연마재 워터젯을 이용하여 암반을 굴착하기 위해서는 노즐이 삽입되고 절삭하는 연속적 공정이 요구된다. 본 연구에서는 노즐이 삽입되기 위한 충분한 절삭 폭을 확보하기 위해 한 쌍의 연마재 워터젯 노즐을 이용하여 암석 절삭실험을 실시하였다. 한 쌍의 노즐형태와 위치에 따른 기하학적 변수에 따라 암석 절삭형상과 절삭 폭이 달라지는 것을 확인하였다. 정의된 기하학적 변수에 따라 절삭 깊이 및 폭을 측정하여 암반에 형성되는 절삭단면 형상을 분석하였다. 그 중 노즐 삽입이 가능한 기하학적 변수를 제시하고 현장적용 가능성에 대해 검증하였다.
최근 유한요소법을 이용하여 절삭가공을 해석하는 연구가 많이 발표되고 있다. 이 때 가장 문제되는 점이 피삭재에서 칩으로 분리하는 조건이다. 일반적으로 칩 분리 조건이라 일컬어지는 이 조건을 어떻게 설정할 것인가에 대해 현재까지도 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재까지 제시된 칩 분리 판별 조건은 두 가지 유형 - 기하학적, 물리적으로 나눌 수 있다. 기하학적 칩 분리 조건은 공구 끝단과 바로 앞 요소의 거리를 기준으로 정해진 특정한 값에 도달하면 요소가 분리되는 혹은 없어지는 방법을 이용하는 것이며(Fig. 1 참조), 물리적 칩 분리 조건은 요소 내의 소성변형률 혹은 변형률 에너지 밀도함수 등의 값을 기준으로 분리시키는 방법이다. 본 연구에서는 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하였으며 이 프로그램에서 제공하는 element birth/kill 기법을 이용하여 기하학적 판별조건에 도달하면 공구 끝단 앞의 요소가 사라지는 방법을 취하였다. Fig. 2는 절삭가공을 위한 유한요소 모델링을 나타낸다. 칩-공구 접촉 부위에 접촉요소를 사용하였으며, 피삭재의 왼쪽과 아래쪽 부위는 각각 변위구속을 하였다. 공구의 이동은 변위경계조건의 값을 변화시킴으로써 구현하였다. 절삭력을 비교함으로써 해석결과의 타당성을 검토하였으며, 피삭재 내의 응력, 변형률 분포 등을 살펴보았다.
연삭가공은 숫돌을 구성하는 하나 하나의 입자가 공작물을 절삭하는 과정이므로 연삭현상을 이해하기 위해서는 먼저 개개 절돈의 절삭현상을 알지 않으면 안된다. 연삭입자의 절삭현상을 해명함에 있어서 기초가 되는 것은 입자와 공작물과의 간섭형상이다. 종래의 연삭 이론은 이와같은 기하학적 간섭형상이 모두 chip이 되어 제거된다(연소입자와 공작물과의 간섭 과정에서는 절삭현상만이 존재한다.)는 가정하에 연삭기구를 해석하려 하였으나 최근에 이르러 상호간섭 조건을 경계조건으로 하여 많은 사람들에 의해 연소입자의 절삭현상을 연구한 결과 연삭입자의 절삭과정은 과도적 절삭임이 밝혀졌다. 이와같은 연삭현상은 새로운 연삭이론에 기초가 될 뿐만아니라 Chip 과 표면생성기구의 관점에서도 극히 중요한 것이 된다.
평엔드밀 가공된 측벽 형상에 공구 형상이 미치는 영향에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위하여, 공구 형상을 비틀림각, 절삭날 수, 직경으로 구분하여 특징지었으며, 가공면의 기하학적 특성은 서로 직교하는 이송방향 형상과 축방향 형상으로 나누어 고려하였다. 각 방향의 형상 특성은 공구와 공작물 및 절삭날과 공작물의 간섭 영역으로부터 계산한 순간 절삭면적을 바탕으로 추정하였으며, 추정의 타당성을 가공면 형상 및 배분력 측정을 통하여 검증하였다. 연구 결과, 이송방향 형상의 결함은 공구 퇴출 및 공구 경로의 곡률반경이 변하는 구간에서 나타나며, 이외의 구간에서는 축방향 형상의 결함이 주를 이루는 것이 확인되었다. 측벽의 가공정밀도를 향상시키기 위해서는, 상대적으로 직경이 작고, 비틀림각이 큰 절삭날을 많이 갖는 엔드밀을 사용하여 상향절삭 하는 것이 바람직할 것으로 추천된다.
본 연구에서는 볼 엔드 밀 절삭실험을 통하지 않고 일반적인 선삭가공 등에서 쉽게 구할 수 있는 2차원 절삭 데이터를 이용하여 볼 엔드 밀의 기하학적 형상 및 절삭조건이 주어졌을 때 모든 볼 엔드 밀 가공에서의 절삭기구를 해석하고 절삭력 모델을 구하고자 한다. 이를 위하여 볼 엔드 밀의 기하학적 특성 및 절삭 조건 등을 분석하고, 미소절삭날터를 이용한 3차원 절삭해석방법을 적용하여 미소 절삭력을 구하고 이들의 합력으로서 절삭력을 계산한다.
이 연구는 밀링가공시 체터진동을 억제하기 위하여 부등각 앤드밀(나선각이 서로 다른 앤드밀)을 사용하여 절삭가공을 수행 한 후, 그 가공특성을 고찰한 것으로 가공표면의 기하학적 오차를 일반적으로 사용하는 등각 엔드밀에 의한 값과 실험에 의해 비교 검토한 결과, 두 엔드밀 모두 가공표면의 기하학적 오차는 유사함 나타내고 있으나, 부등각 엔드밀의 절대오차는 등각 엔드밀 보다 더 적은 경향을 나타내고 있다. 이들의 오차는 상향절삭보다 하야절삭 가공했을 때가 더 큰 것으로 나타났다. 더구나, 등각 엔드밀과 부등각 엔드밀과의 절대오차가 다르게 나타난 것은 밀링가공시 사용한 절삭날 인선에 의하여 완전히 의존되어지며, 또한 다른 나선각에 의해 기인된 각각의 절삭날에 대한 절삭날당 이송비의 변화에 의한 원인이라는 것을 명백히 알 수 있었다.
본 연구에서는 해석 기하학적인 접근 방법으로서 전단응력으로 표현되는 3차원 절삭이론을 유도하고 이것을 정면밀링의 해석에 적용하여 기본적인 파라메트 들은 실험이 비교적 용이한 선삭에서 결정하고 그들을 이용하여 밀링절삭력을 유효 하게 예측할 수 있도록 하는 방법을 제시하였다.
지금까지 공작기계의 성능은 주로 기하학적 운동정도, 위치결정정도, 공작정도등의 시험 및 검사에의해 평가되어왔다. 그러나, 공작기계의 수치제어 System으로서의 평가는 충분히 행히지고있지 않았다. 원호절삭 정도시험으로서 Direct Test법은 공작물을 직접절삭하기 때문에공구나, 공작물의 영향을 받아서 공작기계의 운동정도만을 검사하는 것은 곤란하다. 그래서 직접 절삭하지않고 원호절삭 원동정도를 평가할 수 있는 방법으로서 Circular test법과 Double Ball Bar법이 개발 되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 상술한 2가지 방법의 대체 방법으로 간단하고 값싸게 제작할 수 있는 새로운 원호절삭 정도측정장치와 측정 system을 개발하여 이 측정기로측정한 원호형상과 Machining Center의 운동오차 요인과의 정량적으로 고찰하였다.
본 연구에서는 이와 같은 구비조건과 문제점들을 해소하기 위하여 Fig.1과 같 이 볼 엔드 밀링의 절삭성과 경제적 절삭 속도식을 실용식의 형태로 표현하여 절삭조 건의 최적화를 위한 구속조건으로 설정하였고, 이를 자유곡면의 절삭경로 산출과정에 서 구속조건을 만족하면서 부품당의 생산비를 최소로 하는 스핀들속도와 이송속도를 결정하는 데에 적용하였다. 그리고 이는 실험모형에의 적용예를 통해 계산시간과 정 확도 및 절삭효과 등에 있어서 실용화의 가능성을 검토하였다. 이때 절삭력계를 해 석 함에 있어서는 기하학적 절삭 파라미터들에 대해 무차원적으로 정의된 절삭작용 누 적계수(accumulating coefficient)들을 이용하여 절삭력계를 선형화 된 실용식으로 표 현하였으며, 절삭 상수들과 절삭작용 누적계수들의 선형적 표현에 의해 평균 절삭력계 를 계산한 후, 토크 패턴 모델에 의해 절삭력 집중비를 구함으로써 실 절삭계의 주변 력(peripheral force), 드러스트, 토크, 동력 등을 예측하였다. 또한 절삭속도의 결 정에 있어서는 경제적 절삭속도 예측모델을 설정하여 가공비를 최소로 하는 절삭속도 를 선정토록 하였다.
There are lots of factors that are related to the geometric characteristics of machined surface. Among them, the tool path and milling mode (up cut milling or down cut milling) are the easiest controllable machining conditions. Thus, the first objective of this research is to study the effects of them on the milled surface that is generated by an end milling tool. To get precision parts, not only the machining process but also the measurement of geometric tolerance is important. But, this measurement requires a lot of time, because the infinite surface points must be measured in the ideal case. So, the second objective is to propose a simple flatness measurement method that can be available instead of the 3-D geometric tolerance measurement method, using a scale factor and characterized points. Finally, it is also shown that the possibility of flatness improvement by shifting the consecutive fine cutting tool path as compared with the last rough cutting tool path.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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