[논문]고속가공에서 미시적 정밀도의 특성 평가

김철희; 김전하; 강명창; 김정석

문제 정의

따라서 본 연구에서는 가공변질층 특성을 규명하고자 상용 소프트웨어 TWA(Third Wave AdvantEdge)를 이용한 잔류응력 시뮬레이션을 수행하였고, 이와 병행하여 전자현미경과 광학현미경으로부터 가시적인 관찰과 미소경도법을 통해 정량적인 변질층 두께를 측정하여 이를 비교, 분석하였다.
이상의 연구결과를 통하여 절삭온도에 따른 가공변질층의 특성을 파악하여 기계적인 요인과 함께 열적인 요인에 의한 경향성을 파악하고자 한다.

제안 방법

4와 같이 구성하였다. 고속가공시 절삭조건에 따른 절삭력, 표면거칠기, 전자현미경(SEM)을 이용하여 조직을 촬영하여 가공변질층의 특성을 파악하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 서로 경도가 다른 두 종류의 시편으로 고속 머시닝센터를 이용하여 Table 2와 같은 절삭조건으로 실험을 수행하였다. 공구 마멸에 의한 변질층의 영향을 줄이기 위하여 각 조건에 대해서 코팅 공구를 사용하였다.
2(a)와 같이 서로 경도가 다른 두 종류의 시편으로 고속 머시닝센터를 이용하여 Table 2와 같은 절삭조건으로 실험을 수행하였다. 공구 마멸에 의한 변질층의 영향을 줄이기 위하여 각 조건에 대해서 코팅 공구를 사용하였다.
절삭을 수행한 뒤 각 절삭조건에 따른 표면 거칠기를 측정하고 저경도(HRc 23) 소재는 시편 절단기를 이용하여, 고경도(HRc 58) 소재는 와이어 방전가공을 이용하여 시편 단면을 절단하였다. 그리고 폴리싱 공정시 가공면 모서리 부위의 탈락을 방지하기 위해 시편과 수지 경계의 갭 (Gap)이 거의 없는 열간마운팅 (Hot mounting) 을 수행하였으며 폴리싱 공정을 수행한 뒤 에칭 (Etching)한 후 전자현미경 및 CCD 카메라로 관찰하는 공정으로 실시하였다.
절삭을 수행한 뒤 각 절삭조건에 따른 표면 거칠기를 측정하고 저경도(HRc 23) 소재는 시편 절단기를 이용하여, 고경도(HRc 58) 소재는 와이어 방전가공을 이용하여 시편 단면을 절단하였다. 그리고 폴리싱 공정시 가공면 모서리 부위의 탈락을 방지하기 위해 시편과 수지 경계의 갭 (Gap)이 거의 없는 열간마운팅 (Hot mounting) 을 수행하였으며 폴리싱 공정을 수행한 뒤 에칭 (Etching)한 후 전자현미경 및 CCD 카메라로 관찰하는 공정으로 실시하였다. 에칭액으로는 고탄 소강에 맞는 메탄을 100ml, 질산 20ml, 염산 10ml의 왕수를 선정하였다.
경도를 측정하여 그 값이 일정값이 될 때까지 측정 하고 그 깊이를 변질층의 깊이로 하는 방법이다. 가시화 측정용 시편과 같은 조건으로 가공한 또 다른 시편으로 저경도, 고경도 소재의 가공면 초기 경도값을 측정한 뒤 가공면 표면으로부터 깊이 5µm 단위로 표면을 제거하면서 미소경도계를 이용하여 경도값 측정 오차를 줄이기 위해 3회씩 반복 측정하여 평균값으로 경도값을 정하였다.
엔드밀 가공은 연속절삭이 아니라 단속절삭이므로 비절삭 구간은 제외한 절삭구간만 공구에 걸리는 절삭력을 분석하였다. Fig.

대상 데이터

3에 실험에서 사용된 시편과 절삭력 실험장치도를 각각 나타내었다. 시편은 STDll(HRC23, 58)을 사용하였으며 실험장치로는 고속 머시닝센터와 고속가공시 높은 회전수로 인해 발생하는 절삭력 신호는 매우 고주파수이기 때문에 기존의 동력계로 측정하는 경우 측정오차가 발생하기 때문에 신뢰성이 있는 신호를 획득 하기 위해서 자체적으로 개발한 고응답형 공구동력 계Dynamometer)를 사용하였으며, 그리고 오실로스코프를 조합하여 절삭력을 측정하고 공구는 TiAlN 코팅된 초경 플랫 엔드밀(010mm 4날)을 사용하였으며, 이때 실험에 사용된 시스템 사양은 Table 1에 나타내었다.
그리고 폴리싱 공정시 가공면 모서리 부위의 탈락을 방지하기 위해 시편과 수지 경계의 갭 (Gap)이 거의 없는 열간마운팅 (Hot mounting) 을 수행하였으며 폴리싱 공정을 수행한 뒤 에칭 (Etching)한 후 전자현미경 및 CCD 카메라로 관찰하는 공정으로 실시하였다. 에칭액으로는 고탄 소강에 맞는 메탄을 100ml, 질산 20ml, 염산 10ml의 왕수를 선정하였다.

데이터처리

Fig. 9(a), (b), (c)에 시뮬레이션, 가시화 데이터, 미소경도법으로 변질층 두께를 측정하여 시뮬레이션을 기준으로 오차율을 비교하였다. 회전수에 따른 가공변질층의 두께 측정에서 가시화 방법은 10~18% 정도의 오차율을, 미소경도법은 18~ 20%의 오차율을 보인다, 이때 경도값의 차이가 아주 좁기 때문에 범위가 넓은 비이커스 경도값으로 채택하였다.

성능/효과

회전수에 따른 절삭력은 절삭속도가 증가해도 절삭력의 변화는 없이 거의 일정한 경향을 보이고 있으며, 날당 이송량 및 반경방향 절입깊이에 따라 절삭력의 변화는 증가함을 알 수 있다. 이때 날당 이송량에 따른 변화구배가 가장 크므로 절삭력과 절삭온도에 민감한 반응을 보이는 가공변질충에 주로 이송의 영향이 크다는 것을 알 수 있다.
(a)는 주축회전수에 따른 표면거칠기이고, (b)는 날당 이송량에 따른 표면거칠기이고, (c)는 반경방향 절입깊이에 따른 표면거칠기이다. (a), (b)처럼 이송이 증가함에 따라 거칠기값도 증가함을 보아 가공변질층에 이송의 영향이 크다는 것을 다시 확인할 수 있었다.
(1) 저경도 소재에 비해 고경도 소재에서 높은 절삭력의 영향으로 인해 높은 압축잔류옹력의 존재로 가공변질층이 두꺼움을 알 수 있다.
(2) 예측과 실험의 가공변질층에 대하여 비교한 결과 비교했을 때 오차율 10~20% 범위내에 있으며, 가공면 표면에는 약한 인장잔류응력이, 아래에는 압축잔류응력이 존재함을 알 수 있다.
(3) 주축 회전수에 따른 가공변질층의 변화는 거의 볼 수 없으며, 주로 날당 이송과 반경방향 절입깊이의 변화에 민감함을 알 수 있다.
(4) 가공면 주위의 과에칭 현상으로 가공변질층은 부식에 대한 저항력이 약함을 알 수 있다.
(5) 가공변질충 변화는 기계적 요인인 절삭력의 영향을 많이 받고 있음을 알 수 있다.

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