[논문]비절삭 저항상수에 따른 절삭력 예측

김종도; 윤문철

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.10.075

Abstract ▼ AI-Helper

Few studies have been conducted regarding theoretical turning force modelling while considering cutting constant. In this paper, a new cutting force modelling technique was suggested which considers the specific cutting force coefficients for turning. The specific cutting force is the multiplication...

Few studies have been conducted regarding theoretical turning force modelling while considering cutting constant. In this paper, a new cutting force modelling technique was suggested which considers the specific cutting force coefficients for turning. The specific cutting force is the multiplication of the cutting force coefficient and uncut chip thickness. This parameter was used for experimental modelling and prediction of theoretical cutting force. These coefficients, which can be obtained by fitting measured average forces in several conditions, were used for the formulation of three theoretical cutting forces for turning. The cutting force mechanism was verified in this research and its results were compared with each of the experimental and theoretical forces. The deviation of force was incurred by a small amount in this model and the predicted force considering feed rate, nose radius, and radial depth shows a physical behavior in main force, normal force, and feeding force, respectively. Therefore, this modelling technique can be used to effectively predict three turning forces with different tool geometries considering cutting force coefficients.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 실제로 가공된 절삭력을 분석할 때 분명한 이론적 예측 모델링이 필요하고 이는 절삭력의 크기와 특성을 이해하는데 아주 중요한 공학적인 의미를 가지게 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 것을 고려하여 절삭력의 특성을 밝히고자 절삭력 모델링을 연구하게 되었다. 이 모델링 연구를 위해서는 가공 측정된 절삭력과 이론적인 모델의 절삭력 형상과의 상관관계를 분명히 밝혀야 한다.
본 연구에서는 공구 홀더(holder)에 있는 임의의 팁의 형상에서 그 물림 조건에 따른 절삭력의 크기를 규명하였고 비절삭저항 상수를 고려한 선반의 절삭력 모델링을 적용하였다. 임의의 팁의 형상에 따라 절삭력에 영향을 미치는지 인자들과 그 효과를 분석하고 모델링 방법과 그 분석 결과의 타당성을 알아보고자 하였다^[1]. 연구결과에 의하면 공구 홀더를 이용하여 팁을 고정 시에 팁의 형상과 절삭 물림단면에 따라 절삭력의 크기가 결정되는 것을 이론적으로 밝힐 수 있었다.

제안 방법

따라서 보다 세밀한 분석이 필요하고 이를 위해 Fig. 9와 같이 두 분력을 확대하여 그 특성을 분석 하였다. 분석결과 Fig.
본 연구에서 비절삭저항 상수를 고려하여 선반작업에서 주분력, 배분력, 이송분력의 3방향 절삭력을 실험데이터를 고려하여 모델링하였고 절삭력을 예측하여 분석하였다. 그 연구결과는 다음과 같다.
이를 위해 이론적인 모델을 이용한 절삭력 비교 분석이 필요하다. 본 연구에서는 공구 홀더(holder)에 있는 임의의 팁의 형상에서 그 물림 조건에 따른 절삭력의 크기를 규명하였고 비절삭저항 상수를 고려한 선반의 절삭력 모델링을 적용하였다. 임의의 팁의 형상에 따라 절삭력에 영향을 미치는지 인자들과 그 효과를 분석하고 모델링 방법과 그 분석 결과의 타당성을 알아보고자 하였다^[1].
절삭상수를 구하기 위하여 절삭력 실험을 하였고 직경이 100 mm인 SM45C강을 공구 코반경이 절삭력을 측정하였다. 이때 사용된 절삭조건은 Table 1과 같다.

성능/효과

1. 제안된 절삭력 모델링은 이송이 증가함에 따라 각 방향의 분력은 주어진 실험데이터를 잘 표현하여 선형적으로 증가하고 있으며 절삭깊이 증가에 따라 주분력은 큰 구배로 배분력, 이송분력은 작은 구배로 실험데이터를 잘 표현하여 나타낼 수 있다.
2. 비절삭상수 K_tc는 주분력의 증감에 가장 큰 영향을 미치며, K_rc는 이송분력에, 비절삭상수 K_fc는 배분력을 가장 증가시키는 절삭상수로 판명되었고 그 수치가 클수록 영향이 크게 나타났다.
3. 이송분력과 배분력의 크기변화는 Ktc, Kte, Kfc, Kfe, Krc, Kre 등의 관련 절삭상수의 변화보다는 이송과 반경방향의 절삭깊이 크기에 따라 증가하고 감소하는 정도가 민감하게 나타났다.
4. 비절삭저항 상수를 고려한 선삭가공의 절삭력 모델링은 비절삭상수의 변화에 따라 절삭력의 거동을 보다 자세하게 분석할 수 있다. 향후, 코반경과 절삭깊이를 변화시켜서도 절삭력 분석을 할 수 있으며 원하는 다양한 단면 형상 조건에서의 절삭력을 정확히 예측하는데 적용할 수 있다.
임의의 팁의 형상에 따라 절삭력에 영향을 미치는지 인자들과 그 효과를 분석하고 모델링 방법과 그 분석 결과의 타당성을 알아보고자 하였다^[1]. 연구결과에 의하면 공구 홀더를 이용하여 팁을 고정 시에 팁의 형상과 절삭 물림단면에 따라 절삭력의 크기가 결정되는 것을 이론적으로 밝힐 수 있었다. 제안된 모델의 절삭력과 실험조건에서 측정된 절삭력을 비교 분석한 결과, 비교적 잘 일치함을 확인하였다.
연구결과에 의하면 공구 홀더를 이용하여 팁을 고정 시에 팁의 형상과 절삭 물림단면에 따라 절삭력의 크기가 결정되는 것을 이론적으로 밝힐 수 있었다. 제안된 모델의 절삭력과 실험조건에서 측정된 절삭력을 비교 분석한 결과, 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 따라서 이러한 결과를 이용하여 팁을 만들어 사용하는 산업현장의 공구 및 공작기계 설계자 및 가공 운영자가 적용할 시에는 가공 조건에 따라 절삭력의 크기와 특성을 미리 예측하고 절삭력 크기와 그 원인을 미리 사전에 분석하여 문제를 해결할 수 있다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 이러한 것을 고려하여 절삭력의 특성을 밝히고자 절삭력 모델링을 연구하게 되었다. 이 모델링 연구를 위해서는 가공 측정된 절삭력과 이론적인 모델의 절삭력 형상과의 상관관계를 분명히 밝혀야 한다. 이를 위해 이론적인 모델을 이용한 절삭력 비교 분석이 필요하다.
비절삭저항 상수를 고려한 선삭가공의 절삭력 모델링은 비절삭상수의 변화에 따라 절삭력의 거동을 보다 자세하게 분석할 수 있다. 향후, 코반경과 절삭깊이를 변화시켜서도 절삭력 분석을 할 수 있으며 원하는 다양한 단면 형상 조건에서의 절삭력을 정확히 예측하는데 적용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 주분력의 증감에 가창 큰 영향을 미치는 것은 무엇인가	2. 비절삭상수 Ktc는 주분력의 증감에 가장 큰 영향을 미치며, Krc는 이송분력에, 비절삭상수 Kfc는 배분력을 가장 증가시키는 절삭상수로 판명되었고 그 수치가 클수록 영향이 크게 나타났다.
	선반가공은 무엇을 고려하여 모델링 되어야 하는가	현재까지 단인공구로 가공되는 선반가공에서 이론적인 절삭력 분석 기구(mechanism)에 있어서, 공구가 공작물에 접촉할 시에 이미 절삭력이 주어진다는 것을 고려하지 못한 모델링이었다 또한 이들 연구에 있어서 실험적인 연구가 대부분이었다. 선반가공에서 이러한 절삭깊이 없이, 단지 공구접촉만 있어도 절삭력이 발생하고 이것을 고려하여 모델링할 필요가 있다. 그러나 이러한 현상을 고려한 모델의 분석 결과에 대해서는 그다지 구체적이지 못하고 가공력 해석과 연구에 어려움이 있었다[1-7].
	기존 선삭 시 3 방향 절삭력에 대한 결과를 단순 비교하는 방법이 문제가 되는 이유는 무엇인가	그 동안의 선삭 시 3 방향 절삭력에 대한 대부분의 연구는 측정된 절삭력의 실험 결과를 단순히 비교하는 접근 방법이었다. 그러나 실제로 가공된 절삭력을 분석할 때 분명한 이론적 예측 모델링이 필요하고 이는 절삭력의 크기와 특성을 이해하는데 아주 중요한 공학적인 의미를 가지게 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 것을 고려하여 절삭력의 특성을 밝히고자 절삭력 모델링을 연구하게 되었다.

참고문헌 (7)

Altintas, Y., Manufacturing Automation, Cambridge University, pp. 33-46, 2000.
Yoon, M. C. and Kim, Y. G., "Cutting Dynamic Force Modelling of End-milling Operation", Journal of Material Processing Technology, Vol. 155-156, No. 11, pp. 1383-1389, 2004.

상세보기
Cho, H. G., Kim, J. D. and Yoon, M. C., "Cutting Force Modelling in End-milling Considering Runout", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 20, No. 3, pp. 225-231, 2011.
Kim, J. D. and Yoon, M. C., "An analysis of cutting force according to specific force coefficients", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 2, pp. 108-116, 2014.

원문보기 상세보기
Ko, J. H., Yun, W. S., Cho, D. W. and Ehmann, K. F., "Development of a virtual machining system part 1: approximation of size effect for cutting force prediction", International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 42, pp. 1595-1605, 2002.

상세보기
Yun, W. S. and Cho, D. W., "Accurate 3-D cutting force prediction using cutting condition independent coefficients in end milling", International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 41, pp. 463-478, 2001.

상세보기
Lee, S. S. and Kim, H. S., "Development of mechanistic model for cutting force prediction considering cutting tool states in face milling", Journal of Korean Society of Precision Engineer, Vol. 12, No. 11, pp. 63-73, 1995.

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