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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.4 pp.24-29
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.4.024

A Study on the Analysis of Tool-wear Patterns and Mechanisms in Face Milling

Sung-Min Jang*#, Seung-Yub Baek**
*Dept. of Mechanical Engineering, Chosun College of Science & Technology
**Dept. of Mechanical Design, Induk University
Corresponding Author : twkjsm@cst.ac.kr+82-62-230-8203, +82-62-230-8200
20170504 20170529 20170625

Abstract

This paper provides an experimental analysis on the breakage of the coated tool using the face-milling cutter of the machining center due to changes in the cutting speed and the feed rate. The experimental studies were conducted using STS 304 materials and the damage to the tool was analyzed according to the change in machining time. The experiments confirmed that the cutting speed and feed rate affected the tool damage and the mechanical impact and thermal shock were determined to severely damage the tool. From the production engineering point of view, it has been experimentally investigated that the increased feed rate significantly influences the material removal rate more than the increased cutting speed.


정면밀링에서 공구마멸 패턴과 메커니즘 분석에 관한 연구

장 성민*#, 백 승엽**
*조선이공대학교 기계과
**인덕대학교 기계설계학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    공작기계의 구동원리와 절삭방식에 따라 제조 현장에서 사용하는 절삭공구의 특성과 기하학적 형상은 각각 다르다. 가공조건은 다양한 절삭환경 과 목적에 따라 다르게 적용하고, 피삭재와 공구 의 기계·화학적 특성은 절삭성의 차이를 초래한 다. 특히 공구의 기하학적 현상, 공구면 코팅재의 종류와 두께 및 각 상태와 성능특성, 공구와 피삭 재 간 화학적 친화성, 절삭조건을 포함한 절삭환 경의 변화 등은 공구의 마멸형태를 매우 다양하게 발생시킨다. Cho 등은 연삭과 비 연삭 인서트 팁 (Insert tip)을 사용한 실험논문에서 비 연삭 인서 트 팁이 공구수명과 가공면에서 다소 우수한 성능 이 있음을 확인하였다[1]. 공구의 손상은 부품의 품 질에 영향을 끼친다. 그러나 밀링가공에서 공구마 멸에 관한 실험적 연구[2-4] 및 표면거칠기와 관련 된 공구마멸에 관한 연구[5-6] 등 다수의 논문이 발 표되었으나 가공시간 변화에 따른 공구마멸을 실 험적으로 고찰한 연구는 부족한 실정이다.

    2.공구마모의 원인과 영향

    생산성에 영향을 미치는 MRR(material removal rate)은 절삭조건과 가공시간에 따라 달라진다. 밀 링가공에서 절삭폭을 b(mm), 절삭깊이 d(mm), 이송속도 f(mm/min) 가공시간을 t(min)라 하 면 MRR(mm3)은 식 (1)을 이용하여 계산할 수 있다.

    M R R = b d f t

    마모 등으로 인한 빈번한 공구교환은 리드타임 의 증가와 생산성에 지장을 초래한다. 그러므로 절삭조건뿐만 아니라 공구의 손상 또한 MRR에 영향을 미친다. Fig. 1은 공구마모의 원인과 영향 에 관하여 도시한 것이다. 공구의 손상은 부품의 품위를 저하시키며, 지속적인 사용으로 인한 과도 한 부하발생은 공작기계의 안전 및 수명에도 영향 을 줄 수 있으므로 유의해야 한다. 본 연구에서는 STS304를 대상으로 절삭속도와 공구의 이송속도 에 변화를 주어 가공시간에 따른 공구선단의 손상 을 실험적으로 분석하여 고찰하였다.

    3.실험 및 고찰

    3.1.실험방법

    공구손상 메커니즘 분석을 위해 머시닝센터를 이용한 밀링가공 실험을 수행하였다. 공구는 인서 트팁(SDXT09M405R-MM)을 사용한 단인의 선단조 건으로 가공하였다. 밀링가공에 사용된 공구의 기 하학적 형상 조건은 Table 1에 나타내었다.

    3.2실험조건

    절삭속도는 60∼180m/min의 범위에서 그리고 이송속도는 100∼180mm/min의 조건에서 변화를 주어 가공실험을 하였다. 피삭재는 STS304를 사용 하였으며, 그 사이즈(mm)는 70×120×70(가로×세로 ×높이)이다.

    3.3.절삭속도 변화

    다양한 절삭속도 조건에서 가공시간에 따른 공 구의 손상 상태 및 파손 메커니즘을 분석하였다. 가공 후 공구의 선단은 Fig. 26에 공구현미경 사진으로 나타내었다. 가공조건으로 이송속도 (120mm/min)와 절삭깊이(0.5mm)는 모두 동일하게 적용하였고, 절삭속도에 변화를 주어 공구선단의 손상과 가공면의 표면거칠기 변화를 실험적으로 관찰하였다. Fig. 2는 절삭속도 60m/min의 조건으 로 실험한 결과를 나타낸 것이다. (a)와 같이 가공 이 진행됨에 따라 코팅재가 박리되었고 선단에서 손상 발생 후 마멸이 점차 확산하였다. 이후 (c), (d)에서와 같이 공구의 결손량이 증가되어 선단의 예리한 형태가 완전히 손상되었다. 공구의 기하학 적 형상을 제외한 이론적 표면거칠기는 공구의 이 송속도에 매우 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있 다. 그러나 본 연구와 같이 공구의 손상은 절삭 선단의 예리함을 악화시키기 때문에 가공시간의 증가는 표면거칠기 품질을 더욱 떨어뜨리는 결과 를 초래하였다. 가공 중 발생되는 칩은 화살표 방 향과 같이 경사면의 손상 영역을 주된 유동 방향 으로 배출된 것으로 판단되며 따라서 가공 중 발 생되는 열적 충격은 선단과 경사면의 넓은 영역에 영향을 주었다. Fig. 3은 절삭속도 90m/min의 조건 으로 밀링가공 후 공구선단의 형태를 나타낸 것이 다. (a)와 같이 가공 5분 후 선단의 코팅재 박리와 미소 칩핑이 발생하였고, 10분 후 우측 선단부에 서 칩핑의 크기가 증가된 것을 확인하였다. 가공 시간의 증가는 (c), (d)와 같이 공구 선단의 손상 을 더욱 악화시켰다. 경사면의 A와 같은 손상은 계속되는 단속가공과 칩 발생 등으로 인한 기계 및 열적 충격 등의 복합적 영향과 Fig. 2와 비교 할 때 절삭속도가 증가하면서 칩의 유동이 선단 부근에 더 집중되었기 때문인 것으로 사료된다. Fig. 4는 절삭속도 120m/min의 조건으로 밀링가공 후 공구손상 결과를 나타낸 것이다. Fig. 23에 비교하여 가공 5분 후 공구의 우측 선단부에서 칩 핑이 다소 크게 발생된 후 그 크기가 점차 증가되 었으며 가공 15분 후에는 선단부가 결손 되었음을 확인하였다. Fig. 5는 절삭속도 150m/min으로 가 공 후 공구의 선단 사진을 나타낸 것이다. 가공 5 분 후 공구의 우측 선단부에서 마멸층이 발생되었 고, 가공 8분 후 두드러진 결손 형태로 나타났다. 이후 가공시간의 증가에 따라 결손 면적이 증가되 었으며 결국 15분 후에는 더 큰 선단부 파손을 초 래하였다. Fig. 6은 절삭속도 180m/min의 조건으로 가공한 경우로써 비교적 이른 시간인 가공 3분 만 에 선단부에 손상 발생 후 그 형태가 점점 확대되 어 선단의 결손을 크게 하였고, 불과 7분 후 가장 큰 결손의 형태로 나타났다. Fig. 2~6의 결과, 절 삭속도가 증가할수록 경사면의 손상보다는 공구의 선단 칩핑으로 인한 손상을 더 크게 발생시키는 것으로 나타났다. Liu 등은 절삭속도가 고속일 때 경사면의 마모는 절삭선단에 가깝고 단속가공으로 인한 기계적, 열적 충격을 일으킬 수 있다고 하였 다[7]. 본 연구의 실험결과 절삭속도 120m/min 이 상에서 경사면의 손상은 매우 작았으며, 기계적 충격과 열적 충격의 복합적인 영향에 기인하여 공 구의 손상이 절삭선단에 집중되어 발생한 것으로 사료된다. 절삭속도의 증가는 날 당 이송을 느리 게 하므로 표면거칠기 품질에 도움이 되는 반면, 공구수명을 떨어뜨린다. 특히 절삭속도가 가장 빠 른 180m/min에서 짧은 가공시간에 선단의 손상이 뚜렷하게 발생하였는데, 이것은 절삭속도의 증가 에 의해 초래된 극심한 열적 충격에 기인한 것으 로 사료된다. 생산공학적 관점에서, 가공면의 거칠 기 향상을 목적으로 할 경우에는 절삭속도를 고속 으로 하는 것이 유리하나 공구의 손상을 빠르게 한다는 단점이 있다. 반면에 MRR(material removal rate)을 목적으로 할 경우에는 동일 이송속도 조건 에서 저속의 절삭속도로 부품을 가공하는 것이 유 리하다.

    3.4.이송속도 변화

    이송속도가 공구손상에 미치는 영향을 분석하기 위해 다양한 이송속도 조건에서 공구손상 상태를 Fig. 710에 나타내었다. 절삭속도(180m/min)와 절삭깊이(0.5mm)는 모두 동일한 조건으로 실험하 였다. Fig. 7은 이송속도 100mm/min의 조건으로 실험한 결과를 나타낸 것이다. 가공 5분 후 공구 의 선단에서 손상이 다소 두드러지게 발생 후, 손 상면적이 증가되어 9분 후에는 선단의 형태가 결 손된 것으로 관찰되었다. 이송속도 120mm/min의 조건에서 가공한 결과는 Fig. 6에서 설명하였다. Fig.8은 140mm/min, Fig. 9는 160mm/min의 이송속 도 조건으로 가공 후 공구의 손상상태를 나타낸 것이다. 가공시간의 증가에 따라 공구선단에서의 손상면적이 확대되는 것을 확인하였다. 특히 이송 속도가 180mm/min으로 가장 빠른 Fig. 10은 이전 과 비교하여 공구선단의 손상을 더 빠르게 하였고 가공 6분 후 손상의 형태를 매우 두드러지게 초래 시킨 것으로 나타났다. 실험결과, 이송속도의 증가 는 공구의 손상에 영향을 미치고 있음을 확인하였 다. 그리고 가공시간의 증가에 따라 공구선단의 손상이 증가되어 가공면의 품질 악화를 초래함을 확인하였다. 이송속도가 느린 경우에는 공구 칩핑 으로 인한 선단의 손상이 적게 발생하였고 이송속 도가 증가할수록 선단에서의 칩핑은 더 크게 발생 하였다. 이송속도의 증가는 단위 시간에 날 당 절 삭량을 증가시키고 이로 인한 기계적 충격을 더 크게 한다. 이 때문에 칩핑 발생 등 공구선단에 더 큰 손상을 초래한 것으로 사료된다. 이송속도 는 표면거칠기에 크게 영향을 미치는 인자로 알려 져 있다. 그러므로 이송속도를 느리게 할수록 가 공면의 품질관리에 매우 유리하다. 본 연구에서는 이송속도가 160mm/min인 경우 MRR이 39,200mm3 으로 가장 크다. 그러므로 MRR을 목적으로 한 생 산성 향상을 위해서는 다양한 피삭재와 공구조건 에 따른 적절한 이송속도의 선정을 필요로 한다.

    5.결 론

    정면밀링가공 중 공구의 손상은 기계 및 열적 충격에 영향을 받는 것을 확인하였고 이를 정리하 면 다음과 같다.

    • 1. 60m/min의 절삭속도에서, 열적 충격은 공구의 선단과 경사면의 넓은 영역에 영향을 미친다.

    • 2. 90m/min의 절삭속도에서 기계적, 열적 충격의 복합적 영향에 의한 공구손상은 선단 부근에서 초 래되었고 이를 초과한 절삭속도 조건에서는 절삭 선단에 집중되어 공구를 손상시킨다.

    • 3. 표면거칠기 향상을 위해서는 고속 밀링가공이 유리하나 MRR을 위해서는 저속 밀링가공이 부품 생산에 유리하다.

    • 4. 이송속도가 느리면 칩핑으로 인한 선단의 손상 이 적었고 빠를수록 칩핑 발생을 크게 하였다.

    Figure

    KSMPE-16-24_F1.gif
    Cause and effect of tool wear
    KSMPE-16-24_F2.gif
    Tool wear at cutting speed 60m/min
    KSMPE-16-24_F3.gif
    Tool wear at cutting speed 90m/min
    KSMPE-16-24_F4.gif
    Tool wear at cutting speed 120m/min
    KSMPE-16-24_F5.gif

    Tool wear at cutting speed 150m/min

    KSMPE-16-24_F6.gif
    Tool wear at cutting speed 180m/min
    KSMPE-16-24_F7.gif
    Tool wear at feed rate 100mm/min
    KSMPE-16-24_F8.gif
    Tool wear at feed rate 140mm/min
    KSMPE-16-24_F9.gif
    Tool wear at feed rate 160mm/min
    KSMPE-16-24_F10.gif
    Tool wear at feed rate 180mm/min

    Table

    Geometric shape condition of face milling cutter body for experiment

    Reference

    1. Cho J H , Hwang I H , Park S H , Lee J C (2013) “Study on the Machining Characteristics of Cutting Inserts” , Journal of the Korea Society Machining Process Engineers, Vol.12 (3) ; pp.76-80
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