[논문]미세형조방전가공의 공구마모형상 예측

허세곤; 이민규; 윤희택; 정영훈; 민병권; 이상조

문제 정의

본 연구에서는 미세 형조방전 가공에서 공구의 마모로 인한 가공품질 저하를 해결하기 위하여 공구마모를 예측할 수 있는 3 차원의 기하학적 시뮬레이션을 제안한다. 제안한 시뮬레이션은 공구의 형상과 움직임, 방전 간극, 절연액 및 전극의 물성과 인가된 전기에너지에 의한 크레이터의 크기 등의 가공 인자를 고려하여 가공 중인 공구와 가공물의 형상변화를 시각적으로 표현한다.
본 연구에서는 미세 형조방전 가공에서의 공구의 마모와 가공물의 가공형상을 예측하는 기하학적 시뮬레이션 모델을 제안하였다. 이 모델은 3 차원 기하학적 모델, 방전점 결정 모델, 재료제거 모델로 나누어져 실제 형조방전가공을 모사한다.

가설 설정

공구 표면에 생성되는 크레이터의 부피는 공작물의 크레이터 부피와 공구마모비의 곱으로 결정된다. 시뮬레이션에서의 크레이터의 형상은 반원으로 가정하며, 방전점에서 가까운 요소들을 정해진 부피만큼 차례로 제거해나감으로써 반원 형상의 크레이터를 생성한다.

제안 방법

공구는 한 변의 길이가 700μm 인 정사각형 단면을 가지는 사각기둥 모양으로 형상화하였고, 이 공구를 평평한 시편으로부터 15μm 위에서 수직방향 아래로 365μm 깊이만큼 이송시켜 가공하였다.
이 모델은 3 차원 기하학적 모델, 방전점 결정 모델, 재료제거 모델로 나누어져 실제 형조방전가공을 모사한다. 또한, 실제 가공공정의 다양한 가공인자를 단순화된 시뮬레이션 인자인 단발방전시 크레이터 부피, 공구마모비, 방전간극, 방전 빈도수 등으로 재정의하여 적용하였으며, Z-map 알고리즘을 사용하여 공구마모 형상과 가공물의 형상을 3 차원으로 예측한다. 시뮬레이션 결과는 방전가공에서의 공구 마모 양상을 잘 보이고 있으며, 이로 인한 가공물의 형상 역시 예측할 수 있음을 보였다.
공구와 공작물의 물질, 절연액의 종류, 스파크 유지시간은 한 번의 스파크 발생시 생성되는 공구와 공작물에서의 크레이터 형상과 공구마모비(tool wear ratio)를 결정한다. 본 시뮬레이션에서는 주어진 조건에서의 공작물의 크레이터 부피와 공구마모비를 실험을 통해 측정하여 적용한다. 공구 표면에 생성되는 크레이터의 부피는 공작물의 크레이터 부피와 공구마모비의 곱으로 결정된다.
본 연구에서 제안하는 미세 형조방전 가공의 시뮬레이션은 크게 3 차원 기하학적 모델, 방전점 결정 모델, 재료 제거 모델로 구성된다. 3 차원 기하학적 모델은 초기 공구와 공작물의 형상과 상호 위치 관계를 정의하고 가공 중 공구의 움직임과 변화하는 전극의 형상을 표현한다.
시뮬레이션의 신뢰성을 확인하기 위하여 간단한 모양의 공구를 사용하는 미세 형조방전가공에서의 공구마모 형상과 공작물의 가공형상을 시뮬레이션을 통해 예측해 보았다. 공구는 한 변의 길이가 700μm 인 정사각형 단면을 가지는 사각기둥 모양으로 형상화하였고, 이 공구를 평평한 시편으로부터 15μm 위에서 수직방향 아래로 365μm 깊이만큼 이송시켜 가공하였다.
본 연구에서는 미세 형조방전 가공에서 공구의 마모로 인한 가공품질 저하를 해결하기 위하여 공구마모를 예측할 수 있는 3 차원의 기하학적 시뮬레이션을 제안한다. 제안한 시뮬레이션은 공구의 형상과 움직임, 방전 간극, 절연액 및 전극의 물성과 인가된 전기에너지에 의한 크레이터의 크기 등의 가공 인자를 고려하여 가공 중인 공구와 가공물의 형상변화를 시각적으로 표현한다. 나아가, 개발된 시뮬레이션 모델은 공구의 마모를 고려하여 원하는 가공물 형상을 얻을 수 있는 금형의 형상 설계에 모듈로써 활용될 수 있을 것이다.

성능/효과

또한, 실제 가공공정의 다양한 가공인자를 단순화된 시뮬레이션 인자인 단발방전시 크레이터 부피, 공구마모비, 방전간극, 방전 빈도수 등으로 재정의하여 적용하였으며, Z-map 알고리즘을 사용하여 공구마모 형상과 가공물의 형상을 3 차원으로 예측한다. 시뮬레이션 결과는 방전가공에서의 공구 마모 양상을 잘 보이고 있으며, 이로 인한 가공물의 형상 역시 예측할 수 있음을 보였다. 개발된 시뮬레이션은 미세 형조방전 가공에서 공구의 마모를 보정하여 원하는 가공 형상을 얻을 수 있는 금형의 형상 설계에 활용됨으로써 가공품질 향상에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
2(b)를 통해 확인할 수 있다. 위의 결과를 통해 미세 형조방전가공 시뮬레이션은 공구의 마모형상과 공작물의 가공형상을 실제와 유사하게 예측할 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

시뮬레이션 결과는 방전가공에서의 공구 마모 양상을 잘 보이고 있으며, 이로 인한 가공물의 형상 역시 예측할 수 있음을 보였다. 개발된 시뮬레이션은 미세 형조방전 가공에서 공구의 마모를 보정하여 원하는 가공 형상을 얻을 수 있는 금형의 형상 설계에 활용됨으로써 가공품질 향상에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
제안한 시뮬레이션은 공구의 형상과 움직임, 방전 간극, 절연액 및 전극의 물성과 인가된 전기에너지에 의한 크레이터의 크기 등의 가공 인자를 고려하여 가공 중인 공구와 가공물의 형상변화를 시각적으로 표현한다. 나아가, 개발된 시뮬레이션 모델은 공구의 마모를 고려하여 원하는 가공물 형상을 얻을 수 있는 금형의 형상 설계에 모듈로써 활용될 수 있을 것이다.

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