Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.1 pp.134-140
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.16.1.134

The Exit Hole Burr Generation of CFRP with Ultrasonic Vibration

Sung-Jae Won*, Ching-Ping Li*, Ki-Moon Park*, Tae Jo Ko*#
*School of Mechanical Engineering, Yeungnam UNIV.
Corresponding author : tjko@yu.ac.kr+82-53-810-3836, +82-53-810-4627
December 12, 2016 January 2, 2017 January 25, 2017

Abstract

CFRP has many industrial applications due to its low weight and high strength properties. CFRP is a composite material composed of carbon fibers embedded in a polymer matrix; it provides excellent resistance to fatigue wear, corrosion, and breakage due to fatigue. It is increasingly demanded in aircraft, automotive, and medical industries due to its superior properties to aluminum alloys, which were once considered the most suitable for specific applications. The basic machining methods of CFRP are drilling and route milling. However, in the case of drilling, the delamination of each layer, uncut fiber, resin burning, spalling, and exit burrs are barriers to successful application. This paper investigates the occurrence of exit burrs when drilling holes with ultrasonic vibration. Depending on design parameters such as the point angle, the characteristics of hole drilling were identified and appropriate machining conditions were considered.


초음파 진동에 따른 CFRP의 출구 구멍 버 생성

원 성재*, 이 상평*, 박 기문*, 고 태조*#
*영남대학교 기계공학부

초록


    National Research Foundation of Korea
    2014HIC1A1066502

    © 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

    최근 급격하게 발전하는 항공, 자동차 산업에서 는 새로운 재료에 의한 높은 강도와 우수한 기계적 특성을 요구하고 있으며, 초경량화를 목적으로 하 는 금속재료의 대체 가능성이 높은 신소재 개발에 관심이 집중되고 있다. 그 중 탄소섬유복합재 (Carbon Fiber Reinforced Plastics : CFRP)는 비강성 과 비강도, 내마멸성, 피로 특성 등 우수한 기계적 특성으로 인하여 여러 분야에서 응용되고 있다.

    이것은 특히, 항공기, 자동차, 선박, 스포츠 용품 및 의료기기 산업 등에서 많이 사용되고 있으며, 알루미늄 합금에 비해 비중은 절반수준이고 그에 비해 강도가 훨씬 뛰어난 특성을 가지고 있어 경량 화가 필요한 항공기 기체나 자동차 구조 및 부품재 료로서 사용량이 증가하는 추세에 있다[1-2].

    CFRP 복합재료는 탄소섬유를 기본으로 하여 섬 유와 에폭시 수지를 사용하여 만들어진 재료로서 섬유 배향각 및 적층수에 따라서 강성 및 강도를 조절할 수 있는 장점이 있다[3]. CFRP의 성형법으로 는 오토클레이브(Autoclave) 성형법, 압축성형법 (Compression molding), SMC성형법(Sheet Molding Compound) 등 여러 가지의 성형법이 있다.

    CFRP 복합재료가 여러 분야에 응용 및 사용되고 있고 용도가 다양화 되면서 결합 및 형상 가공을 위해서는 효율적이고 효과적인 절삭 가공 공정이 필요하지만 이종재료의 조합에 의한 복합재료이기 때문에 불균질성, 이방성 등의 성질을 가지고 있어 가공조건이나 드릴의 형상 재질 등에 따라서 나타 나는 가공 특성이 금속재료와는 다르다.[4]

    CFRP의 절삭가공 공정 중에서는 엔드밀을 이용 한 라우팅(routing)가공이나 드릴을 이용한 구멍가공 공정이 다수를 이룬다. 이때 폴리머 내의 탄소섬유 특성으로 인하여 절삭가공을 매우 어렵게 만들어서 일정 수준의 균일 품질을 얻는데 어려움이 크다.

    특히 CFRP의 구멍가공시 발생하는 burr[5-6], 박리 현상 등의 구멍가공결함은 복합재료 가공에서 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 이들은 주로 CFRP 복 합재료의 드릴 가공 시 구멍의 입구와 출구쪽에서 적층 재료간의 층간 분리현상인 박리(delamination), 섬유 및 수지의 미절삭 및 찢김 현상(uncut resin, uncut fiber, chipping) 등으로 이루어진다. 또한 탄소 섬유복합재는 연마성이 강하여 공구마모가 매우 빠 르다는 단점을 가지고 있고, 열에 의한 변형이 생 길 우려가 있어서 매우 보수적인 가공 조건을 사용 한다. 그리고 CFRP는 열전도계수가 낮아서 열 방출 이 어렵고 이로 인하여 드릴공구의 온도상승을 유 발하여 공구마모 또는 구멍가공 품질을 나쁘게 한 다. 또한, 구멍가공 후 미절삭 결함에 따른 디버링 이 필요하지만 미절삭 폴리머나 탄소섬유는 기계적 인 강도가 매우 낮아 일반적인 결함 제거 가공법으 로는 가공이 어렵다.

    이상과 같은 관점에서 본 연구에서는 축방향으로 진동하는 초음파진동 회전 주축을 가진 공작기계를 이용하여 CFRP의 구멍을 가공할 때 구멍가공의 품 질 특성을 파악하고자 한다. 또한, 초음파 진동이 드릴가공에 미치는 영향을 분석하고 결함을 최소화 할 수 있는 조건을 찾고자 하였다.

    2.실험장치 및 방법

    2.1.초음파진동 구멍가공장치

    본 실험에서 사용하는 가공법은 초음파 회전가공 (Rotary Ultrasonic Machining) 으로서, 회전하는 공구 에 축방향으로 초음파 진동을 가하여 가공을 지원 하는 방법이다. 이 방법은 초음파 회전 가공의 장 점과 칩 제거의 효율성을 바탕으로 경질 재료의 구 멍가공이나 절삭가공에 활용할 수 있는 기술이다. 사용하는 공구는 일반적인 엔드밀이나 드릴과 동일 하다. 또한 다양한 난삭재료에 초당 2만/4만회의 미 세 초음파 진동을 부가하여 구멍 형상 가공시에 효 과적으로 사용할 수 있다.

    초음파 진동절삭에서는 순간적인 가속도의 증가 현상을 가져옴으로써 아주 큰 가속도로 충돌을 주 어 공작물을 절삭하는 효과를 준다. 초음파 스핀들 을 이용한 축방향 가진형태의 구멍가공에서는 일반 적으로 4,500 rpm 이하의 낮은 회전수를 사용한 다.[7-11] 실험에서 사용된 초음파 가공 장비는 DMC 사의 모델명 SS-600장비이다. Fig. 1과 Table 1은 초 음파 가공기의 사진 및 제원이다.

    Table 1 과 같은 기계의 제원으로서 실험시 초 음파 주파수는 40kHz를 사용하였으며, 입력전원 power는 50%로 고정하였다. 또한, Fig. 2와 같이 비접촉 변위측정기(PM-E, RADIAN)를 이용하여 초음파 진동량을 측정하였다. 그림에서 알 수 있 듯이 초음파의 power가 커질수록 진동량이 비례해 서 커지는데, 초음파 power가 50%일 때 진동량은 4.064μm를 나타내는 것을 알 수 있다.

    2.2.시편 및 공구

    본 연구에서 사용된 시편은 일방향 에폭시 프리 프레그(prepreg) 오토클레이브(Autoclave) 성형법으로 제작된 시편으로서 섬유 배열 각도는 [0°, 90°] 와 Woven Fabric type의 소재 직물형태의 CFRP 시 편 2가지를 사용하였다. 2가지 소재 모두 크기는 가로 세로 90mm 로 실험에 적합하도록 절단하였으 며, 두께는 5mm 이다.

    본 연구에 사용된 절삭 공구는 각각 ㈜위딘과 Kennametal에서 제작한 드릴로서 공통적인 부분은 ø6mm 초경 드릴(SSD060, B966A)이며 공구 선단각 (Point angle)에 따른 CFRP의 가공성을 알아보기 위 해서 SSD060 모델의 경우에는 Point angle이 118°이 고 B966A 모델은 Point angle이 140°를 사용하여 실 험하였다. Table 2 는 각각 공구의 규격을 나타낸 것이다.

    2.3.실험장치 구성 및 실험방법

    초음파진동 회전주축을 갖춘 머시닝센터의 테 이블 위에 공구동력계(Kistler, 9275)를 고정하고, 공구동력계의 위에 Fig. 3과 같이 시편 형상을 고 려하여 제작한 지그를 고정하였다. 세부적인 절삭 조건은 Table 3과 같이 직경 ø6의 초경 드릴로 각 각 회전수 800, 1,500, 3,000rpm의 조건과 이송속도 0.025, 0.05, 0.1 mm/rev의 조건으로 Fabric과 UD 형 식의 시편에 각각 실험을 진행하였고, 절삭유는 사 용하지 않는 건식절삭을 진행하였다. 이때 발생되 는 이송방향 절삭력(추력)과 토크를 공구동력계를 이용하여 데이터를 측정하고, 저장한 후 이를 분석 하였다. 출구부의 구멍 가공면 상태는 비접촉광학 현미경(Camscope, SOMETECH)를 이용하여 촬영하 였다.

    3.실험결과 및 고찰

    탄소섬유복합재 CFRP를 Table 3과 같은 조건으 로 구멍 가공 시에 여러 가지 요소 인자로 인해서 가공 출구부의 구멍품질에 영향을 미치게 된다. 본 논문은 초음파 가진이 어떤 영향을 미치는지를 평가하는 것임으로, 공구 회전수와 이송속도에 따 라서 공구 선단각이 118°, 140°로 변할 때의 절삭 력 변화와 이에 따른 구멍 출구의 가공불량을 고 찰하였다.

    3.1.선단각 118°의 특성

    Fabric type과 UD type의 CFRP 소재에 대해서 드릴 공구 선단각 118°를 사용하여 이송에 따른 일반가공과 초음파 구멍가공으로 각각 가공의 출 구면을 비교하고 이에 대한 절삭력을 비교하였다. Fig. 4와 같이 Fabric CFRP의 일반 가공에서 주로 spalling, uncut fiber, delamination 등의 가공 결함이 확인 되었다. 같은 조건에서 초음파 가공을 진행하 였을 경우에는 출구 가공면이 매우 깨끗함을 알 수 있었다. Fig. 5에서는 UD type 에 대한 출구면을 비 교하였는데, 가공 시에 초음파 유무에 관계가 없이 uncut fiber, delamination 등의 가공 결함을 확인 할 수 있다. 그러나 초음파 가공을 진행했을 경우 0.05mm/rev의 사진을 보게 되면 delamination과 같은 결함이 초음파 가공을 했을 경우에 그 면적이 더 줄어듦을 확인할 수 있다.

    또한 초음파 가공에서 spalling, delamination 등의 가공 결함이 적게 나타나는 경향성을 보인다는 것 을 알 수 있으나, uncut fiber와 같은 미절삭 결함부 분에 대해서는 효과가 적음을 알 수 있다. 또한, 이 송속도의 증가에 따라 일반/초음파 가공 두 경우 모두 가공 출구면의 품질이 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 출구면에서의 가공결함은 회전당 이송 속도와 밀접한 관계가 있고, 특히 초음파 진동에는 민감한 특성을 보임을 알 수가 있다.

    한편, Fig. 6은 가공시의 추력의 변화를 보이는 그림이다. 구멍가공의 이송속도가 증가하면 진동 부가 유무에 관계없이 추력이 증가하고 있으며, 또 한 진동을 부가하는 경우가 상대적으로 추력이 줄 어듬을 알 수가 있다. 또한, 구멍 가공에서 초음파 진동이 부가 될 때 공구 진입 시와 가공이 마무리 되면서 CFRP 시편에서 빠져나갈 때에 추력이 초음 파 진동이 부가되지 않을 때보다 기울기가 완만하 게 나타났다. 추력이 감소하는 경향을 보아 진입 시와 마무리 시 진동이 부가되면서 진동 부가가 추 력의 감소에 영향을 미쳤음을 알 수 있다. 이 힘을 전체 시간의 합으로 합력을 구하여 표현하면 Fig. 7 과 같다. 이송속도 3가지 경우를 3가지 회전조건에 대해 실험하여 각각 표현한 것으로 fabric CFRP나 UD CFRP 모두 진동을 부가할 때의 힘이 적게 걸 리고 있음을 알 수 있다.

    3.2.선단각 140°의 특성

    선단각 140°의 경우도 동일한 실험조건으로 실 험을 실시하였으며, 그 결과가 Fig. 8 및 Fig. 9이 다. 회전당 이송, 즉 이송속도의 증가에 따라서 두 가지 형태의 소재 모두 출구결함이 많이 줄어듦을 알 수 있으며, 특히 초음파 진동을 부가함에 의해 서 보다 출구결함을 줄일 수 있다. 그러나 결함의 감소를 118°의 경우와 비교해보면 상대적으로 취 약함을 알 수 있는데, 이는 공구선단각이 구멍출 구 결함에 상대적으로 큰 영향을 미치고 있음을 보여준다.

    특히 140°의 경우는 윤활성을 고려하여 코팅이 된 공구를 사용했음에도 불구하고 출구결함과는 영향이 없음을 보여준다. 한편, Fig. 10은 추력의 합력을 나타낸 그림으로, 추력 역시 118°의 경우와 비교하여 상당히 증가하고 있음을 보여준다. 마찬 가지로 초음파를 부가한 경우에는 절삭력의 감소 를 나타내는데 이는 초음파 진동이 CFRP 소재의 형태와 관계없이 구멍가공에 큰 영향을 미침을 볼 수 있다.

    4.결 론

    본 연구에서는 CFRP를 구멍가공할 때 초음파 진동이 구멍가공 출구결함에 미치는 영향을 고찰하 였으며, 다음과 같은 결론을 실험을 통하여 도출하 였다.

    • 1. CFRP 드릴링 가공에서는 공구의 기하학적 형상, 특히 드릴 공구 선단각은 결함에 큰 비중을 차 지한다. 드릴 공구 선단각이 커질수록 결함 발 생 빈도수가 증가한다.

    • 2. 드릴 가공 조건 중 공구 회전당 이송량의 영향 이 지배적이다. 이송속도가 커질수록 출구측 결 함이 줄어든다.

    • 3. 초음파 진동 드릴 가공을 하는 경우에 이송속도 의 증가현상을 가져옴으로써 결함을 줄여주는 효과가 있다.

    후 기

    이 논문은 2014년도 교육부와 한국연구재단의 지 역혁신창의인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구 임 (NRF-2014HIC1A1066502).

    Figure

    KSMPE-16-134_F1.gif
    Rotary ultrasonic machine and its internal structure with ultrasonic spindle
    KSMPE-16-134_F2.gif
    Ultrasonic vibration according to the levels on the tool
    KSMPE-16-134_F3.gif
    Experimental setup
    KSMPE-16-134_F4.gif
    Comparison along with feedrate under vibration in fabric CFRP
    KSMPE-16-134_F5.gif
    Comparison along with feedrate under vibration in UD CFRP
    KSMPE-16-134_F6.gif
    Cutting force along feed direction in fabric CFRP:(a) without vibration, (b) with vibration
    KSMPE-16-134_F7.gif
    Sum of cutting force along feed direction: (a) fabric CFRP (b) UD CFRP
    KSMPE-16-134_F8.gif
    Comparison along with feedrate under vibration in fabric CFRP
    KSMPE-16-134_F9.gif
    Comparison along with feedrate under vibration in UD CFRP
    KSMPE-16-134_F10.gif
    Sum of cutting force along feed direction: (a) fabric CFRP (b) UD CFRP

    Table

    Specifications of ultrasonic machining center
    Specifications of drill tool
    Experimental conditions

    Reference

    1. Malick P K (1988) Fiber-Reinforced Composite, Fiber-Reinforced Composite, ; pp.20-40
    2. Cheong S K , Jeong S K (1999) “Mechanical Behavior of Laminated Composites Using Scrim prepregs for Fishing Rods” , Composites Research, Vol.12 (5) ; pp.80-86
    3. Yagishita H (2006) “Cutting Mechanism of Drilling CFRP Laminates and Effect of Ultrasonic Torsional Mode Vibration Cutting” , Transactions of NAMRI/SM, Vol.34 ; pp.213-220
    4. Koenig W Ch , Wolf P Grass , Willerscheid H (1985) “Machining of Fiber Reinforced Plastics” , Annals of the CIRP, Vol.34 (2) ; pp.537-548
    5. Lee Y , Shin G , Kwak T (2015) “Deburring technology of vacuum plate for MLCC lamination using magnetic abrasive polishing and ELID process” , J. of KSMPE, Vol.14 (3) ; pp.149-154
    6. Bae J , Park H , Kwon B , Ko S (2016) “Determination of cutting conditions for an efficient deburring process using a new deburring tool” , J. of KSMPE, Vol.15 (4) ; pp.109-117
    7. Moreland M A (1988) “Versatile Performance of Ultrasonic Machining” , Cer. Bull, Vol.67 (6) ; pp.1045-1046
    8. Gilmore R (1989) “Ultrasonic Machining and Orbital Abrasion Techniques” , SME Technical Paper(Series) AIR NM89-419, ; pp.1-20
    9. Neppiras E A , Foskett R D (1957) “Ultrasonic Machining- II. Operating Conditions and performance of Ultrasonic drills” , Philips Tech. Rev, Vol.18 (12) ; pp.368-379
    10. Moore D (1985) “Ultrasonic Impact Grinding” , Proc. Non-Traditional Machining Conf, ; pp.137-139
    11. Kovalchenko M S , Paustovskii A V , Perevyazko V A (1986) ”Influence of properties of abrasive materials on the effectiveness of ultrasonic machining of ceramics” , Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol.25 (7) ; pp.560-562