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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.5 pp.73-79
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.5.073

A Study on the Precision of a Machined Surface in Thrust Internal Grinding

Hwan Choi*, Chang-Yeon Seo**, Young-Il Seo***, Choong-Seok Lee****#
*Dept. of Mechanical Design Engineering, Kumoh National University of Technology.
**VESSEL CO., LTD.,
***SL Global CO. LTD.,
****CS&Tech. Company
Corresponding Author : csntech99@gmail.com070-4117-4432, 0504-040-4432
May 18, 2016 July 21, 2016 August 29, 2016

Abstract

In this paper, the grinding characteristics in thrust internal grinding have been studied using vitreous CBN wheels with a machining center. Grinding experiments have been performed according to grinding conditions such as wheel feed speed, cut depth, workpiece speed, rate of grinding width and number of grinding passes. The machining error, shape of machined surfaces, grinding force, and surface roughness have been investigated though these experiments. Based on the experimental results, the grinding characteristics on the machined surface in the internal thrust grinding are discussed.


스러스트 내면 연삭가공의 가공면 정도에 관한 연구

최 환*, 서 창연**, 서 영일***, 이 충석****#
*금오공과대학교 기계설계공학과,
**(주)베셀,
***(주)에스엘글로벌,
****씨에스앤테크

초록


    Kumoh National Institute of Technology
    2015-104-039

    © 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

    제품의 형상이 점차 다양해짐에 따라 범용 연삭 기 활용이 불가능한 제품의 연삭가공을 위해 머시 닝센터의 실효성이 점차 늘어나고 있는 가운데, 머 시닝센터를 이용한 고정도 가공에 대한 연구가 수 행되고 있다[1,2]. 머시닝센터를 이용한 연삭가공은 장비의 규격에 따라 가용한 퀼(quill)축의 직경과 연 삭숫돌의 직경이 한계가 있고, 더욱이 내면연삭가 공의 경우는 평면연삭이나 외면연삭과는 달리 공작 물의 내경이 제한적이므로 공구계의 강성저하로 인 해 고정도, 고능률 연삭가공의 한계가 있다.

    스러스트(thrust) 내면 연삭은 공작물의 반경방 향으로 연삭 숫돌을 절입한 후, 숫돌과 공작물을 상대 회전시켜서 숫돌을 주축의 축방향으로 이송 하면서 가공하는 방법으로, 숫돌의 스러스트 이송 속도와 절입깊이, 회전수 등의 변화에 따라서 연 삭특성들이 다르게 나타나게 된다. 이러한 연삭특 성들 중 가공면의 형상과 가공오차는 공작물의 가 공정도를 평가하는 데 매우 중요한 요소이다.

    따라서 본 연구에서는 비트리파이드(vitrified) CBN 숫돌을 사용하여 합금공구강 STD-11 (HRC 60)을 머시닝센터상에서 스러스트 내면 연삭 실험 을 수행하였고, 공작물 원주속도(Vw), 스러스트 이 송속도(Vt), 절입깊이(as), 연삭폭비(W), 연삭횟수의 변화에 따른 가공면의 형상, 가공오차, 연삭력, 표 면거칠기 변화를 통해 가공면에 미치는 영향을 검 토하였다. 여기서 연삭폭비(W)는 숫돌 폭에 대한 공작물 가공폭의 비로 정의하였다.

    2.실험장치 및 방법

    2.1.장치 구성도

    Fig. 1은 본 연구에 사용된 스러스트 내면 연삭 실험 장치의 구성도를 나타낸 것으로, 회전 테이블 형 지그를 자체 제작하여 사용하였다. 회전 테이블 은 속도제어 모터와 타이밍 벨트를 이용하여 구동 되며 별도의 제어 드라이버를 이용하여 공작물의 회전수를 10~180rpm의 범위까지 조절할 수 있도록 제작하였다. 실험 장치는 연삭가공시 휠의 접선방 향, 법선방향의 연삭저항을 측정하기 위하여 압전 형 공구동력계를 머시닝센터 베드 위에 설치하고, 그 위에 제작된 회전 테이블형 지그를 부착하여 공 작물을 고정하였다.

    2.2.실험조건 및 방법

    본 연구에 사용된 숫돌은 비트리파이드(V) CBN 소형 숫돌을 사용하였으며, 입도 #230, 집중도 100, 결합도는 G등급이다. 숫돌의 크기는 직경 φ35, 폭 20mm이며, 길이 100mm로 정밀 가공된 고속도강 퀼 축에 너트를 이용하여 고정하였다.

    공작물은 합금공구강 (STD-11)의 환봉을 외경(D) φ60(φ80), 길이(L) 70mm로 가공하고, 스러스트내 면 연삭가공을 수행하기 위해 내경(d)을 φ38(φ60), 스러스트 연삭폭이 10, 20, 30mm가 되도록 선반가 공을 하여 제작한 후 경도 HRC 60으로 열처리하여 사용하였다. Fig. 2는 실험에 사용된 공작물의 형상을 나타내었고, Table 1에 본 연구의 실험조건 을 나타내었다.

    스러스트 내면 연삭 가공을 수행하기 위하여 숫 돌을 머시닝센터의 x축의 (-)방향으로 절입깊이를 설정하고, 숫돌과 공작물의 회전방향을 반대로 하 여 z축의 (-)방향으로 이송속도(Vt)를 변화시켜가며 습식 상향 스러스트 내면 연삭실험을 수행하였다. 트루잉(truing)과 드레싱(dressing)은 단석 다이아몬드 드레서(1/2")를 사용하여 실험 전 휠의 진원을 유지 하기 위하여 휠의 측면과 밑면을 트루잉 하였으며, Table 1의 조건으로 매 실험마다 드레싱을 실시하 였다. 공작물의 표면의 진원과 표면경사의 오차를 최소화하기 위하여 정삭가공을 실시하였다. 정삭가 공 방법은 플런지(plunge) 연삭가공 절입깊이 1μm 씩 미소 절입하여 공구동력계에서 얻어지는 힘의 값이 처음 공작물과 숫돌이 처음 접하는 순간의 값 과 유사한 값이 될 때까지 스파크 아웃(spark-out) 가공을 행하여 기준을 잡았다.

    연삭폭비(W)와 가공회수 관한 실험은 연삭폭비를 0.5, 1, 1.5 세 가지 경우로 나누어 실시하였으며, 이때의 공작물은 내경 60mm의 동일한 시편을 제작 하여 실험을 실시하였고, 나머지 조건은 Table 1과 동일하게 진행하였다.

    2.3.가공면의 형상 및 가공오차의 측정

    내면 연삭에 있어서는 공작물의 내경에 따라 휠 직경의 선택에 많은 제한이 있으므로 소경의 연삭 휠이 사용되는 경우가 대부분이며, 이 경우 퀼의 강성이 저하되어 이로 인해 설정절입깊이(as)와 실 제절입깊이(aa)의 차에 의한 가공오차가 발생하게 된다.[3] 이러한 가공오차는 공작물의 형상정도와 가 공정도에 직접적인 영향을 미치므로 본 연구에서는 가공조건의 변화에 따른 가공면의 형상과 실제절입 깊이 및 가공오차를 측정하여, 스러스트 내면 연삭 에서의 가공정도를 살펴보았다.

    가공조건의 변화에 따른 가공오차 및 가공면의 형상을 측정하기 위하여 실험 전 공작물의 가공면 을 수 회 스파크 아웃을 실시하고, 이 면에 분해능 0.1μm 인 디지털 변위 측정기를 접촉시켜 측정 기준 면으로 설정하였다. 실험 조건에 따라 스러스트 내 면 연삭 실험을 행한 후 가공된 공작물 상단에 변 위 측정기를 접촉시키고, 공작물의 하단으로 이송 시켜 숫돌에 의해 실제로 가공된 실제절입깊이를 측정하였다. 가공오차(δ)는 설정절입깊이(as)와 가공 후 측정된 실제절입깊이(aa)와의 차이다. Fig. 3에 실험에 의해 측정된 실제 절입깊이와 가공오차 측 정의 예를 나타내었다.

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.가공면의 형상

    Fig. 4는 스러스트 내면 연삭에서 연삭조건별 발 생된 연삭가공면의 형상 유형을 보여주는 것으로 이해를 돕기 위해 특정 가공조건의 결과만을 나타 내었다.

    스러스트 내면 연삭가공시 발생되는 가공면의 형 상을 분석한 결과, 모든 실험결과에 대하여 Fig. 4 와 같은 세 가지 유형(A type, B type, C type)으로 구분할 수 있었으며, 본 연구범위 내에서 이 세 가 지 유형을 벗어나는 가공면의 형상은 존재하지 않 았다. A type은 가공면의 형상이 숫돌 진입부(상단 부)보다 후퇴부(하단부)로 갈수록 점점 높아지는 형 태로 최대 가공오차가 숫돌 후퇴부 쪽에서 발생되 었다. B type은 가공면의 중앙부가 가장 높고 숫돌 진입부와 후퇴부는 비슷한 형태로 가공면의 중앙부 에 최대 가공오차가 발생하는 유형이다. C type은 가공면이 숫돌 진입부가 가장 높고 후퇴부로 갈수 록 낮아져 숫돌 진입부 쪽에서 최대 가공오차가 발 생되는 유형이다.

    Table 2는 가공조건의 변화에 따라 가공면의 형 상 유형(A, B, C Type)을 측정하여 나타낸 결과이 다. Table 2의 (a)는 연삭폭비(W) 0.5인 경우, 공작 물 속도(Vw)와 스러스트 이송속도(Vt), 설정절입깊이 (as)를 각각 변화시켰을 때의 가공면 형상 유형을 나타내었고, (b)는 공작물의 속도(Vw)를 일정하게 하고, 연삭폭비(W)와 스러스트 이송속도(Vt), 설정절 입깊이(as)를 각각 변화시켰을 때 가공면의 형상 유 형을 나타낸 결과이다.

    Table 2 (a)의 실험결과를 보면 가공면의 형상은 설정절입깊이(as)가 증가함에 따라서 A type에서 C type으로 변화하였고, 스러스트 이송속도(Vt)가 빨라 질수록 절입깊이가 10μm 인 경우는 A type에서 B type으로, 절입깊이가 20μm 인 경우는 B type에서 C type으로 변화하는 경향이 있으나, 절입깊이 30μm인 경우와 공작물의 회전속도(Vw) 변화에 의한 가공면 의 유형변화는 미비하였다. 그러나 Table 2 (b)의 연삭폭비 1과 1.5인 경우의 실험결과에서는 대부분 이 A type의 가공면 유형을 나타내었으며 오히려 재료제거율이 증가할 수록 A type의 형상을 확연히 확인할 수 있었다. 이 이유는 연삭폭비가 커질수록 휠과 공작물의 접촉면적이 더 커지고 어느 순간부 터는 공작물이 휠 전체와 접촉된 상태에서 연삭이 이루어지기 때문에 퀼의 탄성변형이 더 크고, 탄성 회복이 이루어지지 않고 탄성변형이 점점 축적되므 로 A type의 가공면 형상을 나타낸다고 판단된다.

    이러한 결과로 볼 때, 설정절입깊이 및 연삭폭비 의 변화가 연삭가공면의 형상에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

    3.2.가공정도

    스러스트 내면 연삭시 가공조건의 변화에 따른 가공정도를 알아보기 위해 연삭가공을 1회 수행한 후 가공오차 및 표면거칠기를 측정하여 Fig. 5와 Fig. 6의 결과를 얻었다.

    Fig. 5는 휠과 공작물의 동일원주속도에서 스러 스트 이송속도, 설정절입깊이, 연삭폭비 변화에 따 른 가공오차의 변화를 나타낸 것으로, 스러스트 이 송속도와 설정절입깊이, 연삭폭비가 증가할수록 가 공오차가 커지는 경향을 나타내었다. 이와 같은 이 유는 스러스트 이송속도 및 설정절입깊이, 연삭폭 비가 증가할수록 연삭력이 증가하기 때문에 이에따 라 가공오차도 증가한 것으로 판단되며, 특히 연삭 폭비가 증가할수록 휠의 마모량이 증가하기 때문에 가공오차도 커지는 것[4]으로 예상할 수 있다.

    Fig. 6은 스러스트 이송속도와 연삭폭비 변화에 따른 가공면의 표면거칠비 변화를 나타낸 그래프 로, 스러스트 이송속도가 느릴수록, 연삭폭비가 작 을수록 가공면의 표면거칠기가 좋게 나타났다.

    Fig. 5와 Fig. 6의 결과를 통해 고찰해보면, 스러 스트 내면 연삭가공에서 가공오차는 작고 표면거칠 기가 우수한 고정도 가공을 위해서는 스러스트 이 송속도, 절잎깊이, 연삭폭비를 작게 하는 것이 유리 하다는 것을 알 수 있다.

    3.3.가공횟수

    스러스트 내면 연삭시 1회 가공만으로는 가공오 차가 발생하기 때문에 이러한 가공오차를 감소시키 기 위해서는 스파크 아웃을 실시하여 가공오차를 줄일 필요가 있다. 본 절에서는 스파크 아웃 회수 에 따른 연삭력과 가공오차, 표면거칠기 변화를 알 아보았다.

    Fig. 7은 가공횟수, 절입깊이, 연삭폭비에 따른 휠의 법선방향의 연삭력(Fx)의 변화를 나타낸 그래 프이다. 연삭가공횟수 3회까지는 가공횟수가 증가 할수록, 절입깊이가 낮을수록, 연삭폭비가 작을수록 연삭력이 급격히 감소하는 경향을 보이고 있으며, 가공횟수 3회 이후부터는 연삭폭비나 설정절입깊이 의 변화와 상관없이 연삭력이 일정한 값에 수렴하 는 경향을 나타내었다 이 같은 결과를 고찰해보면.

    가공횟수 회 이후부터는 스파크 아웃을 진행하 더라도 휠이 공작물을 가공하기보다는 주로 마찰만 을 일으키는 것으로 판단할 수 있다.이러한 결과를 좀 더 자세히 알아보기 위해 가공횟수 증가에 따른 가공오차를 측정하여 Fig. 8에 나타내었다. 가공횟 수가 증가할수록 가공오차의 변화를 살펴보면, 가 공오차의 변화도 Fig. 7의 연삭력 변화와 마찬가지 로 연삭가공 3회까지는 가공횟수가 증가할수록, 설 정절입깊이와 연삭폭비가 작을수록 가공오차가 급 격히 감소하였으며, 가공횟수 3회 이후부터는 가공 오차의 감소폭은 미세하고 일정한 값에 수렴하는 경향을 나타내었다.

    Fig. 9는 공작물 원주속도, 스러스트 이송속도, 절입깊이가 동일한 상태에서 가공횟수 증가와 연삭 폭비 변화에 따른 가공면의 표면거칠기를 변화를 나타낸 것으로, 가공횟수가 증가할수록 연삭폭비가 작을수록 연삭가공면의 표면거칠기가 좋아짐을 확 인할 수 있다. Fig. 9의 가공횟수에 따른 연삭가공 면의 표면거칠기 변화는 가공횟수 3회 까지는 급격 히 감소하다가 3회 이후부터는 감소폭이 완만해짐 을 보여주고 있다. 이는 Fig. 7과 Fig. 8의 가공횟수 에 따른 연삭력과 가공오차의 변화와 동일한 양상 을 보여주고 있다.

    위의 결과들로부터 살펴보면, 연구범위 내에서 가공횟수가 증가할수록 가공정도는 향상되나 3회 전후를 기점으로 그 향상폭이 급격히 감소함을 나 타내고 있다. 즉 스러스트 내면 연삭가공에서 경제 성과 효율성을 고려한 스파크 아웃의 회수는 3회가 적당하다고 판단된다.

    4.결 론

    본 연구는 한정된 범위내에서 진행되어 스러스트 내면연삭가공 전체에 적용하기는 무리가 있지만, 예측 모델로서 활용가치는 충분하다고 여겨진다. 향후 본 연구의 연장선으로 연삭휠과 공작물 소재, 가공조건의 범위를 확대하여 추가 연구를 진행할 필요가 있다.

    본 연구에서는 머시닝센터를 이용하여 비트리파 이드 CBN 숫돌로 합금공구강의 스러스트 내면 연 삭실험을 수행하였고, 연삭가공 조건에 따른 가공 면의 형상, 가공오차, 연삭력, 표면거칠기를 측정하 여 비교 분석한 결과, 아래와 같은 결론을 얻었다.

    1. 연삭가공면의 형상은 연삭조건이 변함에 따라 영향을 받는다.

    2. 스러스트 이송속도, 절입깊이, 연삭폭비가 작을 수록 가공오차가 작고 표면거칠기가 좋아진다.

    3. 가공횟수에 따른 연삭력과 가공오차, 표면거칠기 변화 그래프는 동일한 양상을 나타내었다.

    4. 가공횟수가 증가할수록 가공정도는 향상되나, 가 공횟수 3회를 기점으로 향상 폭이 급격히 감소하 였다.

    후기

    이 연구는 금오공과대학교 학술연구비 (과제번 호: 2015-104-039)에 의하여 지원된 논문이며, 이에 감사드립니다.

    Figure

    KSMPE-15-5-73_F1.gif

    Experimental set-up

    KSMPE-15-5-73_F2.gif

    Setting of wheel position and workpiece shape

    KSMPE-15-5-73_F3.gif

    An example of measured machining errors (Vs=330m/min, Vt=20mm/min, Vw=4.8m/min, as=20 , W=0.5)

    KSMPE-15-5-73_F4.gif

    Type of machined surface shape (Vs=330m/min, W=0.5)

    KSMPE-15-5-73_F5.gif

    Maximum machining error according to grinding conditions (Vs=330m/min, Vw=7.54m/min)

    KSMPE-15-5-73_F6.gif

    Surface roughness for rate of grinding width and feed speed

    KSMPE-15-5-73_F7.gif

    Maximum grinding force according to the number of grinding pass

    (Vs=330m/min, Vt=20mm/min, Vw: 7.54m/min)

    KSMPE-15-5-73_F8.gif

    Maximum machining error according to the number of grinding pass

    (Vs=330m/min, Vt=20mm/min, Vw: 7.54m/min)

    KSMPE-15-5-73_F9.gif

    Surface roughness according to the number of grinding pass and rate of grinding width

    Table

    Experimental conditions for grinding

    Classification of types according to grinding conditions

    Reference

    1. Seo Y I , Her M S , Choi H , Lee J C , Cheong S H (1999) “A Study on the Grinding Force Characteristics in the Internal Plunge Grinding” , Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol.16 (12) ; pp.54-59
    2. Kim L S , Kim J M , Choi C , Liang L J , Lyu S K (2015) “Study on the Teeth Grinding Condition of SCM415H Gears” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 (2) ; pp.19-24
    3. Choi H , Kim C S , Park W K , Lee C S (2013) “The Effects on a Side-cut Grinding depend on the Change of the Quill Rigidity” , Journal of the Korean Society of Manufacturing ProcessEngineers, Vol.12 (5) ; pp.36-41
    4. Choi H , Seo C Y , Park W K , Lee C S (2015) “A Study on the Internal Thrust Grinding by Machining Center” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 ; pp.55-61