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목차

제1장 서론 16

제2장 엔드밀링에서 가공오차 발생요인 19

2.1. 공작기계의 기계적 오차 20

2.1.1. 기계적 오차의 분석 21

2.1.2. 기계적 오차 모델링 22

2.1.3. 기계적 오차 보상 25

2.2. 열변형에 의한 오차 27

2.2.1. 열변형의 원인 분석 27

2.2.2. 열변형 오차 모델링 28

2.2.3. 열변형 오차 보상 30

2.3. 공구변형에 의한 가공오차 32

2.3.1. 공구변형의 발생요인 32

2.3.2. 공구변형의 정량적 예측모델 33

2.3.3. 실험에 의한 공구변형 분석 33

2.3.4. 유한요소법에 의한 공구변형 예측 34

2.3.5. 외팔보 모델에 의한 공구변형 예측 35

2.3.6. 등가직경에 의한 공구변형 근사적 모델 36

2.3.7. 가공 오차 모델링 37

2.4. 가공오차 보상 42

2.4.1. 실시간 제어에 의한 공구변형 보상 42

2.4.2. 공구경로 수정에 의한 보상 알고리즘 43

2.5. 오차발생요인의 고찰 및 연구방향 45

제3장 엔드밀링의 절삭 메커니즘 47

3.1. 엔드밀 날의 거동 47

3.2. 순간 절삭 칩두께 50

3.2.1. 미변형 칩두께 모델링 50

3.2.2. 동역학적 칩두께 모델링 51

3.2.3. 공구변형을 고려한 칩두께 모델링 52

3.2.4. 런아웃을 고려한 칩두께 모델링 53

3.3. 절삭력 예측 모델 55

3.3.1. 비절삭 저항 56

3.3.2. 3축 성분을 고려한 절삭력 예측 모델 58

3.3.3. 공구변형을 고려한 절삭력 예측 모델 59

3.3.4. 실시간 측정 센서를 이용한 절삭력 모델 61

3.3.5. 절삭력 모델의 고찰 61

3.4. 소결 62

제4장 마이크로 엔드밀링에서 공구변형에 의한 가공오차 보상 64

4.1. 마이크로 엔드밀링 공정의 특성 65

4.2. 마이크로 엔드밀링 시스템의 구성 67

4.3. 절삭력 모델링 71

4.3.1. 공구의 분할모델 71

4.3.2. 미변형 칩두께 모델링 72

4.3.3. 접선방향과 반경방향의 절삭력 성분 73

4.3.4. 절삭력 측정과 모델링 77

4.4. 마이크로 엔드밀의 변형 모델링 83

4.4.1. 마이크로 엔드밀의 기하학적 형상 83

4.4.2. 부위별 공구변형의 경향 83

4.4.3. 유한요소법을 이용한 마이크로 엔드밀의 공구변형 예측 85

4.5. 가공 오차 모델링 90

4.5.1. 슬롯가공과 윤곽가공의 기초 절삭실험 90

4.5.2. 가공오차 특성화 92

4.6. 가공오차 보상 알고리즘 95

4.6.1. 윤곽가공에서 가공오차 보상 알고리즘 95

4.6.2. 슬롯가공에서 가공오차 보상 알고리즘 96

제5장 실험결과 97

5.1. 윤곽가공 실험결과 분석 97

5.1.1. 절삭면의 측정 97

5.1.2. 가공오차와 특성화 98

5.1.3. 절삭면 SEM 사진 분석 99

5.1.4. 오차보상을 위한 공구위치의 수정 102

5.2. 슬롯가공 실험결과 분석 107

5.2.1. 슬롯가공에서의 기준면 선정 107

5.2.2. 슬롯가공에서의 오차보상법 108

5.2.3. 보상전후의 절삭면 SEM 사진 분석 108

5.2.4. 이송량 변화에 따른 보상전후의 가공오차의 분석 112

제6장 결론 114

참고문헌 117

ABSTRACT 123

표 4.1. 마이크로 절삭가공 시스템의 사양 67

표 4.2. 마이크로 절삭가공 실험조건 78

표 4.3. 마이크로 엔드밀 물성치 88

표 5.1. 전자주사현미경 사양 98

표 5.2. 원하는 반경방향 절삭깊이 (Rd)real와 수정된 반경방향 절삭깊이 (Rd)ideal 와의 관계.[이미지참조] 105

표 5.3. 마이크로 슬롯가공 공정조건 107

그림 1.1. 정면 엔드밀에 의한 절삭가공 16

그림 1.2. 절삭깊이와 절삭가공의 효율 17

그림 2.1. 가공오차 발생요인 19

그림 2.2. 단일축에서의 기계적 오차요인 20

그림 2.3. Renishaw의 QC20-W 볼바 시스템 21

그림 2.4. Renishaw의 XL-80 레이저 간섭계 22

그림 2.5. 병진 및 회전 기계적 오차 25

그림 2.6. 적외선 카메라에 의한 공작기계의 열분포 분석 27

그림 2.7. CNC 머시닝센터에서의 열변형의 분석과 오차보상의 연구 28

그림 2.8. 머시닝센터의 회전축에 대한 열변형 오차 측정값 29

그림 2.9. 고속 밀링 스핀들 NSK NR40-5100의 FEM에 의한 온도분포와 열변형 예측 30

그림 2.10. 열변형에 의한 오차 측정 31

그림 2.11. 공구변형의 메커니즘 32

그림 2.12. 공구변형 실험에 의한 분석 34

그림 2.13. 유한요소법에 의한 공구변형의 예측 35

그림 2.14. 외팔보의 처짐 35

그림 2.15. 날수와 칩포켓 및 공구 단면적 36

그림 2.16. 엔드밀링 가공에서의 공구 변형 38

그림 2.17. 실제 공구날의 절삭공정을 구현하는 접촉부 39

그림 2.18. 공구의 회전과 이송에 따른 접촉점의 움직임 40

그림 2.19. 공구변형에 의한 절삭면상의 가공오차 발생 41

그림 2.20. 실시간 제어에 의한 가공오차 보상 42

그림 2.21. 공구경로 수정에 의한 가공오차 보상방법 43

그림 3.1. 엔드밀 날끝의 Trochoid 궤적 47

그림 3.2. 엔드밀 날끝의 Trochoid 궤적과 가공면과의 기하학적 관계 48

그림 3.3. 비변형칩의 기하학적 생성원리 50

그림 3.4. 단순화한 미변형 칩두께 51

그림 3.5. 동역학적 절삭날의 거동을 고려한 절삭 칩두께 52

그림 3.6. 공구변형을 고려한 마이크로 엔드밀링의 모델링 53

그림 3.7. 런아웃에 의한 순간 칩두께의 변동 모델링 54

그림 3.8. 칩두께, 칩면적과 절삭력과의 관계 55

그림 3.9. 비절삭저항 Kₜ와 미소칩두께 56

그림 3.10. 3축 성분을 고려한 절삭력 예측 모델 58

그림 3.11. 공구변형을 고려한 절삭력 모델 60

그림 3.12. 실시간 측정 센서를 이용한 절삭력 예측 모델 60

그림 4.1. 기존 절삭과 마이크로 절삭 64

그림 4.2. 미소칩 두께 및 탄성변형 65

그림 4.3. 마이크로 엔드밀링 시스템 66

그림 4.4. 마이크로 엔드밀링 시스템 및 구성도 68

그림 4.5. 공구동력계 69

그림 4.6. 마이크로 엔드밀 69

그림 4.7. 마이크로 엔드밀링 가공실험 다이어그램 70

그림 4.8. 분할된 엔드밀 모델 71

그림 4.9. 미변형 칩두께와 공구 이송량 72

그림 4.10. 반경방향과 접선방향의 절삭력의 분력 73

그림 4.11. 절삭력의 분력 75

그림 4.12. 마이크로 엔드밀링 실험을 위한 기준면 설정 78

그림 4.13. Rd＝100, 150, 200mm 일 경우 Kₜ 모델링[이미지참조] 79

그림 4.14. Rd＝100, 150, 200mm 일 경우 Kr 모델링[이미지참조] 79

그림 4.15. Rd＝130, 170mm 일 경우 Kₜ 모델링 80

그림 4.16. Rd＝130, 170mm 일 경우 Kr 모델링 80

그림 4.17. Rd＝130mm 일 경우 FX, FY의 측정값과 모델링값의 비교[이미지참조] 81

그림 4.18. Rd＝170mm 일 경우 FX, FY의 측정값과 모델링값의 비교[이미지참조] 81

그림 4.19. 마이크로 엔드밀의 예 83

그림 4.20. 다른 직경의 구조로 제작된 마이크로 엔드밀의 변형경향 84

그림 4.21. 실험에 적용된 마이크로 엔드밀의 형상 및 치수 85

그림 4.22. 절삭날부의 3차원 형상 측정 장비와 측정 형상 86

그림 4.23. 마이크로 엔드밀의 하중조건 87

그림 4.24. 마이크로 엔드밀의 메쉬 생성 88

그림 4.25. 유한요소법을 이용한 마이크로 엔드밀의 변형량 예측 89

그림 4.26. 마이크로 엔드밀의 형상 90

그림 4.27. 슬롯가공에서 발생하는 공구변형에 의한 가공오차 91

그림 4.28. 윤곽가공에서 발생하는 공구변형에 의한 가공오차 91

그림 4.29. 고세장비 슬롯가공에서 발생하는 공구변형에 의한 가공오차 92

그림 4.30. 가공오차 특성화 요인 Werr과 Derr 93

그림 4.31. 공구변형에 의한 가공오차 보상방법 95

그림 4.32. 이상적인 마이크로 슬롯가공과 공구변형에 의한 가공오차 발생 96

그림 5.1. 전자주사현미경(SEM) 97

그림 5.2. Fd＝525mm/min, Rd＝30µm일 경우 마이크로 엔드밀링 윤곽가공면[이미지참조] 99

그림 5.3. Fd＝525mm/min, Rd＝60µm일 경우 마이크로 엔드밀링 윤곽가공면[이미지참조] 100

그림 5.4. Fd＝525mm/min, Rd＝90µm일 경우 마이크로 엔드밀링 윤곽가공면[이미지참조] 100

그림 5.5. Fd＝525mm/min, Rd＝120µm일 경우 마이크로 엔드밀링 윤곽가공면[이미지참조] 101

그림 5.6. Fd＝525mm/min, Rd＝150µm일 경우 마이크로 엔드밀링 윤곽가공면[이미지참조] 102

그림 5.7. Rd의 변화에 따른 Etop, Ebot, αdraft의 변화 그래프 103

그림 5.8. Rd의 변화에 따른 Werr, Derr의 변화 그래프 103

그림 5.9. (Rd)real의 변화에 따른 (Rd)ideal의 변화 그래프 104

그림 5.10. 슬롯절삭영역 및 기준면 107

그림 5.11. Fd＝120mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일. 108

그림 5.12. Fd＝180mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일 109

그림 5.13. Fd＝240mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일 109

그림 5.14. Fd＝300mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일 110

그림 5.15. Fd＝360mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일 110

그림 5.16. Fd＝420mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일 111

그림 5.17. Fd＝480mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일 111

그림 5.18. Fd＝540mm/min일때 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 프로파일 112

그림 5.19. Fd 변화에 따른 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 좌측 프로파일 113

그림 5.20. Fd 변화에 따른 가공오차 보상 전후의 슬롯가공 우측 프로파일 113