KR101841526B1 - 절삭력 저감을 위한 다공구 가공 방법 - Google Patents

절삭력 저감을 위한 다공구 가공 방법 Download PDF

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KR101841526B1
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Abstract

절삭력 저감을 위한 다공구 가공 방법에서 적어도 2개 이상의 공구들을 포함하는 공구유닛으로 공작물에 대한 밀링가공을 수행하며, 상기 제1 공구는 상기 공구유닛의 전단에 위치하여 상기 공작물에 대하여 반경방향으로 직경과 동일한 절삭깊이(radial depth of cut)로 가공을 수행하고, 상기 제1 공구 외의 다른 공구들은 상기 제1 공구의 후단에 위치하여 상기 제1 공구의 가공경로(tool path)와 중첩되며 상기 공작물에 대하여 가공을 수행하고, 상기 공구들 중 적어도 하나의 공구는 다른 공구들과 회전 방향이 서로 다르다.

Description

절삭력 저감을 위한 다공구 가공 방법{MULTI-TOOL MACHINING METHOD TO REDUCE CUTTING FORCE}
본 발명은 다공구 가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 공구를 이용한 밀링(milling) 가공에서 각 공구에서 발생하는 절삭력의 상쇄효과를 이용하여 절삭력을 최소화하기 위한 절삭력 저감을 위한 다공구 가공방법에 관한 것이다.
전통적인 가공 방법으로서 하나의 공구를 사용한 밀링(milling) 가공의 경우 공작기계에 고정된 상태에서 안정적인 가공을 수행할 수 있는 장점은 있으나, 일정한 패턴의 상대적으로 큰 절삭력이 발생하며 전반적으로 가공효율이 높지 않은 문제가 있어왔다.
이에 따라, 복수의 공구를 동시에 사용하는 다공구 가공방법에 대한 기술이 개발되고 있는데, 이러한 다공구 가공의 경우 상대적으로 가공 속도나 가공 면적을 향상시킬 수 있는 장점은 있으나, 절삭력의 최소화와 가공 효율의 향상을 위한 공구의 배치나 가공조건을 선택해야 하는 문제가 있다.
특히, 최근의 대형 공작물에 대한 가공 방법으로서 개발되는 모바일 가공의 경우, 특히 고정된 프레임 상에서 가공을 수행하지 않고 공작물 표면에서 이동하며 가공을 수행하기 때문에 구조적 강성이 약해지므로 가공시 모바일 가공기로 전달되는 절삭력을 최소화는 것이 필요하며 이를 위해 절삭력을 최소화할 수 있는 다양한 가공 방법에 대한 개발이 필요한 상황이다.
한편, 대한민국 등록특허 제10-1630144호 등 다수의 문헌을 통해 복수의 공구들을 장착하여 가공을 수행하는 기술이 개시되고는 있으나, 공구의 배치, 공구의 회전속도나 회전방향 등과 같은 가공조건을 절삭력의 최소화를 위해 최적화한 기술은 아직 개시되지 못하는 상황이다.
대한민국 등록특호 제10-1630144호 대한민국 공개특허 제10-2014-0138599호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 복수의 공구를 이용하여 동시에 밀링을 수행하는 다공구 밀링 가공에 있어서, 공구의 배치, 공구의 회전속도, 공구의 회전방향, 이송속도, 절삭깊이, 공구 형상 등의 가공조건을 최적화하여 절삭력을 최소화할 수 있는 절삭력 저감을 위한 다공구 가공 방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 다공구 가공 방법에서 적어도 2개 이상의 공구들을 포함하는 공구유닛으로 공작물에 대한 밀링가공을 수행하며, 상기 제1 공구는 상기 공구유닛의 전단에 위치하여 상기 공작물에 대하여 반경방향으로 직경과 동일한 절삭깊이(radial depth of cut)로 가공을 수행하고, 상기 제1 공구 외의 다른 공구들은 상기 제1 공구의 후단에 위치하여 상기 제1 공구의 가공경로(tool path)와 중첩되며 상기 공작물에 대하여 가공을 수행하고, 상기 공구들 중 적어도 하나의 공구는 다른 공구들과 회전 방향이 서로 다르다.
일 실시예에서, 상기 공구들 각각의 공구 직경, 회전속도, 수직 방향의 절삭깊이(axial depth of cut) 및 이송속도는 모두 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공구들을 포함하는 공구유닛으로 공작물에 대한 밀링가공을 수행하는 경우,
Figure 112016099297434-pat00001
식 (1)
(
Figure 112016099297434-pat00002
은 목적함수,
Figure 112016099297434-pat00003
은 평균 절삭합력,
Figure 112016099297434-pat00004
는 절삭합력 표준편차,
Figure 112016099297434-pat00005
은 재료제거율,
Figure 112016099297434-pat00006
)
상기 식 (1)로 상기 공구들의 가공조건이 최적화될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공구들 각각은 엔드밀링(end milling) 공구 또는 페이스밀링(face milling) 공구일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공구유닛은 상기 제1 공구 외에 제2 공구를 더 포함하며, 상기 제2 공구는 상기 제1 공구의 가공경로(tool path)와 50% 중첩되며, 상기 공작물에 대한 가공을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공구유닛은 상기 제1 공구 외에, 제2 공구 및 제3 공구를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 공구의 회전축은 상기 제2 및 제3 공구들의 회전축들보다 전단에 위치하여, 상기 제1 내지 제3 공구들 각각의 회전 중심은 삼각형을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 공구의 회전방향은 상기 제3 공구의 회전방향과 서로 반대일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제3 공구들은 시계방향으로 회전하고, 상기 제2 공구는 반시계방향으로 회전할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 공구는 상기 제1 공구의 가공경로(tool path)와 30% 중첩되고, 상기 제3 공구는 상기 제1 공구의 가공경로와 70% 중첩되며, 상기 공작물에 대한 가공을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 2개 이상의 공구들로 공작물을 가공하되, 공구들의 가공 경로가 일부 중첩하고, 서로 다른 회전 방향으로 가공하도록 함으로써, 하나의 공구를 이용한 가공에 비하여 절삭력이 저감되며, 특히 모바일 가공과 같이 저절삭력이 요구되는 가공에 적용이 가능하다.
이 경우, 공구들 각각의 직경, 회전속도, 수직 방향의 절삭깊이 및 이송속도는 동일하게 유지함으로써 절삭력을 최소화하며, 안정적인 가공을 수행할 수 있다.
또한, 공구들의 가공조건의 최적화를 위한 목적함수를 도출함으로써, 절삭력 최소화를 위한 가공조건을 도출할 수 있다.
특히, 최적 가공조건으로 2개의 공구를 사용하는 경우에는 가공경로가 50% 중첩되도록 가공을 수행하고, 3개의 공구를 사용하는 경우에는 각각 30% 및 70%가 중첩되도록 가공을 수행함으로써 최적의 가공 경로를 도출할 수 있다.
나아가, 3개의 공구를 사용하는 경우 3개의 공구의 회전 중심의 위치 및 회전 방향을 최소의 절삭력을 위해 도출할 수 있으므로, 복수의 공구를 사용한 밀링 가공에서의 최적 가공조건을 도출할 수 있다.
도 1a는 종래 기술에 의한 단일 공구 밀링 가공 상태를 도시한 모식도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 다공구 밀링 가공 상태를 도시한 모식도이다.
도 2a는 도 1a의 단일 공구 밀링시의 평균 절삭력의 합력을 도시한 그래프이고, 도 2b는 도 1b의 다공구 밀링시의 평균 절삭력의 합력을 도시한 그래프이다.
도 2c는 도 1a의 단일 공구 밀링시의 절삭력 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1b의 다공구 밀링 가공에 있어서의, 공구들의 상대적인 배치관계를 도시한 모식도이다.
도 4a는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이고, 도 4b는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이며, 도 4c는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제3 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이다.
도 4d는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제3 공구들에 인가되는 절삭력의 합력을 도시한 그래프이다.
도 5a는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이고, 도 5b는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이며, 도 5c는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제3 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이다.
도 5d는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제3 공구들에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 합력의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1의 다공구 밀링을 위한 가공유닛을 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 다공구 밀링 가공 상태를 도시한 모식도이다.
도 8a는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이고, 도 8b는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이다.
도 8c는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제2 공구들에 인가되는 절삭력의 합력을 도시한 그래프이다.
도 9a는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이고, 도 9b는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이다.
도 9c는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제2 공구들에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 합력의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a는 종래 기술에 의한 단일 공구 밀링 가공 상태를 도시한 모식도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 다공구 밀링 가공 상태를 도시한 모식도이다.
도 1a를 참조하면, 종래 기술에 의한 단일 공구 밀링시에는, 공작물(10)에 대하여 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 단일 공구(20)가 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하며 가공을 수행하고, 이에 따른 절삭력은 제1 방향으로의 절삭력 Fx와 제2 방향으로의 절삭력 Fy가 발생하며, 이에 대한 합력(F)이 공작물(10)에 인가되는 최종 절삭력이 된다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 다공구 밀링시에는, 도시된 바와 같이, 제1 공구(110), 제2 공구(120) 및 제3 공구(130)를 포함하는 공구유닛(100)으로 공작물(10)에 대한 가공을 수행한다.
이 경우, 예를 들어, 상기 제1 공구(110) 및 제3 공구(130)는 시계방향으로 회전하며 가공을 수행하고, 상기 제2 공구(120)는 반시계방향으로 회전하며 가공을 수행할 수 있다.
또한, 이러한 가공을 통해 발생하는 절삭력의 경우 각각의 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130)에서 회전 방향별로 제1 방향으로의 절삭력 및 제2 방향으로의 절삭력이 발생하게 되며, 이에 대한 합력이 공작물(10)에 인가되는 최종 절삭력이 된다.
도 2a는 도 1a의 단일 공구 밀링시의 평균 절삭력의 합력을 도시한 그래프이고, 도 2b는 도 1b의 다공구 밀링시의 평균 절삭력의 합력을 도시한 그래프이다. 도 2c는 도 1a의 단일 공구 밀링시의 절삭력 변화를 도시한 그래프이다.
즉, 도 2a는 단일 공구 밀링시에 제1 방향 및 제2 방향으로의 평균 절삭력의 합력을 도시한 그래프이며, 도 2b는 다공구 밀링시에 각각의 공구들에 인가되는 제1 방향 및 제2 방향으로의 평균 절삭력들의 총합력을 도시한 그래프이다. 또한, 도 2c는 단일 공구 밀링시에 제1 방향으로의 절삭력, 제2 방향으로의 절삭력 및 절삭력 합력의 현화를 도시한 그래프이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 1a에 도시된 단일 공구 밀링시의 평균 절삭력의 합력은 약 313N이며, 도 1b에 도시된 다공구 밀링시의 평균 절삭력의 합력은 약 166N임을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 의한 다공구 밀링 가공조건을 통해 가공한 경우 종래 단일 공구 밀링 가공조건보다 평균 절삭력의 합력이 적음을 확인할 수 있다.
즉, 도 1b에 도시된 다공구 밀링의 가공과 같이, 제1 공구(110) 및 제3 공구(130)는 시계방향으로 회전하고, 제2 공구(120)는 반시계방향으로 회전하며, 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130)의 회전 중심점은 전체적으로 삼각형 형상을 이루도록 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130)이 배치된다.
또한, 상기 제1 공구(110)는 반경방향의 절삭깊이(radial depth of cut)가 직경과 동일하지만, 상기 제2 공구(120) 및 상기 제3 공구(130)는 상기 제1 공구(110)의 후단에서 가공을 수행하므로 반경방향의 절삭깊이는 직경보다 작다.
이하에서는, 도 1b에 도시된 바와 같은 다공구 밀링 가공에서의 절삭력 최소화를 위한 가공조건에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 도 1b의 다공구 밀링 가공에 있어서의, 공구들의 상대적인 배치관계를 도시한 모식도이다.
통상적으로 절삭력에 영향을 미치는 가공조건으로는, 공구 회전속도, 공구 회전 방향, 공구 날 수, 헬릭스 각, 이송속도(feedrate), 수직방향 절삭깊이(axial depth of cut) 및 수평방향 절삭깊이(radial depth of cut) 등이 대표적이다.
또한 절삭력의 평가하는 요소로는 평균 절삭력의 크기, 절삭력의 변동량 및 절삭력의 방향 등이 대표적이다.
다만, 본 실시예에서는 다공구 밀링에서의 최적 가공조건의 도출을 위해, 공구 회전속도, 이송속도 및 수직방향 절삭깊이의 가공조건은 동일하게 유지하였다.
즉, 가공유닛의 기구적인 구성 및 제작의 편의성과 각 공구의 권장 절삭조건을 고려하여 공구 회전속도, 이송속도 및 수직방향 절삭깊이의 가공조건을 동일하게 유지하였다.
나아가, 절삭력 저감 효과의 평가를 위해, 목적함수를 하기 식 (1)과 같이 도출하였다.
Figure 112016099297434-pat00007
식 (1)
(
Figure 112016099297434-pat00008
은 목적함수,
Figure 112016099297434-pat00009
은 평균 절삭합력,
Figure 112016099297434-pat00010
는 절삭합력 표준편차,
Figure 112016099297434-pat00011
은 재료제거율,
Figure 112016099297434-pat00012
)
상기 식 (1)에서, 평균 절삭합력은 가공시 장비의 정강성과 함께 가공물의 가공오차에 영향을 미치며, 절삭합력의 표준편차는 가공시 동특성 및 안정성과 가공물의 표면조도에 영향을 미치며, MRR은 가공의 생산성을 결정하는 요소이다.
또한, 각 공구의 절삭합력 표준편차가 작아지면 각 공구의 날의 회전 위치에 따라 절삭력 상쇄효과가 크게 달라지는 것을 막을 수 있어, 각 공구의 회전을 동기화할 필요성과 그 어려움이 줄어든다.
즉, 상기 식 (1)의 목적함수를 고려할 때, 절삭력 평가의 핵심요소인 평균 절삭합력과 절삭합력의 표준편차에 대하여 각각 필요한 가중치 α 및 β를 부여하고 MRR을 고려함으로써, 절삭력 최소화를 위한 평가 기준을 마련하였다.
상기 식 (1)을 통해, 일정하게 유지된 가공조건을 제외한, 공구회전 방향 및 반경 방향 절삭깊이, 공구 날 수, 헬릭스 각에 대한 최적의 가공조건을 찾기 위한 최적화 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
특히, 공구회전 방향의 경우, 세 개의 공구들 중 적어도 하나의 회전방향을 서로 다르게 유지하는 경우 절삭력이 서로 상쇄되어 최소화되므로, 적어도 하나의 공구의 회전방향을 다르게 유지하는 것을 바탕으로 최적화 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
상기와 같은 가공조건을 포함한 여타의 가공조건을 통해 상기 공구유닛(100)을 이용한 다공구 가공을 수행하여, 상기 식 (1)의 목적함수로부터 그 값이 최소화될 수 있는 가공조건은 하기 [표 1]과 같다.
제1 공구 제2 공구 제3 공구
공구 직경(mm) 5 5 5
날 수 6 6 6
헬릭스 각(degree) 45 45 45
회전방향 CW CCW CW
회전속도(rpm) 4,500 4,500 4,500
이송속도(mm/min) 1,100 1,100 1,100
축방향 절삭깊이(mm) 2 2 2
반경방향 절삭깊이
(공구직경 대비 %)		 - 70 30
[표 1] 3개의 공구들 각각에 대한 가공조건
즉, 상기 [표 1]의 가공조건을 도시한 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 최적의 가공조건은, 제1 공구(110)는 시계방향으로 회전하며 상기 공구유닛(100)의 전단에 위치하여 공작물(10)에 대한 가공을 수행하고, 제2 공구(120)는 반시계방향으로 회전하며 상기 제1 공구(110)와 반경방향으로 일부분 중첩된 상태에서 상기 제1 공구(110)의 후단에서 상기 공작물(10)에 대한 가공을 수행하며, 제3 공구(130)는 시계방향으로 회전하며 상기 제1 공구(110)와 반경방향으로 일부분 중첩된 상태에서 상기 제2 공구(120)의 후단에서 상기 공작물(10)에 대한 가공을 수행하는 것이라 할 수 있다.
이 경우, 상기 제2 공구(120) 및 상기 제3 공구(130)는 서로 다른 방향으로 상기 제1 공구(110)와 중첩된다.
보다 구체적으로, 상기 [표 1]의 가공조건을 바탕으로 다공구 밀링을 수행한 경우, 구체적인 절삭력 및 절삭력 합력에 관한 결과는 하기와 같다.
도 4a는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이고, 도 4b는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이며, 도 4c는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제3 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이다. 도 4d는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제3 공구들에 인가되는 절삭력의 합력을 도시한 그래프이다.
도 4a 내지 도 4d와, 도 2a를 동시에 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 가공조건을 바탕으로 공작물(10)을 가공하는 경우, 각각의 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130) 각각에 의한 절삭력은 물론이며, 상기 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130)의 절삭력의 합력 역시, 종래의 단일 공구 밀링에서의 절삭력의 합력보다 작은 것을 확인할 수 있다.
따라서, [표 1]에서 제시한 가공조건을 통해 공작물을 가공하는 경우, 특히 3개의 공구를 사용한 다공구 밀링에서 절삭력을 저감할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5a는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이고, 도 5b는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이며, 도 5c는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제3 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이다. 도 5d는 도 3의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제3 공구들에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 합력의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 도 5d와, 도 2c를 동시에 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 가공조건을 바탕으로 공작물(10)을 가공하는 경우, 각각의 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130) 각각에의 절삭력의 변동량은 물론이며, 상기 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130)의 절삭력의 합력의 변동량 역시, 종래의 단일 공구 밀링에서의 절삭력의 합력의 변동량보다 작은 것을 확인할 수 있다.
따라서, [표 1]에서 제시한 가공조건을 통해 공작물을 가공하는 경우, 특히 3개의 공구를 사용한 다공구 밀링에서 절삭력의 변동량을 저감할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 절삭합력의 표준편차를 저감할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 도 1의 다공구 밀링을 위한 가공유닛을 도시한 사시도이다.
도 6을 참조하면, 도 1에 도시된 공구유닛(100)을 포함한 가공유닛(500)은 상기 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130)을 고정하는 고정 플레이트(200), 상기 고정 플레이트(200)를 관통하며 상기 제1 내지 제3 공구들(110, 120, 130) 각각에 구동력을 인가하는 제1 내지 제3 구동부들(410, 420, 430)을 포함하는 구동유닛(400), 및 상기 공구유닛(100)과 상기 구동유닛(400)을 공구홀더(미도시)나 이송축(미도시) 등에 고정하는 공구척(300)을 포함한다.
그리하여, 도 6의 가공유닛(500)을 통해, [표 1]을 통해 제안된 가공조건으로 공작물에 대한 가공을 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 다공구 밀링 가공 상태를 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 다공구 밀링 가공에서는, 공구유닛(101)이 제1 및 제2 공구들(111, 121)의 2개의 공구를 포함한다.
즉, 본 실시예에서는 2개의 공구를 포함하는 공구유닛(101)에 대하여 최적 가공조건을 설명한다.
이를 위해, 앞서 설명한 바와 같이, 통상적으로 절삭력에 미치는 가공조건들 중에서, 공구 회전속도, 이송속도 및 수직방향 절삭 깊이의 가공조건은 동일하게 유지하였으며, 절삭력 평가의 요소로 평균 절삭력 크기, 절삭력 변동량 및 절삭력 방향을 고려하였다.
나아가, 절삭력의 평가를 위한 목적함수는 식 (1)과 같이 도출하였으며, 이를 통해 절삭력 최소화를 위한 평가 기준을 마련하였다.
또한, 상기 식 (1)을 통해, 일정하게 유지된 가공조건을 제외한, 공구회전 방향 및 반경 방향 절삭깊이, 공구 날 수, 헬릭스 각에 대한 최적의 가공조건을 찾기 위한 최적화 시뮬레이션 및 실험을 수행하였으며, 공구회전 방향의 경우, 두 개의 공구들은 서로 다른 회전 방향으로 유지되는 것이 절삭력 상쇄를 도모할 수 있으므로 이를 바탕으로 최적화 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
상기와 같은 가공조건을 포함한 여타의 가공조건을 통해 상기 공구유닛(101)을 이용한 다공구 가공을 수행하여, 상기 식 (1)의 목적함수로부터 그 값이 최소화될 수 있는 가공조건은 하기 [표 2]와 같다.
제1 공구 제2 공구
공구 직경(mm) 5 5
날 수 6 6
헬릭스 각(degree) 45 45
회전방향 CW CCW
회전속도(rpm) 4,500 4,500
이송속도(mm/min) 1,100 1,100
축방향 절삭깊이(mm) 2 2
반경방향 절삭깊이
(공구직경 대비 %)		 - 50
[표 2] 2개의 공구들 각각에 대한 가공조건
즉, 상기 [표 2]의 가공조건을 도시한 도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 최적의 가공조건은, 제1 공구(111)는 시계방향으로 회전하며 상기 공구유닛(101)의 전단에 위치하여 공작물(10)에 대한 가공을 수행하고, 제2 공구(121)는 반시계방향으로 회전하며 상기 제1 공구(101)와 반경방향으로 일부분 중첩된 상태에서 상기 제1 공구(101)의 후단에서 상기 공작물(10)에 대한 가공을 수행하는 것이라 할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 [표 2]의 가공조건을 바탕으로 다공구 밀링을 수행한 경우, 구체적인 절삭력 및 절삭력 합력에 관한 결과는 하기와 같다.
도 8a는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이고, 도 8b는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 절삭력을 도시한 그래프이다. 도 8c는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제2 공구들에 인가되는 절삭력의 합력을 도시한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c와, 도 2a를 동시에 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 가공조건을 바탕으로 공작물(10)을 가공하는 경우, 각각의 제1 및 제2 공구들(111, 121) 각각에 의한 절삭력은 물론이며, 상기 제1 및 제2 공구들(111, 121)의 절삭력의 합력 역시, 종래의 단일 공구 밀링에서의 절삭력의 합력보다 작은 것을 확인할 수 있다.
따라서, [표 2]에서 제시한 가공조건을 통해 공작물을 가공하는 경우, 특히 2개의 공구를 사용한 다공구 밀링에서 절삭력을 저감할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9a는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이고, 도 9b는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제2 공구에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 변화를 도시한 그래프이다. 도 9c는 도 7의 배치를 가진 다공구 밀링에서, 제1 내지 제2 공구들에 인가되는 제1 방향으로의 절삭력 합력의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c와, 도 2c를 동시에 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 가공조건을 바탕으로 공작물(10)을 가공하는 경우, 각각의 제1 및 제2 공구들(111, 121) 각각에의 절삭력의 변동량은 물론이며, 상기 제1 및 제2 공구들(111, 121)의 절삭력의 합력의 변동량 역시, 종래의 단일 공구 밀링에서의 절삭력의 합력의 변동량보다 작은 것을 확인할 수 있다.
따라서, [표 2]에서 제시한 가공조건을 통해 공작물을 가공하는 경우, 특히 2개의 공구를 사용한 다공구 밀링에서 절삭력의 변동량을 저감할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 절삭합력의 표준편차를 저감할 수 있음을 확인할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 2개 이상의 공구들로 공작물을 가공하되, 공구들의 가공 경로가 일부 중첩하고, 서로 다른 회전 방향으로 가공하도록 함으로써, 하나의 공구를 이용한 가공에 비하여 절삭력이 저감되며, 특히 모바일 가공과 같이 저절삭력이 요구되는 가공에 적용이 가능하다.
이 경우, 공구들 각각의 직경, 회전속도, 수직 방향의 절삭깊이 및 이송속도는 동일하게 유지함으로써 절삭력을 최소화하며, 안정적인 가공을 수행할 수 있다.
또한, 공구들의 가공조건의 최적화를 위한 목적함수를 도출함으로써, 절삭력 최소화를 위한 최적 가공조건을 도출할 수 있다.
특히, 최적 가공조건으로 2개의 공구를 사용하는 경우에는 가공경로가 50% 중첩되도록 가공을 수행하고, 3개의 공구를 사용하는 경우에는 각각 30% 및 70%가 중첩되도록 가공을 수행함으로써 최적의 가공 경로를 도출할 수 있다.
나아가, 3개의 공구를 사용하는 경우 3개의 공구의 회전 중심의 위치 및 회전 방향, 공구 날 수, 헬릭스 각을 최소의 절삭력을 위해 도출할 수 있으므로, 복수의 공구를 사용한 밀링 가공에서의 최적 가공조건을 도출할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 다공구 가공 방법은 모바일 가공을 포함한 다공구 밀링 가공에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 공작물 20 : 단일 공구
100 : 공구유닛 110 : 제1 공구
120 : 제2 공구 130 : 제3 공구
200 : 고정플레이트 300 : 공구척
400 : 구동유닛 500 : 가공유닛

Claims (10)

  1. 제1 내지 제3 공구들을 포함하는 공구유닛으로 공작물에 대한 밀링가공을 수행하며,
    제1 공구는 상기 공구유닛의 전단에 위치하여 상기 공작물에 대하여 반경방향으로 직경과 동일한 절삭깊이(radial depth of cut)로 가공을 수행하고,
    상기 제2 공구는 상기 제1 공구의 후단에 위치하여 상기 제1 공구의 가공경로(tool path)와 중첩되며 상기 공작물에 대하여 가공을 수행하고,
    상기 제3 공구는 상기 제2 공구의 후단에 위치하여 상기 제1 공구의 가공경로와 중첩되며 상기 공작물에 대하여 가공을 수행하고,
    상기 제1 내지 제3 공구들 각각의 회전 중심은 삼각형을 형성하고, 상기 제2 공구 및 상기 제3 공구는 서로 다른 방향으로 상기 제1 공구와 중첩되고,
    상기 공구들 중 적어도 하나의 공구는 다른 공구들과 회전 방향이 서로 다르며,
    상기 제1 내지 제3 공구들의 가공조건은 평균 절삭합력과 절삭합력의 표준편차에 각각 가중치를 부여하고, 공작물 제거율을 고려하여 최적화되는 것을 특징으로 하는 다공구 가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공구들 각각의 공구 직경, 회전속도, 수직 방향의 절삭깊이(axial depth of cut) 및 이송속도는 모두 동일한 것을 특징으로 하는 다공구 가공방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공구들을 포함하는 공구유닛으로 공작물에 대한 밀링가공을 수행하는 경우,
    Figure 112016099297434-pat00013
    식 (1)
    (
    Figure 112016099297434-pat00014
    은 목적함수,
    Figure 112016099297434-pat00015
    은 평균 절삭합력,
    Figure 112016099297434-pat00016
    는 절삭합력 표준편차,
    Figure 112016099297434-pat00017
    은 재료제거율,
    Figure 112016099297434-pat00018
    )
    상기 식 (1)로 상기 공구들의 가공조건이 최적화되는 것을 특징으로 하는 다공구 가공방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공구들 각각은 엔드밀링(end milling) 공구 또는 페이스밀링(face milling) 공구인 것을 특징으로 하는 다공구 가공방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공구의 회전방향은 상기 제3 공구의 회전방향과 서로 반대인 것을 특징으로 하는 다공구 가공방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 공구들은 시계방향으로 회전하고, 상기 제2 공구는 반시계방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 다공구 가공방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공구는 상기 제1 공구의 가공경로(tool path)와 30% 중첩되고, 상기 제3 공구는 상기 제1 공구의 가공경로와 70% 중첩되며, 상기 공작물에 대한 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 다공구 가공방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012240131A (ja) * 2011-05-17 2012-12-10 Toshiba Mach Co Ltd 切削工具、工作機械および溝加工方法
JP2013230546A (ja) 2012-04-12 2013-11-14 Lockheed Martin Corp 多軸フライス加工

Patent Citations (2)

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