[논문]AISI 4340강의 방전가공에서 공정변수의 최적화

최만성

AISI 4340강의 방전가공에서 공정변수의 최적화
Optimization of Process Parameters for AISI 4340 Steel in Electrical Discharge Machining 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.2, 2019년, pp.17 - 22

Abstract ▼ AI-Helper

The method of electrical discharge machining (EDM), one of the processing methods based on non-traditional manufacturing procedures, is gaining increased popularity, since it does not require cutting tools and allows machining involving hard, brittle, thin and complex geometry. This present investigation details the determination of optimum process parameter to attain the better machining performance in EDM of AISI 4340 steel with graphite as a tool electrode. The experimental combinations are planned and analyzed by Taguchi's design of experiments approach. To predict the optimal condition, the experiments are conducted by using Taguchi's L27 orthogonal array. The influence of process variables such as discharge current, pulse on and pulse off time, voltage and spark speed were investigated to control the various desired performance measures such as surface roughness. Analysis of Variance (ANOVA) has to be performed to know the magnitude of each factor. Investigations indicate that the surface roughness is strongly depend on pulsed current.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

방전조건이란 기계의 제어 회로에 내장되어있는 기능 중 가공속도와 정밀도를 제어하는 요소를 포함하고 있다. 본 연구에서는 방전조건인 방전전류(current), 방전시간(pulse on-time), 휴지시간(pulse off-time), 방전전압(voltage), 및 방전 속도(spark speed)에 따라 흑연전극을 사용하여 가공 된 재료의 표면거칠기에 미치는 영향을 알아보았다. 사용된 시편인AISI 4340 강은 급냉 후 뜨임 처리한 강으로 Mo을 함유하고 있는데 합금원소로써 Mo의 효과는 경화능을 증가시키고, 고온강도 유지에 도움이 되며 뜨임처리를 할 때 연화 저항성을 준다.

제안 방법

이 방식은 기계, 화학, 전기, 전자 등 산업 전반에 걸쳐 생산 공정의 공정 조건을 최적화하고 품질손실 비용을 줄일 수 있는 최적화 설계기법이다 [12-14]. 본 실험에서는 3수준 계 직교배열표 L₂₇ 의 실험계획표에 따라 방전가공 실험을 하였으며, 실험자료를 근거로 정규성검정 (normality test)을 하고 S/N비를 구하였다. 또한 분산 분석(ANOVA)을 통해 표면거칠기에 대한 최적의 방전가공조건을 구하였다.
Table 4는 실험에 사용된 제어인자와 각 수준에 따른 방전가공조건을 나타내었다. 실험방법은 AISI 4340강에 방전전류, 휴지시간, 방전전압, 방전시간, 방전속도를 바꾸어가며 깊이 1 mm로 방전가공을 실시하였다. 각 인자의 수준은 3수준으로 총 27번의 가공을 실시하였으며, 2회 반복실험을 하였다.

대상 데이터

방전 가공 시 피삭재가 떨리는 현상을 방지하기 위해 베드에 가공재료를 단단히 고정하였고 피삭재의 위, 아래 분무압이 같도록 Z축의 높이를 조정하였다. 방전 전극의 치수는 흑연(graphite) Ø10 mm로 제작하였다. 사용된 시편은 AISI 4340강이며, 그 화학적인 조성과 기계적 성질은 Table 1과 Table 2와 같다.
본 실험에서는 W*D*H=50*60*60 mm의 AISI 4340 강 8개와 SEM 촬영용 4개를 각각 제작하였다. 방전 가공 시 피삭재가 떨리는 현상을 방지하기 위해 베드에 가공재료를 단단히 고정하였고 피삭재의 위, 아래 분무압이 같도록 Z축의 높이를 조정하였다.

이론/모형

본 실험에서는 3수준 계 직교배열표 L₂₇ 의 실험계획표에 따라 방전가공 실험을 하였으며, 실험자료를 근거로 정규성검정 (normality test)을 하고 S/N비를 구하였다. 또한 분산 분석(ANOVA)을 통해 표면거칠기에 대한 최적의 방전가공조건을 구하였다.
본 연구에서는 Taguchi법을 이용하여 AISI 4340강을 방전가공재로 사용하여 방전가공을 하였다. 방전공정변수에 따른 표면거칠기의 영향을 분석한 결과에 의하면, 표면거칠기에 많은 영향을 미치는 공정변수는 방전전류, 방전시간, 방전속도이며, 휴지 시간과 방전전압은 상대적으로 그 영향이 미미하였다.

성능/효과

각 공정변수에 수준에 따른 방전전류와 방전속도의 교호작용이 약간 있었고, 기타 변수 간의 교호작용은 거의 없었다. 금속조직현미경(SEM)에 의한 표면거칠기를 살펴본 결과 분산분석에서 얻은 가장 좋은 조건과 나쁜 조건의 방전표면은 뚜렷한 차이가 있음을 볼 수 있었다. 앞으로 더 정밀한 표면품위분석을 하기 위해서는 원자현미경 (AFM)을 이용하여 방전시편을 분석할 필요가 있다.
방전공정변수에 따른 표면거칠기의 영향을 분석한 결과에 의하면, 표면거칠기에 많은 영향을 미치는 공정변수는 방전전류, 방전시간, 방전속도이며, 휴지 시간과 방전전압은 상대적으로 그 영향이 미미하였다. 또한. 각 공정변수에 수준에 따른 방전전류와 방전속도의 교호작용이 약간 있었고, 기타 변수 간의 교호작용은 거의 없었다. 금속조직현미경(SEM)에 의한 표면거칠기를 살펴본 결과 분산분석에서 얻은 가장 좋은 조건과 나쁜 조건의 방전표면은 뚜렷한 차이가 있음을 볼 수 있었다.
본 연구에서는 Taguchi법을 이용하여 AISI 4340강을 방전가공재로 사용하여 방전가공을 하였다. 방전공정변수에 따른 표면거칠기의 영향을 분석한 결과에 의하면, 표면거칠기에 많은 영향을 미치는 공정변수는 방전전류, 방전시간, 방전속도이며, 휴지 시간과 방전전압은 상대적으로 그 영향이 미미하였다. 또한.

후속연구

앞으로 더 정밀한 표면품위분석을 하기 위해서는 원자현미경 (AFM)을 이용하여 방전시편을 분석할 필요가 있다. 또한 공정변수의 크기를 세분화해서 표면거칠기에 미치는 영향을 분석하기 위해서는 반응표면법 (RSM)을 적용하면 방전가공에서 표면거칠기를 더욱 개선 할 수 있을 것 이라 여겨진다.
금속조직현미경(SEM)에 의한 표면거칠기를 살펴본 결과 분산분석에서 얻은 가장 좋은 조건과 나쁜 조건의 방전표면은 뚜렷한 차이가 있음을 볼 수 있었다. 앞으로 더 정밀한 표면품위분석을 하기 위해서는 원자현미경 (AFM)을 이용하여 방전시편을 분석할 필요가 있다. 또한 공정변수의 크기를 세분화해서 표면거칠기에 미치는 영향을 분석하기 위해서는 반응표면법 (RSM)을 적용하면 방전가공에서 표면거칠기를 더욱 개선 할 수 있을 것 이라 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방전가공이란?	방전가공은 가공속도가 빠르고 정밀가공과 복잡한 형상으로의 가공이 가능하다는 등의 많은 장점이 있는 특수가공법이며, 반도체기술의 혁신으로 제어기술의 발달을 가져와 고속가공이 가능하게 되었다[1-5]. 방전가공은 반도체장비, 금형업체, 항공 우주 산업 등 산업전반에 걸쳐 다양하게 사용되고 있으며, 일반 범용공작기계로는 가공에 어려움이 있는 금형제작과 같이 난삭재를 주로 사용하는 분야에 필수적이며, 비철금속재료의 가공에도 활용 되고 있다.
	풍력 발전 용 부품 소재로 활용되기 위해 갖춰져야 할 특성은?	본 연구에서는 방전조건인 방전전류(current), 방전시간(pulse on-time), 휴지시간(pulse off-time), 방전전압(voltage), 및 방전 속도(spark speed)에 따라 흑연전극을 사용하여 가공 된 재료의 표면거칠기에 미치는 영향을 알아보았다. 사용된 시편인AISI 4340 강은 급냉 후 뜨임 처리한 강으로 Mo을 함유하고 있는데 합금원소로써 Mo의 효과는 경화능을 증가시키고, 고온강도 유지에 도움이 되며 뜨임처리를 할 때 연화 저항성을 준다. 이러한 특성으로 반도체장비나 풍력 발전 용 부품 소재로 사용되고 있다.
	방전가공에서 공정변수는 무엇이 있는가?	또한 이 가공법은 재료의 경도에 무관하게 가공할 수 있으며, 매우 복잡한 형상의 부품을 흑연이나 구리전극을 사용하여 고정도의 부품을 가공 할 수 있다. 방전가공에서 연구는 주로 가공 재료에 의한 공정변수에 관련하여 재료제거율이나, 표면거칠기와 같은 방전가공 특성을 규명한 문헌이 대부분이다[1-6], 방전가공에서 공정변수는 펄스전류, 방전시간, 전압, 방전속도, 전극회전 및 분무액의 압력 등 많은 변수가 있기 때문에 방전특성을 규명 하는 것이 쉽지는 않다. 방전조건이란 기계의 제어 회로에 내장되어있는 기능 중 가공속도와 정밀도를 제어하는 요소를 포함하고 있다.

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