CFRP 복합재료에 대한 범용 및 고속 가공 영역에서의 절삭요인 분석과 표면 손상에 관한 실험적 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 산업의 발달과 기술의 진보에 따라 고강도, 경량화를 양립하는 복합재료의 사용과 응용 분야에 대한 관심이 집중되고 있다. 복합재료는 보강재와 모재로 구성되며 그 대표적인 재료가 탄소 섬유를 보강재로 구성하는 CFRP 복합재료이다. CFRP 복합재료는 항공기, 자동차, 선박, 의료기기 산업 등에서 많이 사용되고 있으며, 알루미늄 합금에 비해 비중은 1/2, 인장강도는 강도비(인장강도/비중)가 약 10배 뛰어난 특성을 가지고 있어 경량화가 절실한 항공기 기체나 자동차 구조 및 부품 재료로 특히 많이 사용되고 있다. 따라서 CFRP 복합재료의 응용 및 용도가 증대되면서 형상가공 및 다른 재료와의 결합을 하기 위한 2차 가공이 요구된다. 제조방법에 따라 필요한 치수와 근사한 제품을 얻기도 하지만, 치수 및 형상 정밀도, 표면조도, 그리고 다른 기능적 요구를 충족시키기 위하여 가공이 필요하다. 또한 가공 방법에 따라 기지재와 탄소섬유 사이의 비균등성과 비등방성 그리고 섬유의 적층구조의 형태 때문에 기지균열(matrix crack), 섬유파단(fiber break) 등의 발생과 CFRP 복합재료에 포함하고 있는 섬유가 충분히 절단되지 않아 형상표면 및 상단부와 하단부에 버(burr)를 포함한 delamination, buckling, bending 등과 같은 금속에서 볼 수 없는 여러 문제점이 발생하기 쉽다. 이러한 문제점을 최소화하고 생산성 있는 가공을 하기 위해서는 CFRP 복합재료의 가공에 대한 연구가 절실히 필요하다. 따라서 본 논문에서는 CFRP 복합재료의 밀링 가공 공정에서 가공 상태 감시 시스템을 적용하여 절삭 특성을 파악하고 최적의 조건을 확립하였다.
일반 가공 영역과 고속 가공 영역으로 나누어 절삭속도에 따른 형상가공 상태를 분석하였고 이를 위하여 공구선정 및 최소한의 진동 발생을 위한 클램핑 방법에 대해 선행 연구를 수행하였다. 선정된 조건에 따라 공구동력계와 가속도계 센서를 설치하여 절삭 가공 시 시간영역에 대하여 신호처리를 통한 절삭력과 진폭의 변화를 분석하였다. 고속가공 조건에서는 절삭 시 발생하는 온도를 관찰하기 위해 열화상 카메라를 이용하였고 고속 카메라를 통해 절삭 상태를 분석하였다. 최종적으로 가공 변수에 따른 가공 상태를 측정하여 비교 분석하였고 최적의 가공 상태를 확립하기 위한 조건을 평가하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 현황 1
• 1.2 연구목적 4
• Chapter 2 이론적 배경 5
• 2.1 복합재료(Composite material) 5
• 2.1.1 섬유강화 복합재료의 정의 및 기본 개념 5
• 2.1.2 CFRP 복합재료의 구성 및 특징 8
• 2.1.3 CFRP 복합재료 절삭 공정에서의 파괴양상 9
• 2.2 절삭 공정 모니터링을 위한 센서 10
• 2.2.1 공구동력계(Tool Dynamometer) 10
• 2.2.2 가속도계(Accelerometer) 11
• 2.3 일반가공과 고속가공의 절삭특성 12
• Chapter 3 CFRP 복합재료의 가공성 평가 17
• 3.1 실험 장치 구성 및 실험방법 17
• 3.1.1 CFRP 복합재료 시편 및 공구 선정 17
• 3.1.2 실험 장비 및 절삭 공정의 모니터링 시스템 구축 18
• 3.2 절삭력과 진동 신호 측정 및 표면 형상 분석 19
• 3.2.1 신호 측정 및 분석 19
• 3.2.2 CFRP 표면 형상 분석 20
• 3.2.3 실험 결과 및 가공 조건 선정 21
• 3.4 절삭 가공 시 클램핑 방법에 따른 진동 평가 22
• Chapter 4 일반 절삭가공 조건에 따른 CFRP 가공성 평가 37
• 4.1 실험장치 및 실험방법 37
• 4.2 절삭력과 진동 신호 측정 및 분석 39
• 4.3 CFRP 가공 후 형상 비교 및 표면거칠기 분석 40
• Chapter 5 고속 절삭가공 조건에 따른 CFRP 가공성 평가 50
• 5.1 실험장치 및 실험방법 50
• 5.2 절삭력과 진동 신호 측정 및 분석 52
• 5.3 CFRP 가공 후 형상 비교 및 표면거칠기 분석 54
• Chapter 6 결 론 69
• References 71