Fig. 2는 본 연구에 사용된 유한요소 모델(Finite Element Model, FEM))을 나타낸다. 소재는 항공 및 자동차 부품에 많이 사용되는 대표적인 난삭재 소재인 티타늄 알파-베타 합금(Ti-6AL-4V Alpha-Beta)을 사용하였으며 시편의 크기는 16 mm × 16 mm × 60 mm(T ×W× L)이다. 메쉬(Mesh)는 육각형 메쉬(Hex Dominant)을 적용하였으며 예열이 되는 부위(Heated Zone)는 정확한 해석을 위해 요소 크기(Element Size)는 0.5 mm, 이외의 부위는 1 mm로 설정하였다. 해석은 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench를 사용하였으며 Transient Thermal 해석을 수행하였다.

Fig. 2 
FEM model

플라즈마 해석에 사용된 열 전달 방정식과 경계조건은 식(1)과 식(2)와 같다.^15,16

식(1)에서 T, t, K, C, ρ, Q˙는 각각 온도, 시간 열전도율(Thermal Conductivity), 비열(Specific Heat), 밀도(Density), 발열량(Heat Generation Rate)을 나타낸다.

식(2)에서 q, h는 각각 열 유속(Heat Flux), 열 전달계수(Heat Transfer Coefficient)를 나타낸다.

Table 1은 열 해석 조건을 나타낸다. 초기온도는 22^oC를 적용하였으며 플라즈마 열원에는 열 유동(Heat Flow)조건을 적용하였다. 티타늄 합금의 열 해석을 수행하기 위해 열전도율과 비열을 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 4는 티타늄 합금의 온도변화에 따른 인장강도 변화를 나타낸다. 티타늄 합금의 인장강도는 500~550^oC의 범위에서 급격히 감소한다.^17,18 따라서 본 연구에서는 티타늄합금의 예열 온도를 550^oC로 결정하였다.

Fig. 3 
Thermal conductivity and specific heat of Ti-6AL-4V

Fig. 4 
Tensile strength of Ti-6AL-4V according to temperature changes

Fig. 5는 연구에 사용된 플라즈마의 열 해석결과를 보여준다. 해석결과, 550^oC까지 예열이 되는 깊이는 표면에서부터 0.4 mm로 확인할 수 있었다. 플라즈마 전류(Plasma Current)에 따라 예열 깊이가 달라지게 되고 절삭 깊이를 크게 하여 가공 능률을 향상시킬 수 있지만, 동일한 절삭 깊이로 실험결과를 비교하여 가스 유량과 출력의 효과를 확인하고자 하였으므로 전류값이 가장 작은 50 A에서 최고 절삭 깊이인 0.4 mm로 선정하였다.

Fig. 5 
Result of the thermal analysis

플라즈마 보조가공의 가공변수로는 플라즈마 출력, 가스 유량, 토치각도, 절삭 깊이, 스핀들 속도, 이송속도, 절삭공구와 플라즈마 열원 사이의 거리, 플라즈마 토치와 소재와의 거리 등이 있으며 가공의 정밀도를 높이기 위해서는 가공조건의 적절한 선정이 필요하다. 적절한 가공조건의 선정은 가공능률을 향상시켜 난삭재 가공품을 빠르게 생산할 수 있는 효과가 있다.

본 연구에서는 플라즈마 보조가공에서 플라즈마 출력과 가스 유량이 가공특성에 미치는 영향을 분석하고자 하여 가공변수로 선정하였다. 플라즈마 보조가공에서 출력과 가스 유량은 플라즈마 장치에서 쉽게 제어가 가능한 변수이기 때문에 위 2가지를 선정하였다. Table 2는 플라즈마 보조가공의 가공조건을 나타낸다. 본 실험에 사용된 플라즈마 장치는 2 kW까지 사용이 가능하며 플라즈마 출력은 1 kW, 1.5 kW, 2 kW로 변수를 두었고 가스 유량은 15 l/min, 25 l/min으로 가공변수를 두었다. 가스 유량과 가스 출력에 따른 실험 결과를 분석하기 위해서 다른 조건들은 고정변수로 두었다. 절삭 깊이는 0.4 mm, 스핀들 속도는 7,000 rpm, 이송속도는 100 mm/min, 토치각도는 60^o로 선정하였다.

Fig. 7은 플라즈마 보조가공에 사용된 장비를 나타낸다. 본 실험에서 현대위아(HYUNDAI-WIA)에서 제작된 5축 공작기계(HI-V560M)를 사용하였으며 플라즈마를 발생시키는 토치는 스핀들(Spindle) 우측에 장착되어있다. 플라즈마 토치는 플라즈닉스(PLASNIX)에서 제작된 비 이송형 토치를 사용하였고 아르곤(Arogn) 가스를 사용하였다. 또한, 냉각장치(Chiller)를 설치하여 플라즈마 토치가 고온의 열에 의해 손상되는 것을 방지하였다.

Fig. 7 
Experiment set up of PAM

Fig. 8은 플라즈마 보조가공의 개략도를 나타낸다. 절삭공구는 초경공구 Flat End-Mill을 사용하였으며, 공구의 지름은 플라즈마 열원이 6 mm인 것을 고려하여 지름은 8 mm를 사용하였다.

Fig. 8 
Schematic design of plasma assisted machining

플라즈마 보조가공의 가공조건은 Table 1에 나타난 바와 같다. 절삭력 측정은 KISTLER사에서 제작된 공구 동력계(9257B)를 가공물 아래에 배치하여 측정하였다. 절삭력을 모니터링 하기 위해서 공구동력계의 외부 신호를 증폭기(Multichannel Charge Amplifier)로 증폭시킨 후 데이터 수집장치(Data Acquisition)에서 디지털 신호로 변환하여 컴퓨 터에서 실시간으로 절삭력 데이터를 모니터링할 수 있는 시스템을 구축하였다.⁴ Fig. 9는 증폭기를 나타낸다.

Fig. 9 
DAQ and multichannel charge amplifier

플라즈마 보조가공의 가스 유량과 가스 출력의 가공변수에 따른 절삭력을 분석하였다. 각 실험마다 공구와 소재를 교체하였으며 각 실험마다 총 3회 반복실험을 하여 평균값 산출을 통해 신뢰성 있는 결과를 확보하였다.

Fig. 10은 가스 유량이 15 l/min일 때의 절삭력 측정결과를 나타낸다. 절삭력 측정값은 평균값으로 도출하였다. 측정 결과, 가스 출력이 2 kW에서 절삭력은 1.5 kW, 1 kW에 비해 절삭력이 11%, 29% 감소함을 보였다. 가스 출력이 높을수록 절삭력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 11은 가스 유량이 25 l/min일 때의 절삭력 측정결과를 나타낸다. 측정 결과, 가스 출력이 2 kW에서 절삭력은 1.5 kW, 1 kW에 비해 절삭력이 16%, 28% 감소함을 보였다. 가스 유량이 15 l/min 때와 마찬가지로 가스 출력이 높을수록 절삭력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 가스 유량이 15 l/min과 25 l/min을 비교 하였을 때 분석 결과는 25 l/min일 때, 15 l/min 보다 1 kW에서 10%, 1.5 kW에서 5%, 2 kW에서 4% 절삭력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통해 가스 유량 25 l/min, 가스 출력 2 kW에서 절삭력이 가장 크게 감소하는 것을 확인하였다.

Fig. 10 
Cutting force according to gas flow rate 15 l/min

Fig. 11 
Cutting force according to gas flow rate 25 l/min