고속가공에서 절삭공구 성능평가 및 고속연삭용 숫돌 개발

Abstract

최근 산업의 급속한 발전과 더불어 금형 산업에서도 다양한 제품에 대한 생산성 향상, 원가절감 등의 요구 조건을 만족시키면서 가공표면의 정밀성을 추구하는 고품위 가공 기술인 고속가공(High speed cutting)을 절실히 요구하고 있다. 본 연구에서는 엔드밀의 주분력과, 주분력의 증가율을 사용하여 엔드밀 랜드부의 표면거칠기 및 여유각변화에 따른 절삭공구의 성능평가와, 적외선 열화상카메라를 활용하여 열발생특성을 파악 고속가공에 있어 열 발생에 대한 실험을 하였으며, 고속가공에서 사용이 가능한 고속연삭용 숫돌을 개발하여, 가장 기초가 되는 가공인 평면가공을 통하여 고속연삭숫돌의 가공특성에 대하여 연구 하였다. 절삭공구성능평가 실험에서는 엔드밀 랜드부의 표면거칠기는 엔드밀의 수명에 큰 영향을 미치며 표면거칠기를 좋게 할수록 엔드밀의 수명도 증가함을 알 수 있었으며, 랜드부 표면거칠기가 7.4㎛일 때 절삭저항이 크게 증가함을 알 수 있었고. 엔드밀 여유각을 변화시켜 성능을 평가한 실험에서는 최적의 엔드밀 여유각이 존재함을 알 수 있었고 8°일 때가 가장 우수하였다. 적외선 열화상카메라를 이용하여, 열화상촬영법으로 절삭조건의 변화에 따른 열발생 특성에 관한 실험에서는. 주축속도 20,000rpm~30,000rpm 사이에서 절삭열이 안정된 경향을 보였으며, 40,000rpm에서 절삭열이 상승하는 경향은 절삭열 이 미처 분산되지 못하고 재료가 연화된 상태에서 다음 절삭이 진행되어 나타나는 현상이 원인임을 알 수 있었고. 절삭깊이가 작은 경우는 피삭재에 소성변형과, 공구의 열전도율이 좋아 피삭재의 열적영향을 적게 받음 알 수 있었으며, 하향절삭에서는 절삭열이 안정적 이고, 상향절삭일 경우는 절삭열이 계속 증가하는 경향을 보이는데, 이것은 절삭저항과 칩 배출이 원활하지 않음을 알 수 있었다. 고속가공기(High Speed Machine)에서 고속절삭과 고속연삭의 복합화에 관한연구를 하기위하여 텅스텐카바이드생크에 CBN입자를 니켈본드로 단일층(one layer)으로 전착(electro)하여 개발된 고속연삭숫돌 성능평가에서는, 표면거칠기는 고속연삭이 고속절삭 보다 양호하게 나타났으며, 절입깊이 1㎛, 이송속도 1,000m/min의 가공조건으로 고속연삭 할 때의 최적 주축속도는 30,000rpm 부근임을 알 수 있었다. 잔류응력변화는 고속연삭과 고속절삭 모두 증가하는 경향을 나타내었고. 고속절삭에 비해 고속연삭은 잔류응력 개선효과가 있으며, 주축속도 30,000rpm에서 잔류응력이 가장 낮게 나타났으며, 연삭력이 가장 적게 부하되는 것을 알 수 있었다. 숫돌의 표면상태의 변화는 1㎛와 2㎛에서는 공구의 손상이 거의 없었으며, 주축의 고속회전으로 인한 발생한 강력한 원심력으로 칩의 배출과 결합력이 약한 연삭입자의 탈락 시 본드의 훼손으로 인하여 5㎛에서 손상된 정도가 발전하여 10㎛에서는 입자의 탈락 및 본드의 손상된 정도가 급격히 진행됨을 확인 할 수 있었다.

In recent years, it is essential to adopt the non-traditional machining technologies to produce the products getting a miniature and a precision in many application areas such as electric, electronic, automobile,aerospace and mechanical industrials. But in the cases of using the non-traditional machining technologies, generally the production rate is very low and the initial investment cost is more expensive. Thus there is a need to develop the new technology or the competitive machining method by improving capability of the conventional machine, tooling system and tool in itself. High speed machining has been thought to be a kind of alternatives for the non-traditional machining technologies in the past and recently it became a popular method of the machining technologies to produce better surface roughness of the precision products with high productivity. Here the term, high speed machining, means that machine tools are driven at higher rotation speed in a main spindle or at faster feed-rate in a table moving speed. In the high speed machining, the spindle rotation speed usually reaches about 20,000~100,000rpm. The high speed machining brings many benefits such as lower cutting force, smaller thermal damage, less residual stress and possible to cut easily the difficult-to-cut-materials. But the high speed causes inherently machine tools itself to increase temperature rise and cutting tool edges to accelerate the abrasive wear. This study presented some machining characteristics in a high speed cutting using an end-mill tool. Cutting forces by a 3-axis tool dynamometer and temperature generation by an infrared camera were measured during the high speed cutting operation. Tool wear also was evaluated after the high speed cutting to know the effect of applied cutting conditions on the wear. The development of a high speed grinding tool and a characteristic assessment of the high speed grinding were also shown in this study. The high speed grinding could be conducted after the high speed cutting operation without generating new tool paths. It was seen that the high speed grinding tool developed was suitable to apply die and mold making because of possibility to get better surface by the high speed grinding. As a result of this study, an achievement of a compound machining technology with the high speed cutting and the high speed grinding came true and the high speed grinding was proposed to obtain the high quality product.