Optimization of Milling Tool Geometry for CFRP/Nomex Honeycomb Sandwich Structures Based on Side-Milling Experiments

현대 제조 분야에서 경량 강도에 대한 필요성과 재료를 성형하기 어려운 난제 사이에는 끊임없는 긴장이 존재합니다. 엔지니어들은 종-종 얇고 강인한 외피와 가볍고 벌집 모양의 코어를 결합한 샌드위치 구조물로 눈을 돌립니다. 이러한 재료는 효율성과 성능을 위해 무게 절감이 필수적인 항공우주 및 신에너지와 같은 산업 분야에서 매우 중요합니다. 그러나 이 구조물을 가치 있게 만드는 바로 그 특징들, 즉 단단한 탄소 섬유 층과 섬세하고 종 같은 벌집 세포의 혼합은 이들을 절단하기 매우 어렵게 만듭니다. 기계 공구가 이 불균일한 혼합물을 통과하려고 할 때, 종종 연약한 코어를 찢거나 거칠고 미완성된 가장자리를 남기곤 합니다. 과제는 작업물을 손상시키거나 너무 빨리 마모되지 않으면서 이 복잡한 지형을 탐색할 수 있는 도구를 찾는 데 있습니다.

산둥 대학교의 연구진은 탄소 섬유 강화 폴리머와 노멕스(Nomex) 벌집 코어로 제작된 패널을 대상으로 두 가지 서로 다른 절삭 공구를 테스트함으로써 이 구체적인 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션이나 이론적 추측에 의존하지 않고, 대신 다양한 속도와 이송 속도로 재료를 절삭하는 일련의 실제 밀링 실험을 수행했습니다. 연구진은 어떤 공구 형상이 최적의 성능 균형을 제공하는지 결정하기 위해 공구에 가해지는 힘, 절삭 중 발생하는 열, 완성된 표면의 품질, 그리고 공구 자체의 마모량을 측정했습니다. 연구는 직경은 모두 6mm이지만 형태와 절삭날의 수가 뚜렷하게 다른 두 가지 특정 유형의 밀링 커터에 초점을 맞췄습니다. 칩을 분쇄하기 위한 사다리꼴 홈을 특징으로 하는 T1이라 명명된 도구와, 초승달 모양의 홈과 더 많은 절삭날을 가진 T2가 그 대상입니다.

실험 결과, 절삭력의 거동은 벌집 구조 자체와 밀접하게 연관되어 있음이 드러났습니다. 공구가 재료를 통과할 때, 힘은 벌집 코어의 육각형 세포에 맞춰 리드미컬한 패턴으로 상승하고 하강했습니다. 가장 높은 힘은 세 개의 세포 벽이 만나는 지점에서 발생했으며, 이는 순간적인 저항의 급증을 만들어냈습니다. 공구가 이러한 접합부에 도달했을 때, 공구는 종종 두 층의 재료를 동시에 잘라내야 했기에 더 많은 동력을 필요로 했습니다. 그러나 연구진은 공구가 이러한 접합부에 접근할 때, 섬세한 벽들이 깔끔하게 잘려 나가기보다는 때때로 옆으로 휘어지거나 물러난다는 점을 관찰했습니다. 이러한 구조적 후퇴는 공구가 덜 밀어내도 되게 하여 힘을 떨어뜨렸지만, 동시에 벌집 벽의 작은 미절단 파편들을 남겨 표면을 손상시켰습니다.

두 공구를 비교했을 때, 결과는 특히 낮은 절삭 속도에서 초승달 모양의 홈과 더 많은 절삭날을 가진 T2 공구가 명확한 우위에 있음을 보여주었습니다. 이 도구는 추가적인 날 덕분에 재료와 더 연속적으로 맞물릴 수 있었기에, 더 매끄러운 절삭과 적은 힘의 변동을 만들어냈습니다. 느린 속도에서 T2는 모든 방향에서 더 낮은 평균력을 생성하며 더 안정적인 절삭 과정을 유지했습니다. 그러나 절삭 속도가 증가함에 따라 두 공구 간의 성능 격차는 좁혀졌으며, 평균 힘은 거의 동일해졌습니다. 흥러운 점은, T2가 힘을 관리하는 데는 더 뛰어났지만, 다른 공구인 T1이 열을 관리하는 데는 더 우수했다는 것입니다. T1은 절삭 구역을 더 차갑고 안정적으로 유지했는데, 이는 복합재의 수지가 부드러워져 손상을 일으키는 것을 방지하는 데 매우 중요합니다.

T1의 온도 제어 이점에도 불구하고, 전반적인 그림은 T2 공구에 유리했습니다. 실험 후 공구를 현미경으로 관찰한 결과, T1은 칩된 가장자리와 절삭면에 달라붙은 무거운 탄소 섬유 찌꺼기를 포함한 상당한 손상을 입었습니다. 반면, T2는 미미한 마모와 매우 적은 재료 부착만을 보였습니다. T2가 만들어낸 표면 품질 또한 일반적으로 더 좋았으며, 노출된 섬유가 적고 더 규칙적인 벌집 벽을 보여주었으나, 특정 조건에서는 T1이 약간 더 나은 성능을 보이는 경우도 있었습니다. 연구는 특정 기하학적 구조를 가진 T2 공구가 이러한 복잡한 샌드위치 구조물을 밀링하는 데 있어 최적의 전체 성능을 제공한다고 결론지었습니다. T2는 더 안정적인 절삭 과정을 제공하고 더 깨끗한 표면을 남겼기에, 이러한 첨단 재료를 제조하기 위한 선호되는 선택지였습니다. 이 연구 결과는 엔지니어들이 도구를 선택할 때 실질적인 가이드를 제공하며, 절삭날의 모양과 수가 어려운 재료를 얼마나 잘 가공할 수 있는지에 결정적인 역할을 한다는 점을 확인시켜 줍니다.