마이크로 기계 가공의 표면 형상 모델링
A Computational Geometric Modeling of the Micro-machining
- 주제(키워드) Surface Roughness , Surface Texture , Surface Shpaing System , Micro-machining , Minimum Chip Thickness
- 주제(KDC) 552
- 주제(DDC) 621
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 홍민성
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
현재 전자 통신, 반도체, 바이오등의 첨단 산업들은 제조기술의 발달로 인하여 초소형화, 초경량화, 초정밀화 되어가고 있다. 이러한 발전추세에 발맞추어 미세부품에 대한 수요가 급격히 증가되고 있으며, 이러한 부품을 제작하기 위한 마이크로 가공 기술의 확보가 주요 국가 경쟁력으로 떠오르고 있다. 마이크로 선삭, 마이크로 밀링, 마이크로 드릴링 등의 마이크로 기계 가공은 개념 설정 초기부터 랩-온-어-팩토리(Labs-on-a-factory)라는 목표가 설정되었고, 이 개념은 모든 가공 공정과 측정을 실험실 테이블 위에서 해결하려는 경제적이고 효과적인 미래 기술로 주목받고 있다. 이러한 목표로 많은 연구자들이 마이크로 기계가공의 많은 특성들을 연구하고 있다. 1980년대부터 MEMS(Micro Electro Mechanical System)기술이 연구되기 시작했으며 지금까지도 MEMS를 이용한 많은 마이크로 장치들이 개발되고 연구되어 지고 있다. 그러나 MEMS의 경우 고가의 초기 장비와 가공재료의 한계를 나타내고 있는 실정이다. 마이크로 기계 가공은 기존의 MEMS 공정에서 제작할 수 없었던 세밀한 형상 가공이 가능하며, 높은 가공 정밀도를 구현할 수 있어서 이를 위한 가공 장비 및 가공 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 논문에서는 마이크로 밀링 머신을 사용한 가공 실험을 통하여 얻은 절삭력과 표면 형상 및 표면 거칠기를 이용하여 마이크로 밀링 가공의 가공 특성을 분석하고, 여기에서 얻은 결과를 시뮬레이션에 적용시켜 봄으로서 마이크로 가공에 적용 가능한 표면 형상 예측과 절삭력을 예측 하였다. 마이크로 기계 가공의 경우 매크로 스케일에서 최적 설계되어진 모델을 이용하여 크기 축소만으로는 완전히 적용되지를 않고 문제가 생기는데 이는 매크로 스케일에서 무시할만한 인자들이 마이크로 스케일에서는 무시할 수 없는 중요한 변수가 되었기 때문이다. 현재까지 진행되어 있는 마이크로 기계가공의 주요 특성은 최소 칩 두께 효과와 가공 재질의 조성에 따른 절삭력의 변화가 있다고 알려져 있다. 본 논문에서는 표면 형상 예측이론을 통하여 마이크로 가공 후 표면을 공구의 형상, 절삭 파라미터, 물성치, 최소 칩 두께 효과 등의 곡면 표면에 영향을 주는 여러 인자를 통하여 실제 가공과 가까운 가공 표면을 예측한다. 본 연구를 통해서 제시된 결과는 향후 마이크로 가공에서 최적의 표면 형상과 안정적인 절삭을 하는데 많은 역할을 할 수 있을 것이며, 공구 변형과 같은 인자도 고려한다면 매우 현실성 있는 표면 현상 예측 할 것으로 기대된다.
more초록/요약
Nowadays, the demand for high-tech industry's manufacturing of microscopic structures along with the development of technology to produce electronics, communication and semiconductors allows various components to be smaller in size, with higher precision. Therefore, preoccupancy of micro/nano-level machining technology in order to product micro/nano-components and parts is key issue in the field of manufacturing. From early stages of concept development, the manufacturing of micro machines had a goal of 'Labs-on-a-factory', and this concept is receiving attention for being one of the most economical and effective future technology that allows all the manufacturing process and measurement on the laboratory table. To establish such goals, many researchers are studying about the many characteristics of micro machine production. The MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology was studied from the 1980s, and several micro equipments are being developed and researched. However, in the case of MEMS, the costly equipment from early stages of research and its processing materials are showing their limitations. The micro machines allow manufacturing of elaborate configurations with high machining precision which the existing MEMS cannot duplicate. Thus there are much research done for developing manufacturing equipment and technology for these machines. In this paper, machinability of mico-millling machine is analyzed through the cutting force, surface shape, and surface roughness obtained by using experiment, and then the micro-scale surface profile and surface roughness, which have been impossible to be calculated in micro machining so far, are predicted by using surface shaping system simulation based on test data. However, the reduction of models that are created in the ideal macro scale does not allow many of the plans to work out, causing problems. Also, factors that would have been ignored in macro scale became important within the micro scale. The principal characteristics of the micro machine manufacturing that have been proceeded until now, are the ability to minimize chip thickness and the ability to change the cutting force depending on the quality of the material. The simulation by surface shaping system including geometry of tool, cutting parameter, material properties, and minimum chip thickness effect improves micro-machined texture accuracy in this study. These research results contribute to guarantee optimized and stable cutting conditions in micro-machining process and to maintain system efficiency. In the near future, it is necessary to make up for deflection of machine tool for increasing prediction reliability of surface shape.
more목차
제 1 장 서론 = 1
1.1 연구 배경 = 1
1.2 연구 동향 = 6
1.2.1 마이크로 기계 가공 = 6
1.2.2 마이크로 기계 가공의 기구와 특성 분석 = 12
1.2.3 표면 형상 모델링(Surface Shaping System) = 15
1.3 연구 내용 = 18
제 2 장 이론적 배경 = 20
2.1 가공 표면의 특성 = 20
2.1.1 표면 형상에 관한 연구 = 20
2.1.2 표면 형상 분석을 위한 명칭 및 파라미터 = 21
2.2 절삭 이론 = 31
2.3 마이크로 기계 가공 이론 = 37
2.3.1 치수 효과(size effect) = 37
2.3.2 마이크로 가공 기술의 모델링 = 42
제 3 장 표면 형상 예측 시스템 = 47
3.1 표면 형상 예측 시스템 모델 = 47
3.1.1 표면 형상 예측 시스템의 기구학 = 49
3.1.2 표면 형상 예측 시스템의 좌표계 = 50
3.1.3 표면 형상 예측 시스템의 모델링 = 53
3.2 표면 형상 예측 시스템 공구 모델 = 55
3.2.1 Peripheral milling 가공 = 57
3.2.2 Ball nose end milling 가공 = 61
3.3 표면 형상 예측 시스템의 표면 형상 모델링 = 65
3.3.1 가공 표면 생성을 위한 알고리즘 = 65
3.3.2 공작물의 모델링 = 67
3.3.3 바이큐빅 표면생성 알고리즘 = 68
3.3.4 절삭 깊이 계산 = 75
3.4 표면 형상 예측 시스템의 절삭력 예측 = 79
3.4.1 선삭의 절삭력 계산 = 79
3.4.2 면삭 밀링의 절삭력 계산 = 83
3.4.3 볼 엔드 밀링의 절삭력 계산 = 86
3.5 마이크로 기계 가공의 표면 형상 모델링 88 =
3.5.1 최소 칩 두께 효과의 모델링 = 88
제 4 장 마이크로 가공실험과 시뮬레이션 = 92
4.1 마이크로 기계 장비 구성 = 92
4.2 마이크로 기계 가공 실험(1) = 95
4.3 마이크로 기계 가공 표면 형상 모델링 = 106
4.3.1 AL 6061 표면 형상 비교 = 109
4.3.2 AL 5052 표면 형상 비교 = 110
4.3.3 Br 표면 형상 비교 = 111
4.3.4 Bs 표면 형상 비교 = 112
4.3.5 표면 형상 예측 시스템과 실제 형상 프로파일의 오차 = 113
4.3.6 최소 칩 두께 효과를 적용 시킨 표면 형상 예측 시스템과 실제 형상 프로 파일의 오차 = 114
제 5 장 결론 = 116
Reference = 119
ABSTRACT = 127
