[논문]미소 전단 띠 형성에 의한 톱니형 칩 생성 예측

임성한; 오수익

문제 정의

본 논문에서는 그동안 이론적인 한계로 인해서 활발하지 않았던 톱니형(전단 변형) 칩 생성에(1) 대한 연구를 수행하였다. 유한요소해석을 통해서 절삭 조건들이 절삭 과정에 미치는 영향들에 대해서 고찰한 결과와(기 여러 문헌들로부터, 톱니형 칩의 생성 기구를 유추하고, 미소전단띠 부근에 작용하는 유동응력의 크기효과(size effect)로 인한 응력 증가 현상과 동적재결정 발생으로 나타나는 열적 연화(thermal softening)로 인한 응력 감소현상을 혼합한 새로운 형태의 유동응력을 제안한다.
본 연구에서는 새 유동응력모델의 적합성을 판단하기 위한 하나의 근거로 동일한 공정 조건하에서 절삭속도만 중가시켰을 때 톱니형 칩의 생성 형태 가 어떻게 변하는 지를 조사하였다.
이에 본 연구에서는 고속 변형 중에 동적 재결정의 발생을 예측하고 열적 연화 현상을 표현할 수 있는 새로운 유동웅력 모델(3)을 제안하였다.

가설 설정

6 과 같이 3pm 에서 5pm 의 범위에서 매우 작은 요소들을 사용하였으며 비교적 영향이 적은 절삭 공구의 경우는 강체로 가정하여 비교적 큰 요소를 사용하였다. 그 밖의 공정 변수들은 다른 문헌을 고려하여 가정하였다.
에 나타내었다. 소재는 요소에 의한 공정 변수 변화를 최소화하기 위해 Fig.6 과 같이 3pm 에서 5pm 의 범위에서 매우 작은 요소들을 사용하였으며 비교적 영향이 적은 절삭 공구의 경우는 강체로 가정하여 비교적 큰 요소를 사용하였다. 그 밖의 공정 변수들은 다른 문헌을 고려하여 가정하였다.

제안 방법

(1) 동적 재결정 현상이 일어날 수 있는 온도를 (재결정 온도, 0.51^ 가정하고 주전단 영역의 온도가 0.5Tm 이상으로 올라갈 수 있도록 여러 공정변수들과 유동응력을 조절하였다. 이때 다른 변수들보다는 유동응력의 영향이 가장 컸다(3).
또한 온도값이 해석에 사용된 요소의 크기에 의존하는 성질을 보여 이를 충분히 작게 해 주었더니 약간의 온도 상승은 있었으나 역시 충분한 상승은 나타나지 않았다.(기 이에 주전단 영역에서의 실제 유동응력값이 기존 모델보다 큰 값이 아닌가를 검토하였다. 일반적으로 전단응력을 받는 영역의 크기에 따라 응력-변형률 관계는 Fig.
상용코드인 DEFORM 2D(6)를 사용하여 절삭 공정 중에 발생하는 현상을 시뮬레이션하였다. 파괴와 높은 변형률이 발생하는 공정이므로 요소 제거와 자동격자 생성기법을 사용하였다.
연구를 수행하였다. 유한요소해석을 통해서 절삭 조건들이 절삭 과정에 미치는 영향들에 대해서 고찰한 결과와(기 여러 문헌들로부터, 톱니형 칩의 생성 기구를 유추하고, 미소전단띠 부근에 작용하는 유동응력의 크기효과(size effect)로 인한 응력 증가 현상과 동적재결정 발생으로 나타나는 열적 연화(thermal softening)로 인한 응력 감소현상을 혼합한 새로운 형태의 유동응력을 제안한다. 이상의 연구를 유한요소해석에 적용하여 톱니형 칩의 생성, 칩과 피삭재의 응력 분포들을 살펴보고 새로운 연구 결과의 타당성을 검증하였다.
이상의 결과와 기존 유동응력모델에 의한 결과를 비교하고, 간단한 응용의 예로 새 유동응력모델을 사용하여 절삭속도에 따라 톱니형 칩의 형태가 어떻게 변화하는 지를 살펴 보았다.
전술한 바와 같이 온도가 상승하기 전에는 더 큰 유동응력이 작용하고 충분한 온도에 다다른 이후에는 동적재결정 발생에 따른 열적 연화를 가정하여 유동응력이 감소되는 모델(경화-연화 모델) 을 도입하였고, Fig.5 는 제안된 모델 중 고온에서의 응력-변형률 관계를 기존의 응력식(JC 모델) 과 비교하여 보여주고 있다.
중탄소강인 AISI 1045 를 대상으로 높은 변형률 속도 하에서 열적 연화 현상을 예측할 수 있는 유동응력 모델을 유한요소해석에 적용하여 절삭공정 중 미소전단띠의 형성과 톱니형 칩의 생성을 모사할 수 있었다.
크기효과에 의한 경화 작용과 동적재결정 현상에 따른 열적 연화 작용을 모두 고려한 유동응력 식을 도입하여 유한요소해석을 수행한 결과 실험과 유사한 톱니형 칩 생성을 예측하였다. 이상의 결과와 기존 유동응력모델에 의한 결과를 비교하고, 간단한 응용의 예로 새 유동응력모델을 사용하여 절삭속도에 따라 톱니형 칩의 형태가 어떻게 변화하는 지를 살펴 보았다.

대상 데이터

본 연구에서는 미소전단띠에 의한 칩 생성을 대상으로 하였다. 미시적인 관점에서 AISI 1045 의 경우 철계 재료의 특성상 미소 전단띠의 생성 (변형률 집중) 기구는 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다.
파괴와 높은 변형률이 발생하는 공정이므로 요소 제거와 자동격자 생성기법을 사용하였다. 소재는 AISI 1045 를 공구는 고속도강(H11)을 사용하였으며 두 재료의 특성은 Table 1.에 나타내었다. 소재는 요소에 의한 공정 변수 변화를 최소화하기 위해 Fig.

데이터처리

유한요소해석을 통해서 절삭 조건들이 절삭 과정에 미치는 영향들에 대해서 고찰한 결과와(기 여러 문헌들로부터, 톱니형 칩의 생성 기구를 유추하고, 미소전단띠 부근에 작용하는 유동응력의 크기효과(size effect)로 인한 응력 증가 현상과 동적재결정 발생으로 나타나는 열적 연화(thermal softening)로 인한 응력 감소현상을 혼합한 새로운 형태의 유동응력을 제안한다. 이상의 연구를 유한요소해석에 적용하여 톱니형 칩의 생성, 칩과 피삭재의 응력 분포들을 살펴보고 새로운 연구 결과의 타당성을 검증하였다.

이론/모형

파괴와 높은 변형률이 발생하는 공정이므로 요소 제거와 자동격자 생성기법을 사용하였다. 소재는 AISI 1045 를 공구는 고속도강(H11)을 사용하였으며 두 재료의 특성은 Table 1.

성능/효과

(2) 실험적으로 관찰이 어려운 미소 영역에 집중된 고속 변형 현상의 경우 실험적 결과로부터 유동응력 모델과 유한요소해석기법의 적절한 사용을 통해서 실제 재료의 거동을 유추할 수 있었다.
(3) 동적재결정 현상을 가정하여 고속 변형 중 발생하는 열적 연화 현상을 예측할 수 있는 유동응력 모델을 제안하고, 이를 직교 절삭 공정에 적용하여 톱니형 칩의 생성을 모사할 수 있었다. 또한 절삭속도에 따라 톱니형 칩의 전단띠 간격이 감소함을 확인하였다.
기존에 사용했던 모델이 전위 거동 모델에 기초한 식으로 마이크로 스케일에 적합하였다면, 실제 미소전단띠의 크기와 파괴 부위가 더 작은 영역 안에 있다면 좀 더 큰 응력이 작용했으리라는 추정을 하였다.(3) 이러한 추론에 근거하여 변형 초기에는 기존의 모델보다 경화 (hardening)를 더 고려한 식을 사용하였다. 이상의 가정과 같이 초기 변형에 의해 온도가 충분히 상승하여 동적재결정이 발생하게 되면 Fig.
이에 소재의 열적 성질 등과 같은 재료 상수와 마찰계수와 같은 공정 변수들을 변화 시켜 보았으나 역시 온도는 충분히 상승하지 못했다. 또한 온도값이 해석에 사용된 요소의 크기에 의존하는 성질을 보여 이를 충분히 작게 해 주었더니 약간의 온도 상승은 있었으나 역시 충분한 상승은 나타나지 않았다.(기 이에 주전단 영역에서의 실제 유동응력값이 기존 모델보다 큰 값이 아닌가를 검토하였다.
또한 절삭속도에 따라 톱니형 칩의 전단띠 간격이 감소함을 확인하였다.
2 에서 가정한 칩 생성 기구와 같은 순서대로 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 톱니형 칩 생성의 주요 원인이 경화- 열적 연화 유동응력모델에 따른 변형률 집중 현상과 유동웅력 감소 현상에 있었다는 사실도 입증할 수 있었다.
4 에서 보듯이 열적 연화 현상이 일어나게 된다. 이 과정 중에 최대 응력값과 열적 연화가 일어난 후의 최소 응력값과의 차이를 H 라 했을 때, 실제 톱니형 칩의 생성은 유동응력의 절대적인 크기보다 H 값의 크기에 따라 영향을 받는 것을 확인하였다.(3)
이상의 비교·고찰로부터 절삭공정에서 톱니형 칩의 형성 과정이 Fig.2 에서 가정한 칩 생성 기구와 같은 순서대로 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 톱니형 칩 생성의 주요 원인이 경화- 열적 연화 유동응력모델에 따른 변형률 집중 현상과 유동웅력 감소 현상에 있었다는 사실도 입증할 수 있었다.
해석 결과 Fig. 13과 14 에서 보듯이 절삭속도가 증가함에 따라 전단띠의 간격이 감소하는 것을 확인하였다.

후속연구

그러나 본 연구에서는 경화 현상과 연화 현상을 도입하여 새로운 유동응력모델을 제안하여 톱니형 칩 생성을 예측하는데 초점을 맞추느라 H 값의 유효 범위와 유동웅력의 절대적 크기와의 관계 등을 심도 있게 조사하지 않았고, 이는 추후의 연구에서 보완하기로 하겠다.
이상의 해석 결과에서 예상대로 새 유동응력 모델을 사용하여 톱니형 칩을 얻어서 본 연구와 기존 연구의(기, (3) 제안이 맞는다는 것을 확인할 수 있었지만, 생성 기구의 정확한 묘사와 기존의 연구에서 진행 중이었던 새 유동응력모델의 정식화, 절삭재 료의 다른 물성 치들 상호간의 매우 복잡한 영향 등을 더 고려해야 할 것이다.

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