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문제 정의
- 본 연구에서는 세라믹 절삭공구 중 높은 인성과 열충격 저항성을 가지고 있어 주철의 고속가공과 황삭, 중삭에도 뛰어난 성능을 발휘하는 사용 Si3N4계 세라믹 절삭공구와 새롭게 개발한 Si3N4계 세라믹 절삭공구의 절삭 성능과 비교하고 기계적 특성과 미세구조가 공구 수명에 미치는 영향에 대해 회귀 분석법을 이용하여 추정하였다.
가설 설정
- 추정하였다. 종속변수 y (tool life)와 독립변수 X)(hardness), X2 (fracture toughness), x3 (grain size) 사이의 관계는 다음과 같이 선형관계를 가진다고 가정되었다
제안 방법
- (5)절삭성능을 향상시키기 위해 제조된 시편들의 성능을 알기 위해 열처리된 고경도강인 SCM440 (Heat treated SCM440, 285~352HB)와 저경도인 회주철 (F250, 180-250HB)의 절삭 실험을 각 절삭공구별로 5회씩 수행하였다.
- Si3N4계 상용세라믹 공구와 새롭게 개발한 Si3N4계 세라믹 절삭공구인 SN-Series로 열처리한 SCM440과 회주철을 공작물로 하여 마모가 300μm가 될 때까지의 플랭크 마모를 공구 수명으로 하여 절삭성능을 비교 분석하였다. 또한, 회귀분석을 통하여 공구수명과 밀접한 관계가 있는 경도 (hardness), 파괴인성, 소결입자크기를 독립변수로 하여 종속변수인 공구수명을 추정하였다.
- 또한, 회귀분석을 통하여 공구수명과 밀접한 관계가 있는 경도 (hardness), 파괴인성, 소결입자크기를 독립변수로 하여 종속변수인 공구수명을 추정하였다.
- 25mm로 절삭하였다. 또한, 회주철 (gray cast iron, FC250, 180-250HB)을 상용 Si3N4 세라믹 절삭공구의 추전절삭속도 (250~500nVmin) 중의 하나인 v=330m/min와 이송량 f=0.2mm/rev, 절삭 깊이 d=0.5mm와 d=lmm의 조건에서 상용공구와 비교 실험하였다. 비교실험에 사용된 상용공구는 AS10 (TaeguTec Ltd.
- 8% O2의 혼합가스로 플라즈마 에칭을 하였다. 미세구조는 주사전자현미경 (SEM)을 사용하여 관찰하였고, 결정상을 분석하기위하여 시편들을 X-선 회절 분석 (XRD)을 하였다. 그리고 경도와 파괴인성은 비커스 경도 시험법으로 측정하였다.
- 본 논문에서는 Si3N4 절삭공구의 공구수명을 종속변수로 하고, 이 종속변수에 영향을 미칠 것으로 생각되어지는 경도 (hardness), 파괴인성 (fracture toughness), 결정립 크기 (grain size)를 독립 변수로 하여 공구수명 (tool life) 과의 관계를 추정하였다. 종속변수 y (tool life)와 독립변수 X)(hardness), X2 (fracture toughness), x3 (grain size) 사이의 관계는 다음과 같이 선형관계를 가진다고 가정되었다
- 과립화 과정을 거쳤다. 소결은 1760℃, 25MPa 의 조건에서 N2분위기를 사용하여 각각 1~8시간 동안 일축 가압 소결하였다. 소결한 시편의 조성과 샘플의 이름들은 Table 1과 같다.
- 절삭 가공실험에 사용된 공작기계는 CNC 선반 (HIT 15, 현대자동차 공작기계사업부)이며, 공구 현미경을 이용하여 세라믹 절삭 공구 flank 면의 평균 마모량이 300 가 되었을 때까지의 시간을 공구수명으로 하여 절삭실험 하였다.
- 회귀분석에 의한 공구수명 추정을 위한 표본 데이터로 공구 수명과 밀접한 관계가 있는 경도, 파괴인성, 소결 입자크기를 선정하였다.
- 회주철의 선삭 비교 실험에서는 절삭 속도 v=330m/min, 이송량 f=0.2mm/rev, 절삭 깊이 d=0.5mm와 d=0.5mm로 선삭 실험하고, 매 20초마다 공구현미경을 통해 30μm까지플랭크 마모를 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 절삭 공구의 화학적 조성과 소결조건은 Table 1에, 소결된 시편들과 상용 &3N4계 세라믹 절삭공구의 경도, 파괴인성, 소결입자크기, 밀도는 Table 2에 나타내었다.
- 5mm와 d=lmm의 조건에서 상용공구와 비교 실험하였다. 비교실험에 사용된 상용공구는 AS10 (TaeguTec Ltd., Korea), SN26(Ssangyong Cement Ind Co., Ltd., Korea), SX1 (NTK Ltd., Japan), KS6000 (Kyocera Ltd.,Japan)이며 각각 순서대로 CN1~CN4로 나타내었다.
- 56μm이었다. 소결 첨가제로 Y2O3(99.9% pure, Shin-Etsu Chemical Co., Tokyo, Japan)와 a— Al2O3 (99.9% pure, Sumitomo Chemical co., Tokyo, Japan)를 사용하였다.
- 절삭특성 비교시험에 사용된 시편의 출발원료로 a - Si3N4,분말 (Grade E 10, Ube Industries, Tokyo, Japan)과 β- Si3N4 분말 (Grade SN-P21FC, Denkikagaku, Tokyo,Japan)을 사용하였고, 분말의 평균입경은 각각 0.33/μm와 0.56μm이었다. 소결 첨가제로 Y2O3(99.
- 제조된 각 시편들은 절삭특성 비교 시험을 위해 SNGN 120416의 크기로 시편을 가공하였으며, 툴 홀더는 절입각이 75#인 CSRNR 2525M 12CEA type을 사용하였다. 절삭 가공실험에 사용된 공작기계는 CNC 선반 (HIT 15, 현대자동차 공작기계사업부)이며, 공구 현미경을 이용하여 세라믹 절삭 공구 flank 면의 평균 마모량이 300 가 되었을 때까지의 시간을 공구수명으로 하여 절삭실험 하였다.
데이터처리
- 또한, 파괴인성과 소결입자크기도 공구 수명과 밀접한 관계가 있음을 결정계수 값 (r2)을 통하여 알 수 있다. 단순회귀분석을 통해 경도, 파괴인성, 소결입자크기가 공구 수명과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었으며 단순 회귀분석에 비해 좀 더 정도 (precision) 좋은 상관관계를 추정하기 위해 중회귀분석 (multiple linear regression analysis)을 하였다.
이론/모형
- 미세구조는 주사전자현미경 (SEM)을 사용하여 관찰하였고, 결정상을 분석하기위하여 시편들을 X-선 회절 분석 (XRD)을 하였다. 그리고 경도와 파괴인성은 비커스 경도 시험법으로 측정하였다.
- 소결한 시편의 조성과 샘플의 이름들은 Table 1과 같다. 소결밀도는 아르키메데스 (archimedes) 방법을 사용하여 측정하였고, 소결된 시편들은 표면을 연마하여, CF4 와 7.8% O2의 혼합가스로 플라즈마 에칭을 하였다. 미세구조는 주사전자현미경 (SEM)을 사용하여 관찰하였고, 결정상을 분석하기위하여 시편들을 X-선 회절 분석 (XRD)을 하였다.
성능/효과
- (1) 소결시간을 달리한 SN-Series의 미세구조 관찰 결과 상용 Si3N4, 계 절삭공구와 SN-Series 중에 SN1이 가장작은 소결입자크기를 가지고 있었고 소결시간이 길어짐에 따라 소결입자크기와 파괴인성은 증가하였고 경도는 감소하는 경향성을 나타내었다.
- (2) 회주철의 건식 선삭 실험에서는 절삭 깊이가 d=0.5mm, d=lmm일 때 SN-Series가 전체적으로 좋은 마모 특성을 나타내었고, 특히 SN-Series중 소결시간이 1시간인 SN1이 가장 좋은 절삭 성능을 나타내었다.
- (3) 공구수명과 밀접한 관계가 있는 경도, 파괴인성, 소결 입자크기와 공구수명과의 상관분석결과 경도는 양의 상관관계, 파괴인성과 소결입자크기 사이에는 음의 상관관계가 있었다.
- (4) 경도, 파괴인성, 소결입자크기를 독립변수로 하여 종속 - 변수인 공구수명에 대한 중회귀분석을 하였고, 이때, 구해진 회귀방정식의 결정계수는 R2 = 0.9999로 상당히 좋은 정도를 가지고 있었으며, 공구 수명을 정확히 추정하였다.
- (5) 단순회귀분석과 중회귀분석 결과 경도가 공구 수명과 가장 밀접한 관계가 있었고 Si3N4, 계 세라믹 절삭공구의 경우 경도를 높임으로써 공구수명 증가시킬 수 있을 것으로 추측된다.
- 3배 정도의 우수한 절삭 성능을 나타내었다. 20초까지의 초기 마모구간에서도 SN-Series는 상용 SbM절삭공구보다 적은 플랭크 마모를 나타내었고, SN-Series는 공구 수명 곡선에서 볼 수 있듯이 300μm까지의 마모구간에서도 플랭크 마모가 점진적으로 증가하였다. 또한 SN-Series 의 경우 회주철의 절삭실험에서 소결시간, 경도, 파괴인성, 소결입자크기에 대한 경향성이 관찰 되었다.
- 또한, 단순회귀분석과 중회귀분석을 통해 경도가 공구 수명과 가장 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.
- 또한, 중 회귀 분석에서 절삭 깊이 d=0.5mm, d=lmm일때 결정 계수 값은 두 가지 경우 모두 R2 = 0.9999로 단순 회귀분석을 하였을 때, 가장 좋은 결정계수 값을 나타내었던 경도보다 정도가 더 좋음을 알 수 있다.
- 또한 SN-Series 의 경우 회주철의 절삭실험에서 소결시간, 경도, 파괴인성, 소결입자크기에 대한 경향성이 관찰 되었다. 소결 시간이 길어짐에 따라 경도와 공구수명은 감소하였고, 파괴인성과 소결입자크기는 증가하였다. 상용 Si3N4계 절상공구의 경우는 출발원료와 소결 첨가제의 종류와 양, 제조공정이 모두 다르기 때문에 특별한 경향성을 찾을 수 없었다.
- 25mm로 선삭 실험한 결과로, 매 15초 마다 공구현미경을 통해 플랭크 마모을 측정한 값들을 그래프로 나타내었다. 열처리된 SCM440의 절삭 실험결과 전체적으로 SN-Series가 좋은 절삭 성능을 나타내었으며, SN1 이 300μm까지의 마모측정실험에서 65sec로 가장 좋은 절삭 특성을 나타내었다. 하지만 SN-Series의 경우도 다른 Si3N4계 절삭공구와 마찬가지로 경도가 낮아 고경도강의 절삭에는 적합하지 않음을 알 수 있다.
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