였다. 그리고 가공 해석 소프트웨어와 가공 실험을 통하여 방전 신호와 절삭력 등을 측정함으로써 방전과 엔드밀링이 동시에 일어나는 것을 확인하였다. 결론적으로 단일 공정과의 비교 실험을 통하여 재질 별 가공성, 표면 거칠기, 가공시간 등을 측정하여 하이브리드 가공의 우수성을 입증하고 가능성을 제시하고자 한다.
- 그러나 방전 밀링 하이브리드 가공 공정은 기계적 가공과 전기적 공정이 결합한 형태인데, 엔드밀을 전극으로 사용하여 방전과 동시에 밀링이 진행되도록 하는 것이다. 따라서 궁극적으로는 밀링 가공의 도움으로 방전 시 발생하는 산화막을 제거하고 실제 가공에도 참여함으로써 가공이 어려운 난삭재에 대하여 빠른 생산속도를 얻고 좋은 품질의 가공 결과를 얻을 수 있다.
- 위의 결과를 정리해보면 방전 밀링 하이브리드 가공은 밀링 가공으로는 불가능한 고경도 소재에 대하여 가공이 가능함을 알 수 있고 방전가공의 느린 가공 속도와 나쁜 표면 거칠기를 밀링 가공과 근접한 수준으로 높여 줄 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 5. 방전가공의 특성상 공구마모가 발생하여 가공 경제성 등에서 문제가 있어 추후 개선해야 할 사항으로 보인다.
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