Predictive Model and Process Optimization for Magnetic Assisted Deburring Using Dynamic Particles

Abstract

산업 발전의 추세에 따라 초정밀 미세부품에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나 모든 가공품은 절삭 과정에서 필연적으로 버가 형성되고, 이로 인하여 기계의 수행 능력과 효율이 저하되는 치명적인 결함을 유발한다. 특히 최근 복잡한 자유형상을 가지는 고기능성 제품의 수요가 증가하면서 정형화된 공구를 사용하는 과거 방식에서 벗어난 새로운 기계적 표면처리법을 통한 디버링 연구의 필요성이 강조되고 있다. 따라서 본 논문에서는 연마입자의 유동성을 활용하여 효과적인 버 제거 및 표면 개선효과를 나타내는 회전 전자기연마공정을 제시하고 상세히 다루고자 한다. 회전 전자기연마가공은 영구자석의 자기 및 운동 특성에 의해 발생하는 복합에너지를 사용하여 자성입자를 가공범위에서 교반시키고, 운동하는 자성입자와 시편간의 충돌을 통해서 불필요한 형상을 제거하는 기술이다. 회전 전자기연마가공의 우수한 효과에도 불구하고 해당 공정에 주요한 연마입자의 운동 특성에 관한 분석이나 효율을 높이기 위한 연구가 부족한 실정이다. 그래서 본 논문에서는 유한요소기법을 활용하여 단일 및 다수 입자의 가공효과를 예측하고 반응표면법을 통한 공정 최적화를 수행하였다. 먼저 충돌해석을 이용하여 디버링 효과를 분석하였다. 회전 전자기연마가공에서 버의 파단을 일으킬 수 있는 항복강도 276 MPa 값을 기준으로 단일 자성입자 충돌로 인한 유효 응력 면적을 분석하였다. 입자의 충돌속도와 지름이 증가하였을 때 운동량이 더 크고 입자의 정렬각도가 클수록 응력이 집중되어 더 넓은 유효 면적이 나타나는 것을 확인하였다. 회전 전자기연마공정에 대해 실제와 유사하게 접근하기 위해서 단일 입자의 해석 결과를 바탕으로 다수 개의 자성입자의 디버링 효과를 산출하였다. 다수 개 자성입자의 충돌해석에서 각 공정인자와 수준에 따른 디버링 면적을 분석한 결과, 입자의 충돌속도 33 m/s, 총 중량 2.0 kg, 지름 0.7 mm일 때 최대 2.38 mm2의 값을 얻는 것을 확인하였다. 그리고 시뮬레이션 결과를 바탕으로 다항식 회귀모델을 이용하여 디버링 면적에 대한 예측모델을 제시하고 연속적인 반응을 분석하여 최적화를 수행하였다. 제시된 예측모델은 약 95%의 적합도를 보였으며 약 83%의 예측 정확도를 나타내었다. 모델을 이용하여 도출된 최적 공정조건은 실제 시뮬레이션을 통한 최적 조건과 동일하게 나타나고 예측 면적값이 2.27 mm2으로 약 95% 유사하여 개발된 예측모델이 충분한 신뢰성을 가짐을 확인하였다. 그리고 동일한 조건에서 실제 실험을 수행하여 최적 공정조건 입자의 회전속도 1,800 rpm, 총 중량 1.5 kg, 지름 0.7 mm을 확인하였다. 두 최적 조건을 비교해본 결과, 실제 실험에서 입자의 상호충돌로 인해 디버링 효과가 저해되어 총 중량 요인에서 약간의 차이가 존재하였다. 하지만 입자의 속도와 지름에 관여하는 요인의 최적 수준이 동일하고 각 운동특성의 주효과 경향이 유사하며 가장 영향력이 큰 인자가 총 중량으로 동일하였다. 그래서 제시된 수치적 접근법이 회전 전자기연마공정의 연마특성 규명에 적합함을 알 수 있었다.