[논문]다구찌 법을 이용한 초경합금의 최적 레이저 가공에 관한 연구

박기범; 한성재; 황종대; 정윤교

[국내논문] 다구찌 법을 이용한 초경합금의 최적 레이저 가공에 관한 연구
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박기범 (창원대학교 대학원 기계공학과) , 한성재 (창원대학교 기계공학과) , 황종대 (창원대학교 TIC) , 정윤교 (창원대학교 기계공학과)

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문제 정의

본 연구에서는 Nd-YAG 레이저를 이용하여, 가공깊이, Ro undness, 표면거칠기에 미치는 인자인 레이저 전류의 크기, 주파수 및 스캐너 헤드 스피드를 변화시켜가며 초경합금의 가공을 수행하였다. 얻어진 실험데이터는 다구찌 실험계획법을 이용하여 분석, 평가함으로서 초경합금의 레이저 가공에 있어서 최적의 가공조건을 선정하는 것이 본 연구의 목적이다.
본 연구에서는 초경합금을 대상으로 레이저 가공을 수행할 시 가공깊이, Roundness, 표면 거칠기에 영향을 미치는 인자인 전류의 크기, 주파수, 스캐너헤드스피드의 수준을 변화 시켜가며, 초경합금을 가공한 뒤 이들의 반응치를 평가하여 초경합금의 레이저 최적 가공 조건의 선정에 목표를 두고 연구를 수행하였다.

제안 방법

실험 결과를 평가하기 위한 반응치로서 표면거칠기는 Mytutoyo 사의 촉침식 표면조도계를, Roundness 와 가공깊이의 측정은 3차원측정기(Brown & Sharpe 사제)를 사용하였다.
본 연구에서는 Nd-YAG 레이저를 이용하여, 가공깊이, Ro undness, 표면거칠기에 미치는 인자인 레이저 전류의 크기, 주파수 및 스캐너 헤드 스피드를 변화시켜가며 초경합금의 가공을 수행하였다. 얻어진 실험데이터는 다구찌 실험계획법을 이용하여 분석, 평가함으로서 초경합금의 레이저 가공에 있어서 최적의 가공조건을 선정하는 것이 본 연구의 목적이다.
본 연구에서 제어인자로서는 전류의 크기, 주파수 및 표면 거칠기가 고려되었으며 인자들의 수준으로서 전류의 크기는 20, 22, 24(A), 주파수는 10, 15, 20(kHz), 스캐너헤드스피드는 100, 150, 250(mm/s) 로서 최종적으로 Table 2와 같은 3인자 3수준의 직교배열표를 이용하였다. Table 3 은 직교배열표에 따른 실험조건을 나타내고 있다.
Table 3 은 직교배열표에 따른 실험조건을 나타내고 있다. 표의 실험결과를 기반으로 다구찌실험 계획법을 이용하여 시편의 가공깊이, Roundness, 표면거칠기에 가장 큰 영향을 주는 인자를 선정하였다.

대상 데이터

실험에 사용되어진 레이저 가공기는 독일의 DMG사가 제작한 Nd-YAG 레이저 가공기(DMG40) 로 PC에 의한 이송경로의 제어와 레이저빔의 출력제어가 가능하도록 구성 되어져 있다. 또한, 가공정밀도를 높이기 위하여 가공중이라도 가공깊이를 측정할 수 있도록 측정 Prob가 가공기에 장착되어져 있다.

성능/효과

3이다. 그림에서 보는바와 같이 가공깊이의 경우는 전류의 크기가 24A, 주파수 15kHz, 스캐너헤드스피드 250mm/s의 조건이 최적임을 알 수 있으며, Roundness는 전류의 크기가 24A, 주파수 10kHz, 스캐너헤드스피드 100mm/s의 조건이 최적이며, 표면거칠기는 전류의 크기가 20A, 주파수20kHz, 스캐너 헤드 스피드 100mm/s의 조건이 최적임을 알 수 있었다. Table 4는 실험반응치인 가공깊이, Roundness, 표면거칠기 3가지 항목을 종합하여 결론을 내린다.
4는 Table 5에서 얻어진 각 인자들의 수준에 따른 S/N비의 평균값을 그래프로 나타낸 그림 이다. 이러한 과정을 통하여 가공깊이, Roundness, 표면거칠기에 대한 전류의 크기(A), 주파수(khz), 스캐너헤드스피드(mm/s)의 최적 조건을 찾을 수 있었다. 최적 조건은 전류의 크기 20 A, 주파수 20kHz, 스캐너헤드스피드 100mm/s임을 알 수 있었다.
이러한 과정을 통하여 가공깊이, Roundness, 표면거칠기에 대한 전류의 크기(A), 주파수(khz), 스캐너헤드스피드(mm/s)의 최적 조건을 찾을 수 있었다. 최적 조건은 전류의 크기 20 A, 주파수 20kHz, 스캐너헤드스피드 100mm/s임을 알 수 있었다.
다구찌의 실험계획법을 적용하여 3인자 3수준의 직교배열표을 이용해 실험 횟수를 최소화하여 수행하였으며, 실험의 결과로부터 각 반응치인 가공깊이, Roundness, 표면 거칠기에 대한 최적의 인자의 수준을 결정할 수 있었다.

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