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문제 정의
- 본 실험에서는 MQL 공급시스템을 이용한 가공에서의 최적화 조건을 도출하기 위하여 플라스틱 금형강(SCM440)에 대한 일반적인 절삭조건으로 절삭 가공을 수행하였다. Table 5는 본 연구에 적용된 1차 절삭조건을 나타내고 있다.
제안 방법
- 1차 가공실험을 위해 실험계획법 중 하나인 다구치 분석기법을 활용하여 주축회전수(rpm), 이송 속도(feed), 유량(flow rate)에 따른 총 27회의 MQL 공급시스템을 이용한 절삭가공을 수행하였으며 가공조건을 Table 6에 나타내었다. 주 효과(main effect) 분석을 위해 L9(33)의 직교배열표(orthogonal arrays)를 Table 7에 나타내었으며 망소 특성(smaller the natter characteristics)을 분석하기 위해 S/N 비(signal-Noise ratio)를 분석하였다.
- 본 연구에서는 MQL 공급 시스템을 이용하여 1차 가공실험을 통해 플라스틱 금형강 절삭을 수행하였으며 최적절삭조건을 도출하였다. 2차 가공 실험에서는 습식, 건식, MQL절삭을 통한 실험결과를 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- MQL 공급 시스템의 성능 평가를 위해 차압 (differential pressure)을 이용한 분사 시험을 수행하였으며 입자크기, 내압성, 공급 유량을 에어로졸 스펙트로미터(aerosol spectrometer Model 1.108, Grimm, Germany)로 측정하였다. 총 5개의 시료를 사용하여 에어로졸의 평균입자 크기 및 입주분포에 따른 입자크기별 질량을 측정하며 에어로졸을 공급하고 등속흡인샘플러(isokinetic sampler)을 통해 등속흡인상황을 측정한다.
- 5 μm의 오일 미스트(oil-mist) 공급이 가능한 MQL(minimum quantity lubrication)공급시스템을 이용하였다. 가공 조건에 따른 절삭특성을 검토하기 위하여 실제 생산현장에서 사용하는 절삭조건을 MQL을 이용한 가공 조건으로 선정하였으며 습식(wet)가공과 건식(dry)가공, MQL 가공에서의 절삭력과 , 표면 거칠기, 공구마모를 분석하였으며 가공 최적화를 위하여 실험계획법[8-9]을 적용하였다.
- 내압상승에 따른 에어로졸 탱크의 안전성 확보를 위해 내압성 시험을 수행하였으며 외부 누유(oil leak)와 누기(damp)는 발견되지 않았다. Table 2는 내압성 시험결과이며, 증압기를 이용하여 약 9.
- 절삭공구는 HSS Co8 TiAlN 코팅 2날 평엔드밀을 사용하였다. 또한 습식, 건식, MQL 공급시스템의 3가지 방법을 사용하여 절삭가공을 수행하기 위해 습식절삭에서는 1종 3호의 비수용성 절삭유를 사용하였으며, MQL 공급시스템을 이용한 절삭에서는 피삭재(SCM440)의 기계적 특성을 고려하여 K의 ACRO MQL 45를 사용하였다.
- 본 연구에서는 MQL 공급 시스템을 이용하여 1차 가공실험을 통해 플라스틱 금형강 절삭을 수행하였으며 최적절삭조건을 도출하였다. 2차 가공 실험에서는 습식, 건식, MQL절삭을 통한 실험결과를 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 전자 솔레노이드 밸브 제어(solenoid operated valve control)의해 개폐가 가능한 노즐을 단독 또는 여러 조합으로 개폐하여 에어로졸의 농도 및 유량을 제어할 수 있도록 설계하였다. Fig.
- 주 효과(main effect) 분석을 위해 L9(33)의 직교배열표(orthogonal arrays)를 Table 7에 나타내었으며 망소 특성(smaller the natter characteristics)을 분석하기 위해 S/N 비(signal-Noise ratio)를 분석하였다. 앞서 실험계획법을 통해 분석된 절삭조건을 이용하여 건식절삭가공, 습식절삭가공, MQL 공급시스템을 이용한 2차 절삭가공실험을 실시하고 이에 따른 공구마모(tool wear), 절삭력(cutting force), 표면 거칠기(surface roughness)를 측정하였다. Table 8은 2차 실험가공을 위한 실험조건을 나타내고 있으며 특성분석을 위해 공구동력계 (kistler 9272, USA), 3차원 표면 형상 측정기(non-contact 3D surface profiler; NV 7300, Zygo, USA), 공구현미경 (ICS-Pro, sometechvision, Korea)과 열화상 카메라 (TE-M1, Basecamp C&M, Korea)를 이용하였다.
- 주 효과(main effect) 분석을 위해 L9(33)의 직교배열표(orthogonal arrays)를 Table 7에 나타내었으며 망소 특성(smaller the natter characteristics)을 분석하기 위해 S/N 비(signal-Noise ratio)를 분석하였다.
- 108, Grimm, Germany)로 측정하였다. 총 5개의 시료를 사용하여 에어로졸의 평균입자 크기 및 입주분포에 따른 입자크기별 질량을 측정하며 에어로졸을 공급하고 등속흡인샘플러(isokinetic sampler)을 통해 등속흡인상황을 측정한다. 측정 결과는 입자크기별 계수 및 분포를 측정데이터로 사용하였다.
대상 데이터
- 가공에서 사용된 피삭재는 플라스틱 금형강 (SCM440)으로 사출 성형에 적용되는 금형 소재이다. Table 3은 플라스틱 금형강의 화학적 성분을 나타내고 있으며 Table 4는 플라스틱 금형강의 기계적 특성을 나타내고 있다.
- 본 연구에서는 비열처리 고경도 금형강재로 가장 많이 사용하고 있는 플라스틱 금형강 (SCM440)을 피절삭재로 선정하고, 평엔드밀 가공 시 평균입자크기 0.5 μm의 오일 미스트(oil-mist) 공급이 가능한 MQL(minimum quantity lubrication)공급시스템을 이용하였다.
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2.2 절삭공구 및 절삭유
절삭공구는 HSS Co8 TiAlN 코팅 2날 평엔드밀을 사용하였다
. 또한 습식, 건식, MQL 공급시스템의 3가지 방법을 사용하여 절삭가공을 수행하기 위해 습식절삭에서는 1종 3호의 비수용성 절삭유를 사용하였으며, MQL 공급시스템을 이용한 절삭에서는 피삭재(SCM440)의 기계적 특성을 고려하여 K의 ACRO MQL 45를 사용하였다. - 총 5개의 시료를 사용하여 에어로졸의 평균입자 크기 및 입주분포에 따른 입자크기별 질량을 측정하며 에어로졸을 공급하고 등속흡인샘플러(isokinetic sampler)을 통해 등속흡인상황을 측정한다. 측정 결과는 입자크기별 계수 및 분포를 측정데이터로 사용하였다. Fig.
이론/모형
- 본 연구를 위한 절삭 실험은 Vertical CNC machining center(DNM 400)를 사용하였으며 외부 공급방식의 MQL 공급시스템을 적용하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 1차 가공에서는 표면 거칠기와 절삭력에 가장 큰 영향을 주는 요소는 주축회전수(rpm)와 이송속도(feed)임을 확인하였다.
- 2) 2차 가공에서는 공구 마모 측정 결과 외주날 윗면에서 마모가 크게 발생되었음을 확인하였으며, 공구마모는 건식가공, MQL가공, 습식가공의 순으로 측정되었다.
- 3) 습식가공과 MQL가공만을 비교하였을 때 약 30분 이후의 가공시간에서는 점점 습식가공에 대비하여 MQL가공의 공구마모가 감소함을 확인하였다.
- 4) 절삭력은 MQL가공과 습식가공이 절삭시간의 흐름에 따라 큰 차이가 발생하지 않았으며 일정 가공시간을 기준으로 절삭력이 급격히 증가하는 것을 확인하였다.
- 5) 표면 거칠기는 건식가공, 습식가공, MQL 가공 모두 가공시간 약 10분정도까지는 거칠기의 측정값이 거의 동일한 추세를 보이나 가공시간이 증가함에 따라 공구마모의 영향으로 표면 거칠기의 점점 나빠지는 것을 확인하였다. 각 가공방법 중 표면 거칠기 측정결과 MQL 가공과 습식가공은 유사한 표면 거칠 값을 나타내었다.
- 6) 절삭시간을 기준으로 약 30분~40분의 구간에서 측정값이 대부분 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 9는 절삭력 측정 결과를 나타내고 있다. 건식가공의 경우 약30분~40분의 절삭시간을 기준으로 급격히 절삭력이 증가했으며, MQL가공의 경우 습식절삭시간에 대비하여 절삭시간의 흐름에 따라 큰 차이가 생기지 않는 것을 확인했다. 표면 거칠기는 비접촉식 3차원 표면 형상 측정기 (NewView 7300, ZYGO, USA)를 이용하여 측정하였으며 그 결과는 건식가공은 1.
- 이는 MQL 가공이 습식가공의 절삭유에 비해 에어로졸의 분포가 공구에 적절히 확산되지 않는 것으로 판단된다. 절삭력(cutting force)는 건식가공이 제일 크며, 그 다음은 MQL가공, 습식가공 순으로 확인되었다. Fig.
- 5996 μm 측정되었다. 즉 표면 거칠기는 냉각작용과 윤활작용이 제일 뛰어난 습식가공, MQL 가공, 건식가공 순으로 확인되었다. 표면 거칠기의 측정값을 보면 알 수 있듯이 건식절삭을 제외한 MQL가공과 습식가공에서의 표면 거칠기 측정 값이 유사한 것을 확인할 수 있었다.
- 표면 거칠기는 비접촉식 3차원 표면 형상 측정기 (NewView 7300, ZYGO, USA)를 이용하여 측정하였으며 그 결과는 건식가공은 1.3116μm에서 3.3626μm, 습식가공은 1.2626μm에서2.3314μm, MQL가공은 1.2432μm에서 2.5996 μm 측정되었다.
- 즉 표면 거칠기는 냉각작용과 윤활작용이 제일 뛰어난 습식가공, MQL 가공, 건식가공 순으로 확인되었다. 표면 거칠기의 측정값을 보면 알 수 있듯이 건식절삭을 제외한 MQL가공과 습식가공에서의 표면 거칠기 측정 값이 유사한 것을 확인할 수 있었다.
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