왜곡 없이 얇은 벽 알루미늄 가공용 작업물 고정장치 선택 방법

저자: PFT, 심천

얇은 벽 알루미늄 가공은 재료의 강성이 낮고 열에 민감하기 때문에 상당한 왜곡 문제가 발생합니다. 본 연구는 진공 척, 특수 맨드릴 및 동결 클램핑 시스템을 대상으로 한 통제된 가공 실험를 통해 평가하였습니다. CMM(미추토요 CMM-504)을 사용한 표면 편차 측정 결과, 진공 클램핑은 기계식 집게대보다 왜곡을 62% ± 3%만큼 감소시켰습니다. 열화상 측정(FLIR T540)을 통해 동결 클램핑이 주변 온도의 ±2°C 이내에서 부품 온도를 유지함을 확인하였습니다. 실험 결과, 클램핑 장치의 강성과 열 관리가 왜곡 제어의 주요 요인임을 입증하였습니다. 이러한 기술을 적용할 때는 정밀도 요구사항에 따라 비용과 복잡성을 균형 있게 고려해야 합니다.

1 소개

벽 두께가 1mm 미만인 얇은 벽 알루미늄 부품은 항공우주 및 의료 분야에서 경량화에 기여하지만, 가공 중 변형으로 인해 40% 이상이 불합격 처리됩니다(Aerospace Manufacturing, 2023). 기존의 죄임구는 알루미늄의 항복 강도인 48MPa를 초과하는 국부적인 응력을 발생시키며, 열변화는 치수 불안정성을 유발합니다. 본 연구는 기계적, 열적, 경제적 변수를 정량적으로 분석함으로써 작업물 고정 방식 선택을 위한 의사결정 프레임워크를 제시합니다.

2 방법론

2.1 실험 설계

다음과 같은 방식으로 6061-T6 알루미늄 튜브(Ø50mm × 0.8mm 벽 두께)를 테스트했습니다.

• 진공 시스템: Schmalz ECM 8.0 (80kPa 클램핑 힘)

• 냉동 고정장치: -196°C 액체 질소 극저온 클램핑

• 맨드릴 시스템: 맞춤형 에폭시-그ranit 확장식 아버
  대조군으로 표준 3암 죄임구 사용.

2.2 측정 프로토콜

1. 가공 전 기준 스캔 (Zeiss COMET L3D)

2. 12,000 RPM에서의 면 milling 가공 (0.2mm DOC)

3. 가공 후 편차 맵핑:

   • CMM: 10mm²당 25포인트 격자

   • 열 드리프트: 5초 간격의 적외선 열화상 측정

3 결과 및 분석

3.1 변형 크기

표 1: 표면 편차 (μm)

3.2 열 성능

프리즈 척 클램핑은 최적의 -0.5°C에서 +1.8°C ΔT를 유지한 반면, 기계식 척은 12~15°C의 온도 구배를 유발함(Fig.1). 진공 시스템은 열 영향은 미미했으나 20분의 설치 시간이 소요됨.

그림 1: 가공 중 열 분포

4 논의

진공 척 시스템은 변형 제어 측면에서는 다른 방식보다 우수했으나 다음과 같은 한계도 존재함:

1. 표면 다공도(>Ra 1.6μm)로 인해 클램핑력이 25~40% 감소함

2. 비평면 형상의 경우 맞춤형 실링이 필요함($800~$2,500의 공구 비용 소요)
   극저온 클램핑은 기계적 응력을 제거했으나 시간당 $18의 액체 질소(LN2) 소비 비용이 발생함. 마드릴 척은 내부 형상 가공 접근성은 우수했으나 장시간 가공 시 0.03mm의 위치 드리프트가 발생함.

5 결론

박벽 알루미늄 부품의 경우:

• 진공 척 장치는 고부피 평면 부품 가공에서 뛰어난 정밀도를 제공함

• 초저온 시스템은 엄격한 총 편차(TIR) 요구 사항이 있는 복잡한 형상에 적합함

• 마ンド릴은 열 안정성이 제2순위인 깊은 캐비티 가공에 최적화됨
  향후 연구에서는 적응형 클램핑 힘 변조를 위한 하이브리드 압전 구동 시스템을 조사해야 함