[논문]밀링 가공 시 채터 진동 예측의 해석적 방법

정낙신; 양민양

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.3.210

밀링 가공 시 채터 진동 예측의 해석적 방법
Analytical Prediction of Chatter Vibration in Milling Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.3 = no.282, 2009년, pp.210 - 217

정낙신 (KAIST 대학원 기계공학) , 양민양 (KAIST 기계항공시스템학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the analytical prediction of stability lobes in milling. The stability lobes are obtained by measuring the frequency response function (FRF) of a machining center at the cutting point of the end mill cutter, identifying cutting constants, and approximating cutting force coefficie...

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

공작기계를 기준으로 x-y 절대 좌표계를 설정하고 z 축을 중심으로 회전수 Ω로 시계 방향으로 회전하는 공구의 j 번째 날 끝에 공작물에 의해 공구에 작용하는 절삭력의 방향과 동일한 방향으로 u-v 회전 좌표계를 잡는다. 여기서, 공구는 구조물의 동적 컴플라이언스에 따라 진동이 전달되나 공작물은 상대적으로 컴플라이언스가 적어 고정되어 진동하지 않는 것으로 가정한다. 2 차원 밀링 가공에서의 채터 모델도 Fig.

제안 방법

8 과 Table 1 과 같다. CNC 패널을 통한 입력 회전수와 실제 스핀들의 회전수 사이에 오차가 없도록 근접센서를 사용하여 주파수를 분석하여 확인하였고 채터 실험에서 공구의 진행은 X 방향으로 하였다.
가공의 안정성을 해석하기 위해 서보 루프 시스템 형태로 도시된 채터 모델의 특성 방정식을 구성한다.
공구동력계로부터 얻어진 절삭력 데이터는 Fig. 10 과 같이 주파수 영역과 시간 영역으로 나누어 채터의 발생 유무를 관찰하였다. 여기서 시간 영역의 절삭력은 평균값이 영으로 조정되었다.
공작기계의 동특성을 평가하고 이를 향상시키기 위한 목적으로 머시닝 센터의 밀링 가공 시 나타나는 동적 불안정성인 채터의 발생 과정을 분석하였다. 이는 제어 이론을 도입하여 채터 모델을 만들었고 특정 공작기계의 스핀들 속도에 대한 절삭 깊이의 안정 한계를 표시한 안정선도를 작성하였다.
밀링 가공 시 공구에 걸리는 평균 절삭력을 측정하기 위해 회전수 1,000rpm, 절삭 깊이 5mm 로 고정하고 이송 속도를 변화시켜가며 공구동력계로부터 절삭력 데이터를 측정하여 1 주기에 대한 평균 절삭력을 계산하였다. 이송 속도에 따른 평균 절삭력은 Fig.
안정 영역과 불안정 영역에서의 절삭 성능을 비교하기 위해 스핀들의 회전 속도가 인접한 두 지점에서 절삭력 데이터와 표면 조도를 비교하여 평가하였다. 불안정 영역의 회전 속도는 1,834rpm 과 안정 영역은 2,000rpm 을 선정하였고 이송 속도와 절삭 깊이는 각각 0.
의 접촉식 표면 조도계(품명: SJ-400)를 이용하여 Fig. 12 와 같이 공구가 지나간 면의 표면 거칠기를 측정하였다.
공작기계의 동특성을 평가하고 이를 향상시키기 위한 목적으로 머시닝 센터의 밀링 가공 시 나타나는 동적 불안정성인 채터의 발생 과정을 분석하였다. 이는 제어 이론을 도입하여 채터 모델을 만들었고 특정 공작기계의 스핀들 속도에 대한 절삭 깊이의 안정 한계를 표시한 안정선도를 작성하였다. 작성된 선도는 X 축 방향으로 특정 가공 조건에 대하여 실험을 실시한 결과 해석 결과와 일치하였다.
5/11kW, 스핀들 속도는 23~5,000rpm이다. 절삭 가공이 이루어지는 공구의 가공 부위에서 공구 구조물의 X축 및 Y축 방향으로 충격가진실험을 실시하여 Fig. 5~6 과 같이 주파수 응답 함수를 구하였다.⁽⁴³⁾ X축 방향의 지배적인 모드(dominant mode)는 704.
절삭력 상수를 측정하기 위하여 실험에서는 공구의 잠입율(full immersion)과 절삭 깊이를 고정시키고 공구의 날당 이송량을 변화시켜 가며 x, y, z 방향의 평균 절삭력을 측정한다. 식 (17)은 방향에 따라 절삭 성분(cutting-edge component)으로 표현된다.

대상 데이터

채터 실험에 사용된 공작기계는 ㈜남선기공의 품명NASU-4020V의 머시닝 센터로 테이블 1300mmⅹ500mm, 중량 7,000kg, 주축 소비 전력 7.5/11kW, 스핀들 속도는 23~5,000rpm이다. 절삭 가공이 이루어지는 공구의 가공 부위에서 공구 구조물의 X축 및 Y축 방향으로 충격가진실험을 실시하여 Fig.

데이터처리

이송 속도에 따른 평균 절삭력은 회귀분석 (linear regression)을 통하여 각 절삭 성분을 추정한다. 접선 방향과 반지름 방향의 절삭력 상수는 식 (17)과 (18)로부터 구한다.

이론/모형

절삭 가공에서의 자려 진동 채터(Self-excited chatter)는 S. A. Tobias와 J. Tlusty 등에 의해 이론적으로 해석되었고 그 후 H. E. Merritt에 의해 절삭 과정(cutting process)에 제어 이론을 도입하여 폐루프 모델로 정식화되었다.^(1~3) 채터 모델의 안정성을 해석하면 공작기계의 스핀들 속도에 대한 절삭 깊이의 안정 한계 영역을 표시한 안정선도(stability lobes)가 작성된다

성능/효과

셋째, 절삭 가공이 이루어지는 공작물은 가공 중 공구 구조물의 진동에 의해 공작물의 표면에 물결 모양의 파형이 생기게 된다. 이러한 현재 시점의 진동 파형과 한 주기 이전 시점의 진동 파형에 의해 미변형 칩두께가 결정된다.
3 과 같이 폐루프 모델로 만든다. 첫째, 공작기계 공구 구조물의 진동에 의한 동적 변위와 공구에 작용하는 절삭력의 관계를 x-y 방향으로 수식화한다.

후속연구

작성된 선도는 X 축 방향으로 특정 가공 조건에 대하여 실험을 실시한 결과 해석 결과와 일치하였다. Y 축 가공에 대한 검증과 이론에서 가정하였던 공작물의 진동 및 다양한 가공 조건에 대한 채터의 안정성 검증은 추후 연구 과제에서 고려되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절삭 가공을 이용한 산업 분야에 있어 가공 비용을 높이고 가공 생산성을 떨어뜨리는 주요인은 무엇인가?	채터가 발생하면 구조물의 진동이 심해져 공구는 가공 경로를 벗어나게 되고 이로 인해 값비싼 가공품의 품질은 손상되어 경제적 손실을 유발시킨다. 또한 채터로 인해 생기는 공구의 파손은 절삭 가공을 이용한 산업 분야에 있어 가공 비용을 높이고 가공 생산성을 떨어뜨리는 주요인이 되고 있다. 더욱이, 잦은 채터의 발생은 공작기계 스핀들 부를 손상시켜 공작기계 자체를 파손시키고 수명 저하를 촉진시킨다.
	가공 시스템에서 동적으로 불안정한 채터의 원인은 무엇과 관련되어 있는가?	그러나 실제 제조된 공작기계는 설계 단계에서 예측하지 못한 요인들로 인해 현장에서 절삭 가공 시 특정 가공 조건에서는 동적으로 불안정한 채터가 발생하게 된다. 가공 시스템의 불안정성인 채터는 그 원인이 공작기계의 구조적 측면에서 정적 강성에만 의존하는 것이 아니라 공구 구조물, 공작물, 그리고 가공 프로세스가 통합된 절삭 메커니즘과 관련되어 있다. 채터가 발생하면 구조물의 진동이 심해져 공구는 가공 경로를 벗어나게 되고 이로 인해 값비싼 가공품의 품질은 손상되어 경제적 손실을 유발시킨다.
	채터가 어떻게 경제적 손실을 유발시키는가?	가공 시스템의 불안정성인 채터는 그 원인이 공작기계의 구조적 측면에서 정적 강성에만 의존하는 것이 아니라 공구 구조물, 공작물, 그리고 가공 프로세스가 통합된 절삭 메커니즘과 관련되어 있다. 채터가 발생하면 구조물의 진동이 심해져 공구는 가공 경로를 벗어나게 되고 이로 인해 값비싼 가공품의 품질은 손상되어 경제적 손실을 유발시킨다. 또한 채터로 인해 생기는 공구의 파손은 절삭 가공을 이용한 산업 분야에 있어 가공 비용을 높이고 가공 생산성을 떨어뜨리는 주요인이 되고 있다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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