워터젯 밀링에서 젯과 파단 에너지 기반 가공깊이 모델에 의한 난삭재의 가공형상 예측 :Prediction of machining shape of difficult-to-cut materials by jet and fracture energy based depth of cut model in water jet milling

김노원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김노원 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 안중환

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2019

연마재 워터젯 밀링에서 가공깊이 모델에 의한 난삭재의 3 차원 형상 예측

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워터젯 밀링에서 젯과 파단 에너지 기반 가공깊이 모델에 의한 난삭재의 가공형상 예측

김노원 기계공학부 2019.01 학위논문

2018

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2017

연마재 워터젯 밀링에 의한 티타늄 합금 가공 특성

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2016

연마재 워터젯의 스트림 에너지 감쇄를 위한 캐처컵 성능평가

김노원 , 김성렬 , 김철민 외 2명 한국기계가공학회 춘추계학술대회 논문집 2016.04 학술대회자료

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연마재 워터젯 밀링(Abrasive waterjet milling, AWJM)은 최근에 개발된 비전통적인 가공기술 중 하나로서, 초고압으로 분사되는 물과 연마입자가 혼합된 젯 에너지를 이용하여 재료의 침식에 의한 제거 가공법이다. 재료의 가공시 열 변형이 없고 기계적 특성을 유지할 수 있으며, 다양한 재료의 제거가 가능하며, 높은 유연성과 작은 절삭력에 의해 종래의 가공기술에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 따라서 항공우주, 자동차, 레저, 의료 산업 등의 난삭재(Stainless steel, Titanium, Inconel, Ceramic, CFRP 등) 부품 가공에 폭넓게 적용되고 있다. 그러나 젯에 의한 비접촉식 가공법으로 다양한 가공변수(펌프압력, 이송속도, 연마재 유량, 연마입자의 크기 및 형상, 이격거리 등)에 의해 가공깊이와 가공형상을 제어하기가 매우 어려운 가공기술이다.
기존의 연마재 워터젯 가공은 대부분 재료의 절단에 적용되었지만, 다양한 산업에서 난삭재의 비중이 증가함에 따라 고가의 전용공구를 대체하고, 절삭이 가능한 워터젯 밀링에 대한 연구가 최근에 활발히 진행되고 있다. 특히, 연마재 워터젯 밀링에서의 가공형상, 치수정밀도, 표면거칠기 등 가공품질이 중요해지면서 가공변수들에 대한 품질 영향 분석과 가공깊이에 대한 모델링 및 예측기술이 요구되고 있으나, 가공깊이에 영향을 미치는 다양한 가공변수들로 인해 예측 정확도가 낮고, 단일 재료에 국한되어 있다. 또한, 대부분의 제안된 모델들은 가공변수들에 대한 가공깊이 예측으로 가공형상이나 재료가 가진 기계적 물성치를 반영한 모델들은 제한적이다.
본 연구에서는 에너지 기반 가공깊이 예측 모델을 수식화하기 위해 젯의 연마입자 운동에너지와 재료의 절삭 저항성인 파단에너지를 이용하였고, 특히, 파단에너지는 연성재료가 가진 고유한 물성치인 J Integral을 적용하였다. 또한, 포커싱 튜브에서 분사된 젯 에너지로부터 연마입자의 운동에너지와 입자의 밀도 및 속도에 대해 가우시안 분포를 제안하고, 이를 바탕으로 젯과 파단 에너지 기반 가공깊이 예측 모델에 대한 이론식을 유도했다. 제안된 최종 모델은 우선 단일경로에서의 워터젯 밀링의 가공변수들과 J Integral에 대한 가공깊이 이론식을 제시하고, 이를 토대로 다중경로에 대한 모델로 전개하기 위해 포커싱 튜브의 직경에 따른 중첩비율과 젯과 피삭재 간의 이격거리의 영향을 고려하였다. 이 모델을 통해 연마재 워터젯 밀링에 의한 피삭재 가공면에서의 커스프와 표면거칠기 등의 가공품질과 가공깊이, 절삭 폭 등의 가공형상을 예측하였다.
제안된 모델을 검증하기 위해 대표적인 난삭재인 Ti6Al4V, Stainless SUS304, Inconel625에 대한 평면가공을 수행하였고, 모델에 의한 가공형상 예측값과 실제 측정값과의 비교를 통해 오차원인을 분석한 후, 모델을 수정?보완하여 최적화하였다. 예측 모델의 가공깊이 최대오차는 Titanium 9%, Stainless steal 9%, Inconel 8% 이고, 평균적으로 10% 이내로 나타났다 이 결과로부터, 기존의 예측 모델들이 단일소재에 대한 가공깊이 예측에 관한 것이라면, 본 연구에서 제안한 모델은 다양한 소재의 가공깊이 예측 이외에도 가공형상 예측이 가능하여 다양한 난삭재 가공에 적용할 수 있다.

Abrasive water jet milling is one of the non-traditional machining technologies that have been recently developed, and is removal method due to erosion of materials caused by jet energy mixed with ultra-high pressure water and abrasive particles. AWJ process is not only able to maintain mechanical characteristics without any thermal deformation when cutting the material but also able to remove various materials and have a lot of advantages compared to the conventional machining technology due to high flexibility and small cutting power. Therefore, AWJ process has been widely applied to cutting the parts made out of difficult-to-cut materials (titanium alloy, stainless steel, inconel, ceramic, carbon fiber reinforced plastic, etc.) in aerospace, automobile, leisure, and medical industry. However, it is very difficult to control depth of cut and machining shape on account of various process parameters (pump pressure, traverse speed, abrasive flow rate, size and shape of abrasive particles, standoff distance, etc.) as non-contact type machining by jet plume.
Conventional abrasive water jet has been applied mostly to cutting of materials, but as the proportion of difficult-to-cut materials increase in various industries, the researches on water jet capable of replacing expensive exclusive tools and applying to milling have been actively conducted recently. In particular, as the machining quality such as machining shape, dimensional accuracy, and surface roughness becomes important in abrasive water jet milling, the quality impact analysis of process parameters and the modeling and prediction of depth of cut are required. However, the predicted accuracy is still low due to the influence of various process parameters and limited to a single material. In addition, most of the models relative to AWJM have been depth of cut prediction for process parameters and not models that reflect machined shapes and mechanical properties of materials.
In this study, in order to formulate the model for energy-based depth of cut prediction, the kinetic energy of the abrasive particle and the fracture energy which is the cutting resistance of the material were used. Especially, J Integral, which is inherent property of ductile material, was applied to fracture energy. In addition, the Gaussian distributions for the kinetic energy, the density and velocity of the abrasive particles jetted from the focusing tube were proposed. Based on these, the theoretical formulas for the jet and fracture energy based depth of cut prediction model were derived. First of all, the model in a single-pass was suggested by the theoretical depth of cut with the process parameters and J Integral. Based on this, the influences of the overlap ratio depending on the focusing tube diameter, and the distance between the focusing tube and the workpiece were considered to develop the model for multi-pass. Through this model, abrasive water jet milling qualities such as cusp and surface roughness on machining surface of workpiece, depth and width of cut were predicted.
In order to verify the proposed model, plane machining on difficult-to-cut materials such as titanium (Ti6Al4V), stainless steel (SUS304), and Inconel (Inconel625) were performed. After analyzing the cause of the error by comparing the predicted value with the actually measured value, the model was revised by supplementation and was optimized. The maximum error in depth of cut of the predicted model was Ti6Al4V 9%, SUS304 9%, Inconel625 8%, and the average error was within 10%. From these results, while the existing prediction models have been related to the depth of cut prediction for a single material, the model proposed in present study is able to predict not only the depth of cut but also the machined shape for various difficult-to-cut materials.

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I. 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구 동향 7
1.3 연구의 목적 10
1.4 논문의 구성 12
II. 연마재 워터젯 밀링의 가공변수와 가공깊이 14
2.1 AWJM에 의한 재료 제거 메커니즘 14
2.2 AWJM의 가공변수 17
2.3 AWJM의 가공변수와 가공깊이 관계 21
2.4 고찰 29
III. 젯과 파단 에너지기반 가공깊이 모델 30
3.1 AWJM의 가공깊이 예측 모델 30
3.2 젯의 분사속도 분포 33
3.2.1 연마재 입자의 분사속도 33
3.2.2 이격거리에 따른 가공깊이 영향 38
3.3 입자의 운동에너지 42
3.4 소재의 파단에너지 46
3.5 단일경로에서 에너지기반 가공깊이 예측 55
3.6 다중경로에서 에너지기반 가공형상 예측 59
3.7 고찰 62
IV. 워터젯 밀링에 의한 난삭재 절삭가공 63
4.1 실험방법 및 조건 63
4.2 가공조건에 따른 난삭재의 가공형상 분석 68
4.3 고찰 79
V. 회귀분석에 의한 난삭재의 가공형상 예측 검증 80
5.1 회귀분석 기반 가공깊이 예측 80
5.2 단일경로에서 가공깊이 모델 오차율 83
5.3 가공깊이 모델기반 다중경로의 가공형상 예측 84
5.4 다중경로에서 가공형상 모델 보정 및 검증 87
5.5 난삭재의 가공형상 제어 102
5.6 고찰 121
Ⅵ. 결론 122
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