재료 라이브러리 생성에 의한 절삭력 밸런싱 모델 및 알루미늄합금 엔드밀링의 표면품위 향상 = Development of a Material Library-Based Cutting Force Balancing Model and Surface Quality Improvement in Aluminum Alloy End Milling

국문 초록 (Abstract)

자동차, 우주항공, 반도체 산업 등 첨단산업에 사용되는 신소재 및 난삭재의 적용 비율이 증가하고 있으며, 그 수요가 전 산업으로 급속도로 확대될 것으로 전망된다. 특히 알루미늄 기반 열처리합금 또는 금속 복합소재, 내열금속, 티타늄합금 등이 적용된 부품소재에 대해 정밀도와 표면품위를 향상시킬 수 있는 절삭가공을 여전히 많이 사용하고 있다.
표면품위 및 가공특성을 고려한 가공 최적화 방법은 주로 절삭속도, 이송속도, 절삭량 등의 가공조건 변화에 따라 다꾸찌 실험계획법, 유전 알고리즘, 반복 학습 등과 같은 논리연산을 통해 가공 최적 조건을 선정하여 수행하였다. 그러나 가공부위 및 가공경로와 무관하게 일정한 가공조건으로 사용하거나 가공기계의 강성, 사용하는 공구의 소재 및 형상, 작업자의 숙련도 등에 따라서 가공효율 차이가 발생하는 문제점이 있다.
따라서 본 연구에서는 자동차 컴프레서 실린더 부품의 엔드밀 가공시 가공경로 최적화를 위해 재료 라이브러리 생성에 의한 절삭력 밸런싱 모델을 이용하여 절삭력을 가공구간 및 경로에 따라 일정화 하는 방법을 적용하고자 하였다. 먼저 절삭력 밸런싱 모델을 생성하기 위해 시뮬레이션 해석과 튜브 터닝(Tube turning)과 사이드 밀링(Side milling) 절삭가공실험을 통해 절삭력을 획득하였다. 절삭력 밸런싱 모델의 유효성을 검증하기 위해 실제 자동차 경량화 부품에 사용되는 Al7075-T6 열처리 합금을 가공하고자 NC 가공경로를 생성하여 황삭 초기 예상 절삭력과 절삭력 밸런싱 모델과 비교, 분석하였다.
절삭력 밸런싱 모델을 이용하여 실제 자동차 컴프레서 실린더 부품의 황삭, 중삭, 정삭 엔드밀 가공 후 표면품위를 확인한 결과 절삭력 밸런싱 하기 전에는 불규칙한 가공경로 마크와 미절삭 영역이 발생하였다. 반면, 절삭력 밸런싱 후에는 일정한 패턴의 툴링마크를 가지고 있으며 미절삭 영역이 존재하지 않았고 표면품질이 매우 향상 되었다. 또한, 가공경로에 따라 일정한 절삭력 부여를 위해 절삭력이 밸런싱 되어 NC 가공 프로그램 데이터가 변경되었으며 실제 가공시 사이클 타임이 감소하였다.
따라서, 재료 라이브러리 생성에 의한 절삭력 밸런싱 모델을 이용하여 Al7075-T6 합금소재가 적용된 자동차 컴프레서 실린더 부품의 엔드밀 가공시 사이클 단축뿐만 아니라 표면품위의 향상 효과도 가져올 수 있는 것으로 판단되며, 향후 자동차 부품 업체 대상으로 사업화를 진행할 때 생산성 향상의 기초 자료 및 실제 생산현장에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 8
• 1.3 연구목적 및 논문구성 17
• 2. 절삭력 밸런싱 모델 생성방법 19
• 2.1 3차원 절삭 시뮬레이션 해석을 통한 절삭력 획득 및 평가 19
• 2.1.1 3차원 절삭 시뮬레이션 해석 19
• 2.1.2 3차원 절삭 시뮬레이션의 절삭력 획득 및 평가 23
• 2.2 튜브 터닝과 사이드 밀링 절삭가공을 통한 절삭력 획득 및 평가 29
• 2.2.1 가공조건 선정 및 절삭력 획득을 위한 전용 툴 홀더 제작 29
• 2.2.2 튜브 터닝 및 사이드 밀링 절삭가공 시 절삭력 획득 및 평가 31
• 2.3 절삭력 밸런싱 모델의 평가결과 및 고찰 37
• 2.4 절삭력 밸런싱 모델과 시뮬레이션의 황삭 초기 절삭력 평가결과 및 고찰 39
• 2.5 결언 44
• 3. 최적 가공경로 생성을 위한 절삭력 밸런싱 모델의 유효성 검증방법 46
• 3.1 자동차 부품가공용 NC 가공경로 생성방법 46
• 3.1.1 가공공정 선정 및 NC 가공 프로그래밍 데이터 생성방법 46
• 3.1.2 공정별 NC 가공경로 생성방법 51
• 3.1.3 공정별 NC 가공경로가 적용된 시뮬레이션 결과 및 고찰 53
• 3.2 절삭력 밸런싱 모델을 이용한 가공경로 최적화 수행방법 56
• 3.2.1 가공공정별 절삭력 예측을 통한 공정 분석방법 56
• 3.2.2 절삭력 밸런싱 모델을 위한 최적화 변수 선정방법 59
• 3.2.3 가공경로 최적화를 위한 절삭력 평가 및 고찰 61
• 3.2.4 최적 가공경로 생성방법 및 최적화 전·후 사이클 타임 비교 결과 64
• 3.3 결언 68
• 4. 자동차 컴프레서 실린더의 엔드밀링 적용 70
• 4.1 절삭력 예측결과 및 가공경로 생성결과 70
• 4.2 절삭력 밸런싱 및 가공경로 최적화의 실험적 검증 77
• 4.3 자동차 컴프레서 실린더 부품의 엔드밀링 표면품위특성 평가결과 및 고찰 84
• 4.4 결언 94
• 5. 결 론 96
• 참고문헌 98
• Abstract 108