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문제 정의
- 본 연구에서는 탄소섬유복합재의 드릴링 시 공구의 특성에 따른 마모 거동과 이것이 가공에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 이를 위해 서로 다른 형상 및 크기를 가진 드릴링 공구를 이용하여 300개의 구멍을 가공하는 동안 공구 마모와, 가공품질,절삭추력, 공구표면 온도 등을 측정하였다.
제안 방법
- 05 mm/rev이었으며, 각각의 공구마다 300개씩 구멍가공 실험을 진행하였다. 4축 공구동력계(9272A, Kislter)와 전하엠프(5070, Kislter)를 활용하여 절삭추력을 얻었다. 절삭추력 신호는 10 Hz로 저주파통과필터링 후 사용하였다.
- 드릴링 실험은 소형 3축 텝핑 센터(M643-T14-A3, CSCAM)에서 진행하였다. 가공 조건으로는 공구 제조사의 추천에 따라 주축 회전속도는 3000 RPM, 공구의 이송속도는 0.05 mm/rev이었으며, 각각의 공구마다 300개씩 구멍가공 실험을 진행하였다. 4축 공구동력계(9272A, Kislter)와 전하엠프(5070, Kislter)를 활용하여 절삭추력을 얻었다.
- 절삭추력 신호는 10 Hz로 저주파통과필터링 후 사용하였다. 공구 마모를 측정하기 위해 현미경(SMZ745T, Nikon)을 이용하여 매 60개의 드릴링마다 여유면 마모를 측정하였다. 또한 5개의 구멍가공마다 공구 끝부분의 표면온도를 열전대를 이용하여 측정하였다.
- 공구 마모를 측정하기 위해 현미경(SMZ745T, Nikon)을 이용하여 매 60개의 드릴링마다 여유면 마모를 측정하였다. 또한 5개의 구멍가공마다 공구 끝부분의 표면온도를 열전대를 이용하여 측정하였다.
- 30개 구멍 가공 시마다 시편을 교체로 인해 약 3분간 가공을 중지하였다. 또한 60개 구멍 가공 시마다 공구 마모의 검사를 위해 공구를 상온으로 냉각시켰으며, 마모측정 후 다시 장착하여 계속 가공하였다. 시편 교체 후 초반의 가공에서는 온도가 하강하여 다시 올라가는 경향을 띄고 있으나 가공이 진행될수록 온도는 상승하고 있고 이는 공구의 마모로 인하여 시편과 공구 사이의 마찰열에 의한 것으로 추정된다.
- Iliescu 등은 CFRP의 가공 시 절삭추력을 예측하고 평가하였다. 또한 절삭추력과 드릴링 파라미터와 공구 마모의 관계를 분석하여 모델링하고 이를 증명하였다.[4]
- 본 연구에서는 탄소섬유복합재의 드릴링 가공에서 공구의 형상과 코팅재질에 따른 마모거동을 분석하고 이와 함께 절삭추력, 온도상승, 가공표면 등을 연관관계를 분석하였다. 이를 통해 공구의 선단각, 코팅재질이 절삭추력과 내마모성과 직접적으로 연관되어 작은 선단각을 가지고 다이아몬드 코팅이 이뤄진 경우 그렇지 않은 경우들에 비해 CFRP 드릴링에 있어서 월등한 가공품질과 가공내구성을 가짐을 확인하였다.
- Table 1은 실험에 사용한 공구의 특성을 보여준다. 실험에서는 재질의 영향을 보기 위해 초경드릴에 TiAlN을 코팅한 것과 다이아몬드를 코팅한 것을 고려하였다. 드릴 공구의 직경은 8, 10 mm, 선단각은 110°, 140°를 고려하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유복합재의 드릴링 시 공구의 특성에 따른 마모 거동과 이것이 가공에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 이를 위해 서로 다른 형상 및 크기를 가진 드릴링 공구를 이용하여 300개의 구멍을 가공하는 동안 공구 마모와, 가공품질,절삭추력, 공구표면 온도 등을 측정하였다. 이를 통해 공구의 특성에 따른 마모의 거동의 차이를 분석하고 가공품질, 절삭추력과 공구표면의 온도와 공구형상, 공구 마모 간의 상관관계를 분석하였다.
- 이를 위해 서로 다른 형상 및 크기를 가진 드릴링 공구를 이용하여 300개의 구멍을 가공하는 동안 공구 마모와, 가공품질,절삭추력, 공구표면 온도 등을 측정하였다. 이를 통해 공구의 특성에 따른 마모의 거동의 차이를 분석하고 가공품질, 절삭추력과 공구표면의 온도와 공구형상, 공구 마모 간의 상관관계를 분석하였다.
대상 데이터
- 특히, 다이아몬드코팅, 직경 8 mm, 선단각 110°의 공구는 CFRP 전용 제품이다. 가공물은 실제 항공기에 사용되는패브릭(fabric) 타입, 두께 6 mm의 CFRP 평판이다.
- 드릴 공구의 직경은 8, 10 mm, 선단각은 110°, 140°를 고려하였다.
- 드릴링 실험은 소형 3축 텝핑 센터(M643-T14-A3, CSCAM)에서 진행하였다. 가공 조건으로는 공구 제조사의 추천에 따라 주축 회전속도는 3000 RPM, 공구의 이송속도는 0.
성능/효과
- 10 mm 직경의 TiAlN코팅 초경드릴에서는 첫번째 구멍 가공 후 60°C에서부터 시작하여 300번째 구멍 가공까지 최대 약 180°C 까지의 높은 온도 상승률을 가지고 있었으며, 8 mm 직경의 TiAlN코팅 초경 드릴은 최소 66°C에서 최대 약 160°C로 높은 온도상승이 있었다.
- Fig 4는 CFRP 전용공구인 직경 8mm 다이아몬드코팅 초경공구를 이용했을 때의 결과를 보여준다. 가공에 따른 절삭추력의 증가는 약 25% 수준이며, 마모 또한 TiAlN코팅 초경드릴에 비해 현저히 적은 수준임을 알 수 있다.
- 직경이 큰 공구일수록 큰 절삭추력이 발생함을 할 수 있으며, 이는 일반적인 재료제거율이 공구에 비례하기 때문임을 알 수 있다. 구멍 가공 횟수가 증가할수록 더 큰 절삭 추력이 필요함을 확인할 수 있다. 특히, TiAlN코팅 초경드릴의 경우에는 현저한 증가를 보이지만, 다이아몬드코팅 초경드릴은 그 증가가 상대적으로 미비함을 확인할 수 있다.
- 300개의 구멍 가공 시의 TiAlN코팅 초경드릴은 약 800 로 측정되었으며, 본 연구의 조건에서는 공구의 직경에 따른 차이는 찾을 수 없었다. 다이아몬드 코팅 초경드릴은 TiAlN코팅의 경우에 비해 현저히 낮은 약 47 로 측정되었다. 이는 본연구에서 사용한 다이아몬드 코팅 초경드릴이 코팅 소재가 다르고 선단각이 작은 점이 동시에 영향을 미친 것으로 평가된다.
- 특히, TiAlN코팅 초경드릴의 경우에는 현저한 증가를 보이지만, 다이아몬드코팅 초경드릴은 그 증가가 상대적으로 미비함을 확인할 수 있다. 따라서 다이아몬드코팅 초경드릴은 300개 구멍가공 이후에도 계속 공구 마모가 진행되지만 충분한 횟수의 가공이 가능할 것으로 예상된다. 다이아몬드 코팅 공구의 경우 마모가 거의 없는 순간에도 절삭력이 TiAlN코팅 공구에 비해 현저히 낮음을 볼 수 있으며, 이는 다이아몬드 코팅 공구의 마찰특성에 영향을 받았을 수 있으나우선적으로 선단각이 작은 것에 기인한 것으로 추정된다.
- 6의 가공품질의 결함도 적은 것을 추정할 수 있다. 따라서 본 연구에서 사용한 CFRP 전용 다이아몬드 코팅 초경공구는 작은 선단각에 의한 작은 절삭추력과 다이아몬드 코팅으로 인한 내마모성이 높아 절삭추력의 증가가 적은 점으로부터 작은 절삭추력으로 상대적으로 장시간 사용이 가능함을 알 수 있다. 직경이 서로 다른 TiAlN코팅 초경공구를 비교하면 10 mm 직경의 공구가 8 mm의 공구에 비해 더 큰 절삭추력을 받고 마모에 따른 절삭추력의 증가도 상대적으로 더 큰 것을 알 수 있다.
- 그러나 다이아몬드 코팅 초경드릴은 300개의 구멍가공동안 최대-최소 온도차가 약 33°C로 TiAlN코팅 초경드릴과는 전혀 다른 온도의 특성을 가지고 있다. 또한 TiAlN코팅 초경드릴은 그림에서 보는 바와 같이 계속적인 구멍 가공에 따라 지속적인 온도의 증가가 나타나고 있는 반면,다이아몬드 코팅 초경드릴은 약 240개의 구멍 가공이 이뤄지는 동안은 온도의 거동이 비교적 안정되며, 이후부터 급격한 온도증가가 발생하는 점에서 본 연구의 가공 조건을 기준으로 약 250개의 구멍 가공 이후 마모 거동에 차이가 발생할 것으로 추정할 수 있다.
- 직경이 서로 다른 TiAlN코팅 초경공구를 비교하면 10 mm 직경의 공구가 8 mm의 공구에 비해 더 큰 절삭추력을 받고 마모에 따른 절삭추력의 증가도 상대적으로 더 큰 것을 알 수 있다. 또한 마모의 증가에 따른 절삭력의 증가가 비교적 선형적인 관계를 가지고 있음을 확인할 수 있다. Fig 10과 11은 각 공구의 마모에 대한 온도증가율을 보여준다.
- 다이아몬드 코팅 공구의 경우 마모가 거의 없는 순간에도 절삭력이 TiAlN코팅 공구에 비해 현저히 낮음을 볼 수 있으며, 이는 다이아몬드 코팅 공구의 마찰특성에 영향을 받았을 수 있으나우선적으로 선단각이 작은 것에 기인한 것으로 추정된다. 또한, TiAlN코팅 초경드릴의 경우에는 240개의 구멍 가공 이후에는 절삭추력이 다소 줄어드는 것을 확인하였다.
- Fig 10과 11은 각 공구의 마모에 대한 온도증가율을 보여준다. 모든 공구에서 마모 큰 공구일수록 가공이 진행됨에 따라 온도가 더 크게 상승하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- 본 연구에서는 탄소섬유복합재의 드릴링 가공에서 공구의 형상과 코팅재질에 따른 마모거동을 분석하고 이와 함께 절삭추력, 온도상승, 가공표면 등을 연관관계를 분석하였다. 이를 통해 공구의 선단각, 코팅재질이 절삭추력과 내마모성과 직접적으로 연관되어 작은 선단각을 가지고 다이아몬드 코팅이 이뤄진 경우 그렇지 않은 경우들에 비해 CFRP 드릴링에 있어서 월등한 가공품질과 가공내구성을 가짐을 확인하였다.
- 우선 다이아몬드 코팅 초경공구는 마모량 현저히 적고. 절삭추력의 변화도 현저히 적어 상대적인 비교는 곤란하지만 마모가 증가함에 따라 절삭추력도 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 절삭추력과 마찰력의 관계를 고려한다면 Fig.
- 구멍 가공 횟수가 증가할수록 더 큰 절삭 추력이 필요함을 확인할 수 있다. 특히, TiAlN코팅 초경드릴의 경우에는 현저한 증가를 보이지만, 다이아몬드코팅 초경드릴은 그 증가가 상대적으로 미비함을 확인할 수 있다. 따라서 다이아몬드코팅 초경드릴은 300개 구멍가공 이후에도 계속 공구 마모가 진행되지만 충분한 횟수의 가공이 가능할 것으로 예상된다.
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