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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 조명우
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수27
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최근에 4차 산업혁명이 부상됨에 따라 다양한 산업 분야에 인공지능과 사물인터넷 및 고장진단 예측에 관한 연구들이 진행되고 있다. 이로 인해 공작기계에서는 많은 연구진들이 ICT 기반의 스마트 공작기계 개발과 유연 자동화 기술을 위해 연구를 수행하고 있다. 종래의 절삭가공 트렌드는 선삭 및 연삭과 같은 작업에서 작업자의 숙련된 노하우가 요구되었고 이는 작업자의 숙련도에 따라 가공 후 제품 품질에 많은 영향을 초래하였다.
공작기계를 다루기 위한 절삭 작업은 작업자의 숙련된 경험으로부터 툴패스와 가공조건이 선정된다. 작업자가 가공 변수와 공구선정에 따라 발생 되는 절삭부하를 고려하는 것은 경험이 부족한 작업자에게는 어려운 문제가 있다. 하지만 스마트 공작기계를 사용하면 초기 투자비용이 높은 반면에 많은 이점을 확보할 수 있다. 경험이 부족한 작업자도 소재와 공구의 형상이 변함에 따라 가공조건을 쉽게 결정할 수 있으며, NC 데이터의 프로그램을 자동으로 계산할 수 있다. 또한, 절삭가공 조건을 입력했을 시 공구수명 시간을 예측할 수 있다.
공작기계를 다루는 산업 분야가 폭넓기에 모든 분야에 만족시키는 것은 어려우며, 다양한 소재와 공구에 대하여 다루는 것 또한 경제적인 한계성을 지닌다. 이에 본 연구에서는 공작기계의 수요가 가장 높은 금형 산업군을 선정하고 스마트 공작기계에 공구수명 예측 프로그램을 탑재시키기 위해 기초실험을 수행하였다. 실험에서 사용된 절삭가공 조건은 산업에서 사용하고 있는 가공조건을 선정하였고, 소재와 공구는 KP-4M 금형 강과 인서트 타입의 17F2R 공구를 사용하였다. 또한, 가공 중 절삭의 영역에서 받는 절삭부하를 확인하기 위해 AC 스핀들 서보모터의 전류 신호를 통해 공구마모의 실험을 수행하였다. 서보모터의 전류 신호가 증가하면 가공 중 절삭력이 증가하는 것으로 분석할 수 있다.
이에 본 연구에서는 기초실험결과를 통해 공구마모의 판정 기준과 마모 분석을 수행하였다. 공구마모는 가공 시간이 증가함에 따라 소재와 공구로부터 열전달이 발생되며, 이로 인해 공구에 열에너지가 증가하여 마모가 급격하게 발생된다. 실험에서 확보된 데이터를 바탕으로 공구의 플랭크 마모의 기준을 정의하였고, 공구수명 예측이 가능한 영역을 선형구간으로 정의하였다. 또한, 예측이 불가능한 파손 구간을 비선형구간으로 제시하였다. 공구수명을 예측하기 위해 선형구간에서 확보된 결과 값을 가지고 선형 회귀분석 수행하였으며, MATLAB 프로그램을 사용하여 GUI 설계를 통해 공구수명 예측 프로그램을 개발하였다. 개발된 공구수명 예측 프로그램의 신뢰성을 확보하기 위하여 산업에서 사용되고 있는 금형 모델 3개를 선정하였고, 소재의 크기와 툴패스에 따라 검증 및 평가를 수행하였다. 이에 관한 내용은 6대 뿌리기술 산업 중 금형 가공기술을 향상시키기 위해 공구수명 예측 프로그램 개발과 절삭가공 시 발생되는 공구마모에 대하여 기술하였다.
공작기계를 다루기 위한 절삭 작업은 작업자의 숙련된 경험으로부터 툴패스와 가공조건이 선정된다. 작업자가 가공 변수와 공구선정에 따라 발생 되는 절삭부하를 고려하는 것은 경험이 부족한 작업자에게는 어려운 문제가 있다. 하지만 스마트 공작기계를 사용하면 초기 투자비용이 높은 반면에 많은 이점을 확보할 수 있다. 경험이 부족한 작업자도 소재와 공구의 형상이 변함에 따라 가공조건을 쉽게 결정할 수 있으며, NC 데이터의 프로그램을 자동으로 계산할 수 있다. 또한, 절삭가공 조건을 입력했을 시 공구수명 시간을 예측할 수 있다.
공작기계를 다루는 산업 분야가 폭넓기에 모든 분야에 만족시키는 것은 어려우며, 다양한 소재와 공구에 대하여 다루는 것 또한 경제적인 한계성을 지닌다. 이에 본 연구에서는 공작기계의 수요가 가장 높은 금형 산업군을 선정하고 스마트 공작기계에 공구수명 예측 프로그램을 탑재시키기 위해 기초실험을 수행하였다. 실험에서 사용된 절삭가공 조건은 산업에서 사용하고 있는 가공조건을 선정하였고, 소재와 공구는 KP-4M 금형 강과 인서트 타입의 17F2R 공구를 사용하였다. 또한, 가공 중 절삭의 영역에서 받는 절삭부하를 확인하기 위해 AC 스핀들 서보모터의 전류 신호를 통해 공구마모의 실험을 수행하였다. 서보모터의 전류 신호가 증가하면 가공 중 절삭력이 증가하는 것으로 분석할 수 있다.
이에 본 연구에서는 기초실험결과를 통해 공구마모의 판정 기준과 마모 분석을 수행하였다. 공구마모는 가공 시간이 증가함에 따라 소재와 공구로부터 열전달이 발생되며, 이로 인해 공구에 열에너지가 증가하여 마모가 급격하게 발생된다. 실험에서 확보된 데이터를 바탕으로 공구의 플랭크 마모의 기준을 정의하였고, 공구수명 예측이 가능한 영역을 선형구간으로 정의하였다. 또한, 예측이 불가능한 파손 구간을 비선형구간으로 제시하였다. 공구수명을 예측하기 위해 선형구간에서 확보된 결과 값을 가지고 선형 회귀분석 수행하였으며, MATLAB 프로그램을 사용하여 GUI 설계를 통해 공구수명 예측 프로그램을 개발하였다. 개발된 공구수명 예측 프로그램의 신뢰성을 확보하기 위하여 산업에서 사용되고 있는 금형 모델 3개를 선정하였고, 소재의 크기와 툴패스에 따라 검증 및 평가를 수행하였다. 이에 관한 내용은 6대 뿌리기술 산업 중 금형 가공기술을 향상시키기 위해 공구수명 예측 프로그램 개발과 절삭가공 시 발생되는 공구마모에 대하여 기술하였다.
목차
목 차요 약 문 iAbstract iiiList of Figures viiiList of Tables xi제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 및 동향 11.2 연구 목적 6제 2 장 이론 배경 72.1 절삭 이론 72.2 공구마모의 이론과 공구수명 평가 82.3 AC(교류) 스핀들 서보모터의 전류신호 112.3.1 절삭력과 절삭 토크와의 관계 112.3.2 공구마모와 Force-map의 관계 14제 3 장 밀링가공 실험 및 공구마모 분석 173.1 실험 장비의 구성 173.2 KP-4M 소재를 이용한 절삭실험 실험 233.2.1 절삭 조건에 따른 공구 마모 분석 233.2.2 공구 마모에 따른 전류 신호 분석 423.3 공구마모에 따른 절삭력 실험 44제 4 장 공구수명 예측 프로그램 개발 504.1 회귀분석을 이용한 공구수명 예측 프로그램 개발 504.2 공구수명 예측 프로그램을 적용한 절삭 실험 524.3 프로그램의 예측 정확도 분석 및 평가 594.3.1 Tool-Path를 적용한 공구수명의 비교 분석 594.3.2 3차원 CAM 모델을 적용한 공구수명 예측 분석 64제 5 장 결 론 77참고 문헌 80
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