금형 산업과 다양한 산업에서 사용되고 있는 CNC공작기계는 최근 첨단 제품이나 신제품 설계에서 공정의 증가로 생산 품질과 작업자의 안전성 측면이 중요해지고 있으며, 생산제품의 품질을 균일하게 하고 재현성을 향상시키기 위한 최적 절삭 조건 선정 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 공구의 기하학적 모델링을 진행하고 생산 제품의 재현성 향상을 위한 조건 선정 선행 연구와 기존의 공구 인서트를 바탕으로 Solidworks 설계 프로그램을 이용하여 공구 인서트를 모델링하였다. 모델링 데이터를 바탕으로 AdvantEdge를 사용하여 절삭 공정에서 절삭력, 공구 응력, 그리고 온도의 변화에 대한 해석을 진행하였다.
금형 산업과 다양한 산업에서 사용되고 있는 CNC공작기계는 최근 첨단 제품이나 신제품 설계에서 공정의 증가로 생산 품질과 작업자의 안전성 측면이 중요해지고 있으며, 생산제품의 품질을 균일하게 하고 재현성을 향상시키기 위한 최적 절삭 조건 선정 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 공구의 기하학적 모델링을 진행하고 생산 제품의 재현성 향상을 위한 조건 선정 선행 연구와 기존의 공구 인서트를 바탕으로 Solidworks 설계 프로그램을 이용하여 공구 인서트를 모델링하였다. 모델링 데이터를 바탕으로 AdvantEdge를 사용하여 절삭 공정에서 절삭력, 공구 응력, 그리고 온도의 변화에 대한 해석을 진행하였다.
The classical computer numerical control (CNC) machine is widely used for mold making in various industries. However, while improving the process, it has a negative effect on production quality and worker safety. As a result, the complaints of workers have increased and production quality has decrea...
The classical computer numerical control (CNC) machine is widely used for mold making in various industries. However, while improving the process, it has a negative effect on production quality and worker safety. As a result, the complaints of workers have increased and production quality has decreased. Therefore, we found optimizing cutting conditions to mold industrials for cutting conditions commonly used. However, the problem is the insert tool geometric modeling. In this study, the modeling of an insert tool was performed using the Solidworks program. The insert tool model was imported into the analysis application AdvantEdge, which predicted cutting forces, tool stress, and temperature.
The classical computer numerical control (CNC) machine is widely used for mold making in various industries. However, while improving the process, it has a negative effect on production quality and worker safety. As a result, the complaints of workers have increased and production quality has decreased. Therefore, we found optimizing cutting conditions to mold industrials for cutting conditions commonly used. However, the problem is the insert tool geometric modeling. In this study, the modeling of an insert tool was performed using the Solidworks program. The insert tool model was imported into the analysis application AdvantEdge, which predicted cutting forces, tool stress, and temperature.
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삼차원 해석을 진행하기에 정확한 공구의 인서트 모델링이 필요하다. 3D-모델링은 이차원 설계보다 정확한 설계가 요구된다. 실제 칩-브레이커(Chip Breaker), 노즈반경(Nose Radius) 설계는 칩 배출을 고려하여 설계가 들어가기 때문에 모델링설계를 잘못할 경우 예측치가 많이 오차가 날 수 있다.
제안 방법
AdvantEdge 프로그램을 사용한 2D-유한요소 해석은 노즈반경(Nose Radius)값에 제한이 걸리기 때문에 시뮬레이션에서 직접 2차원 설계를 하였다. Fig.
본 연구에서는 한 방향(One-Way) 가공 시 가공 인자에 따라 공구의 마모 또한 다르게 작용하는 것을 분석하고 실제실험과 유사한 가공법인 하향 절삭을 통해 발생되는 마모와 절삭력을 예측하였다. 2차원 및 3차원 시뮬레이션 예측결과와 실측값간의 비교분석을 진행 하고자 한다.
공구마모 예측 알고리즘 개발에 앞서 기초적 데이터베이스가 되는 연구를 진행 하였다. 산업에서 일반적으로 사용되는 인서트(Insert)를 설계하여 신뢰성 있는 데이터 확보를 위한 시뮬레이션 연구를 진행하였다.
정량적 목표 70% 이상의 공구마모 예측 알고리즘 개발에 앞서, 주요 인자 확립을 위한 연구를 진행 하였다. 실험계획법을 활용하여 시뮬레이션 해석결과 예측에 대한 분석과 절삭시 발생하는 절삭력(Cutting Force), 공구응력(Tool Stress), 온도(Temperature)예측을 수행하였다.
대상 데이터
1를 사용하여 가공 시뮬레이션을 수행하였다. 가공 재료는 KP 1종 계열인 KP-4M와 동일한 기계적 물성치를 가지고 있는 P-20의 기계적 물성치를 가지고 해석수행을 진행 하였다. J-C(6) 모델은 소성 변형 시 변형 및 변형률 경화 현상과 발생되는 열에 의한 열적 연화 현상을 반영한다.
본 연구에서는 실제 공구의 인서트를 솔리드웍스(Solidworks) 프로그램을 이용하여 3D모델링을 하였다. 공구는 산업에서 주로 사용하는 고속도강재질이며, 직경은 ∅20의 공구와 인서트로 선정하였다. 공구의 사진과 인서트를 설계한 모델링을 Fig.
재료는 금형산업에서 사용하고 있는 KP 1종 계열과 같은 물성을 가지는 P-20으로 선정하고 재료의 물성을 Table 2에 나타내었다.
데이터처리
공구 설계 후 모델링을 AdvantEdge로 예비 3D 해석을 진행하였다. 추후 실험데이터와 비교하기 위해 신뢰성 있는 데이터를 구축하고자 한다.
또한, 가공실험과 비교 분석을 진행하기 위해 실제 가공 시 유사한 가공조건을 3D 해석을 통해 구현하여 진행하였다. 2D 해석결과에서 나온 극한적인 가공조건 3가지를 선정하여 비교 결과를 얻고자 진행 하였으며, 다소 많은 절삭력 차이가 보이는 것으로 확인되었다.
이론/모형
P-L(Power-Law)의 식은 (2)에서 나타내었으며, 비선형 해석을 위해 온도를 고려한다. 따라서 절삭 가공 할 때 발생되어지는 마찰과 온도를 고려하여 P-L모델을 적용하였다. 이때 필요한 파라메타는 일부 AdvantEdge(7)에서 제공된 값과 일부 확보된 값을 가지고 해석을 진행 하였으며, 그 값을 Table 1에서 보여주고 있다.
본 논문에서는 절삭가공시 발생하는 절삭력, 온도 등을 예측하기 위해 AdvantEdge 6.1를 사용하여 가공 시뮬레이션을 수행하였다. 가공 재료는 KP 1종 계열인 KP-4M와 동일한 기계적 물성치를 가지고 있는 P-20의 기계적 물성치를 가지고 해석수행을 진행 하였다.
본 연구에서는 반복적인 실험 횟수를 줄이기 위하여 기여도가 높은 절삭 조건과 최적 절삭 조건을 찾기 위해서 실험계획법을 적용하였다. 2D 해석으로부터 하향절삭 결과를 비교하였고, 그 결과 조건3에서 주절삭력 265.
실제 칩-브레이커(Chip Breaker), 노즈반경(Nose Radius) 설계는 칩 배출을 고려하여 설계가 들어가기 때문에 모델링설계를 잘못할 경우 예측치가 많이 오차가 날 수 있다. 본 연구에서는 실제 공구의 인서트를 솔리드웍스(Solidworks) 프로그램을 이용하여 3D모델링을 하였다. 공구는 산업에서 주로 사용하는 고속도강재질이며, 직경은 ∅20의 공구와 인서트로 선정하였다.
성능/효과
또한, 가공실험과 비교 분석을 진행하기 위해 실제 가공 시 유사한 가공조건을 3D 해석을 통해 구현하여 진행하였다. 2D 해석결과에서 나온 극한적인 가공조건 3가지를 선정하여 비교 결과를 얻고자 진행 하였으며, 다소 많은 절삭력 차이가 보이는 것으로 확인되었다. 추후 이것을 기반으로 절삭력 예측을 실험적으로 규명하기 위한 데이터로 활용하고자 한다.
후속연구
추후 이것을 기반으로 절삭력 예측을 실험적으로 규명하기 위한 데이터로 활용하고자 한다. 공구수명뿐만 아니라 가공물의 형상과 표면 거칠기에 대한 연구도 진행하여, 공구수명과 가공물 형상을 만족할 수 있는 적정조건을 뽑을 계획이다. 또한, 가공실험과 시뮬레이션 데이터와 비교검증을 통해 가공예측율과 무인 자동화 공정시스템에 적용이 가능한 데이터를 확보와 절삭력과 공구마모에 대한 물리적 성분을 가지고 예측 알고리즘 개발을 위한 데이터베이스를 구축하고자 한다.
공구수명뿐만 아니라 가공물의 형상과 표면 거칠기에 대한 연구도 진행하여, 공구수명과 가공물 형상을 만족할 수 있는 적정조건을 뽑을 계획이다. 또한, 가공실험과 시뮬레이션 데이터와 비교검증을 통해 가공예측율과 무인 자동화 공정시스템에 적용이 가능한 데이터를 확보와 절삭력과 공구마모에 대한 물리적 성분을 가지고 예측 알고리즘 개발을 위한 데이터베이스를 구축하고자 한다.
본 논문에서는 산업에서 일반적으로 사용하는 인서트 모양에 따라 공구수명 예측연구가 필요하다고 생각된다. 정량적 목표 70% 이상의 공구마모 예측 알고리즘 개발에 앞서, 주요 인자 확립을 위한 연구를 진행 하였다.
정확도를 규명하기 위해 실험을 통해 비교분석을 진행할 예정이다. 공구마모 예측 알고리즘 개발에 앞서 기초적 데이터베이스가 되는 연구를 진행 하였다.
공구 설계 후 모델링을 AdvantEdge로 예비 3D 해석을 진행하였다. 추후 실험데이터와 비교하기 위해 신뢰성 있는 데이터를 구축하고자 한다. 공구타입은 코너R 공구를 사용하였고, 코너밀링(Coner Milling)으로 진행하였다.
2D 해석결과에서 나온 극한적인 가공조건 3가지를 선정하여 비교 결과를 얻고자 진행 하였으며, 다소 많은 절삭력 차이가 보이는 것으로 확인되었다. 추후 이것을 기반으로 절삭력 예측을 실험적으로 규명하기 위한 데이터로 활용하고자 한다. 공구수명뿐만 아니라 가공물의 형상과 표면 거칠기에 대한 연구도 진행하여, 공구수명과 가공물 형상을 만족할 수 있는 적정조건을 뽑을 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공작기계의 한계점은 무엇인가?
공작기계의 수요를 만족시키기 위하여 공작기계의 장비에 대한 정밀도 및 편리성이 점차 높아지고 있다. 하지만 작업자의 숙련도에 의하여 가공 정밀도와 제품의 표면조도 등 작업에 상이한 결과를 보이고 있어 제품의 수율 및 복잡한 공정에 생산성 저하, 불량률 증가 등 여러 가공한계를 가져온다. 이를 해결하기 위해 높은 정밀도가 요구되는 지능형 자동화 CNC 시스템에 대한 연구가 필요한 실정이다.
오늘날 CNC밀링 공작기계의 활용분야는?
오늘날 CNC밀링 공작기계는 자동차, 항공기, 선박 등 다양한 산업 분야에서 사용하고 있다. 그러나 가공 정밀도와 형상 정밀도에 대한 연구가 여러 각도에서 진행되고 있어 최근에는 열변형량, 표면조도, 가공부하 등을 예측하는 연구도 활발히 진행이 되면서 CNC 공작기계의 자동화(무인화)에 대한 관심이 커짐과 동시에 자동화에 대한 산업기술력 요구도와 공작기계의 수요가 증하고 있는 추세다.
지능형 자동화 CNC 시스템을 구축하기 위해 필요한 것은 무엇인가?
높은 정밀도를 요구하는 지능형 자동화 CNC 시스템을 구축하기 위해서는 가공 시 공구와 가공소재에 많은 영향을 미치는 인자를 선정하고 그것에 대한 반복적인 실험을 통하여 최적조건을 선정하는 것이 필요하다. 하지만 실험을 통해 주요 인자를 확립하기에는 많은 시간과 비용의 문제가 발생하기 때문에 실험계획법(1)(Orthogonal Design)에 의한 통계적 기법으로 실험 횟수를 줄이고, 절삭력 예측(2,5)과, 공구마모에 대한 예측 연구가 지속적으로 필요하다.
참고문헌 (7)
Lim, P., Park, S. Y. and Yang, G. E., 2006, "A Study on Tool Life in the High Speed Machining of Small-size End Mill by Factorial Design of Experiments and Regression Model," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 23, No. 2, pp. 73-80.
Lee, S. Y. and Im, Y. M., 2004, "Prediction and Experiments of Cutting Forces in End Milling," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers. Vol. 13, No. 4, pp. 9-15.
Kim, B. S., Kang, T. S., Lee, S. H., Kang, J. H. and Song, J. Y., 2005, "Development of a Tool Life Prediction Program for Increasing Reliability of Cutting Tools," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 1-7.
Lee, C. H. and Yang, M. Y., 2013, "Prediction and Measurement of Cutting Force in Side-Milling," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 22, No. 3, pp. 437-446.
Kim, G. D. and Ju, J. N., 2001, "Prediction of the Amount of Tool Fracture in Face Milling using Cutting Force Signal," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 25, No. 6, pp. 972-979.
Ku, M. S., Kim, J. S., Kim, P. H., Park, J. H. and Kang, I. S., 2011, "An Evaluation of Machining Characteristics in Micro-scale Milling Process by Finite Element Analysis and Machining Experiment," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 20, No. 1, pp. 101-107.
Third Wave AdvantEdge., 2014, "User's Manual, Version 6.1," Minneapolis, USA.
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