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BTA드릴을 이용한 초대형선박용 연료공급관 2차 가공에 관한 연구
BTA드릴을 이용한 초대형선박용 연료공급관 2차 가공에 관한 연구 A Study on the Secondary Cutting of the Common Rail Fuel Oil Supply Pipe for the Large Ship Using BTA Drill 기계공학과 조 명 제 지 도 교 수 전 언 찬 현재 심공가공에 사용되는 BTA 드릴 (Boring Trepanning Association)은 1942년 Beisner에 의하여 개발된 이후에 많은 진보적인 기술 향상은 보이지 않지만, 최근 초경합금 팁과 공구표면의 코팅기술 개발로 절삭 성능의 향상되어 많은 심공가공분야에서 적용되고 있으며, 최근에 다시 활발한 연구가 이루어지고 있다. BTA 드릴에 의한 가공 방식에는 단일 보링작업과 같이 한 번의 가공으로 소요지름을 얻을 수 있는 솔리드 보링(Solid Boring)방식, 단일작업으로 구멍을 뚫기 힘든 경우 코어를 남기는 방식으로 지름이 큰 구멍을 뚫는데 적합한 트레패닝(Trepanning)방식, 동력에 제한을 받아 한 번에 필요한 구멍을 뚫을 수 없을 경우 사용되며, 내면을 정밀하게 가공하기 위한 방법인 카운터 보링(Counter Boring)방식이 있다. 일반적으로 BTA 드릴은 패드에 의한 자기안내 방식에 기초하여 독특한 절삭력과 고압 절삭유 공급에 의하여 칩 배출이 이루어지므로, 길이/직경의 비가 큰 심공가공의 경우, 다른 구멍가공 방식에 비하여 우수한 특성을 가지고 있으며 대형 금형의 냉각수 구멍가공, 열 교환기의 핵심부품인 튜브시트의 가공, 자동차용 각종 부품 가공 등 그 이용 범위가 확대되는 경향이다. 그러나 구멍의 직경에 비해 가공물의 길이가 길어지면 칩(Chip)의 배출과 절삭날의 윤활 등이 어려워지며 공구의 진동문제가 발생하기도 한다. 또한, 1차 가공 후 2차 가공에서 자중에 의한 보링 가이드의 휨이나 회전에 의한 편심이 발생하여 가공 상의 어려움뿐만 아니라 가공 정밀도가 낮은 현실이다. 본 연구에서는 솔리드 보링 방식의 BTA 드릴을 이용한 16m 연료 공급관의 가공 정밀도에 관한 연구이다. 본 실험에서는 실제 BTA 드릴을 제작하고 가공 후 16m연료 공급관의 표면 거칠기, 진직도, 중심편차와 같은 가공 정밀도를 기존의 실행되어진 11.4m 연료 공급관 가공 정밀도 비교를 통하여 가공 공정 및 방법에 대한 신뢰성을 확인하고자 한다. 주요어 : BTA 드릴(Boring Trepanning Association Drill), 초경합금(Cemented Carbide), 절삭력(Cutting Force), 심공가공(Deep Hole Machining), 솔리드 보링(Solid Boring), 카운터 보링(Counter Boring), 가공정밀도(Machining Accuracy) 원통도(Cylindricity), 표면 거칠기(Surface Roughness), 중심편차(Hole Central Deviation), 가공공정(Processing System)
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심가공용 BTA 드릴의 최적 절삭조건에 따른 수명 평가에 대한 연구
서장훈 영남대학교 산업대학원 2009 국내석사
BTA (Boring and Trepanning Association) 가공이 보편화 되면서 대체 에너지산업, 조선, 원자력 그리고 열교환기 산업에서 더욱 우수한 가공성과 수명을 요구하게 된다. 특히 항공기 산업과 원자력 발전 산업에서는 시장에서 흔히 사용하지 않는 난삭재를 적용하게 되면서 더욱 깊어진 가공과 더불어 지속적인 수명 증가와 가공성을 요구하게 된다. 본 연구에서는 현재 사용하고 있는 심공가공 드릴의 종류 및 특징을 알아보고, 최근 수요가 조금씩 늘어나고 있는 난삭재의 절삭 조건에 따른 drill 수명 영향에 대하여 실험을 통하여 분석하였다.
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BTA드릴에 의한 深孔加工에서 精密度 向上 및 工具의 異常狀態 監視에 관한 硏究
심공가공중 BTA드릴링은 생산성 향상과 고능률 가공을 위하여 L/D가 작은 구멍가공, 고경도 재료 및 난삭재 구멍가공 등 그 범위가 확대되어 가는 경향이며, 심공가공 공구를 활용하여 정도가 높은 구멍가공을 리이머 등과 같은 추가 가공 없이 요구되는 품질을 만족시킬 수 있는 공법으로서 활용범위의 확대가 기대된다. 그러나 BTA드릴을 사용하여 심공가공을 할 때 나타나는 가공상의 큰 문제점인 직경의 정밀도(휨, 구멍의 확대), 표면 거칠기 및 진원도 등으로 요구되는 품질을 만족시키기 어렵다. 따라서 본 연구는 BTA드릴에 의한 심공가공의 정밀도 향상과 공구의 이상 상태를 실시간으로 감시하기 위한 목적으로 자동차 부품용 재료로 널리 사용되는 SM55C를 BTA드릴로 심공가공하여 절삭조건의 변화에 따라 발생되는 공작물의 절삭저항과 가공구멍의 정밀도에 미치는 영향을 조사하고, 주축 모터의 전류신호를 전압으로 변환시켜 검출하여 공구의 이상상태 감시를 행하였다. 심공가공용 드릴은 단인과 다인 BTA드릴을 사용하였으며, 가공 정밀도에 영향을 미치는 가공구멍의 확대량, 표면 거칠기 및 진원도에 대하여 분석하고 공구수명에 미치는 다양한 절삭조건에 따른 절삭특성을 조사하였다. 그리고 심공가공에서 발생하는 공구의 마멸에 따른 절삭토크의 증가를 주축모터 전류신호로부터 변환시켜 공구의 이상상태를 감시해 본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 단인 및 다인 BTA드릴에 작용하는 버니싱 토크는 순 절삭 토크의 약 26% 정도이고, 다인 BTA드릴이 단인 BTA드릴에 비하여 절삭력 분산이 잘 이루어진다. 2. 다인 BTA드릴에서 가공정밀도가 향상되는 절삭조건, 즉 절삭속도 V=70m/min, 이송 f=0.15㎜/rev에서 가공구멍의 확대량은 가공길이 0∼0.5m의 초기구간에서는 약 25㎛로 확대되며, 이후 l0m구간까지는 0㎛로 변화가 없으며, 20m이후에서는 약 15㎛정도로 축소되었다. 3. 표면 거칠기는 단인 및 다인 BTA드릴이 각각 9.1∼10.9㎛, 3.28∼6.3㎛이하로 분포되었으며, 이것은 절삭속도와 무관함을 알 수 있었다. 그리고 진원도는 각각 6.47∼11.82 ㎛, 7.8∼12.47㎛였으며, 다각형의 형상은 홀수각 뿐만이 아니라 짝수각(4각형, 6각형)으로도 나타났다. 4. 단인 및 다인 BTA드릴에서 가공정밀도가 향상되는 절삭조건은 각각 절삭속도 V=42 m/min, 이송 f=0.12 ㎜/rev 와 V = 70 m/min, f=0.15 ㎜/rev 이고, 최적 공구수명 길이는 각각 평균 10m와 30m정도로서 다인 BTA드릴이 단인 BTA드릴보다 증가하였다. 5. 절삭조건의 변화에 따른 공구수명은 외측날에서의 플랭크 마멸폭 V_(B)가 단인 BTA드릴의 경우는 0.47∼0.8㎜이며, 다인 BTA드릴은 1.23∼1.8㎜이다. 그리고 생성되는 칩은 중심날에서 원추형의 형상으로 나타났다. 6. AC스핀들 모터전류를 감시함으로써 절삭력 변화 및 공구의 이상상태를 실시간으로 검출할 수 있었다. The BTA drilling has been used to improve productivity and high efficiency of deep hole drilling. The usage range tends to expand up to the drilling with a slight L/D rate, with the high-hardness and hard-working materials. The machining methods with the BTA drill are used to satisfy the required qualities by only the first frilling, without secondary machining such as reaming which works the hole with high accuracy. Therefore, the methods are expected to be expanded and used more. But when the deep hole drilling with BTA drill, there are serious problems such as accuracy of diameter (deflection, hole over size), surface roughness and roundness etc. to inhibit the required qualities. With the purpose of the accuracy improvement in deep hole drilling and the condition monitoring of the tool, we investigated the influence of the drilled hole accuracy and the cutting resistance of materials that occurred as the variation of the cutting condition after deep hole drilling with BTA drill on SM55C. Then we observed the condition monitoring of the tool in real time after converting the current of the AC spindle motor into voltage. Single edge and multi-edge BTA drills are used for the deep hole drilling. After analyzing hole over size, surface roughness and roundness of the drilled hole which have influence on the hole accuracy, we detected the cutting characteristics according to the various cutting conditions which have influenced on the tool life. And we obtained the following results from the condition monitoring of the tool and the increase of the cutting torque according to the tool wear by using of the current of the AC spindle motor. 1) The burnishing torque is closed upon 26% of the cutting torque in a single edge BTA drill or multi-edge BTA drill. The multi-edge BTA drill is better dispersed the cutting torque than the single edge BTA drill. 2) In hole over size, the drilling accuracy according to the drilled length is best improved under the condition of V=70m/min, f=0.15mm/rev in the multi-edge BTA drill. Values of hole over size are then about 25㎛ on 0∼0.5 m, about 0㎛ on 10∼20m, and about -15㎛ on over 20m. 3) The surface roughness is distributed 9.1∼10.9㎛ in the single edge drill and 3.28∼6.3㎛ in the multi-edge BTA drill. And the surface roughness is irrelated to the cutting speed. The roundness is distributed 6.47∼11.82㎛ in the single edge BTA drill and 7.8∼ 12.47㎛ in the multi-edge BTA drill. Regarding the polygon phenomenon, it has been appeared not only the odd angle but also the even angle (quadrilateral, hexagon). And the roundness gets worse according to the increase of the cutting speed. 4) The cutting conditions which improve the drilling accuracies are V=42 m/min, f=0.12 mm/rev in the single edge BTA drill and V=70m/min, f=0.15 mm/rev in the multi-edge BTA drill. The suitable length of tool life is about l0m in the single edge BTA drill and about 30m in the multi-edge BTA drill. 5) Frank wear width V_(B) of the peripheral insert is 0.47∼0.8mm in the single edge BTA drill and 1.23∼l.8mm in the multi-edge BTA drill when the tool life was over. The created chip is cone shape, and chip is cut shorter by chip breakers and comes out by cutting oil with high pressure. 6) We could possible analyze in real time the variation of cutting force and the damage detection of the tool by observing the current of the AC spindle motor.
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