The Effect of Surface Roughness according to Machining Conditions of Test Specimen for Precision Micro-milling Machining

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◆ 특집 ◆ IT 융합 생산/가공기계 지능화 기술

미세정밀밀링 가공을 위한 검사시편의 가공조건에 따른 표면거칠기에 대한 영향 분석

심민섭¹, 김동현¹, 이춘만^1,

Min-Seop Sim¹, Dong-Hyeon Kim¹, and Choon-Man Lee^1,

1 창원대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University)

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-213-3622 Manuscript received: 2014.10.22 / Revised: 2014.11.28 / Accepted: 2014.11.28

Recently, many researchers and industry are looking for ways to decrease the use of lubricants because of economical and environmental reasons. One of the lubrication technologies is the MQL method. This study presents a research of MQL and Wet milling processes of Al 6061 material. For this experiment, the test specimen is suggested, and various machining conditions are applied. And, shape of micro-pattern which has been recently spotlighted is included in the test specimen. In order to compare MQL with Wet machining, several milling experiments were carried out, varying feed rate, cutting speed, depth of cut, etc. Finally, the surface roughness results of machining tests according to the process conditions were measured. It is expected that the results of machining experiments can be used to predict the surface roughness of various MQL milling processes.

Key Words: Milling (밀링), MQL (최소유량윤활), Surface roughness (표면 거칠기), Micro-pattern (미세패턴), Test specimen (검사 시편)

1. 서론

최근 기계가공 분야에서는 지구온난화 등의 환 경문제에 대한 심각성이 대두됨에 따라 단순히 우 수한 고능률, 고품질의 가공뿐만 아니라 경제성과 친환경성을 모두 고려하는 가공기술을 필요로 하 고 있다. 오늘날 절삭가공 시 공작물 및 공구의 냉각, 발열 저하, 윤활성 등의 이유로 절삭유가 필

수적으로 활용되고 있다. 그러나 작업 중 절삭유 를 장기간 사용하게 되면 악취 발생으로 인해 작 업환경이 악화되고, 접촉 시 인체에 해로운 계면 활성제, 염소계 등 인체에 유해한 화합물을 함유 하고 있어 작업자에게 위협이 될 뿐만 아니라, 사 용 후의 폐 절삭유를 처리하는데도 상당한 애로사 항이 있다.¹ 이러한 절삭유의 단점에서 부각되고 있는 절삭유 기술중의 하나가 극미량 절삭유 __________

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스트 형태로 절삭공구의 끝 부위에 극미량의 절삭 유만 분사하는 윤활방법으로 극미량만을 분사하므 로 칩 배출에 대한 문제와 공구 및 소재의 선정, 적절한 가공 조건 선정 등이 매우 중요하다.

Lee 등⁴은 가공조건, 냉각방식에 따른 특성들을 MQL과 냉풍을 이용한 선삭 가공을 통하여 연구하 였고, Hwang 등⁵은 절삭유 미립화와 환경영향에 관 하여 선삭가공을 통해 연구하였다. Dhar등⁶은 AISI 1040 스틸재의 선삭 가공에서 MQL과 Wet 가공을 비교 분석하였고, Hwang 등⁷은 Al 6061 소재의 선 삭 가공에서 실험계획법을 이용하여 MQL 가공이 보다 효율적임을 연구하였다. Lee 등⁸은 MQL 밀링 가공의 절삭성 실험을 통해 가공성 및 비용 평가 에 관하여 연구하였으며, Rahman 등⁹은 MQL 밀링 가공에서 Wet 가공과의 비교를 통해 경제성 및 친 환경성에 대하여 연구하였다. Kim 등¹⁰은 공작기계 의 가공성평가를 위한 검사시편을 제작하여 가공 성을 평가하였으며 Je 등¹¹은 초정밀 평판가공기 및 현재 개발중인 내용 등을 통해 초정밀 평판가 공기술 분야 전반에 대한 기술동향에 대하여 기술 하였다.

본 연구에서는 본 연구자^10,12,13 및 Back 등¹⁴이 수행한 기존연구에 포함시키지 않았던 미세패턴형 상을 포함시켜 검사시편을 제작하였으며, 미세패 턴형상과 일반형상을 동시에 가공할 경우의 MQL 및 Wet 가공에 대한 연구를 수행하였다. 그리고 검사시편의 가공시 윤활 및 가공 조건이 표면거칠 기에 미치는 영향을 비교 분석하였다.

2. 평가항목 선정

공작기계의 성능은 가공정밀도와 밀접한 연관 이 있으므로 정밀도를 평가할 수 있는 항목을 선 정하는 것이 중요하다. 공작기계의 정밀도를 평가 하기 위해 직 · 간접적인 방법을 사용하는데, 직접 적인 방법은 절삭가공을 수행하여 평가하는 방법 이다. 일정한 절삭 깊이와 절삭속도를 기준으로

피삭재의 형상오차, 진원도 및 직각도 등을 평가 하는 방법이다. 이 방법은 기계자체의 측정이 어 려우며 범용성이 부족하다. 그리고 간접적인 방법 은 공작기계의 구동 정밀도와 요소부품의 정밀도 를 측정하는 방법이다. 이 방법은 공작기계의 특 성을 직접 파악할 수 있다. 그렇지만 측정방법과 해석방법에 대한 기준이 명확하지 않고, 공작기계 의 성능과 가공 정도 간의 상관관계를 정확하게 정의할 수 없다. ^{10, 12-15}

본 연구에서 제시한 검사시편의 경우, 평면, 1 도경사면, 직각부위절삭 및 가공경로 비교 등의 직선 가공, 원형과 구형, 곡면 등의 곡선가공, 그 리고 3가지의 미세패턴형상 등을 선정하였다. 그 리고 평가방법 등을 고려하여 검사시편을 제안하 였다. 검사시편의 모델링은 3D모델링 전문 소프트 웨어 CATIA를 이용하였다.

2.1 다양한 조건의 직선가공

Fig. 1은 본 검사시편의 가공조건 중 직선가공 에 해당하는 조건들을 보여준다. 다양한 직선가공 방법에 따른 가공특성을 평가하기 위해 평면, 1도 경사면, 여러 경사각도를 가지는 경사면, 사각형상 에 대한 직각부위절삭 및 One-way와 Zig-zag의 가 공경로에 따른 절삭 등의 가공조건을 선정하였다.

2.2 다양한 조건의 곡선가공

Fig. 2는 본 검사시편의 가공조건 중 곡선가공 에 해당하는 조건들을 보여준다. 다양한 곡선가공

Fig. 1 Various shapes on the test specimen for linear machining

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방법에 따른 가공특성을 평가하기 위해 선행 연구 에서 시도하지 않은 곡면 가공을 추가했으며 구형 가공, 곡면 가공 및 실린더형 가공에 대한 가공조 건을 선정하였다.

2.3 다양한 조건의 미세패턴가공

Fig. 3은 본 검사시편의 가공조건 중 미세패턴 가공에 해당하는 형상들을 보여준다. 직선 및 회 전운동 정밀도 평가를 위해 자주 사용되는 형상을 고려하여 미세 사각뿔, 미세 지그재그 및 미세 미 로형상과 같은 패턴을 선정하였다.

Fig. 4 Experiment equipment

Table 1 Process conditions Machining

conditions

Cutting speed (rpm)

Feed rate (mm/min)

Tool type/

size(mm)

Linear machining

Inclination angle (15°, 30°,

45°, 60°)

4000,

8000 4000 Flat /10 Plane and

1° angle

4000,

8000 4000 Flat/

10 Tool path

(one-way)

4000 2000 Ball Tool path /10

(zig-zag)

Perpendicular 4000,

8000 2000 Flat /10

Curve machining

Circular 4000 2000 Ball /10 Curved

surface

4000,

8000 2000 Ball /10 Cylindrical 4000,

8000 2000 Ball /10

Micro- pattern machining

Micro

square pillar 9000 1200 Ball /1

Micro zig-zag

9000,

10000 200, 500 Flat /0.5, 1

Ball /0.5, 1 Micro

labyrinth 10000 200 Ball/

0.5

3. 가공실험 및 분석

Table 1에 세부 가공조건을 나타내었으며, 실험 에 활용된 MQL 장치, 표면거칠기 측정장치의 정보 를 Fig. 4와 Table 2에 나타내었다. Fig. 5에 Wet 및 MQL 윤활을 통해 가공된 검사시편을 나타내었다.

Fig. 2 Various shapes on the test specimen for curve machining

Fig. 3 Various shapes on the test specimen for micro- pattern shape

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Fig. 5 Machined test specimens

Fig. 6 Surface roughness according to inclination angle, cutting speed and lubricants

3.1 직선가공의 표면 거칠기 특성 3.1.1 경사각도에 따른 표면 거칠기 특성

Fig. 6에 경사각도에 따른 표면거칠기의 특성을 나타내었다. 대체적으로 절삭속도가 높을수록 표 면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었다. 대체로 낮은 경사각도에서는 Wet 가공시의 표면거칠기가 나빠 짐을 알 수 있었으며, 높은 경사각도에서는 MQL 가공시의 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었다.

낮은 경사각일수록 ball end-mill의 날 끝(Point of Cutting Edge)부분이 가공하게 되어 표면거칠기가 나빠짐을 알 수 있었고, 고속가공일수록 MQL의 효과가 더 많이 나타남을 확인하였다.

3.1.2 평면 및 1° 경사각에 따른 표면 거칠기 특성

Fig. 7 Surface roughness according to plane, 1° angle, cutting speed and lubricants

Fig. 8 Surface roughness according to tool path and lubricants

Fig. 7에 평면 및 1° 경사각에 대한 표면거칠기 의 특성을 나타내었다. 절삭속도가 높을 경우, 경 사가 있을 경우 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있 었다. 평균적으로 MQL에 비해 Wet 가공시의 표면 거칠기가 23% 정도 좋게 측정됨을 확인하였다.

3.1.3 가공경로에 따른 표면 거칠기 특성 Fig. 8에 가공경로에 따른 표면거칠기의 특성을 나타내었다. One-way 가공시의 표면거칠기가 Zig- zag 가공에 비해 좋아짐을 확인하였다. 그리고 Wet가공일 때 MQL가공보다 표면거칠기가 좋게 측정됨을 확인하였다.

3.1.4 직각부위에 따른 표면 거칠기 특성 Fig. 9에 직각부위에 따른 표면거칠기의 특성을 나타내었다. 절삭속도가 높은 경우에 표면거칠기 가 좋아짐을 알 수 있었으며, MQL 가공시의 표면 거칠기가 약 22% 정도 좋게 측정됨을 확인하였다.

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Fig. 9 Surface roughness for perpendicular according to cutting speed and lubricants

Fig. 10 Surface roughness for circular shape according to lubricants

3.2 곡선가공의 표면 거칠기 특성 3.2.1 구형 형상의 표면 거칠기 특성

Fig. 10에 구형 형상의 표면거칠기 특성을 나타 내었다. 동일한 조건일 경우 Wet 가공시의 표면거 칠기가 좋아짐을 확인하였다.

3.2.2 곡면 형상의 표면 거칠기 특성

Fig. 11에 곡면 형상의 표면거칠기의 특성을 나 타내었다. 동일한 조건일 경우 절삭속도가 높은 경우 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었으며, MQL 가공시의 표면거칠기가 더 좋아짐을 알 수 있었다.

3.2.3 실린더형의 표면 거칠기 특성

Fig. 12에 실린더형의 표면거칠기 특성을 나타 내었다. 곡면 형상과 마찬가지로 동일한 조건일 경우 절삭속도가 높은 경우에 표면거칠기가 좋아 짐을 알 수 있었고, MQL 가공시의 표면거칠기가 더 좋아짐을 알 수 있었다.

Fig. 11 Surface roughness for curved surface according to cutting speed and lubricants

Fig. 12 Surface roughness for cylindrical shape according to cutting speed and lubricants

3.3 미세패턴가공의 표면 거칠기 특성 3.3.1 지그재그 미세패턴의 표면 거칠기 특성

Fig. 13에 지그재그 미세패턴의 표면거칠기의 특성을 나타내었다. 평균적으로 ball end-mill인 경 우, 공구크기가 클수록 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었다. 이는 공구크기가 클수록 Cusp이 적어 지기 때문인 것으로 판단된다.

3.3.2 사각뿔 및 미로형상의 미세패턴에 대한 표면 거칠기 특성

Fig. 14에 사각뿔 및 미로형상의 미세패턴에 대 한 표면거칠기의 특성을 나타내었다. 사각뿔의 경 우 MQL가공이 좋게 측정되었으며, 미로형상의 경 우 Wet 가공의 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었 다. 사각뿔일 경우에는 경사면의 가공과 같이 MQL 의 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었고, 미로형 상의 경우 Wet 가공이 표면거칠기가 좋게 측정되 었는데 이는 공구가 미로형상 속으로 끼는 효과로 인해 MQL 효과가 줄어들었기 때문으로 판단된다.

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Fig. 13 Surface roughness for micro zig-zag pattern according to tool type, tool size and lubricants

Fig. 14 Surface roughness for micro square pillar and labyrinth shape according to lubricants

4. 결론

본 연구에서는 미세패턴형상이 포함된 검사시 편을 제작하고 Wet과 MQL의 2가지 윤활조건으로 밀링가공을 수행하였다. 가공된 시편의 표면거칠기 측정을 통해 가공조건과 윤활조건의 영향에 대하여 분석하였으며, 선정된 조건들이 표면거칠기에 미치 는 영향에 대해 분석한 결과는 다음과 같다.

1) 직선가공의 경우, 대부분 절삭속도가 높은 경우 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었으며 MQL 에 비해 Wet 가공시의 표면거칠기가 좋아짐을 알 수 있었다. 그리고 낮은 경사각도에서는 Wet 가공 시의 표면거칠기가 좋아짐을 확인하였는데 이는 공구의 날 끝부분이 가공하게 되어 표면거칠기가 나빠졌을 것으로 판단된다. 가공경로의 경우 Zig- zag에 비해 One-way의 가공이 표면거칠기가 좋게 측정되었다.

록 Cusp이 적어지기 때문인 것으로 판단된다.

4) 미세 사각뿔의 경우 경사면의 가공과 마찬 가지로 MQL의 표면거칠기가 좋아짐을 확인하였으 며 미세 미로형상의 경우 Wet 가공이 표면거칠기 가 좋게 측정되었는데 이는 공구가 미로형상 속으 로 끼는 효과로 인해 MQL 효과가 줄어들었기 때 문으로 판단된다.

5) 본 연구에서 선정한 조건에서 Wet 가공과 MQL 가공시의 표면거칠기는 비슷하게 측정되었 다. 다만 MQL가공시 윤활유의 사용이 매우 적기 때문에 보다 친환경적인 면에서 유리할 것으로 판 단된다.

본 연구에서는 미세패턴형상이 포함된 검사시 편을 제작하였으며 검사시편의 가공시 윤활 및 가 공 조건이 표면거칠기에 미치는 영향을 비교 분석 하였다. 본 연구의 결과는 공작기계의 신규개발 및 성능검사시 검사시편 개발에 활용될 수 있을 것이다. 향후 효율적인 가공성 평가를 위해 본 연 구에서 활용된 검사시편을 보완할 예정이며 보다 미세한 ㎛ 사이즈의 공구를 사용하여 미세패턴가 공을 수행할 예정이다.

후 기

이 논문은 2013~2014년도 창원대학교 연구비에 의하여 연구되었음.

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