4.5 질화규소의 절삭 메커니즘 및 조직적 거동의 규명
4.5.2 질화규소 세라믹의 레이저 예열선삭에 관한 열해석
질화규소 세라믹의 레이저 예열선삭시 레이저에 의한 예열온도의 깊이 분포와 절 삭부의 온도를 예측하기 위하여 열해석을 실시하였다. 다음의 Fig. 4.62에 열해석 결과를 그래프로 나타내었다. 시뮬레이션에 필요한 질화규소에 관한 물성데이터가 1,000℃ 이전까지만 데이터베이스(database)화 되어있고 1,000℃ 이후에 대한 물성 데이터가 부족하여 1,000℃이후의 온도에서는 오차가 발생하였으나 그래프에서 보 이듯이 그 경향은 유사한 것으로 판단된다. 특히, 초기 예열 60초를 지나 이송을 시
작하여 60초를 넘은 120초 이후에서는 실험데이터와 시뮬레이션 데이터의 오차가
크게 줄어 거의 유사한 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 가장 많이 사용되고 적절한 레이저 출력이라고 판단되는 600 W에서의 온도 분포를 중심으로 열해석을 실시하였다. 직경 16 mm 및 길이 150 mm의 SSN 처리된 환봉형 질화규소 세라믹을 회전속도 620 rpm와 이송속도 0.013 mm/rev으로 예열할 때의 열해석을 실시하였다. Fig. 4.63에서 보이듯이 시편이 회전할 때 환봉형 시편의 1/4부위를 열해석 하였다. 회전방향과 반대방향으로 레이저조사부가 이동하기 때문에 절삭공정이 일어나는 부 위의 온도를 중심으로 분석하기 위하여 열해석 부위를 절단위치로 정하였으며 공구 의 위치에서 180 °에 레이저조사부가 위치하며 레이저빔은 2 mm 앞서 진행하였다. Fig. 4.64에서 열해석한 부위의 전체 해석결과를 나타내었다. 이 열해석 결과는 레 이저빔이 x에서 y방향으로 시편 끝단에서 조사되기 시작하여 z축으로 15 mm 이송된 순간을 나타낸다. 옆의 온도 테이블은 절대온도(K)값이다. 레이저가 조사된 시편표면 에서 가장 온도가 높은 구역은 약 1,500℃이상임을 알 수 있다. 이 열해석 결과의 절 삭가공 영역의 온도분포를 알아보기 위해서 공구가 접촉되는 부위의 온도를 z-x축 중 심으로 분석한 내용이 Fig. 4.65이다. 가장 큰 온도의 변화를 보이는 끝단 부위를 확 대하고, 온도분석을 세밀하게 하여 Fig. 4.66에 나타내었다. 가로길이로 나누어진 구 역인 한 칸이 1 mm이며 세로길이로 나누어진 구역은 표면에서 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.6, 3.7, 4.8, 6.2, 7.1 및 8 mm(시편중심)을 나타낸다. 레이저 시작점 끝단에서 15 mm 지점 이 레이저빔조사 위치의 180 ° 후방이며, 13 mm 지점이 공구가 닿는 지점이다. 표면 온도를 관찰하면, 레이저 조사부 주변과 절삭공구 위치의 온도분포가 거의유사하게
가장 높은 온도 범위를 가지는 것을 알 수 있다. 절삭에 유리한 조건을 약 1,300℃보 다 높은 온도로 결정할 경우 조사부에서 5 mm 선단 끝쪽으로는 시편 내부까지 충분 하게 가열될 것으로 예상되며 따라서 절삭공정의 온도에 따른 제한은 깊이방향으로 는 없는 것으로 판단된다. 따라서 공구의 형상만 고려된다면 본 연구에서는 SSN 처 리된 질화규소의 경우 깊이방향으로는 자유롭게 절삭이 가능하였다. 또한 레이저 조 사 중심부보다 시편 끝단 방향으로 1 mm 이동된 부위가 깊이 방향으로 온도상승이 가장 깊게 일어난 것을 알 수 있었으며, 약 1.6 mm 아래까지 1,470℃이상을 유지하는 것으로 예측되었다. 또한 빔 이송후 시편의 온도저하는 내부보다 대기와 접촉하고 있 는 상부에서 먼저 일어나는 것을 예측할 수 있었다.
빔 이송부와 공구 접촉부에서의 깊이방향 및 원호방향 온도분포를 확인하기 위하 여 x-y축 방향으로 열해석한 결과를 각각 Fig. 4.67 및 Fig. 4.68에 나타내었다. 레이저 빔 부위의 열해석은 레이저빔 조사부가 열해석 상단 꼭대기측에서 180° 아래부분 환 봉형 시편 아래부에서 실질적으로 진행되고 있으며 시편의 길이방향으로는 레이저 조사부 중심위치를 해석한 것이다. 약 1,500℃를 넘는 범위의 온도를 유지하는 것이 레이저 조사부에서 180 ° 위치에서는 어렵지만 1,400℃를 넘는 범위의 온도를 유지하 는 경우는 1.5 mm이상의 깊이까지 가능한 것을 알 수 있었다. 1,300℃이상의 온도는 시편중심부 약 2 mm를 제외하고는 유지하는 것이 가능하였다. 공구 접촉부는 Fig.
4.68의 가장 상단이며 빔의 위치에 비하여 1,500℃이상의 고온 유지는 어려웠으나 1,400℃ 이상으로 온도유지는 빔 위치를 분석한 결과와 유사한 약 1.45 mm의 깊이까 지 온도유지가 가능한 것으로 예측이 되었다. 또한 1,300℃이상의 유지는 빔 위치 분 석값보다 더 유리하여 시편 내부까지 온도 유지가 가능한 것을 확인하였다.
이러한 열해석의 예측결과를 바탕으로 레이저빔의 조사부보다 약 1 mm에서 4 mm 후방에서 절삭을 하는 것이 내부까지 1,300℃이상의 온도유지가 가능하여 절삭에 유리한 것을 예측할 수 있었으며 내부의 온도가 고온으로 장시간 유지되 는 것으로 절삭공정 후 표면의 온도가 고온으로 장시간 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 4.62 Comparison of data between predictions and measurements 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
T e mperat ur e, ℃
Time, s
200W-Experimentation 400W-Experimentation 600W-Experimentation 800W-Experimentation 200W-Analysis 400W-Analysis 600W-Analysis 800W-Analysis
Fig. 4.63 Schematic illustration of thermal simulation model
Fig. 4.64 Full temperature result of thermal simulation model
Fig. 4.65 Temperature result of thermal simulation model for z-x section
Fig. 4.66 Temperature result of thermal simulation model for z-x section (magnification)
Fig. 4.67 Temperature result of thermal simulation model for x-y section at laser beam location (magnification)
Fig. 4.68 Temperature result of thermal simulation model for x-y section at tool location (magnification)