TOPSIS를 적용한 초정밀 자기연마 시스템 설계 및 최적화에 관한 연구

Abstract

자기연마 입자는 브러쉬 형태로 존재하여 가공을 하기 때문에 특정한 형상을 가지지 않는 유연성 공구이다. 이러한 특징 때문에 복잡한 형태의 가공물의 표면 가공이나 마그네슘합금 소재와 같은 물리적 절삭가공이 어려운 소재의 가공에서도 적용이 가능한 장점을 가진다. 따라서 최근에까지 자기연마 공정은 세라믹 파이프의 내면 가공 및 복잡한 형상의 금형 연마공정에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 이러한 자기연마 공정에서의 단점은 공구의 절삭력을 결정짓는 전자기력의 세기 및 분포특성에 따라 가공편차가 매우 크게 발생하는 경향을 보인다는 것이다. 특히 비자성 소재의 가공에서는 공구와 소재의 표면에 발생되는 자기력의 세기가 미약하여 자기연마 입자들의 가공력이 현저히 감소하게 된다. 이러한 단점을 보완하며 복잡한 형상의 공작물 표면의 가공을 위해 다중배열 전자석 테이블과 CNC를 갖춘 제 2세대 자기연마 공정이 적용되고 있다. 그러나 이러한 효율성 증가에도 불구하고 근본적인 자기연마 시스템이 가지고 있는 공구에서의 자기력 불균형 문제점을 해결하지 못하고 있다. 즉 자기력 공구의 형상에 따라 공구내의 자기력 분포에 편차가 발생하고 이러한 편차는 대면적 가공 및 자유 곡면의 가공에 부정적 영향을 미친다. 따라서 이러한 편차를 최소화 하고 가공 품질 안정화를 위한 공구형상의 최적설계 및 가공경로의 생성 최적화가 이루어 져야 한다. 따라서 본 연구에서는 실험계획법, 다꾸지기법, 반응표면기법, TOPSIS 등의 최적설계 기법을 이용하여 평면 자기연마에서 공구에 발생하는 공구 중심간 자기력 편차를 최소화하는 공구 형상을 제안하고 이에 따른 가공특성을 평가한다. 또한 균일한 대면적 가공을 위한 공구간격(Step-over)을 휴리스틱 알고리즘의 최적화 기법을 이용하여 결정하였다. 그리고 자유곡면의 효율적 가공을 위한 공구 선정을 위해 자속밀도 가중치를 이용한 공구선정 알고리즘을 제시하고 이를 실험적으로 검증하여 그 결과를 나타내었다.

Magnetic abrasive polishing (MAP) is a relatively new super finishing technique used primarily for a nanometric level of surface finish, especially on non-magnetic materials and hard materials. MAP is a process in which a workpiece surface is smoothened by removing the material in the form of microchips by using abrasive particles in the presence of a magnetic field in the finishing zone. The working gap between the workpiece and the inductor is filled with a mixture of ferromagnetic particles and abrasive powder popularly known as magnetic abrasive particles. These particles form a flexible magnetic abrasive brush which does not require dressing. This flexible tool can remove a very small amount of materials from a workpiece, and then a better surface can be produced after polishing the workpiece without damage on the surface. Therefore, magnetic abrasive polishing have been to be a center of attention in the field of manufacturing industry which is facing challenges from stringent design requirement for high surface quality, high precision and complex shapes. However, in the previous study, it was obvious that the control of magnetic flux density in accordance with the distance from the center of the tool was difficult. These results bring out the difference of surface roughness on the working area after MAP. So, to solve these problem, optimal shape of tool for MAP was demanded because the properties of magnetic abrasive polishing fundamentally depend on the magnetic flux density on the surface of workpiece.

In this study, to determine the strategy of optimal design of magnetic abrasive tool, the simulation of magnetic flux density was performed. As result, the larger diameter of tool had the larger deviation of magnetic flux density according to radial distance of tool. From the result of simulation, 20mm of diameter of tool and 60mm of round of tool had a good condition on reducing the deviation of magnetic flux density for MAP of plane. These results were also verified through the optimal design process such as TOPSIS. Therefore proper step-over of tool path for MAP of plate workpieces was determined by second-order response surface model and heuristic algorithm. The determined step-over was 6.61mm on the MAP of magnesium alloy plate.

During the MAP of curved surface, the maximum magnetic flux density and distribution of magnetic flux density on the surface of worpiece were most effect on the improved surface roughness of curvature of workpiece. So, in this study, the properties of magnetic flux density distribution on the curvature was simulated according to round of tool. As a result of simulation, the 14.5mm of round of tool had not a better maximum magnetic flux density but also a better weighted magnetic flux density. The weighted magnetic flux density means the radial curvature of the higher rank for maximum magnetic flux density. From the experimental verification of simulation result, the better improved surface roughness was observed on widely area more than other round of tool after MAP of curved surface with 14.5 of round of tool. Lastly, To determined the optimal shape of tool on the MAP of curved surface, the second-order response surface model of TOPSIS value was developed according to radius of curvature for the wokrpiece.