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Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 39 , No. 5

[ REGULAR ]
Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 39, No. 5, pp. 371-378
Abbreviation: J. Korean Soc. Precis. Eng.
ISSN: 1225-9071 (Print) 2287-8769 (Online)
Print publication date 01 May 2022
Received 17 Jan 2022 Revised 21 Feb 2022 Accepted 30 Mar 2022
DOI: https://doi.org/10.7736/JKSPE.022.013

볼 타입 공구를 사용한 판재 점진 성형 공정의 성형 특성 분석
경준현1 ; 이병협1 ; 이선재1 ; 조경훈1 ; 윤형원2 ; 이창환1, 2, #
1서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과
2서울과학기술대학교 기계정보공학과

Study on the Incremental Sheet Forming Process with the Ball Type Tool
Jun-Hyun Kyeong1 ; Byeong-Hyeop Lee1 ; Sun-Jae Lee1 ; Kyeong-Hoon Cho1 ; Hyung-Won Youn2 ; Chang-Whan Lee1, 2, #
1Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology
2Department of Mechanical Information Engineering, Seoul National University of Science & Technology
Correspondence to : #E-mail: cwlee@seoultech.ac.kr, TEL: +82-2-970-6371


Copyright © The Korean Society for Precision Engineering
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
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Abstract

The incremental sheet forming (ISF) process is a method of forming a metal sheet with a machine tool, such as a CNC or robot arm. In this study, the surface characteristics of the ISF process using the ball type tool and the conventional hemispherical tool were analyzed. Comparative experiments were conducted with the same size of the hemispherical tool and ball type tool. In experiments, the tool feed rate and spindle were fixed, and the step down was set up with seven levels. The surface profiles and roughness such as Ra and Rz after the ISF process with different values of the step down were compared. Additionally, the surface morphologies were analyzed through the scanning electron microscope. A ball type tool which can move and roll, can reduce the effect of friction effectively. As a result, the ISF process with a ball type tool can greatly reduce the damage of the surface of the product.


Keywords: Incremental sheet forming, Ball type tool, Step down, Friction, Surface roughness
키워드: 판재 점진 성형, 볼 타입 공구, 성형 깊이, 마찰, 표면 거칠기

1. 서론

금속 제품의 생산 공정 중 소성가공 공정은 금속 판재를 효율적으로 가공할 수 있어 많은 판재 성형 공정에서 사용하고 있다. 최근 항공 산업이나 시제품의 제작, 개인 맞춤형 제품과 같이 다품종 소량생산에 대한 수요가 증가하고 있다[1]. 하지만 대량 생산에 적합하게 발전된 기존의 소성가공 공정은 이러한 생산방식에 적합하지 않다. 특히 프레스 생산 공정과 같이 복잡한 금형을 사용하고 사용자의 요구에 따라 형상의 변경이 까다로운 공정의 경우 시제품 제작, 개인 맞춤형 제품, 항공 산업 분야에서 개발 및 생산 비용을 증가시키는 요인이 된다. 판재 점진 성형 공정은 금속 판재의 소성가공 방법 중 하나이며, CNC로 제어되는 반구 형태의 공구와 간이 금형 또는 소재를 고정하는 홀더와 바인더를 사용하여 소재를 고정하고 소재에 국부 변형을 누적하여 형상을 성형하는 공정이다. 프레스 생산 공정처럼 복잡한 형태의 금형 제작이 요구되지 않아 사용자의 요구에 따라 즉각적으로 생산 공정에 반영할 수 있다. 이러한 이유로 판재 점진 성형 공정은 다양한 형상 생산이 가능하며 기존 프레스 공정보다 시간과 비용을 대폭 감소시킬 수 있다는 장점이 있다[2].

하지만 이러한 점진 성형 공정이 가지는 장점에도 불구하고 점진 성형 공정의 특성에 따라 공구와 소재의 접촉으로 인해 발생되는 표면 손상과 공구 경로에 의한 공구 눌림 자국으로 인하여 실제 산업 현장에서의 적용에 한계가 있다. Khalil, et al. [3]은 다양한 공정 조건과 공구 형태에 대해 점진 성형 공정에서의 표면 거칠기 특성을 분석하였다. Chang and Chen [4]은 점진 성형 공정에서 소성변형을 고려하여 공구 접촉면의 표면 거칠기에 대해 이론적인 방법으로 접근하였다. 또한 소재와 공구 사이의 마찰, 마모를 감소시키고자 볼 타입 공구(Ball Type Tool)를 적용했다. Hirt [5]는 유체압력을 이용한 볼 타입 공구로 마찰을 최소화시킬 수 있는 점진 성형 공구를 사용하였다. Lassaad, et al. [6]은 조립식 볼 롤러 공구를 볼 크기별로 적용하여 성형 하중과 표면 거칠기를 측정하고 비교하였다. 이와 같은 볼 타입 공구는 볼 형상에 따라 성형 가능한 각도가 제한적이다. Lu, et al. [7]은 높은 각도의 컵 형상을 성형하기 위해 공구를 수직 방향으로부터 각도를 주어 제작하였고, 제작 형상에 맞추어 회전시켜 다양한 형상을 제작하였다. 기존 선행 연구에서는 볼 타입 공구를 적용한 점진성형 공정의 성형성과 성형 가능 각도 향상에 대한 분석 외에 일반 반구형 공구(Hemispherical Tool)와 제품의 표면 특성에 대한 비교 연구가 BHCT 부족하다.

본 연구에서는 판재 점진 성형 공정에서 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구를 사용했을 때 공정 변수에 따른 소재의 표면 거칠기 특성과 소재의 변형 특성을 비교하였다. 실험은 공구 경로에서의 성형 깊이(Δz)를 주요 공정 변수로 설정하여 진행했다. 먼저 표면 거칠기 특성을 비교하기 위해 표면 거칠기 측정기를 사용하여 표면 거칠기를 측정했으며, 전자주사현미경(SEM)을 통해 표면을 촬영하여 표면의 형상을 분석하였다. 또한 공구 이송 속도(Feed Rate)와 공구 회전속도(Spindle Rotation Speed)에 따른 표면 거칠기 비교 실험을 통해 마찰에 의한 성형 특성을 중점적으로 분석하였다. 이를 통해 판재 점진 성형 공정에서 일반 반구형 공구와 볼 타입 성형 공구의 소재 변형 특성을 분석하였다.


2. 볼 타입 공구의 판재 점진 성형 공정
2.1 실험 소재 특성

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(σYS)은 167.8, 최대 인장강도(σTS)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)

Table 1 
Material properties of Al5052 by tensile test
σYS [MPa] σTS [MPa] E [GPa] Elong [%]
167.8 223.4 79.5 9.4

2.2 판재 점진 성형 실험 장비

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(Dtool) 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

2.3 실험 형상

판재 점진 성형의 표면 성형 특성을 분석하기 위해 실험 형상을 Fig. 4와 같이 바닥 폭(Lin)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 35o의 제품까지 성형 가능하다. 따라서 형상은 사각뿔대의 벽 각도(θ)는 30o로 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

2.4 실험 조건

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(Dtool)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.


3. 실험 결과
3.1 표면 특성 측정

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 30o이므로, 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

3.2 표면 거칠기 분포 경향

표면 거칠기 측정기를 통해 측정하고, 전체 소재 변형(Overall Deformation)을 제거한 표면 프로파일에서 MATLAB을 이용하여 표면 거칠기 중 산술평균 거칠기(Ra), 10점 평균 거칠기(Rz)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 Ra가 0.354, Rz는 1.783 μm이다.

Table 2 
Surface roughness by tool according to step down
Ball type tool Hemispherical tool
Δz [mm] Ra [μm] Rz [μm] Ra [μm] Rz [μm]
0.1 0.271 1.225 0.255 1.315
0.25 0.291 1.651 0.281 1.592
0.5 0.453 2.539 0.463 2.217
0.75 0.870 4.366 0.920 3.738
1 2.109 7.927 1.713 6.506
1.5 5.612 18.273 5.416 17.230
2 10.732 36.964 10.593 34.236

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 Rz로 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 Rz를 그래프에 표현하였다. 점진적 가압의 소성 변형을 통한 점진 성형이기 때문에 재료가 깎이지 않고 눌리면서 식(1)보다 Rz가 더 낮은 값을 보인다[4]. 식(1)과 Rz의 비교를 통해 공구 경로에 따른 눌림 자국이 점진 성형에서의 표면 형상에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.

h=Dtool2-Dtool22-z22(1) 

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

3.3 일반 반구형 공구 성형의 공구 접촉 부위별 표면 거칠기 비교

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 Ra는 0.194 μm이다. 2 영역의 표면 측정 결과는 Fig. 9(b)와 같고, Ra는 0.141 μm이다. 일반 반구형 공구의 1 영역과 2 영역에서 Ra는 약 1.4배 차이로 명확히 구분되었다. 또한 원소재의 Ra값(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(vtool)에 영향을 받는다. 공구의 선속도는 공구의 지름과 비례하므로, Fig. 8과 같이 공구의 중심부(2 영역)에서는 선속도(vtool)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 Ra가 큰 값을 보인다.

3.4 표면 특성 분석

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.

3.5 공구 이송속도와 공구 회전속도에 의한 표면 영향

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 Ra값 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 Ra값 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 Ra의 변화가 거의 없지만 일반 반구형 공구의 경우 Ra가 감소하는 것을 알 수 있었다.


Fig. 13 
Distribution of Ra 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 Ra가 감소하였다.


4. 결론

본 연구에서는 공구의 형태에 따라 판재 점진 성형 공정에서 발생하는 표면 특성을 분석하였고, 일반 점진 성형 공정에서 일반 반구형 공구 성형 제품의 표면 손상 해결 방안으로 볼 타입 공구의 표면 이점을 제시했다.

먼저 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구를 성형 깊이에 따라 표면 거칠기 Ra, Rz 비교하였다. 표면 거칠기 측정 결과, 성형 깊이에 따라 발생하는 표면 파형의 정도가 공구 이동 경로에 따른 커습 높이와 매우 유사하게 측정되었다. 또한 재료의 표면 상태를 전자 주사 현미경을 통해 분석하였다. 볼 타입 공구는 원 소재의 표면 특성을 유지하며, 소성변형으로 인한 표면 주름이 나타나는 오렌지 필 효과가 나타났다. 반면에 일반 반구형 공구를 적용해 성형한 표면은 소재의 갈림으로 원소재의 표면 특성을 확인할 수 없고, 매끈한 면과 거친 면이 반복적으로 보였다.

일반 반구형 공구의 마찰에 따른 표면 손상임을 확인하기 위하여 볼 타입 공구와 일반 반구형 공구의 공구 이송속도와 공구 회전속도에 따른 표면 거칠기를 비교했다. 볼 타입 공구는 공구 이송속도와 공구 회전속도에 따른 거칠기가 일정한 경향이 있었다. 반면 일반 반구형 공구는 공구 이송속도와 공구 회전속도가 빠를수록 거칠기가 낮아지는 경향이 나타나 공구의 선속도가 빠를수록 공구와 접촉면 사이의 마찰이 증가하고, 이에 따라 소재의 마모 정도가 증가하여 표면 거칠기가 낮아진다는 것을 알 수 있었다.

이러한 실험 결과를 바탕으로 볼 타입 공구를 적용한 판재 점진 성형 공정에서는 표면의 형태를 유지한 채로 재료를 성형 가능하였다. 따라서 표면 처리, 도장 등 고 기능성 소재에 대해 볼 타입 공구를 사용한 판재 점진 성형 공정을 적용하면 표면의 손상을 최소화하여 제품 제작이 가능할 것이다.

하지만 본 연구와 같이 3축 CNC 장비를 사용할 경우 볼 타입 공구는 구조적으로 성형 가능한 최대 각도가 존재한다. 이에 따라 실험 형상의 벽 각도를 30o로 제한해야 했다. 이러한 한계는 볼 타입 공구를 로봇 팔에 적용한 성형 실험, 새로운 형상의 볼 타입 공구 개발 등의 향후 연구가 필요하다. 또한 다양한 재료, 윤활 조건에 따른 표면 특성 분석이 필요하다.


Acknowledgments

본 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으로 수행하였습니다.


REFERENCES
1. Yang, D.-Y., Bambach, M., Cao, J., Duflou, J., Groche, P., Kuboki, T., Sterzing, A., Tekkaya, A. E., Lee, C., (2018), Flexibility in metal forming, Cirp Annals, 67(2), 743-765.
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8. Jung, K.-S., Yu, J.-H., Chung, W.-J., Lee, C.-W., (2020), Analysis of the section deflection in the incremental sheet metal forming process of the circular cup shape according to the cup geometry, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 37(9), 675-683.
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Jun-Hyun Kyeong

Undergraduate Student in the Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology. His research interests are the incremental sheet forming process.

E-mail: rudwnsgus13@seoultech.ac.kr

Byeong-Hyeop Lee

Undergraduate Student in the Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology. His research interests are the incremental sheet forming process.

E-mail: 16100173@seoultech.ac.kr

Sun-Jae Lee

Undergraduate Student in the Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology. His research interests are the incremental sheet forming process.

E-mail: 16100175@seoultech.ac.kr

Kyeong-Hoon Cho

Undergraduate Student in the Department of Mechanical System Design Engineering Seoul National University of Science & Technology. His research interests are the incremental sheet forming process.

E-mail: ckhoon1124@naver.com

Hyung-Won Youn

M.Sc. Student in Department of Mechanical Information Engineering, Seoul National University of Science & Technology, republic of Korea. His research interests include simulation and incremental sheet forming process.

E-mail: yoonhw96@seoultech.ac.kr

Chang-Whan Lee

Assistant Professor in the Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology. His research interests include simulation and development of the metal forming process and lightweight materials.

E-mail: cwlee@seoultech.ac.kr