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문제 정의
- 다양한 가공조건들을 선형적으로 변화시키면서 가공시 절삭력의 변화를 관찰하였으며, 공 구마멸 실험을 통해 절삭력, 가속도 신호를 획득함으로써 피삭재의 표면정밀도를 고려한 공구의 상태를 감시하여 조건별 공구수명을 정하고, 감시에 유효한 신호와 파라메타를 선정하였다. 이를 통해 궁극적으로는 실시간 신호획득으로 공구 마멸 감시와 적절한 교체시기를 정함으로써 가공 상태 감시기술 개발을 목적으로 하였다(1~3)
- 조건별 절삭력 실험을 통해서는 가공조건이 변함에 따라 절삭력의 경향을 분석함으로써 단속 절삭에서의 절삭메커니즘과 현상을 규명하고자 하였다. 축방향 절입은 모든 실험에서 10㎛로 하였기 때문에 본 논문에서 언급하는 절입은 반경 방향 절입이고, 이송은 날당이송을 의미한다.
제안 방법
- 먼저, 피삭재의 공구에 대한 피삭성 실험을 통해 가공 불안정영역을 선정하여, 절삭속도별 적정 가공조건을 선정하였다. 가공조건별 절삭력 실험에서는 동일한 칩제거량이 되는 절입과 이송을 설정하여 이때의 절삭력을 관찰하였고, 다음으로, 절입, 날당이송, 주축회전수 세가지 조건들을 변화시키면서 절삭력의 변화를 관찰하고, 그 원인에 대해 분석하였다. 마지막으로 공구마멸 실험은 Fig.
- 초기의 이송, 절입, 주축회전수 변동에 따른 절삭메커니즘을 파악하였고, 가공중 절삭메커니 즘 파악과 공구마멸 감시를 위하여 주축회전수와 이송변화에 따른 공구마멸 패턴을 분석하고, 마멸진전에 따른 절삭력, 가속도 신호를 분석하였다. 경도가 큰 재료이므로 절입과 이송의 적은 변화에도 공구와 공작물에 변화가 상당히 크고, 절입에 따른 경향이 더 클 것으로 예상되어, 절입은 고정시키고, 이송을 0.01mm씩 3단계와 주축 회전수를 3단계로 나누어 실험하였다. 공구마멸 실험에 사용된 가공조건은 Table 4와 같다.
- 본 연구에서는 고속가공기에서 합금강 중금 형재료로 많이 사용되는 STD11(냉간 금형재)을 열처리한 고경도재(Hrc 62)를 고강성인 4날 초경 합금 엔드밀로 가공하였고, 초기 표면상태를 파악함으로써 피삭재의 가공 불안정영역을 설정하였다. 다양한 가공조건들을 선형적으로 변화시키면서 가공시 절삭력의 변화를 관찰하였으며, 공 구마멸 실험을 통해 절삭력, 가속도 신호를 획득함으로써 피삭재의 표면정밀도를 고려한 공구의 상태를 감시하여 조건별 공구수명을 정하고, 감시에 유효한 신호와 파라메타를 선정하였다. 이를 통해 궁극적으로는 실시간 신호획득으로 공구 마멸 감시와 적절한 교체시기를 정함으로써 가공 상태 감시기술 개발을 목적으로 하였다(1~3)
- 가공조건별 절삭력 실험에서는 동일한 칩제거량이 되는 절입과 이송을 설정하여 이때의 절삭력을 관찰하였고, 다음으로, 절입, 날당이송, 주축회전수 세가지 조건들을 변화시키면서 절삭력의 변화를 관찰하고, 그 원인에 대해 분석하였다. 마지막으로 공구마멸 실험은 Fig. 1과 같이 절삭력 t 공구마멸(가공) : 가속도 t 공구마멸 측정 - 절삭력의 순서로 반복하면서 공구수명이 다한 후, 얻어진 절삭력, 가속도, 공구마멸, 공구마멸 형상 데이터들을 분석하여 감시 파라메타를 선정하고, 공구마멸 메커니즘을 파악하였다.
- 먼저, 피삭재의 공구에 대한 피삭성 실험을 통해 가공 불안정영역을 선정하여, 절삭속도별 적정 가공조건을 선정하였다. 가공조건별 절삭력 실험에서는 동일한 칩제거량이 되는 절입과 이송을 설정하여 이때의 절삭력을 관찰하였고, 다음으로, 절입, 날당이송, 주축회전수 세가지 조건들을 변화시키면서 절삭력의 변화를 관찰하고, 그 원인에 대해 분석하였다.
- 본 실험에 사용한 공작물인 고경도재가 안정되게 가공이 되는 영역을 설정하기 위하여 초기 절삭속도 8, 000rpm, 절입 0.1mm, 날당이송 0.1mm로 가공을 하였으나, 과도한 열과 함께 표면에 탄 흔적이 발생하여, 절삭속도별로 적정 가공조건을 선정하기 위하여 절입과 날당이송을 0.01mm씩 줄이면서 가공의 불안정영역을 실험을 통해 정하였다. 실험에 의하면 절입깊이와 이송의 증가에 따라 칩 핑(Chipping)에 의한 불안정 영역은 증가하게 되는데, 회전속도에 따른 불안정영 역은 Fig.
- 본 연구에서는 고속가공기에서 합금강 중금 형재료로 많이 사용되는 STD11(냉간 금형재)을 열처리한 고경도재(Hrc 62)를 고강성인 4날 초경 합금 엔드밀로 가공하였고, 초기 표면상태를 파악함으로써 피삭재의 가공 불안정영역을 설정하였다. 다양한 가공조건들을 선형적으로 변화시키면서 가공시 절삭력의 변화를 관찰하였으며, 공 구마멸 실험을 통해 절삭력, 가속도 신호를 획득함으로써 피삭재의 표면정밀도를 고려한 공구의 상태를 감시하여 조건별 공구수명을 정하고, 감시에 유효한 신호와 파라메타를 선정하였다.
- 5초 동안 신호를 획득하여, 10회전의 신호를 추출하여 분석하였다. 비절삭구간의 데이터를 제외한 신호만을 평균하기 위하여 설정값은 12N으로 하여 그 이상의 데이터만 이용하였으며 조건마다 시편의 2/3위치에서 신호가 획득되도록 시간지연 을 두고 트리거링(Triggering)하였다. 조건별 절 삭력실험에서 공구마멸이 절삭력에 미치는 정도를 파악하기 위하여 lO.
- 금형강(STD11)은 금형용으로 많이 사용되고, 경도가 높은 반면 끈기가 있기 때문에 절삭 날에 용착이 되어 절삭날 마멸 등 트러블(Troupe)이 많은 강중의 하나이다. 이 정도의 고경도 재료를 가공하기 위해서는 코팅된 초경 합금공구 가 최선이고, 진동으로 인한 영향을 줄이기 위하여 4날 플랫엔드밀을 사용하였으며, 굽힙모멘트 에 의한 공구휨을 방지하기 위하여 공구인선부위 (30mm)만 공구홀더에서 나오도록 고정하였다.
- 절삭력 데이터 획득은 조건별 실험에서와 동일하지만, 마멸의 진전에 따른 경향을 보다 크게 하기 위하여 설정값을 추출데이터의 절대평균으 로 변동시키면서 절삭력을 구하였다. 공구마멸의 진전과 함께 주축회전수 변화에 따른 경향을 Fig.
- 에어 (Air)를 뿜어 부분냉각과 칩배출을 용이하게 하였다. 절삭력신호는 20kHz로 샘플링하고, 0.5초 동안 신호를 획득하여, 10회전의 신호를 추출하여 분석하였다. 비절삭구간의 데이터를 제외한 신호만을 평균하기 위하여 설정값은 12N으로 하여 그 이상의 데이터만 이용하였으며 조건마다 시편의 2/3위치에서 신호가 획득되도록 시간지연 을 두고 트리거링(Triggering)하였다.
- 초기의 이송, 절입, 주축회전수 변동에 따른 절삭메커니즘을 파악하였고, 가공중 절삭메커니 즘 파악과 공구마멸 감시를 위하여 주축회전수와 이송변화에 따른 공구마멸 패턴을 분석하고, 마멸진전에 따른 절삭력, 가속도 신호를 분석하였다. 경도가 큰 재료이므로 절입과 이송의 적은 변화에도 공구와 공작물에 변화가 상당히 크고, 절입에 따른 경향이 더 클 것으로 예상되어, 절입은 고정시키고, 이송을 0.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 고속머 시닝센터 (Makino V55)는 최대 20, 000rpm급이며, 최소 이송분해 능은 2㎛이고, 최대 이송속도는 50m/min이다. 절삭력은 자체 개발한 3축 공구동력계를 이용하였고, 절삭력과 가속도신호 모두 3kHz의 저 역필터 링 (Lowpass filtering)하였으며, 데이터 획득은 디지 털오실로스코프를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 고속머 시닝센터 (Makino V55)는 최대 20, 000rpm급이며, 최소 이송분해 능은 2㎛이고, 최대 이송속도는 50m/min이다. 절삭력은 자체 개발한 3축 공구동력계를 이용하였고, 절삭력과 가속도신호 모두 3kHz의 저 역필터 링 (Lowpass filtering)하였으며, 데이터 획득은 디지 털오실로스코프를 사용하였다. 실험 장치 의 개략도와 장비의 사양을 Fig.
성능/효과
- 1) 특정 공구와 공작물 사이에는 가공 안정영역 이 존재하며, 고속가공성 평가에 유용한 자료로 활용할 수 있다.
- 2) 절입, 이송, 주축회전수별 절삭력 경향으로부터 초기 절삭메커니즘의 분석이 가능하다.
- 3) 고속가공시의 공구마멸을 감시하기 위해 유효한 파라메타로서는 반경방향 절삭력과 가속도 신호의 날당 주파수의 진폭값임을 파악하였다.
- 12에 나타내었다. 각 주축회전수별로 초기-중기t말기(공구수명)까지 3단계의 마멸형 상만 나타내었으며, 초기 안정적이다가 용착과 함께 칩핑이 발생했으며, 공구마멸이 0.2mm이상이 되면 급격하게 마멸이 진전됨을 알 수 있었다.
- 결과와 같이, 이송방향의 절삭력은 변화가 거의미미 하지만, 반경방향의 절삭력 경 향은 보다 뚜렷함을 알 수 있다. 이는 공구가 이송하는 방향으로 계속적으로 처진 상태로 진행하므로 이송방향 절삭력은 구속된 상태에서 칩핑의 영향에 의해 증가하는 가운데 변동이 있지만, 반경방향 절삭력은 공구마멸이 진행함에 따라 인선이 무디어짐에 따라 마찰에 의한 힘이 더 크게 발생하고, 공구강성의 약하로 인한 진동이 반경방향으로 발생하기 때문에 증가하는 경향이 뚜렷하다.
- 고속가공기 테이블 상에서 직접 공구마멸을 측정함으로써 공구의 탈착에 따른 오차를 줄일 수 있었으며, 측정시에는 조명이 중요하며, 헬릭스(Helix)각 때문에 회전을 하면 기준이 되는 외주 여유면(Flank face) 경계선이 변하면서 측정오 차가 발생하는데 이는 PC화면상에 기준이 되는 선을 부착하여 측정오차를 없앨 수 있었다. 플랫 엔드밀에 의한 측면가공이 목적이므로 날의 코너(Corner)부위 마멸은 무시하였다.
- 절입과 이송이 동일한 지점을 정점으로 증가하다 감소하는 경향을 나타내며, 가공효율면에서는 절입과 이송이 동일한 조건이 가장 유리하지만, 절삭력이 가장 크게 작용함을 알 수 있다. 그리고, 이론적으로 동일한 체적에 대한 가공시간이 동일해야 하지만, 이송이 빠르고, 절입이 적을 때 절삭력이 낮은 현상으로부터 이송은 빠르고, 절입은 적어야 한다는 정삭개념의 고속가공 취지에 잘 부합됨을 알 수 있다.
- 01mm씩 증가함에 따라 공구수명도 비례적으로 감소함을 알 수 있다. 따라서, 공구수명이 고속일수록 절입과 이송을 낮추어서 가공효율은 뛰어나면서 8, 000rpm에 상응하는 공구수명이 존재하는 조건의 선정이 필요하고, 존재함을 알 수 있다.
- 절입과 이송이 동일한 지점을 정점으로 증가하다 감소하는 경향을 나타내며, 가공효율면에서는 절입과 이송이 동일한 조건이 가장 유리하지만, 절삭력이 가장 크게 작용함을 알 수 있다. 그리고, 이론적으로 동일한 체적에 대한 가공시간이 동일해야 하지만, 이송이 빠르고, 절입이 적을 때 절삭력이 낮은 현상으로부터 이송은 빠르고, 절입은 적어야 한다는 정삭개념의 고속가공 취지에 잘 부합됨을 알 수 있다.
- 비절삭구간의 데이터를 제외한 신호만을 평균하기 위하여 설정값은 12N으로 하여 그 이상의 데이터만 이용하였으며 조건마다 시편의 2/3위치에서 신호가 획득되도록 시간지연 을 두고 트리거링(Triggering)하였다. 조건별 절 삭력실험에서 공구마멸이 절삭력에 미치는 정도를 파악하기 위하여 lO.OOOrpm, 절입 0.05mm, 이송 0.05mm로 절삭력 시편에 대해 8패스(Pass)가 공한 결과 반경방향 절삭력은 8N, 이송방향 절삭력은 0.8N정도의 증가를 보였다. 따라서, 조건별 절삭력 경향을 파악하는데 공구마멸이 절삭력에 미치는 영향은 무시할 수 있는 정도이다.
후속연구
- 이러한 추세에 맞추어 부품 정밀도와 생산성 향상, 금형수명 향상, 금형가공시간 단축을 통해 비용절감과 고객만족을 창출할 수 있을 것이다. 기존의 가공으로는 금형의 연마와 같은 후처리 공정이 필요하고, 고경도재의 가공이 어려웠으나.
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