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작업자는 이 장면을 잘 알고 있습니다: 칩이 50mm 깊이의 포켓에 쌓이고, 재절단된 칩이 용접되고, 공구가 부러지고, 스핀들이 경고를 울립니다. 알루미늄의 낮은 밀도와 높은 열전도율은 칩을 끈적하게 만들고, 좁은 모서리와 긴 돌출부는 칩을 가둡니다. 기존의 경험 법칙(플루트 개방, 냉각수 분사)은 포켓이 공구 직경의 3배를 초과할 때 실패합니다. 이 연구는 2025년 생산 조건에서 공구 형상, 냉각수 압력 및 공구 경로 운동학이 칩 배출에 미치는 복합적인 영향을 정량화합니다.
2 연구 방법
2.1 실험 설계
중심점을 포함한 완전 2³ 요인 설계(n = 11).
요인:
• A: 헬릭스 각도—38°(낮음), 45°(높음).
• B: 냉각수 압력—40 bar(낮음), 80 bar(높음).
• C: 경로 전략—적응형 트로코이드 대 기존 래스터.
2.2 공작물 및 기계
7075-T6 블록, 120 × 80 × 60 mm, 포켓 폭 10 mm × 깊이 50 mm. Haas VF-4SS, 12k HSK-63 스핀들, Blaser Vasco 7000 냉각수.
2.3 데이터 수집
• 칩 체류 시간: 5,000 fps의 고속 카메라, 염색된 칩을 통해 추적.
• 공구 마모: 광학 현미경, VB ≤0.2 mm 수명 종료.
• 표면 거칠기: Mahr Perthometer M400, 컷오프 0.8 mm.
2.4 재현성 패키지
G-코드, 공구 목록 및 냉각수 노즐 도면은 github.com/pft/chip-evac-2025에 보관되어 있습니다.
3 결과 및 분석
그림 1은 표준화된 효과의 파레토 차트를 보여줍니다. 헬릭스 각도와 냉각수 압력이 지배적입니다(p < 0.01). 표 1은 주요 지표를 요약합니다:
표 1 실험 결과(평균, n = 3)
매개변수 세트 | 칩 체류 시간(s) | 공구 수명(분) | Ra (μm)
38°, 40 bar, 래스터 | 4.8 | 22 | 1.3
45°, 80 bar, 트로코이드 | 2.8 | 45 | 0.55
개선 | –42 % | +105 % | –58 %
그림 2는 칩 속도 벡터를 나타냅니다. 45° 헬릭스는 38°의 0.9 m/s에 비해 1.8 m/s의 상향 축 방향 속도 성분을 생성하여 더 빠른 배출을 설명합니다.
4 고찰
4.1 메커니즘
더 높은 헬릭스는 유효 래크를 증가시켜 칩을 얇게 만들고 접착력을 줄입니다. 80 bar 냉각수는 3배 더 높은 질량 유량을 제공합니다. CFD 시뮬레이션(부록 A 참조)은 포켓 바닥에서 난류 운동 에너지가 12 J/kg에서 38 J/kg로 상승하여 200 μm 칩을 들어 올릴 수 있음을 보여줍니다. 트로코이드 경로는 일정한 참여를 유지하여 래스터 모서리에서 보이는 칩 패킹을 방지합니다.
4.2 제한 사항
테스트는 7075 알루미늄으로 제한되었습니다. 티타늄 합금은 극저온 보조 장치가 필요할 수 있습니다. 깊이 대 폭 >8:1 포켓은 최적의 설정에서도 가끔 칩 댐핑을 보였습니다.
4.3 실질적인 의미
작업장은 스핀들당 < $2,000 미만의 가변 피치, 고 헬릭스 초경 엔드밀 및 프로그래밍 가능한 냉각수 노즐을 기존 기계에 개조할 수 있으며, 공구 수명 절약을 기준으로 3개월 이내에 투자 회수가 가능합니다.
5 결론
고 헬릭스 커터, 80 bar 공구 내 냉각수 및 트로코이드 경로는 칩 체류 시간을 줄이고 깊은 포켓 알루미늄 밀링에서 공구 수명을 두 배로 늘리는 효과적이고 이전 가능한 패키지를 형성합니다. 향후 연구에서는 매트릭스를 티타늄으로 확장하고 8:1 이상의 종횡비에 대해 공정 중 진공 추출을 탐구해야 합니다.
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