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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.6 pp.136-141
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.6.136

Analytic Study on Pulsed-Laser Polishing on Surface of NAK80 Die Steel

Kwan-Woo Kim*, Seung-Hwan Kim**, Hae-Yong Cho*#
*School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University.
**Graduate School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University.
Corresponding author : hycho@chungbuk.ac.kr Tel: +82-43-261-2464, Fax: +82-43-263-2448
December 5, 2015 December 9, 2015 December 11, 2015

Abstract

Laser surface polishing is a polishing method for improving surface roughness using an integrated laser beam. Using a laser for surface polishing can improve the surface condition without physical contact or chemical action. Laser polishing has mainly been used to polish the surface of diamond or optical articles, such as lenses and glasses. Recently, diverse studies on laser polishing for metals have been conducted. The analytic study of laser surface polishing has been conducted with experimental trials for comparison, so that the proper conditions for laser polishing can be recommended. In this study, laser surface polishing was simulated in order to predict the heat-affected zone on the die steel depending on the power of the pulsed laser. The simulated results were verified by comparing them to those of the experimental trials. Through this study, therefore, the application of FEM to the selection of appropriate laser conditions could be possible.


펄스레이저에 의한 NAK80 금형강 표면연마의 해석적 연구

김 관우*, 김 승환**, 조 해용*#
*충북대학교 기계공학부
**충북대학교 대학원 기계공학과

초록


    1.서 론

    표면연마는 금속이나 폴리머 등의 표면을 물리적 으로 문지르거나 화학적 작용에 의해 표면의 상태 를 개선하는 과정을 말한다[1]. 표면연마 후 시료의 표면은 표면조도가 개선되어 매끄럽고 빛나게 된 다.

    레이저를 이용한 표면연마는 표면연마 방법 중 하나로서 집적화된 레이저 빔을 이용해 시료의 표 면을 용융시켜 개선시키는 방법이다. 레이저 표면 연마의 장점으로 3차원 형상의 표면연마를 위한 물리적 수작업으로부터 벗어날 수 있으며, 에칭과 같은 부수적인 화학적 물질의 첨가가 필요 없다. 더불어 전통적인 표면연마 기술의 낮은 연마율과 가공영역 결정의 어려움, 자동화 시스템으로서의 제한 등의 단점을 보완할 수 있다[2~3].

    레이저 표면연마는 주로 다이아몬드나 렌즈, 안 경 등의 광학계에 사용되었으나[4], 최근에는 금속 의 표면연마에도 적용되고 있다. 그리고 이에 따 라 금속 표면의 개선을 위한 레이저 표면연마의 다양한 연구도 진행되고 있다. 더 나아가 유한요 소해석을 이용한 연구로는 레이저 표면연마를 위 한 적정 가공조건의 제시가 가능하다. 이러한 해 석적 연구를 위해서는 레이저와 재료의 상호작용 특성파악이 중요하고, 공정변수에 따른 가공 범위, 품질 개선 정도 등의 다양한 데이터가 필요하다. 따라서 이에 관련된 많은 실험적 연구들도 진행되 고 있다[5~7].

    본 연구에서는 상용 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용해 펄스레이저의 출력에 따라 NAK80 금형강 표면에 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 또한 해석 결과를 동일 조건의 실험 결과 와 비교분석하여 레이저 표면연마의 해석적 연구 의 신뢰성을 검증하고자 하였다. 더불어 유한요소 해석을 이용한 펄스레이저 표면연마의 적정 가공 조건 제시가 가능함을 검토하고자 하였다.

    2.펄스레이저 표면연마 유한요소해석

    본 연구에서는 상용유한요소 해석 프로그램인 DEFORM-3D의 MO(Multiple Operation) 기능을 이 용하여 펄스레이저에 의한 표면연마를 시뮬레이션 하였다. 해석을 통한 레이저 표면연마의 적정 조 건을 제시하기 위한 연구로서, 레이저 출력에 따 른 조건이 NAK80 금형강 표면에 끼치는 영향을 연구하고, 이를 동일 조건의 실험과 비교분석하고 자 하였다.

    2.1.재료 물성 조사

    금형강의 표면연마에 사용한 소재는 NAK80이다. Table 1과 같은 화학 조성을 갖는 NAK80은 자동차 라이트, 투명광택 제품, 가전 및 OA기기의 고광택 사출용 금형으로 주로 사용되며, 내열성이 좋고, Hv 400 이상의 높은 경도를 갖는다.

    열 해석에 NAK80을 적용하기 위해서는 재료의 온도에 따른 열적 물성이 필요하며, 이는 열전도도, 비열, 밀도, 열대류계수 등이 있다. 열확산 측정장 비(NETZSCH, LFA 457)를 이용해 NAK80의 열적 물성치를 측정하였으며, 최종적으로 해석에 적용한 NAK80의 열전도도와 비열을 Fig. 1에 나타내었다.

    2.2.레이저 열원 모델링

    레이저 열원 모델은 원기둥 형상의 출력 밀도 분 포를 갖는 레이저 빔으로 가정하였다. 실험으로 빔 프로파일을 측정하였고, 이를 근거로 해석에 적용 하기 위한 레이저 열원을 모델링하였다. Fig. 2은 측정한 빔 프로파일과 열원 모델의 형상 변수를 나 타낸 것이다.

    2.3.Nd:YAG 펄스레이저

    금형강의 표면연마를 위해 적용한 레이저는 Nd:YAG 레이저이다. Nd:YAG 레이저는 CO2 레이 저와 함께 용접과 같은 고출력 레이저로서 널리 사 용되고 있다. CO2 레이저에 비해 평균출력은 작지 만, 첨두출력은 대형 CO2 레이저에 버금갈 정도로 높다. 또한 첨두출력과 펄스폭의 조절이 가능하기 때문에 순간적인 국부 가열이 가능하며, 보다 작은 열 영향부위로 정교한 가공이 가능하다[8].

    해석에 적용한 펄스레이저는 370 μm의 열원직경 에 30 ns의 펄스폭과 50 kHz의 반복주기, 1000 mm/s의 스캔속도로 표면을 연마한다. 펄스레이저의 출력을 변수 조건으로 설정하였으며, 이에 따른 열 영향부를 관찰하고자 하였다. 해석에 적용한 펄스 레이저의 자세한 조건 및 사양을 Fig. 3에 도식화하 였고, Table 3에 정리하여 나타내었다.

    2.4.NAK80 금형강 모델링

    열 해석을 위한 해석 모델은 가로 12.8 mm, 세로 3 mm, 높이 2 mm 인 직각 육면체의 형상이며, 조 사된 NAK80의 열적 물성을 적용하였다. 요소 크기 는 레이저 열원의 경로를 따라 더욱 조밀하도록 요 소분할 하였으며, 이를 통해 해석의 효율성과 결과 의 정확성을 높이고자 하였다. 해석에 적용한 모델 링 및 열원의 이송경로를 Fig. 4에 나타내었다.

    2.5.해석 경계조건

    레이저 표면연마를 위한 열 해석은 레이저의 조 사방법, 출력, 열원형상, 빔 이송경로 및 속도, 스텝 분할 등 세부적인 변수를 설정해야 한다. 특히, 본 연구는 펄스레이저를 이용한 표면연마이기 때문에 펄스 레이저의 입열과 냉각 구간의 스텝 개수 선정 이 중요하다. 입열 구간과 냉각 구간의 스텝 선정 을 위해 실시한 기초 열 해석으로부터 적정 스텝 개수는 입열과 냉각 구간에서 각각 20개, 2개로 조 사되었다. Table 4에 해석에 적용한 해석 경계조건 을 자세히 정리하였다.

    2.6.해석결과 분석방법

    해석 결과를 동일 조건하에 진행한 실험과 비교 분석하여 해석 결과의 신뢰성을 검토하고자 하였 다. 이를 위해선 해석 결과에 대한 타당한 분석이 필요하다.

    펄스레이저에 의한 표면연마 시뮬레이션에서 소 재는 레이저열원에 의해 온도가 점점 증가하며, 1500 °C가 넘는 범위 내에 소재는 용융되어 NAK 80 금형강의 표면이 연마되었다고 가정한다[9]. 이를 바탕으로 해석 결과로서 용융 폭과 깊이를 측정한 다. 해석과 실험 결과의 용융 범위 비교분석 방법 을 Fig. 5에 나타내었다.

    3.펄스레이저 표면연마 실험

    펄스레이저를 이용한 금형강의 표면연마 실험은 해석과 동일한 레이저 조건하에서 진행하였다. DEFORM을 통한 표면연마 시뮬레이션과 같이 NAK80 시험편 표면에 레이저를 조건별로 한 줄씩 조사하였다. 실험 결과로서 레이저에 의해 가공된 용융범위를 측정하고 이를 해석 결과와 비교하고자 하였다.

    3.1.실험 장비

    Fig. 6에 나타낸 표면연마 실험 장비는 5축 가공 기의 밀링 축에 노즐기반의 광학헤드를 적용한 장 비로서, 적용된 레이저는 빔 흡수율이 높고 빔의 질이 우수한 Nd:YAG 레이저이다.

    3.2.시험편

    NAK80 금형강 시험편은 가로와 세로가 50 mm, 높이 10 mm 인 직육면체 형상이다. 시험편 한 쪽 표면을 밀링으로 가공하고, 펄스레이저의 출력을 달리하여 밀링 가공한 표면에 한 줄씩 조사하였다.

    레이저 표면연마 후, 용융 깊이를 관찰하기 위하 여 레이저 경로에 수직한 방향으로 절단하였다. 1/3 정도의 절단 위치는 펄스레이저에 의한 열영향부의 범위가 충분히 수렴하였을 것으로 판단된다. 절단 면은 경면이 되도록 사포로 연마하고 에칭하였다. 또한 용융 폭 관찰을 위해서 레이저 가공면을 에칭 하였다. 이러한 후처리 방법을 Fig. 7에 도식화하여 나타내었다.

    4.결과 및 고찰

    4.1.열 해석 및 실험 결과 측정

    유한요소해석을 통해 예측한 해석 결과와 동일 조건의 한 줄 실험의 측정 결과를 다음과 같이 Table 5에 나타내었다. 이때 결과는 각각의 가공조 건마다 5 곳을 선정하여 절사평균 하였다.

    해석에서 소재의 온도가 1500°C 이상의 범위를 용융되어 표면이 연마되었다고 가정하였고, 레이저 표면연마 가공조건별로 예측된 용융 깊이와 용융 폭을 측정하였다.

    출력에 따른 펄스레이저를 한 줄씩 조사한 실험 의 결과로서 용융 폭과 용융 깊이 측정하였다. 용 융 폭은 Fig. 8에 나타낸 것과 같이 소재가 용융되 어 흘러넘친 흔적으로 측정이 가능하였으나, 용융 깊이는 확실한 흔적이 나타나지 않아 일반적인 광 학 현미경으로는 측정이 어려울 것으로 판단된다.

    4.2.비교분석 및 고찰

    해석 결과와 실험 결과에서 각 가공조건별 펄스 레이저 출력은 50 W 씩 일정하게 증가함에도 불구 하고, 용융 범위의 증가폭은 점점 줄어드는 경향을 보였다. 또한 예측된 해석 결과로부터, 펄스레이저 의 출력이 높아짐에 따라 용융 폭보다 용융 깊이에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.

    Fig. 9는 펄스레이저 출력에 따른 표면연마의 해 석과 실험 결과의 용융 폭 비교를 위한 그래프를 나타낸 것이다. 해석과 실험 결과의 경향 및 정량 적인 수치는 서로 잘 일치하였다. 또한 이로써 해 석 결과의 신뢰성은 검증되었다고 판단된다. 이를 바탕으로 실험에서 실제 측정이 어려운 용융 깊이 를 해석 결과로부터 예측하였다.

    5.결 론

    본 연구에서는 NAK80 금형강의 펄스레이저 표 면연마 시뮬레이션을 통해 열영향부를 예측하고 용 융 범위를 측정하였다. 또한 동일 조건하의 실험에 서도 용융 범위를 측정하였다. 측정된 해석과 실험 결과를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 유한요소해석과 실험 결과의 용융 폭 비교 및 용융범위 증가폭 경향 등을 비교분석한 결과는 서로 잘 부합하였으며, 이로써 해석 결과의 신뢰 성을 검증할 수 있었다.

    2. 실험 결과 측정에서 광학현미경을 통한 용융 깊 이의 실제 측정은 매우 힘들었고, 용융 깊이는 해석 결과로 예측할 수 있었다. 동일 조건 실험 결과와의 비교를 통한 해석 결과는 이미 검증되 었기 때문에 다양한 가공조건에 대한 용융 깊이 예측이 가능하고 이러한 해석적 방법은 적정 가 공조건 설정에 도움을 줄 수 있다.

    3. 본 연구는 NAK80 금형강의 펄스레이저 표면연 마 해석과 실험의 비교분석을 통해 해석 결과의 신뢰성을 검토하였으며, 더불어 앞으로의 더욱 다양한 해석적 연구로 펄스레이저 표면연마의 적정 가공조건 선정이 가능할 것이다.

    Figure

    KSMPE-14-136_F1.gif
    Description for pulsed laser
    KSMPE-14-136_F2.gif
    Parameter of circular cylinder laser beam
    KSMPE-14-136_F3.gif
    Description for pulsed laser
    KSMPE-14-136_F4.gif
    Modeling for simulation
    KSMPE-14-136_F5.gif
    Comparison of molten zone
    KSMPE-14-136_F6.gif
    Equipment for experiment
    KSMPE-14-136_F7.gif
    Cutting direction of NAK80 specimen
    KSMPE-14-136_F8.gif
    Molten zone on NAK80 specimen surface
    KSMPE-14-136_F9.gif
    Comparison of results between simulation and experiment

    Table

    Chemical composition of NAK80 (%)
    Conditions of pulsed laser
    Boundary conditions for simulation
    Results of simulation and experiment

    Reference

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