[논문]Al합금의 초정밀 선삭가공

김우순; 채왕석; 김동현; 난바의치

Al합금의 초정밀 선삭가공
A Study on the Ultra-Precision Turning of Al Alloy 원문보기

김우순 (원광대 기계시스템 디자인공학과) , 채왕석 (군장대 자동차공학과) , 김동현 (원광대 기계시스템디자인공학부) , 난바의치 (일본 중부대학 기계공학부)

To obtain the surface roughness with range from l0nm to In n need a ultra-Precision machine, cutting condition and the study of materials. And n have to also consider the chip and vibration of diamond tool during processing. In this paper, the cutting conditions for getting mirror surface of aluminum alloy have been examined experimentally by using ultra-precision turning and single crystal diamond tool. In generally, the cutting conditions have effect on the surface roughness in ultra-precision turning. The result of surface roughness was measured by the ZYGO New View 200.

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문제 정의

그래서, 본 연구에서는 이론식에 의해 계산을 행한 후, 초 정밀 절삭 실험을 통하여 이론치와 실제 가공치의 일치 여 부를 판단하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 알루미늄합금을 피삭재로 하여 단결 정 다이아몬드 공구와 초정밀 가공기계를 이용한 초정밀절삭 을 행한 후, 각 절삭조건에 따른 표면거칠기를 측정하여 알루 미늄 합금의 초정밀 가공 특성을 파악하고 나노오더의 표면거 칠기를 위한 최적의 가공조건을 제안 . 제시하고자 한다.

제안 방법

B축 회전 테이블은 X축 테이블상에 설치되어 있고 B축 선회 중심상에 장착한 공구 의 선단 각도를 제어 할 수 있다. X축, Z축 슬라이드 테이 블과 B축 회전 테이블의 안내 베어링는 유정압 베어링을 채용하였고, 주축에는 정압공기 베어링을 채용하였다.
단결정 다이아몬드 공구는 둥근형으로 노우즈 반경을1mm, 3mm, 5mm, 10mm로 변화시켜 가면서 직경 54mm,두께 12mm 의 알루미늄 합금을 초정밀 절삭하였다.
따라서, 표면 거칠기는 공구의 노우즈 반경 및 이송에 의 존함을 실험적으로 검증하였다.
사용된 초정밀 가공기계의 위치 피이드 백에는 레이저 측정 시스템을 이용하였다. 레이저 측정의 광축과 가공점을 일치시켜 아베 오차를 저감하고, 레이저를 커버함으로써 주 위의 온도 변화를 받지 않도록 하였다.
본 연구에서는 0 54mm, 12mm두께의 알루미늄 합금을 Fig. 3와 같이 진공척으로 주축에 고정하고, Z축 슬라이드 테이블고정, X축 슬라이드 테이블 이동에 의해 정면 절삭 을 행하였다.
알루미늄합금의 표면 거칠기를 측정할 때는, 인선 반경의 변화에 따라 표면 거칠기에 미치는 영향에 대하여 중점 조 사하였다.
앞에서 얻은 데이터로부터 노이즈 반경 10mm의 공구를 이용하고, 이송0.5um/rev, 절삭깊이를 lum의 조건에서 절 삭속도 0.8m/s로부터 3.6m/s까지 변화시키면서 알루미늄 합금을 초정밀 절삭하였다.
진공척에 의한 주축의 회전중심에 알루미늄합금을 장착 하고 고정하여 회전을 주면서 선삭을 행하였다. 공구대를 탑재한 X축 슬라이드 테이블에 이송을 주면서 실험하였다.
초정밀 가공기계를 이용하여 알루미늄합금의 절삭 특성을 연구하기 위하여 정면 절삭을 행하였다.
초정밀 절삭한 알루미늄합금의 표면 거칠기의 측정에는3차원 표면구조해석현미경(ZYGO New View 200)을 이용하여 측정하였으며, Fig. 4에는 나타내었다.

대상 데이터

공구의 샹크부분은 절삭시의 저항에 의한 휨이나 진동을 방지하기 위하여 강성이 높은 초경합금을 사용하였다. 샹크 의 단면형상은 12mm X 9mm의 각주이고, 다이아몬드 공 구의 선단까지의 전체길이는 50mm이다.
본 연구에 사용된 단결정 다이아몬드 공구는 절인의 선단반경이 1mm, 3mm, 5mm, 10mm의 (주)어라이드 매터리얼과 도요타 밴몹즈(주)에서 제작한 초정밀 다이아몬드 공 구를 사용하였다.
샹크 의 단면형상은 12mm X 9mm의 각주이고, 다이아몬드 공 구의 선단까지의 전체길이는 50mm이다. 사용한 다이아몬 드는 천연의 단결정 다이아몬드 결정이고, 공구의 절인의 선단 형상이 l~10mm까지의 곡률 반경을 갖는 원호 형상 의 것을 각각 사용하였다.
공구의 샹크부분은 절삭시의 저항에 의한 휨이나 진동을 방지하기 위하여 강성이 높은 초경합금을 사용하였다. 샹크 의 단면형상은 12mm X 9mm의 각주이고, 다이아몬드 공 구의 선단까지의 전체길이는 50mm이다. 사용한 다이아몬 드는 천연의 단결정 다이아몬드 결정이고, 공구의 절인의 선단 형상이 l~10mm까지의 곡률 반경을 갖는 원호 형상 의 것을 각각 사용하였다.

성능/효과

(1) 공구의 이송이 10um/rev이상의 영역에서는 기하학적 으로 구해진 표면 거칠기와 거의 같은 값을 얻었지만, 이송 이 10um/rev이하의 영역에서는 기하학적으로 구한 표면 거 칠기와 일치하지 않았다.
(2) 초정밀 절삭에 의한 절삭면의 표면 거칠기는 절삭속 도에 의존하지 않고, 공구의 노우즈 반경, 이송, 절삭깊이에 의존하며, 표면 거칠기가 가장 작게 되는 최적의 이송eF=0.5um/rev 이다.
(3) 노우즈반경 10mm의 초정밀 다이아몬드 공구를 이용 하여, 이송 0.5um/rev, 절삭깊이 lum로 초정밀 절삭한 결과, 표면 거칠기 0.344nm RMS 2.09nm Rmax를 얻었다.
초정밀 다이아몬드 공구로 절삭한 면의 표면 거칠기 Rmax는, 기하학적으로는 Rmax=f2/8R으로 표현되어, 표면 거칠기는 공구의 노우즈 반경 및 이송에 의존한다는 것을 알았다.
표면 거칠기는 절삭깊이가 감소함에 따라 작아지는 경향을 보이다가 절삭깊이 2um에서부터 증가하는 양상을 보였다. 절삭깊이에 따라 표면 거칠기가 크게 되는 것은 절삭 깊 이가 크게 되면 될수록 공구와 공작물의 접촉면적이 증가하 고, 더불어 절삭 저항도 크게 되어 초정밀 다이아몬드 공구 의 여유면에 공구마모가 발생하기 때문인 것으로 사료된다.

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