본 연구에서 사용한 소재는 Fig. 1과 같은 Al5052 두께 0.5, 폭 250 mm의 정사각형 판재를 사용하였다. Al5052는 알루미늄 합금 중에서 중간 정도의 강도와 성형성이 좋은 특징이 있어 일반적인 판재 점진 성형에 적합한 재료이다. Jung, et al. [8]은 인장 시험을 통해 Table 1과 같은 Al5052의 재료 특성을 분석하였다. 항복응력(σ_YS)은 167.8, 최대 인장강도(σ_TS)는 223.4 MPa, 탄성계수(E)는 79.5 GPa, 연신율(Elongation)은 9.4%이다.

Fig. 1 
Specimen for the incremental sheet forming process (Dimensions in mm)

본 연구에서는 Fig. 2와 같이 NR-35 3축 CNC 머신을 사용하였고, 베드에 한 변이 250 mm인 판재를 고정할 수 있는 고정용 홀더와 바인더를 설치하였다. 윤활유는 차량용 엔진오일(5W30)을 사용하였다. 실험 공구는 Fig. 3과 같이 공구 직경(D_tool) 25.4 mm의 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구를 사용하였다. 볼 타입 공구는 Misumi사의 절삭형 볼 롤러(BCHT 42)를 볼 타입 공구로 사용하였다. 일반 반구형 공구는 반구형 강체 공구를 사용하였다.

Fig. 2 
Experimental Equipment for the incremental sheet forming process

Fig. 3 
Experimental tool for the incremental sheet forming process; (a) Ball type tool, and (b) Hemispherical tool

판재 점진 성형의 표면 성형 특성을 분석하기 위해 실험 형상을 Fig. 4와 같이 바닥 폭(L_in)이 120 mm인 사각뿔대로 구성하였다. 볼 타입 공구는 볼 리테이너의 형상에 따라 성형 가능한 각도에 제약이 있다. 본 연구에서 사용한 Fig. 3(a)의 볼 타입 공구는 최대 35^o의 제품까지 성형 가능하다. 따라서 형상은 사각뿔대의 벽 각도(θ)는 30^o로 하였다. 공구의 이동 경로를 정해주는 G-Code는 성형 공구의 최대 반경을 통하여 형상의 안쪽 부분을 따라 이동하도록 하였다.

Fig. 4 
Toolpath of the incremental sheet forming process

사각뿔 형상의 성형 공정 변수인 성형 깊이(Step Down, Δz)에 의한 표면 거칠기 변화의 특성을 파악하였다. Lee, et al. [9]의 판재 점진 성형의 공정 변수에 관한 연구 결과에 따르면 표면 거칠기에 가장 큰 영향을 주는 것은 공구 직경(D_tool)과 성형 깊이(Δz)이다. 일반 반구형 공구의 크기는 볼 타입 공구의 크기와 동일하게 지름 25.4 mm로 가공하여 사용하였다. 그리고 성형 깊이를 7가지 수준으로 설정하였다. 또한 공구 이송속도는 4,000 mm/min이다. 일반 반구형 공구는 공구 회전속도를 125 rpm으로 제품을 성형하였고, 볼 타입 공구는 공구를 회전하지 않고 제품을 제작하였다.

표면 특성은 접촉식 표면 거칠기 측정기(Mitutoyo SJ-400)를 사용하여 표면 거칠기를 측정하였다. 표면 거칠기는 공구 접촉면을 성형 깊이에 따라 표점 거리를 다르게 하여 측정하였다. 표면 거칠기는 측정 장비에서 측정한 표면 프로파일을 가공하여 계산하였다. 표면 거칠기 측정기를 통해 측정한 표면 형상은 Fig. 5(a)의 표면 프로파일값(Measured Profile)과 같이 공구 이동 경로에 따라 주기가 길고 진폭이 큰 경향을 보인다. 동시에 소재의 스프링백에 의한 곡선 형상도 찾을 수 있다. 이는 표면 프로파일값에서 곡선을 중심선으로 한 사인 곡선과 같은 형상을 통해 확인할 수 있다. 본 연구에서는 공구 접촉에 의한 표면 특성만을 분석하기 위해 Fig. 5(a)의 표면 프로파일값에서 소재 전반에 걸친 스프링백으로 인한 전체 소재 변형(Overall Deformation)을 Matlab에서 제거하였다. 전체 소재 변형은 표면 프로파일값의 좌표 데이터를 2차 다항식 회귀를 통해 전체 소재 변형을 구하였다. 이를 통해 Fig. 5(b)과 같이 단순화된 표면 프로파일(Simplified Profile)을 얻을 수 있었다. 이와 같이 단순화한 경우 스프링백에 의한 재료의 변형은 제외하고, 공구와 소재의 접촉에 의한 소성 변형을 포함한 거칠기를 측정할 수 있다. 또한 표면에 발생한 윤곽선은 공구의 이동 경로에 의해 발생한 것을 확인할 수 있다. Fig. 5(b)의 표면 형상에서 골과 골 사이 간격은 Δz/sin(θ)로 표현할 수 있다. Fig. 5(b)는 성형 깊이가 2 mm이고, θ가 30^o이므로, 골과 골 사이의 간격은 4 mm이며, 이는 측정 결과와 동일하다.

Fig. 5 
Calculation procedure of the simplified profile; (a) Measured profiles of the product with Δz of 2 mm, and (b) Simplified profile of the product surface with Δz of 2 mm

표면 거칠기 측정기를 통해 측정하고, 전체 소재 변형(Overall Deformation)을 제거한 표면 프로파일에서 MATLAB을 이용하여 표면 거칠기 중 산술평균 거칠기(R_a), 10점 평균 거칠기(R_z)를 계산하였다. Fig. 6은 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구, 성형 깊이는 0.5, 1 mm로 성형한 소재의 단순화된 표면 프로파일 측정 결과이다. 성형 깊이가 0.5 mm 이하로 낮아지면 골과 골 사이 간격이 작아 공구와 소재의 접촉에 의한 주기적 변형 특성이 잘 보이지 않는다. 하지만 성형 깊이(Δz)가 커질수록 이와 같은 표면 파형(Waviness)가 명확하게 관찰되어, 성형 깊이가 1 mm 이상인 성형된 소재의 프로파일은 사인 곡선 표면 파형을 선명하게 볼 수 있다.

Fig. 6 
Measured profiles with different forming conditions; (a) Ball type tool with Δz of 0.5 mm, (b) Ball type tool with with Δz of 1 mm, (c) Hemispherical tool with Δz of 0.5 mm, and (d) Hemispherical tool with Δz of 1 mm

표면 파형의 골과 골 사이 간격도 성형 깊이가 0.5, 1 mm인 성형 판재의 프로파일에서 Δz/sin(θ)로 계산한 1, 2 mm로 측정 결과와 동일하며, 볼 타입 공구는 일반 반구형 공구보다 가시적인 표면 거칠기가 더 크다.

표면 거칠기는 3회 측정 후 평균값을 사용하였다. 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구를 사용한 경우 성형 깊이에 따른 표면 거칠기는 Table 2와 같다. 실험에서 사용한 원소재의 표면 거칠기는 R_a가 0.354, R_z는 1.783 μm이다.

성형 깊이가 0.25 mm 이하인 경우 제품의 표면 거칠기는 원소재보다 낮은 값을 보인다. 하지만 성형 깊이가 작을수록 가공 시간이 크게 증가하므로 판재 점진 성형은 원소재의 표면 거칠기를 유지할 수 있는 0.25 mm의 성형 깊이가 적당하며, 가공품에 따라 표면 거칠기와 가공 시간을 타협하여 조건을 설정하는 것이 바람직하다.

기계 가공에서 커습(Cusp)은 공정에서 공구 경로 사이 간격(피치)에 의해 발생하는 최고점과 최저점의 높이 차를 의미한다. 절삭 공정에서 공구 이동 경로에 따른 표면 파형 발생은 가공 피치에 따른 커습의 영향이 가장 크다. 판재 점진 성형 공정에서도 절삭 공정과 마찬가지로 공구의 이동 경로를 따라 소재의 소성 변형이 발생한다. 따라서 재료 표면에 공구 경로 사이 간격에 의한 형상 변형이 발생한다. 따라서, 점진 성형 공정에서도 절삭 공정과 같은 이유로 커습 높이가 재료의 표면 상태에 가장 큰 영향을 미친다. 또한 점진 성형 공정에서는 단순화된 표면 프로파일값의 최댓값과 최솟값의 5점 평균값인 표면 거칠기 R_z로 정의할 수 있다.

일반적인 절삭 공정에서 커습 높이(h)는 식(1)을 따른다. 공구 직경 25.4 mm인 경우 커습 높이는 Fig. 7과 같다. 또한 Fig. 7에 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구의 R_z를 그래프에 표현하였다. 점진적 가압의 소성 변형을 통한 점진 성형이기 때문에 재료가 깎이지 않고 눌리면서 식(1)보다 R_z가 더 낮은 값을 보인다[4]. 식(1)과 R_z의 비교를 통해 공구 경로에 따른 눌림 자국이 점진 성형에서의 표면 형상에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.

Fig. 7 
Comparison of the cusp height and R_z of various step down (Tool diameter of 25.4 mm)

Table 2의 결과에서 볼 타입 공구의 표면 거칠기가 일반 반구형 공구의 표면 거칠기보다 높은 값을 보인다. 이를 분석하기 위해 각 성형 결과에서 표면을 측정하였다. 먼저 일반 반구형 공구의 표면 거칠기를 분석하였다.

일반 반구형 공구는 공구와 접촉한 소재의 표면이 Fig. 8에서와 같이 일정한 패턴이 발생한다. 본 연구에서는 Fig. 8의 1과 2 로 구간을 나누어 표면을 분석했다. 반구 형태인 일반 반구형 공구의 측벽 부분과 접촉면을 1 영역, 중심 부분과 접촉면을 2 영역으로 구분하여 표면 프로파일을 측정하였다.

Fig. 8 
Two types of the surface roughness in the incremental sheet forming process with a hemispherical tool

1 영역의 표면 측정 결과는 Fig. 9(a)와 같고, 이때 R_a는 0.194 μm이다. 2 영역의 표면 측정 결과는 Fig. 9(b)와 같고, R_a는 0.141 μm이다. 일반 반구형 공구의 1 영역과 2 영역에서 R_a는 약 1.4배 차이로 명확히 구분되었다. 또한 원소재의 R_a값(0.354 μm)보다 40% 이상 낮은 수치로 표면이 마모되었음을 알 수 있다. 1 영역은 상대적으로 선속도가 크므로 표면이 많이 갈리고 따라서 표면 거칠기가 크다. Fig. 9(b)의 2 영역의 중심부는 선속도가 0에 가까우므로 표면이 평평하게 눌리고 따라서 표면 거칠기가 작다.

Fig. 9 
Surface profiles of the (a) Region 1, and (b) Region 2, when Δz is 1 mm and the hemispherical tool is used

판재 점진 성형 공정에서는 공구와 재료의 상호작용으로 변형이 발생한다. 공구가 회전할 때 재료와 공구의 상대 속도는 공구의 선속도(v_tool)에 영향을 받는다. 공구의 선속도는 공구의 지름과 비례하므로, Fig. 8과 같이 공구의 중심부(2 영역)에서는 선속도(v_tool)가 낮고, 공구와 소재의 접촉이 끝나는 부분(1 영역)에서는 선속도가 높다. 공구의 선속도가 높은 1 영역에서 재료의 마모가 더 크게 발생한다. 따라서 1 영역과 2 영역의 표면 특성이 다르게 발생하고, 1 영역에서의 R_a가 큰 값을 보인다.

볼 타입 공구와 일반 반구형 공구의 판재 점진 성형 공정 표면 특성을 분석하기 위해 전자주사현미경(SEM) 촬영 후 표면을 분석하였다. Fig. 10은 성형 전 Al5052 소재의 SEM 촬영 결과 이다.

Fig. 10 
SEM image of Al5052 sheet before forming

성형 깊이가 0.75 mm일 때, 볼 타입 공구의 경우에는 Fig. 11과 같이 모든 부분에서 일정하게 주름진 표면 상태를 나타냈다. 이는 소성변형에 의한 결정립계 근처에서 미세한 변형이 누적되어 생기는 현상으로 표면이 오렌지 껍질처럼 일어나서 오렌지 필 효과(Orange Peel Effect)라고 불린다[10]. 또한 Fig. 10에서 볼 수 있는 원소재의 압연 방향의 표면 형태를 유지하면서 오렌지 필 효과가 함께 보이는 표면 상태이다. 이러한 소성변형에 의한 표면의 변형과 원소재의 압연 형상이 동시에 표면에서 관측된다는 것은 표면이 갈리지 않고 성형이 되었다는 것을 의미한다.

Fig. 11 
SEM image of Al5052 sheet after the incremental sheet forming process with the ball type tool (Δz = 0.75 mm)

공구가 회전하는 일반 반구형 공구의 표면은 Fig. 12와 같다. 성형 제품 내측의 사진에서 볼 수 있듯이 성형 후 제품의 공구 이동 경로를 따라 재료의 갈린 자국과 그렇지 않은 부분이 반복적으로 발생한다. Fig. 12에서 (1) 영역은 공구가 이동한 방향을 따라 재료의 갈림 현상이 관찰된다. 하지만 (2) 영역은 재료 표면이 매끈한 것을 볼 수 있다. 이와 같은 매끈한 표면은 공구가회전하며 소재 표면을 마모시키며 재료를 성형하기 때문이다.

Fig. 12 
SEM image of Al5052 sheet after the incremental sheet forming process with the hemispherical tool (Δz = 0.75 mm)

성형 깊이가 0.75 mm일 경우 외에 다른 성형 깊이(Δz)에서 진행한 실험의 SEM 사진을 보았을 때, 볼 타입 공구로 성형한 경우 모든 성형 깊이의 경우에 Fig. 11과 같은 표면을 보인다. 반면에 일반 반구형 공구로 성형한 경우 성형 깊이가 높아질수록 갈림에 의한 줄무늬 간격이 크게 나타났다.

볼 타입 공구와 일반 반구형 공구의 표면 거칠기는 성형 깊이(Δz)가 1 mm보다 큰 경우 볼 타입 공구의 표면 거칠기가 미세하게 높은 값을 보인다. 재료에 소성변형이 발생하는 경우 결정립계에서 미소 변형이 누적되어 표면 거칠기가 증가한다. 볼 타입 공구를 사용하는 경우 Fig. 11에서와 같이 성형 중 발생한 표면 상태를 유지한다. 하지만 일반 반구형 공구를 사용하는 경우 재료의 마모가 발생하여 표면 변형이 크게 보이지 않고 Fig. 12에서와 같이 매끈한 면과 마모가 발생한 면이 차례대로 발생한다. 따라서 전체 영역에 대해 표면 거칠기를 측정하는 경우 일반 반구형 공구를 사용했을 때 제품의 성형면에서 1 영역과 2영역이 반복적으로 발생하여 표면 거칠기값이 Table 2에서와 같이 볼 타입 공구를 사용하는 것보다 낮은 값을 보인다.

일반 반구형 공구를 사용한 경우 매끈한 면과 마모가 발생한 면이 반복적으로 발생한다. 마모가 발생하면서 성형 공정 중 재료의 표면 갈림이 발생한다. 하지만 볼 타입 공구를 사용한 경우 이와 같은 표면 갈림이 발생하지 않고, 제품 표면이 균일한 형상을 보이며, 원 소재의 표면 형태를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 도장 제품, 표면 처리 제품 등의 판재 점진 성형에 적용하여, 표면 손상 없이 제품을 성형할 수 있을 것이다.

볼 타입 공구와 일반 반구형 공구의 가공속도에 따른 가공 특성을 검증하기 위해 공구 이송속도와 공구 회전속도의 변화에 따른 표면 거칠기 경향을 실험하였다. 이 실험에서는 Al1050 판재를 사용하였다. 통상적으로 Al5052보다 알루미늄의 순도가 높아 인장강도는 낮으며 성형성이 높은 연성 재료이므로 표면의 오렌지 필 효과는 적게 나타나고 마모와 눌림이 더 잘 확인될 것이기 때문에 Al1050 소재를 적용하였다. 소재의 규격은 동일하게 가로, 세로 각각 250이며, 두께는 0.5 mm이다.

Fig. 13(a)는 공구 회전속도에 따른 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구의 R_a값 그래프이며 성형 깊이는 0.3 mm, 공구 이송속도는 2,500 mm/min의 조건에서 공구 회전속도 20, 150, 280 rpm 수준으로 진행하였다. Fig. 13(b)는 공구 이송속도에 따른 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구의 R_a값 그래프이며 성형 깊이는 0.3 mm, 공구 회전속도는 40 mm/min이다. 공구 이송속도는 2n 완전요인 실험으로 2,500, 5,000 mm/min에 대해 실험을 진행 후 표면 거칠기를 측정하였다. 두 실험 결과로부터 볼 타입 공구의 경우 공구 회전속도와 공구 이송속도가 증가해도 R_a의 변화가 거의 없지만 일반 반구형 공구의 경우 R_a가 감소하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 13 
Distribution of R_a with different values of (a) Tool rotation speed, and (b) Feed rate

이 실험 결과를 통해 일반 반구형 공구는 마찰로 인한 손상이 발생하고, 볼 타입 공구는 마찰에 의한 성형이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 반면에 일반 반구형 공구로 실험한 결과는 공구 이송속도와 공구 회전속도가 빨라질수록 공구와 소재 사이의 선속도가 증가하고, 이는 공구와 소재 사이 마찰이 일어나는 시간과 비례하여 마찰량이 증가하면서 표면 마모량 증가의 원인이 된 것으로 볼 수 있다. 따라서 공구로 소재를 연마하는 현상이 나타나며 공구 회전속도와 공구 이송속도가 증가할수록 R_a가 감소하였다.