KR20030001694A - 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법에 관한 것이다. 본 발명은 설계된 공작물을 모델링하여 NC코드를 얻는 단계와, 상기 NC코드를 사용하여 각각의 블럭에 대해 공작물에 공구가 실제로 접촉하는 부분의 유효직경을 얻기 위해 공구가 공작물을 가공하는 과정을 시뮬레이션하는 단계와, 상기 시뮬레이션하여 얻어진 유효직경과 NC코드의 공구회전수를 사용하여 절삭속도를 구하는 단계와, 상기 구해진 절삭속도와 기준 절삭속도 사이의 오차율을 구하여 오차율이 소정 범위를 넘어서면 상기 NC코드의 공구회전수를 변경하는 단계와, 상기 과정을 통해 만들어진 공구회전수를 사용하여 공작물을 가공하는 단계를 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 공작물의 가공속도가 빨라지면서도 보다 정밀한 표면정도를 얻을 수 있으며, 공구의 내구성이 커지게 되는 이점이 있다.

Description

공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법{The maching technique through constant control of cutting speed in ball end mill maching}

본 발명은 공작물의 가공에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공구의 절삭속도를 일정하게 제어하여 기계가공을 수행하는 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법에 관한 것이다.

최근 머시닝센터를 중심으로 고속가공에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 현재의 고속가공은 금형강등 고경도재에의 적용이 이루어지고 있고, 고능률, 고정도의 가공을 실현한다는 측면에서 그 효용가치가 매우 높다.

특히 곡면을 가지는 제품의 가공에 있어서 필요한데, 이러한 곡면형상은 대부분 CNC머시닝센터에서 볼엔드밀 가공에 의해 만들어진다. 일반적으로 볼엔드밀은 선단부분이 반구형으로 그 강성이 떨어지고 공작물의 가공면에 커스프(Cusp)가 발생하여 다듬질 공정을 필요로 하므로 이와 같은 공정시간을 줄이는게 무엇보다도 필요하다.

하지만 3차원 자유곡면은 피삭재인 공작물의 경사진 각도와 공구인 볼엔드밀의 접촉부위에 따라서 절삭특성의 변화가 심하게 일어난다. 특히 같은 경사면에서도 공구경로에 따라 공구에 작용하는 절삭작용점의 변화로 가공면에 커스프가 다르게 생성되어 표면형상도 서로 다르다. 그리고 볼엔드밀은 그 기하학적 형상 특징으로 동일 주축회전수에서도 절삭속도가 변화한다. 이러한 절삭속도의 변화는 공구의 수명단축 및 제품의 가공정밀도에 많은 영향을 미친다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공작물의 곡면가공을 보다 정밀하면서도 신속하게 수행하도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공구의 내구성을 높여주는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 기계가공방법에서 유효직경을 구하는 것을 보인 설명도.

도 2는 본 발명에 의한 기계가공방법의 구성을 보인 순서도.

도 3은 본 발명에 의한 기계가공방법과 종래의 기계가공방법의 파형을 비교한 그래프.

도 4는 본 발명과 종래 발명의 공구마멸을 보인 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 공작물20: 공구

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 설계된 공작물을 모델링하여 NC코드를 얻는 단계와, 상기 NC코드를 사용하여 각각의 블럭에 대해 공작물에 공구가 실제로 접촉하는 부분의 유효직경을 얻기 위해 공구가 공작물을 가공하는 과정을 시뮬레이션하는 단계와, 상기 시뮬레이션하여 얻어진 유효직경과 NC코드의 공구회전수를 사용하여 절삭속도를 구하는 단계와, 상기 구해진 절삭속도와 기준 절삭속도 사이의 오차율을 구하여 오차율이 소정 범위를 넘어서면 상기 NC코드의 공구회전수를 변경하는 단계와, 상기 과정을 통해 만들어진 공구회전수를 사용하여 공작물을 가공하는 단계를 포함하여 구성된다.

상기 유효직경을 얻기 위한 절삭시뮬레이션 단계에서는 Z-map데이터를 이용한다.

상기 절삭속도(ν)는의 식으로 구한다.

상기 기준 절삭속도는 공구의 마모가 최소화되는 값으로 설정되고, 상기 기준 절삭속도와 구해진 공구의 절삭속도 사이의 오차율이 10%에서 30% 사이의 범위에 있도록 된다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면 공구의 절삭속도를 일정하게 유지하면서 스핀들의 회전속도를 제어하게 되어 공작물의 가공표면이 보다 정밀하게 되면서도 가공시간이 단축되고, 공구의 마모가 최소화되는 이점이 있다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

특정한 형상의 제품을 제작하기 위해서는 먼저 설계를 하게 되는데, 일반적으로 CAD/CAM을 이용하게 된다. 이와 같이 CAD/CAM을 이용하여 설계한 제품을 가공하기 위해서는 모델링을 통해 CNC공작기계에서 공작물의 가공에 필요한 NC코드를 얻게 된다.

다음으로는 상기 NC코드를 사용하여 공작물의 각각의 블럭에 대해 공작물에 공구가 실제로 접촉하는 부분의 유효직경(D_e)을 얻기 위해 공구가 공작물을 가공하는 과정을 시뮬레이션하게 된다. 여기서 유효직경을 얻기 위한 절삭시뮬레이션 단계에서는 Z-map데이터를 이용한다.

여기서 상기 유효직경을 얻는 것을 도 1를 참고하여 설명한다. 유효직경(D_e)이란 공작물(10)에 공구(20)가 닿는 부분의 평균직경을 말한다. 일반적으로 사용되는 공구(20)의 직경(D_T)은 직접 공작물(10)을 가공하는 부분의 직경이 아니다. 따라서 실제로 공구(20)가 공작물(10)을 가공하는 것과 관련된 계산을 위해서는 실제로 공구(20)가 공작물(10)을 절삭하는 부분의 직경, 즉 유효직경(D_e)을 사용하여야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 공구(20)가 공작물(10)에 닿아 직접 절삭을 수행하는 부분의 유효직경(D_e)을 구하기 위해 먼저, 최대 유효직경(D_emax)와 최소 유효직경(D_emin)을 공작물(10)의 각각의 블럭에 대해 다음과 같이 구한다.

여기서, D_T는 공구의 직경, β_fN은 경사각, a_n은 절입깊이이다.

상기와 같이 최대 유효직경(D_emax)와 최소 유효직경(D_emin)을 구하고 나면 이를 평균하여 유효직경(D_e)을 구한다.

다음으로는 절삭속도(v)를 구하게 되는데, 이는의 식으로 구한다. 여기서 N에는 공구(20)가 장착되는 스핀들의 회전속도, 즉 공구(20)의 회전속도가 적용되고, D는 유효직경이다. 여기서 절삭속도(v)는 공구(20)와 공작물(10) 사이의 상대속도이다.

그리고는 상기 식에서 구한 절삭속도(v)와 기준 절삭속도사이의 오차율(e)을 구한다. 상기 오차율(e)은 상기 절삭속도(v)가 기준 절삭속도에서 벗어나는 정도를 산출하는 것이다. 여기서 상기 오차율(e)이 정해진 범위를 넘어서게 되면 NC코드에서 해당 블럭의 공구회전수값을 변경하여 절삭속도(v)가 정해진 오차율(e)의 범위 내에 들게 한다. 이때, 공구회전수를 변경하여 설정되는 절삭속도(v)는 상기 기준 절삭속도로 맞추거나, 인접한 블럭의 절삭속도와 유사하게 상기 오차범위에 들어가도록 설정한다.

한편, 상기 기준 절삭속도는 공구(20)가 가장 덜 마모되는 절삭속도로 결정된다. 많은 실험을 통해 해당되는 공구(20)가 공작물(10)을 가공함에 있어 가장 마모가 작은 절삭속도를 검출하여 이를 기준 절삭속도로 설정한다. 따라서 각각의 공구(20)의 특성에 따라 상기 기준 절삭속도는 달리 설정된다.

상기와 같이 하여 가공하고자 하는 공작물(10)의 각각의 블럭에 대해 가공에 필요한 NC코드를 수정하고 나면, 수정된 NC코드를 사용하여 공작물을 가공하게 된다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에서 실제로 공구(20)를 사용하여 공작물(10)을 가공하는 것을 도 2의 흐름도를 참고로 설명한다.

먼저, 제작하고자 하는 공작물(10)을 설계한다.(100) 이때 상기 설계는 CAD/CAM을 이용하는 것이 바람직하다. 그리고 CAD/CAM을 이용하여 설계된 공작물(10)을 모델링한 후(110), NC코드를 생성한다. 상기 NC코드는 설계된 공작물(10)을 CNC공작기계에서 제작하기 위해 기존에 사용하던 값이다.(120)

다음으로는 상기 NC코드를 사용하여 절삭시뮬레이션을 진행한다.(130) 여기서 상기 절삭시뮬레이션은 기존에 제공되는 많은 프로그램을 사용하여 컴퓨터로 진행할 수 있다. 이와 같은 절삭시뮬레이션을 통해 공작물(10)의 각각의 블럭에서 공구(10)가 공작물(20)을 가공하는 것을 시뮬레이션하여 유효직경(D_e)을 얻기 위해 필요한 데이터를 획득하고, 유효직경을 계산한다.(140)

상기와 같이 절삭시뮬레이션을 통해 얻어진 유효직경과 각각의 블럭에 해당되는 기존의 NC코드값을 사용하여 공구의 절삭속도(v)를 계산한다.(150) 여기서 얻어진 절삭속도(v)가 기준 절삭속도, 즉 공구(20)의 마모가 가장 작은 범위의 속도와 비교하여 그 오차율(e)을 계산한다. 상기 오차율(e)은 상기 절삭속도(v)가 기준절삭속도를 넘어서는 비율을 계산하여 얻게 된다. 여기서 상기 절삭속도의 오차율(e)은 가공되는 공작물(10)의 표면 정밀도에 따라 설정될 수 있다. 실제로 실험에서는 오차율의 값(P)을 10%, 20%, 30%로 나누어서 하였다.

그리고, 상기 계산된 오차율(e)이 정해진 오차율의 값(P)을 벗어나지 않으면, 인접 블럭으로 이동하여, 그 블럭에서의 유효직경(De)을 계산하는 과정을 진행한다.(170) 즉, 다시 130단계로 가서 인접한 블럭에 대해 절삭시뮬레이션(130), 유효직경구하기(140), 절삭속도구하기(150), 및 절삭속도의 오차율(e)을 구하는 과정을 반복하게 된다.

이때, 상기 오차율의 값(P)이 설정된 값을 넘어서면 120단계에서 구한 NC코드의 공구회전수를 변경한다.(180) 그리고 NC코드가 변경된 블럭이 최종 블럭이 아니면 다시 170단계로 넘어가서 인접한 블럭의 절삭시뮬레이션을 수행한다.(130) 그리고 위에서 수행된 과정을 반복한다(190).

다음으로 마지막 블럭까지의 작업이 마쳐지면 공작물(10)의 가공을 수행한다. 이때 상기 공작물(10)의 가공은 시뮬레이션 과정을 통해 변경된 NC코드를 사용하여 진행한다.(200) 따라서, 예를 들어 오차율을 10%로 경우에는 절삭속도가 기준 절삭속도에서 10%오차율을 가지는 범위 내에서 변하면서 절삭작업이 이루어지게 된다.

여기서 공작물(10)의 가공을 진행하기 위해서는 NC코드의 블럭처리상태와 공구의 직경, 공작물의 좌표, 스핀들회전수의 가변되는 상태, 권장 절삭속도뿐만 아니라 NC코드에서 시뮬레이션된 형상의 특정 구간을 볼 수 있는 블럭의 번호를 알수 있도록 되어 있다.

한편, 본 발명을 사용하여 공작물을 가공한 것과 종래의 방법을 사용하여 가공한 것을 비교하여 설명하기로 한다.

본 발명은 표1의 조건하에서 수행되었다.

	종래 방법	본 발명
공작물	STD61(HRc52)	STD61(HRc52)
스핀들속도(rpm)	12000	6000 - 12000
피드율(Feed rate)(mm/min)	1500	1500
절입깊이(mm)	0.15	0.15
픽 피드(pick feed)(mm/min)	0.3	0.3
날당 이송량(Feed per tooth)(mm)	0.06	가변
공구(OSG, Coating TiAIN)	φ6.2 teeth	φ6.2 teeth

공작기계는 최대 20,000rpm까 가능한 수직형 고속가공기를 사용하였고, 작업조건은 표1과 같다.

여기서 날당 이송량은 가변되는 회전수에 따라서 변화되는 것을 알 수 있다.

한편, 실제의 가공에서 오차율은 10%, 20%, 30%로 했는데, 여기서 오차율이란 권장 스핀들속도에서 가변될 수 있는 스핀들속도의 범위를 말한다. 오차율은 적당한 크기로 해야하는데, 오차율이 너무 크면 NC코드의 스핀들회전코드 부분을 컴퓨터가 처리하는데, 너무 많은 시간이 걸릴 정도로 데이터량이 많아지고, 오차율이 너무 작으면 스핀들회전수의 가변량이 너무 잦기 때문에 우수한 표면형상을 얻을 수 없었다.

도 3에서는 종래의 방법에 의해 가공된 것과 본 발명으로 가공한 것의 절삭력파형과 런아웃 파형을 나타내었다. 그리고 본 발명에서는 또한 그 오차율을 각각10%,20%,30%로 한 것을 나타내었다.

여기서 알 수 있듯이 본 발명으로 가공한 공작물이 종래의 가공법에 의한 것보다 안정적인 경향을 나타내었고 20%의 오차율일 경우가 가장 우수했다.

그리고 공구의 수명에 있어서도 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 경우 공구가 황삭공정에서는 30%, 정삭가공에서는 약 40에서 45%정도 향상된 것을 알 수 있다.

한편, 공작물(10) 가공시에 발생되는 칩형상 특성은 다음과 같다. 종래의 방법으로 절삭을 수행하는 경우 칩의 배출이 원활하지 않고, 일정하지 않은 절삭속도로 인해 다양한 색깔의 칩이 생성된다. 이에 반해 본 발명에서는 칩의 원활한 배출로 인해 단속적이고, 칩의 색깔도 일정한 절삭속도에 의해 거의 피삭재와 같은 색깔이다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법에서는 공구의 마멸이 최소인 절삭속도의 범위 내에서 공구가 동작되도록 NC코드를 변경하여 작업한다. 이와 같은 본 발명에 의하면 절삭력과 런아웃이 더 안정적이고, 공작물의 표면형상뿐만 아니라 공구수명도 30에서 40%정도 향상된다. 그리고 일정한 절삭력과 런아웃으로 인해 칩의 형태와 색깔이 더 안정적인 경향을 나타나고, 칩의 비산능력 또한 우수하다.

Claims (4)

1. 설계된 공작물을 모델링하여 NC코드를 얻는 단계와,

   상기 NC코드를 사용하여 각각의 블럭에 대해 공작물에 공구가 실제로 접촉하는 부분의 유효직경을 얻기 위해 공구가 공작물을 가공하는 과정을 시뮬레이션하는 단계와,

   상기 시뮬레이션하여 얻어진 유효직경과 NC코드의 공구회전수를 사용하여 절삭속도를 구하는 단계와,

   상기 구해진 절삭속도와 기준 절삭속도 사이의 오차율을 구하여 오차율이 소정 범위를 넘어서면 상기 NC코드의 공구회전수를 변경하는 단계와,

   상기 과정을 통해 만들어진 공구회전수를 사용하여 공작물을 가공하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유효직경을 얻기 위한 절삭시뮬레이션 단계에서는 Z-map데이터를 이용함을 특징으로 하는 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절삭속도(ν)는의 식으로구함을 특징으로 하는 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 절삭속도는 공구의 마모가 최소화되는 값으로 설정되고, 상기 기준 절삭속도와 구해진 공구의 절삭속도 사이의 오차율이 10%에서 30% 사이의 범위에 있도록 됨을 특징으로 하는 공구의 절삭속도 일정제어에 의한 기계가공방법.