Vol. 26, No. 6, 380-385 (2013) DOI: http://dx.doi.org/10.7234/composres.2013.26.6.380 ISSN 2288-2103(Print), ISSN 2288-2111(Online) Paper 유리섬유복합재의드릴가공조건에대한박리지수와표면조도특성 이옥규 * 안대건 ** 최진호 ** 권진회 *** Characteristics of Delamination Factor and Surface Roughness by Drilling Condition for Glass Fiber Reinforced Plastic Composites Ok-Kyu Lee*, Dae-Keon Ahn**, Jin-Ho Choi**, Jin-Hwe Kweon*** ABSTRACT: Characteristics of delamination factor and surface roughness by drilling condition for glass fiber reinforced plastic (GFRP) composites were investigated in this paper. An expression to quantify the delamination factor was induced by using image pixels of the entry and the experimental drilling was accomplished by fabricating several GFRP specimens in condition of minimizing the effect of vibration and heat. A method for measuring 6 points average surface roughness was applied to acquire the more reliable roughness values. The experimental results showed that the delamination factor was decreased as the feed rate was increased and it was also slightly decreased as the cutting speed was increased. Also, it was investigated that the surface roughness at inner surface of drilled holes was increased as the feed rate was increased, whereas the roughness values were not affected by the cutting speed variation. 초록 : 본논문에서는유리섬유복합재 (glass fiber reinforced plastic composites) 의드릴가공조건변화에따른박리지수와표면조도특성이분석되었다. 드릴가공된홀의입출구에서이미지픽셀을이용하여박리지수를산출할수있는관계식이유도되었으며, 복합재시편을제작하여진동및열영향을최소화할수있는가공조건에서드릴가공을수행하여보다신뢰성있게표면조도값을얻기위하여 6점평균표면조도측정방식이적용되었다. 실험결과로부터 GFRP 드릴가공에서박리지수는이송속도증가에감소하고, 절삭속도증가에도미세하게감소함을볼수있었다. 또한드릴가공된홀내부에서표면조도는이송속도가증가할수록증가하고, 절삭속도변화에는영향을받지않음이파악되었다. Key Words: 유리섬유 (GFRP), 박리 (delamination), 드릴가공 (drilling), 이송속도 (feed rate), 절삭속도 (cutting speed), 표면조도 (surface roughness) 1. 서론 섬유강화복합재 (Fiber reinforced composites) 는우수한등방성재료와비교하여비강성과비강도가높고, 감쇠및충격특성이우수하기때문에항공우주, 수송기계, 무기등 의분야에서그이용이점차증가하고있으며, 응용분야또한다변화되고있다 [1]. 이러한복합재를이용하여항공기동체와같이대면적가공이요구되거나특정한형태의모양을얻기위하여일반적으로체결이필요하다. 그리고볼트나리벳등을이용한견고한체결을위하여드릴가공 Received 31 October 2013, received in revised form 18 November 2013, accepted 2 December 2013 * 한국폴리텍대학달성캠퍼스자동화시스템학과 ** 경상대학교항공기부품기술연구소 ** 경상대학교기계공학부항공기부품기술연구소, Corresponding author (E-mail: choi@gnu.ac.kr) *** 경상대학교항공우주시스템공학과항공기부품기술연구소
Characteristics of Delamination Factor and Surface Roughness by Drilling Condition for Glass Fiber Reinforced Plastic Composites 381 (Drilling) 과같은추가적인기계적가공이요구된다. 그러나이러한가공으로인하여소재표면을훼손할수있고, 더불어강도저하나응력집중과같은기계적결함의위험성을초래할수있다. 박리는복합재드릴가공에서관찰되는주요훼손중하나며, 이러한이유로복합재이용에서하나의중요한제한적인요인이될수있다. 즉, 응력집중이나미세크랙을야기하여복합재이용상의장점을현저히줄인다 [2]. 따라서이러한박리현상을줄이기위한다양한접근이시도되었는데, 우선주요절삭변수와드릴가공형태간에영향을가늠할수있는정량적인평가방식이도입되었다 [2-5]. 즉, 복합재드릴가공시홀입구및출구에서박리는전통적으로박리지수 (Delamination factor) 를이용하여홀의중심으로부터크랙 (Crack) 의최대길이로써평가한다. 드릴가공조건변화에따라이러한박리지수의영향을분석하기위한다양한접근이있었는데대표적인연구들은다음과같다. Chen 등은 CFRP 복합재료드릴가공에서박리정도를쉽게해석하고비교할수있도록박리지수개념을제안했으며, 드릴가공동안박리발생유무에따른다양한절삭력변화를실험하였다. 또한, CFRP 드릴가공에서절삭력변화에대한공구형상및드릴가공조건의효과를실험적으로관찰하였다. 실험결과로부터, 공구형상이나드릴가공조건에따라박리를최소화할수있음을제시하였다. 또한, 박리지수와관련하여드릴가공조건과공구마모효과의연관성에대한연구가진행되었다 [3]. Mohan 등은 GFRP 드릴가공에서박리출현을최소화시키기위하여다구찌 (Taguchi) 기법을이용하여최적절삭조건을결정하는방안을제시하였다. 이송속도, 절삭속도그리고시편두께가박리효과에큰영향이있음을보였고, 전반적으로높은절삭속도와낮은이송속도가박리를최소화할수있으며, 더우수한표면 조도와보다긴공구수명을유도할수있다는분석결과를제시하였다 [4]. Ramesh 등은비적층 (Nonlaminated) GFRP 의드릴가공에서 ANOVA 분석을이용하여이송속도, 절삭속도, 토크와박리등의인자에대한상대적인영향을분석하였다. 실험및분석결과, 절삭속도에비례하여박리는증가하며, 이송속도가증가할수록박리로인한표면훼손은적음을보였다 [5]. 한편, Zitoune 등은 CFRP 및알루미늄적층소재의드릴가공에서드릴직경, 주축회전속도, 이송속 도, 토크, 표면조도등의영향을분석하였다. 또한가공조건변화에따른칩 (Chip) 형태를분석하였다. 이들은가공홀내부의표면조도는이송속도가증가할수록큰값을가지고, 절삭속도에비례하여나빠짐을보였다 [6]. 이처럼기존연구들로부터섬유강화복합재의경우복합재종류, 이송속도, 절삭속도등드릴가공조건에따라박리및가공홀내부표면조도에미치는특성은매우다양함을볼수있다. 본연구에서는유리섬유복합재 (Glass fiber reinforced plastic composites) 의드릴가공조건변화에따른홀입구및 출구에서박리지수와가공홀내부의표면조도특성을분석하였다. 보다신뢰성있게박리지름을구하기위하여확대된디지털이미지로부터픽셀개수를이용하여박리지수를산출할수있는관계식을유도하였으며, 복합재시편을제작하여진동및열영향을최소화할수있는가공조건에서각실험조건에따라드릴가공을수행하였다. 또한, 박리지수는유도된식을적용하여산출하였고, 표면조도측정은정확도를높이기위하여 6점평균표면조도측정방식을적용하였다. 2. 박리영역정량화및드릴가공 2.1 박리영역정량화 Fig. 1은복합재드릴가공시홀입구및출구에서일반적으로발생하는훼손영역 (Damage zone) 에대한개념도를보여주고있다. 훼손영역정량화를위하여가장널리사용되는수식은식 (1) 이며, 박리지수 (Delamination factor) 라한다. 즉, 박리지수 (F d ) 는가공된홀의지름 (D o ) 에대한훼손영역최대지름 (D max ) 의비율이다. F d D = ---------- max D o 본연구에서박리영역을정량화하기위하여홀주변의훼손영역을확대사진으로디지털이미지 (Digital image) 를생성하고, 이미지데이터를픽셀 (Pixel) 단위로처리하여계산에이용한다. 훼손영역에대한이미지처리과정이완료되면, 이미지상으로나타나는직경의길이는픽셀의개수에비례하므로훼손영역최대지름 (D max ) 은아래에주어진식 (2) 와같이유도된다. D max N D p ( D max ) = o --------------------- N p ( D o ) 여기서, N p (D max ) 와 N p (D o ) 는각각훼손영역최대지름과가공홀지름에대한픽셀의개수며, 이미지처리툴 (Image Fig. 1. Schematic diagram of damage zone (1) (2)
382 Ok-Kyu Lee, Dae-Keon Ahn Jin-Ho Choi, Jin-Hwe Kweon processing tool) 에서얻어진다. 따라서식 (2) 로부터기존박리지수식 (1) 은다음과같이식 (3) 로표현된다. F d N p ( D max ) = --------------------- N p ( D o ) (3) 유도된식으로부터이미지처리결과픽셀개수만파악되면박리지수를용이하게산출할수있고, 확대된이미지로부터육안이아닌디지털적으로산출할수있으므로보다신속하고정교하게최대직경을구할수있다. Fig. 3. Measurement holes to quantify delamination factors 2.2 드릴가공복합재드릴가공실험에사용된유리섬유시편의재료는 GEP224(4-harness satin weave glass/epoxy prepreg) 이며, 시편은 0.25 mm 두께의프리프레그를적층각도 [0/90]14s 로적층하여총 7 mm 두께로제작하였다. 사용된드릴은고속도강으로직경은 8mm이다. 가공조건즉이송속도, 절삭속도, 가공횟수변화에대한가공면의특성을파악하기위하여각가공조건에따라한시편당총 50개의홀을가공하였다. 드릴축방향이동시홀의입구대비출구에서박리현상을비슷하게가질수있도록하부에별도로아크릴소재의지지대를장착하였다. 그리고진동에의한영향을최소화하기위하여 Fig. 2와같이시편가장자리에바이스를최대한밀착시켜고정시켰다. 또한, 가공횟수변화에대한열의영향을최대한줄이기위하여절삭유공급에의한습식가공으로드릴작업을수행하였다. 가공조건변화에대한박리영역특성을세밀하게분석하기위하여본논문에서사용된가공조건은각각다음과같다. 이송속도 f (mm/rev) 는기준절삭속도 Vc = 21.31에서 f = 0.0125부터 f=0.40까지 2배로증가시켜 6단계의변화를가지며, 절삭속도 Vc (m/min) 는기준이송속도 f = 0.15에서 Vc = 10.66, 15.08, 21.31, 30.16, 42.65 값을가진다. 한편, 가공횟수변화에따른특성을분석하기위하여각시편당총 50개의홀에서 12개의홀을샘플링하여 Fig. 3에보이는화살표위치의홀들을지정하였다. 이것은가공으로인한진 Fig. 4. Measurement holes to quantify delamination factors 동과변형최소화를목적으로보다신뢰할수있는데이트를얻기위함이다. 따라서측정홀들은가공진행순서대로 4, 7, 10, 17, 20, 23, 30, 33, 36, 43, 46, 49 등의번호가부여된다. 그리고각실험조건별로가공특성을분석하기위하여각시편당새로운드릴이사용되었다. 또한, 가공조건에대한표면조도의변화특성을다음과같은방법으로분석하였다. Fig. 4는유리섬유복합재의드릴가공된홀의일부와홀내부표면의 SEM이미지를보여주고있다. Fig. 4(a) 에보이는것처럼가공된유리섬유가닥의불균일한형상과수직방향의드릴이송에의한레진밀림현상으로측정위치에따라표면조도의편차가존재할수밖에없음을알수있다. 따라서본연구에서는보다합리적으로표면조도를얻기위하여 Fig. 4(b) 와같이가공홀의둘레를따라 6곳의측정위치를정하여표면조도를측정하고, 이들을평균하여최종적인표면조도값을얻는방식 (6점평균표면조도측정) 을적용하였다. 표면조도분포는 1~10 um로예상하여 ISO규격 (ISO 4288:1996) 에따라기준길이 2.5 mm에서총평가길이는 12.5 mm로설정하여측정되었다. 3. 고찰및분석 Fig. 2. Experimental drill machining 유리섬유복합재의드릴가공조건에따라가공홀입구및출구에서훼손영역의특성은다음과같이도출및분석되었다. 이미지처리툴은포토샵 (PS6.0 Extended) 이사용되었고, 특성평가검토는 2장에서유도한박리지수를이용하여수행되었다. Table 1은본연구에서적용된세부적인드릴가공조건을보여주고있다.
Characteristics of Delamination Factor and Surface Roughness by Drilling Condition for Glass Fiber Reinforced Plastic Composites 383 Table 1. Test condition, test name and test value Test condition Test name Value Feed rate (mm/rev) At, Vc = 21.31 m/min Cutting speed (m/min) At, f = 0.15 mm/rev F1 0.0125 F2 0.025 F3 0.05 F4 0.1 F5 0.2 F6 0.4 V1 10.66 V2 15.08 V3 21.31 V4 30.16 V5 42.65 Fig. 5. Delamination factor by feed rate variation at entry hole Table 2. Pixels and delamination factor by tests Hole No. N p (D o ) N p (D max ) F d H4 118 133 1.13 H7 117 136 1.16 H10 118 135 1.14 H17 117 141 1.20 H20 117 144 1.23 H23 118 144 1.22 H30 117 142 1.21 H33 118 146 1.24 H36 118 148 1.25 H43 117 154 1.32 H46 117 147 1.26 H49 117 147 1.26 Fig. 6. Delamination factor by feed rate variation at exit hole 3.1 이송속도 (Feed rate) 및가공횟수 Table 2는실험 F1 즉, 이송속도 f (mm/rev) 가 0.0125 일때, 12개의가공홀입구에서훼손된영역에대하여처리된이미지로부터얻어진지름에대한픽셀개수와계산된박리지수값을보여주고있다. 그리고, Fig. 5는가공홀입구에서 6단계별이송속도 (F1~F6) 조건에대하여계산된박리지수값들을그래프로보여주고있다. 우선, 전체적으로이송속도가증가할수록박리지수는뚜렷하게감소하는경향을보인다. 이러한결과는 2장에서이미설명한것처럼본논문에서는가공물을고정구및지지대로충분히고정한상태에서가공이이루어졌으므로, 진동의영향이최소화된상태에서드릴의이송속도가빠를수록홀입구및출구에서박리현상이적게발생하는것에기인한것으로볼수있다. 또한, 이송속도각단계별하나의시편에서가공횟수가증가할수록박리지수가모두증가함을보이고있는데, 이것은가공이진행될수록드릴마모로인하여박리영역이 증가하기때문인것으로분석된다. Fig. 6은가공홀출구에서이송속도변화에따라얻어진박리지수결과값의분포를보여주고있다. 각이송속도단계별박리지수분포는홀입구의경우와거의유사하고, 박리지수값의범위도입구와큰차이가없다. 이것은하나의홀에서가공이진행될때입구와비교하여출구에서의드릴공구마모가박리지수에변화를야기할만큼영향을미치지못하는결과에기인하며, 시편하부에지지대를전체적으로부착시켜가공함으로써가공상태가홀입구와유사하기때문인것으로분석된다. 3.2 절삭속도 (Cutting speed) Fig. 7은가공홀입구에서 5단계별절삭속도 (V1~V5) 조건에대하여계산된박리지수값들을그래프로보여주고있다. 전체적으로절삭속도변화에대한영향은이송속도변화의영향과비교하여뚜렷하지는않으나절삭속도가증가함에따라박리지수는감소함을보이고있다. 이것은절삭속도가빠를수록야기될수있는훼손면적이줄어드는
384 Ok-Kyu Lee, Dae-Keon Ahn Jin-Ho Choi, Jin-Hwe Kweon Table 3. Measured surface roughness (ìm) by feed rate variation Fig. 7. Delamination factor by cutting speed variation at entry hole Part (Hole#) Measured points Hole Ave. 1 2 3 4 5 6 P1(H1) 0.73 3.01 0.61 1.80 2.66 1.06 1.64 P1(H25) 2.36 1.36 2.34 1.37 3.15 1.67 2.04 P1(H50) 1.80 2.60 1.66 3.00 1.68 3.70 2.41 P2(H1) 1.32 2.41 2.75 2.15 2.13 2.90 2.28 P2(H25) 0.71 2.60 2.40 1.81 3.50 2.25 2.23 P2(H50) 2.80 1.86 2.75 3.86 2.30 1.64 2.50 P3(H1) 2.40 2.52 1.75 3.40 2.20 3.45 2.62 P3(H25) 2.00 2.50 2.60 2.55 3.35 2.40 2.57 P3(H50) 1.62 2.06 2.85 3.35 1.95 2.60 2.41 Table 4. Surface roughness by cutting speed variation Part Ave. 2.03 2.33 2.53 Cutting speed (m/min) Surface roughness (mm) 10.66 15.08 21.31 30.16 41.65 60.32 2.93 2.73 2.38 2.79 2.35 2.12 Fig. 8. Delamination factor by cutting speed variation at exit hole 현상때문인것으로파악된다. 또한하나의절삭속도조건에서가공횟수가증가함에따라박리지수들이증가함을보이고있다. 이것은이송속도변화에대한결과와비슷하며, 원인또한동일하다고볼수있다. Fig. 8은홀출구에서산출된결과를보여주고있는데절삭속도가증가함에따라박리지수는점차감소함을보여준다. 또한, 전체적으로홀입구에서절삭속도변화의특성과비교하여비슷한경향을가지며, 이것역시이송속도변화의경우와유사하게하나의홀가공동안드릴마모가미치는영향은상대적으로미미하며, 시편하부의지지대에의하여가공상태가홀입구와유사하기때문이다. 3.3 표면조도 (Shape roughness) Table 3은드릴기준절삭속도 Vc = 30.16에서이송속도 f(mm/rev) 가각각 0.05, 0.15, 0.25로가공된 3개의유리섬유복합재플레이트에총 50개의홀을가공하여각각 1, 25, 50 번째홀에서측정한 6점평균표면조도값을보여주고있다. 이송속도값이작을수록평균표면조도값 (R a ) 이감소하는데, 이것은이송속도가느릴수록수직방향의플라이사이 의기지 (Matrix) 의레진 (Resin) 이드릴진행방향으로흘러내려수평방향으로가공된플라이의일부를코팅하는효과에의한것으로사료된다. 그리고하나의이송속도에서가공횟수가늘어날수록표면조도값의증감에대한경향성은뚜렷하지않음을알수있는데, 이것은가공이진행될수록공구마모증가에따른가공면의거칠기증가와레진의밀림현상이혼재함에기인한것으로판단된다. Table 4는이송속도 0.10에서절삭속도변화에따른측정된표면조도값을보여주고있으며, 드릴속도변화에따른표면조도의경향성은현저하지않음을알수있다. 이러한드릴가공조건변화에대한표면조도특성은탄소섬유 (CFRP) 대한이전연구의결과와유사한특징을가짐을볼수있다 [6]. 4. 결론 본논문에서는유리섬유복합재드릴가공에서가공조건변화에대하여홀입구및출구의박리지수상관관계와홀내부의표면조도영향을비교하고분석하였다. 박리지수계산정확도를높이기위하여확대된디지털이미지로부터픽셀개수를이용하여최대박리지름을구할수있는새로운박리지수관계식을유도및적용하였다. 또한, 복합재시편을제작하여진동및열영향을최소화할수있는가공조건에서각실험조건에따라드릴가공을수행하였고, 박리지수는유도된식을적용하여산출하였으며, 표면조도측정은정확도를높이기위하여 6점평균표면조도측정방식을적용하였다. 실험및적용결과로부터, 박리지수는드릴
Characteristics of Delamination Factor and Surface Roughness by Drilling Condition for Glass Fiber Reinforced Plastic Composites 385 이송속도가증가할수록감소하며, 절삭속도가증가함에따라역시다소감소하는특성이관찰되고분석되었다. 또한, 모든가공조건에서가공횟수에비례하여박리지수는대폭증가하는특성을가짐을알수있었다. 또한가공홀내부의표면조도는이송속도가증가함에따라증가하고, 절삭속도변화에는뚜렷한경향성이없는것으로파악되었다. 본논문의결과를이용하여유리섬유복합재의드릴가공조건을보다합리적으로결정할수있을것으로사료된다. 후 기 본연구는 2012년정부 ( 교육과학기술부 ) 재원한국연구재단의대학중점연구소지원사업 (2012-048078) 및산업통상자원부, 한국산업기술진흥원, 동남지역사업평가원의광역경제권선도산업육성사업의지원으로수행된연구결과입니다. 참고문헌 1. Mallick, P.K., Fiber-Reinforced Composites Materials, Manufacturing and Design, Marcel Dekker, Inc., U.S., 1988. 2. Hocheg, H., and Tsao, C., The Path Towards Delamination Free Drilling of Composite Materials, Journal of Materials Processing Technology. Vol. 167, No. 2-3, 2005, pp. 251-264. 3. Chen, W.C., Some Experimental Investigations in the Drilling of Carbon Fiber Reinforced Composite Laminations, International Journal of Machine Toll and Manufacture. Vol. 37, No. 8, 1997, pp. 1097-1108. 4. Mohan, N.S., Kulkarni, S.M., and Ramachandra, A., Delamination Analysis in Drilling Process of Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP) Composite Materials, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 186, No. 1-3, 2007, pp. 265-271. 5. Ramesh, B., Sharan, J.C., and Kavialagan, R., Experimental Investigation and Optimization in Drilling GFRP Polymeric Composites Using Taguchi and Anova, International Journal of Mechanical and Production Engineering. Vol. 2, No. 1, 2013, pp. 52-60. 6. Zitoune, R., Krishnaraj, V., and Collombet, F., Study of Drilling of Composite Material and Aluminium Stack, Composite Structures. Vol. 92, No. 5, 2010, pp. 1246-1255.