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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.4 pp.101-108
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.4.101

A study on the optimal conditions for machining accuracy when endmill fillet cutting at the corner

Sung-Yun Choi*, Dae-Gyu Kwon*, In-Su Park*, Duck-Hyun Wang**#
*Graduate School, Kyungnam Univ.,
**School of Mechanical Engineering, Kyungnam Univ.
Corresponding Author : dhwang@kyungnam.ac.kr+82-55-249-2712, +82-55-999-2160
March 18, 2016 March 29, 2016 March 29, 2016

Abstract

Endmill fillet cutting at the corner was conducted with the online measurement of cutting forces and tool deflection by a tool dynamometer and an eddy current sensor system. The profile of the machined surface was also compared with the CAD profile with a Coordinate Measuring Machine (CMM) and CALYPSO software. It was found that the end mill cutter with four blades has a better surface profile than that with two blades, and the cutting forces and tool deformation were increased as the cutting speed was increased. When the tool located at the degree 45° corner was found to conduct the maximum cutting force than started to the point of the workpiece. As it was compared with the CMM and ANOVA analysis result in the case that the cutting force and tool deformation was the maximum, it was found that the result was affected by the spindle speed and the number of blades.


코너부 모깍기 엔드밀가공시 가공정밀도의 최적조건에 관한 연구

최 성윤*, 권 대규*, 박 인수*, 왕 덕현**#
*경남대학교 대학원,
**경남대학교 기계공학부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    금형산업에서 3차원곡면과 코너부가공을 위해 엔드밀가공이 널리 사용되고 있다. 기계 가공 중 밀링 에 의한 엔드밀 가공은 절삭가공에서의 중요성이 커가 고 있으며, 엔드밀 가공은 2개 이상의 절삭 날로 구성된 공구에 의해 단속절삭 공정에 주기적으로 미변형 칩두 께(Chip thickness)가 변하며, 경우에 따라 여러 개의 절삭 날이 동시에 절삭을 하기 때문에 절삭공정에 대한 해석이 칩두께가 일정한 연속절삭공정에 비해 매우복 잡하다.

    엔드밀에 의한 코너부 가공시 특히 모깍기 가공시 공구 변형 등에 의하여 형상치수 오차가 발생할 수 있다.

    Martellotti[1]는 상향 및 하향 밀링 공정에서의 공구 경로에 따른 미변형 칩두께(Undeformed chip thickness) 변화에 대한 기하학적 관계로 정립하였다. Tlust 등[2]은 상향 엔드밀 공정에서의 공구형상 상관관계를 이용하 여 절삭력을 비절삭저항과 미변형 칩단면적으로 나타 내는 절삭력 예측모델을 제시하고, 실제 절삭력 측정 실험을 통하여 제시된 모델의 타당성을 검토하였다. 간접적인 측정방법 가운데 음향방출(Acoustic Emission:AE)신호측정과, 공구동력계에 의한 절삭력 측정은 가동중인 설비의 진단 및 검사가 가능하고, 실시간 처리가 가능하며, 시험경비를 획기적으로 절약 할 수 있고, 절삭공정의 감시와 해석에 효과적으로 이용될 수 있다.[3] Dimla 등[4-5]는 가속도계와 공구동력 계를 사용해서 선삭가공 중 절삭력과 진동신호를 분석 하였고, Wang은 코너부의 펜슬가공시 볼엔드밀의 공 구변형을 와전류센서로 측정하였고[6], 절삭력과 음향 방출신호를 동시에 사용해서 공구파손을 검출하는 연구를 수행하였다.[7] 가공시 코너 반경[8]과 공구날끝 반경의 영향[9]에 관한 연구도 진행되었다.

    본 연구에서는 산업현장에서 일반적으로 많이 사용 되고 있는 재료인 SM45C 기계구조용 탄소강을 피삭재 로 사용하고 엔드밀 공구로 코너부 모서리에 모깍기형 상의 엔드밀 하향절삭을 직교배열표를 활용하여 가공 조건변화에 따른 절삭력 특성과 코너반경 R값을 측정 해 가공결과에 영향을 미치는 요인들을 통계적 방법인 분산분석(ANOVA)으로 파악하였다.

    2.실험장치 및 방법

    본 실험에서는 엔드밀 절삭저항과 공구변형 측정을 위하여 CNC 머시닝 센터에서 Fig. 1과 같이 테이블상 면에 절삭저항 측정을 위하여 3축 공구동력계(Tool dynamometer)와 공구변형을 측정하기 위해 와전류센 서(Eddy current sensor)를 설치하여 Photo. 1과 같이 X, Y 축의 변위를 동시에 측정하기 위하여 와전류센서 고정 장치를 설치하고 공구끝단으로부터 40mm 되는 부분에 와전류 센서간의 신호간섭을 최소화하기 위하 여 측정치구(Measuring fixtures)를 엔드밀 생크(Shank) 부에 부착하여 엔드밀 가공실험을 하였다.

    위 조건을 토대로 직교 배열표를 활용, 가공조건을 Table 1과 같이 설정하여 피삭재의 기준 치수와 좌표계 및 R10의 모깍기 형상가공에 대하여 CAM 프로그램생 성이 가능한 CATIA를 사용하여 모델링하고 수치제 어(NC) 코드를 생성하였다. Fig. 2.

    7개의 열 중에서 5개의 열을 임의로 택하여 배치하여 5개의 인자를 각각 A,B,C,D,E로 표시하고 각각 열 번호 1,2,3,4,5에 차례로 배치하였고 인자의 수준은 숫자 0에는 수준 0을, 숫자 1에는 수준 1을 배치하여 Table 2와 같이 L8(27) 직교배열표를 작성하였다.

    직교배열표에 어떤 인자를 어떤 열 번호에 배치하느 냐, 또는 각 인자에 대해서 어떤 수준을 0 또는 1에 배치하느냐는 불규칙하게 결정한다. 그러나 가급적이 면 기본표시 a에는 A를 b에는 B를 배치시키는 것이 해석하기에 편리하다. 실험번호대로 실험순서를 정하 여서는 안 되며, 반드시 실험순서는 불규칙하게 정해 주어야 한다.

    Table 3의 실험조건대로 8회의 실험을 불규칙적으로 준비한 시편 (35x35x35, SM45C)에 모깍기 가공실험을 실시하였다.

    Fig. 3(a)는 CATIA에 의한 R10 모깍기 가공된 피삭재 의 형상이고 Fig. 3(b)는 실제 가공된 피삭재의 형상이 다. 가공된 시편은 Fig. 4(a)에 나타낸 CARL ZEISS사의 CONTURA-G2 3차원측정기로 가공 형상을 측정 하였 으며 Fig. 4(a)는 3차원 측정기 이고, Fig.4(b)는 측정데 이터를 저장을 위해 사용한 CALIPSO 프로그램을 나타 낸 것이다.

    3차원 측정기로 가공된 시편과 모델링치수의 편차 를 CALIPSO 프로그램으로 비교하여 정밀도의 변화를 측정하였다. Table 4에 3차원 측정장비와 정밀도 비교 프로그램의 사양을 나타내었으며, Table 5는 3차원 측정장비의 측정조건을 나타내었다.

    3.실험결과 및 고찰

    Table 2와 Table 3의 직교배열표 실험순서에 따라 모깍기 가공실험을 실시하면서 공구동력계와 와전류 센서로 각각 x, y, z축의 절삭력과 x, y축의 공구변형량 을 측정한 결과들을 Fig. 5와 Fig. 6에 각각 나타 내었다. Fig. 5(a)는 x축 방향으로 측정된 절삭분력이고 Fig. 5(b)는 y축방향 절삭분력 그리고 Fig. 5(c)는 z축 방향으 로 측정된 절삭분력이다.

    Fig. 6(a)는 x축방향으로 측정된 공구변형량이고, Fig. 6(b)는 y축 방향의 공구변형량을 나타낸 결과들이 다.

    모깍기 R10에 대한 편차에 대한 3차원 측정결과에 대한 분산분석을 실시하여 어떤 인자가 유의한지를 검토하였다. Table 6은 실험 조건별 측정 결과와 모델링 사이의 편차를 나타낸 표이다.

    모깍기 가공시 CAD도면상의 형상과 공구변형에 의한 실제가공면의 형상을 비교하기 위해 3차원측정 기로 형상을 측정하였으며, CALIPSO 프로그램의 측 정결과를 Fig. 7에 나타내었다.

    본 연구에서 선정한 인자들이 가공정밀도에 미치는 영향을 통계적 방법으로 분석하기 위하여 Minitab을 사용하여 분산분석을 수행하였다. 분산분석에서 유의 수준은 0.05 즉, 5%로 설정하였고 P<0.05가 되면 유의 하다고 볼 수 있다. 유의하다는 것은 인자에 영향을 미친다는 것이고 즉, 실제가공 에서 영향을 주는 요인 이라고 할 수 있다. 실험 4에서 R10에 가장 근접한 결과를 나타내었으며 두 번째로 근접한 결과를 나타낸 실험 8과 비교할 때 회전수가 증가하고 절입량이 감소 하더라도 공구날 수가 가공결과에 영향을 미친 것으로 생각된다. Minitab을 이용해 결과를 분산분석을 통하 여 검증하였으며 Table 7은 분산분석의 결과이다.

    분산분석결과에서 P<0.05 로 유의한 인자는 (E)로 공구의 날수와 (A)의 주축회전수이며, 실제가공에서 영향을 주는 요인이라고 할 수 있다. 분산분석의 주효과의 그림은 Fig. 8과 같이 나타났다.

    모깍기 형상의 곡면에서 절삭조건의 변화에 따른 공구동력계에서 측정한 X, Y, Z축의 측정결과에서 합력의 최대값을 가지고 Minitab 통계분석을 통해 어떤 인자가 가공에 영향을 미치는지 확인하였다. Table 8 에 공구동력계에서 측정된 X, Y, Z축의 측정 결과에 대한 합력의 최대값을 나타내었다.

    공구동력계 최대값의 합력으로 분산분석을 실시한 결과 P<0.05가 되는 유의한 인자는 (A)의 주축회전수 이며, 실제가공에서 영향을 주는 요인이라고 할 수 있다. 분석결과는 Table 9 에 나타내었으며 분산분석의 주효과 그림은 Fig. 9에 나타내었다.

    와전류센서에 의해 측정된 공구의 변형에 대한 X, Y축의 합력의 최대값을 가지고 어떤 인자가 가공에 영향을 미치는지 확인하였다. Table 10은 공구 변형측 정값에 대한 합력의 최대값을 나타낸 것이다.

    공구변위 합력의 최대값에서 어떤 인자가 가공 결과 에 영향을 주는지 확인하기 위하여 분산분석을 하였으 나 유의한 인자는 나타나지 않았으며 Table 11은 분산 분석의 결과이다.

    분산분석 결과에서 P<0.05 로 와전류센서 측정값의 공구변형의 측정값에 대한 합력을 분산분석한 결과 에서는 유의한 인자가 나타나지 않았으며 (E)의 공구 날의 수가 P<0.05 에 근접한 것으로 나타났으며 , 분산 분석의 주효과 그림은 Fig. 10과 같이 나타났다.

    공구동력계의 측정값의 합력에서는 (A)의 주축회 전수가 유의한 인자로 나타났으며 와전류센서에 의해 측정된 값에 대한 변형량의 최대값에 대한 분석에서는 유효한 인자를 발견할 수 없었다. 하지만 각각의 분산 분석 결과를 비교해볼 때 절삭소요동력과 공구변형값 합의 크기에는 주축의 회전수와 공구날 수가 결과에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다.

    4.결 론

    본 연구에서는 머시닝센터로 코너부에 R10의 모깍 기 형상의 하향절삭가공에서 스핀들 회전수, 이송, 절 입깊이, 공구직경, 공구날수의 변화에 따라 가공정밀 도에 어떤 영향을 미치는가를 연구하고자 절삭력과 공구변형량을 실시간으로 측정하였으며, 가공된 면의 형상정밀도를 3차원측정기로 측정하여 최적의 조건 을 파악하고자 ANOVA 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 이송속도, 가공깊이, 공구직경보다 공구 날의 수 및 주축 회전수의 변화가 모깍기 R10 가공형상 정밀도에 영향을 미치는 것으로 볼 수 있다.

    2. 절삭력의 힘이 커질수록 공구의 변형은 크게 일어났 으며, 하향절삭에서 공구가 시편의 도입부 진입시 보다 측면부를 지나 코너 45°부에 진입 시 가장 큰 절삭력을 받으며 공구의 변화가 급격히 일어남 을 알 수 있었다.

    3. 공구동력계와 와전류센서에 의해 측정된 값에 대한 최대값의 분산분석결과에서 주축의 회전수와 공 구날의 수가 결과에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 각각의 결과를 비교해볼 때 절삭조건이 최적조건에 가까울수록 가공 소요 동력과 공구의 변위는 작아지는 것을 알 수 있었다.

    Figure

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    Schematic illustration of experimental system

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    Photograph of experimental system

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    LabVIEW program for measuring three cutting forces(x-, y-, z-) and two tool deflection(x-, y-)

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    CAD modeling and endmill filleted material

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    Coordinate measuring machine and measured profile

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    Measured cutting force by tool dynamometer

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    Measured tool deflection by eddy current sensor system

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    Measurement CALYPSO software at experiments from number 1 to number 8

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    Main effects plot of CALYPSO results

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    Main effects plot of maximum resultant cutting force

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    Main effects plot of resultant maximum tool deflection

    Table

    Experimental conditions for machining tests

    L8(27) in place of the five factors

    The experimental conditions

    The specifications of coordinate measuring machine (CMM)

    Measurement conditions

    Deviation of the modeling and measurement table

    Dispersion modeling and analysis of variance table measurements

    Maximum value of resultant cutting force

    Maximum value of resultant force measured by tool dynamometer

    Maximum value of resultant tool deflection measured by eddy current sensor system

    Maximum value of the average variance of the tool deflection

    Reference

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