A Study on the Surface Roughness Characteristics by using SNCM616 Alloy Still

SNCM616 합금강을 이용한 표면조도 특성에 관한 연구

Abstract

In this study, we investigate the effect of SNCM616 alloy steel, which is commonly used in industry, such as rotors and crank-shafts, on the surface roughness of CNC HBM with Ø25 mm, 8-blade reamer to objective is to analyze and present optimal cutting conditions. The higher the feedrate for the spindle speed, the rougher the surface roughness. The surface roughness was found to be better when the feed rate was lower. The resultant value of the most accurate surface roughness is Ra 0.756 ㎛, and the optimal cutting conditions are 25 rpm at spindle speed and 20 mm/min at transfer speed.

1. 서론

절삭가공에서 가공 정밀도에 직접적 영향을 미치는 주요 인자로서는 절삭속도, 이송속도, 절삭깊이 등이 있다. 일반적으로 이송속도를 증가시키면 형상 오차가 커지게 되고 주축의 회전수를 증가시키면, 공구 수명이 짧아지는 결과를 초래한다.[1-9]

스마트한 시대가 도래하면서 제품들은 점점 복잡해지면서 다품종 소량 생산이 늘어나고 있는 추세이다.

특히 금속을 가공함에 있어서 드릴링, 리밍, 보링, 탭핑 등과 같은 홀(Hole) 작업들은 모든 가공공정들의 1/3 가량을 구성한다고하며 거의 모든 가공공정에 포함될 수밖에 없는 공정으로 생산성에도 많은 영향을 주고 있다.[10,11]

최근 절삭가공의 추세는 높은 압력으로 다듬질 양이 많은 공작을 한 후 연삭을 하지 않고 보링, 리밍과 같은 전가공에서 곧바로 호닝으로 정밀 다듬질을 실시하는 방법이 성행하고 있다.[12]

본 연구는 산업현장에서 터빈로타(Rotor), 크랭크축등에 일반적으로 사용되는 SNCM616 합금강을 CNC HBM(Computer Numerical Control Horizontal Boring Machine)에서 Ø25 mm, 8날리머를 사용하여 정밀 구멍 가공을 했을 때 표면 거칠기에 미치는 영향을 분석하여 최적의 절삭조건을 제시하는데 목적이 있다.

2. 실험장치 및 재료

2.1 실험장치

본 실험에 사용한 가공장비는 HBM으로 Forest Siret에서 생산한 840C 모델이며, 가공방법은 Fig. 1에 도시하였으며, Fig. 2는 실험 가공장비이다. 세부 사양은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Machining Center specification

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2 HBM(Horizontal Boring Machine) for experiments

측정장치는 Mitutoyo사(Japan)에서 제작한 것으로 모델명은 Surface tester-501이며 측정장치는 Fig. 3과 같고 세부사양은 Table 2와 같다.

Table 2. Specifications of the non-contact measuring instrument

Fig. 3 Photograph of surface roughness tester

Fig. 4와 같이 원주방향으로 4곳을 측정하여 평균값으로 표면거칠기를 나타내었다.

Fig. 4 Measurement site of surface roughness after processing circular

2.2 절삭공구

본 실험에 사용된 절삭공구는 외경 ∅24 mm 초경드릴(Carbide twist drill)과 외경이 각각 ∅24.5 mm, ∅25.0 mm의 고속도강(SKH51)리머를 사용하였다. Fig. 5은 실험에 사용된 이지원사의 드릴과 유림정밀사의 리머를 사용하였으며, Table 3은 드릴공구의 형상에 따른 치수를 나타내었고 Table 4은 리머공구의 형상과 치수를 나타내었다.

Fig. 5 Twist Drill and Reamer tools

Table 3. Dimension and shape of drill(mm)

Table 4. Dimension and shape of reamer(mm)

3. 실험방법 및 고찰

3.1 실험방법

연구 실험을 위해 준비된 SNCM616 합금강의 화학성분은 Table 5과 같고 150×150×50 mm의 소재 20개를 준비하였다. 소재의 가공전⋅후의 시편은 Fig. 6과 같다. 먼저 소재를 Fig. 1과 같이 고정하고 ∅24.0 mm 드릴을 장착하여 Fig. 7와 같이 소재를 관통하여 가공하였다. 가공시 수용성 절삭유를 사용하였으며, 절삭유의 혼합 비율은 20 : 1로 희석하였고 절삭유 타입은 Table 6과 같다. 드릴링 후 ∅24.5 mm 리머를 기계에 장착하여 구멍을 정밀가공 하였다. ∅25.0 mm 리머의 절삭가공 조건은 스핀들 속도는 20 rpm에서 35 rpm, 이송속도는 15 mm/min에서 30 mm/min으로 변경하였으며, 실험조건은 Table 7과 같이 결정하였다.

Table 5. Chemical composition of SNCM 616 (KS D 3709)

Table 6. Type of water soluble cutting oil

Fig. 6 Photograph of SNCM 616 alloy steel

Table 7. Experimental conditions of cutting process

Fig. 7 Hole position and size

본 연구는 ∅25.0 mm 리머를 사용하여 구멍을 가공한 소재를 Fig. 4의 4곳을 시험편의 구멍에 원주방향 90° 간격으로 4등분하여 각각의 표면거칠기를 측정하였다.

측정은 다이얼 테스트 인디케이트(Dial test indicator)로 측정기와 시험편의 수평을 확인한 후 측정 면위에 변환기를 접촉시켜 이송하면서 발생한 신호를 증폭기 및 기록계에 의해서 표면거칠기 값을 측정하였으며, 4번 측정한 값의 평균값을 구하였다.

3.2 실험고찰

절삭조건을 달리하여 리머 가공한 4 point 지점의 측정 결과를 토대로 ∅25.0 mm 리머 가공의 측정 평균값을 산출한 후 각각의 스핀들 회전에 대하여 이송속도별로 각각 구분하여 표면 정밀도의 특성을 비교 분석하였다. 표면거칠기를 측정하고 측정한 값의 평균을 기준 데이터로하여 거칠기를 분석하였을 때 표면거칠기 Ra 값은 Table 8과 같이 나타났다.

Table 8. Surface roughness of SNCM616 steel during cutting

Fig. 8에서 보는바와 같이 리머를 사용하여 가공시 스핀들속도가 35 rpm에서 표면거칠기가 육안으로는 거칠기가 좋아 보이지만 실제로 측정된 값을 보면 표면거칠기가 매우 좋지 않음을 알 수 있었다. 스핀들속도가 25 rpm 일 때 전체적으로 표면거칠기는 양호하게 나타났으며, 이송속도가 20 mm/min일 때 최적의 절삭가공 상태임을 알 수 있었다.

Fig. 8 Surface roughness measurement according to cutting speed and feed rate​​​​​​​

4. 결론

터빈 Rotor, 크랭크축, 프로펠러축 등에 사용되는 재료인 SNCM616 합금강을 CNC HBM에서 고속도강 재질의 Ø25 mm, 길이 268 mm 리머로 구멍가공을 하였을 때 스핀들속도와 이송속도의 절삭조건을 변경하면서 실험한 결과 표면거칠기의 특성은 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 스핀들속도에 대한 이송속도가 높을수록 표면거칠기가 거칠었으며, 이송속도가 낮을 때 표면거칠기는 양호하게 나타났음 알 수 있었다.

2. 표면거칠기를 측정한 결과 가장 정밀한 표면거칠기의 결과값은 Ra 0.756 ㎛이었으며, 최적의 절삭가공 조건은 스핀들속도 25 rpm, 이송속도 20 mm/min 임을 알 수 있었다.