가공 중 진동이란 무엇이며 어떻게 줄일 수 있는가?
평형점을 중심으로 진동이 발생하면 진동이라는 기계적 현상이 발생합니다.가공 산업에서 진동은 일반적으로 절삭력이나 공작기계 자체에서 발생하며 원치 않는 결과를 초래합니다. 상당한 경쟁 우위를 확보하려면 진동의 원인을 이해하고 극복하는 방법을 알아야 합니다.진동이란 무엇인가?
진동은 평형점을 중심으로 진동이 발생하는 기계적 현상입니다.이러한 진동은 진자의 추처럼 주기적이거나, 자갈길 위 타이어의 움직임처럼 무작위적일 수 있습니다.
때로는 진동이 바람직할 때도 있습니다.예를 들어, 소리는 공기의 진동이므로 휴대폰이 올바르게 작동하는 것도 진동 덕분입니다.그러나 더 자주, 진동은 원치 않는 변형과 소음을 발생시키면서 에너지를 낭비합니다.예를 들어, 엔진, 전기 모터 및 기타 작동 중인 기계 장치의 진동 운동 대부분은 원치 않는 것입니다.불균형한 회전 부품, 불균일한 마찰, 기어 톱니의 맞물림 및 기타 문제로 인해 진동이 발생할 수 있으며, 신중한 설계를 통해 일반적으로 최소화됩니다.
솔리드 엔드밀 가공에서 진동을 줄이기 위한 팁과 요령
가공 중 진동은 왜 발생하는가?
그림 1 절삭 공구의 진동
공작기계, 공작물, 공구 모두 완벽한 강성(Stiffness)을 갖지 않으므로(어느 정도 변형이 발생하므로), 절삭력에 의해 진동이 발생할 수 있습니다.기계, 공작물 및 절삭 공구의 동적 특성은 절삭 성능을 제한할 수 있습니다.강성이 너무 낮고 진동 감쇠(댐핑)가 충분하지 않으면 자려 진동 또는 '채터링' 문제가 발생할 수 있습니다.현상에 대한 기본 지식이 있으면 채터를 예측할 수 있어 절삭 성능을 향상시킬 수 있습니다.
가공 중 진동을 피해야 하는 이유는 무엇입니까?
가공 중 진동은 많은 부정적인 결과를 초래하며, 그 중 가장 중요한 것은 다음과 같습니다.
- 절삭날의 추가 마모 및 제어 불가능하고 예측할 수 없는 마모 패턴(예: 절삭날의 치핑(chipping) 및 균열(crack))으로 가공 신뢰성이 저하됩니다.
- 표면 조도 저하 및 불량 또는 재작업 공작물 증가.따라서 진동은 가공 시스템을 위험에 빠뜨리고 납기 및 납품 안정성에 문제를 일으킬 수 있습니다.
- 앞서 언급한 두 가지 진동 효과는 가공 경제성에도 부정적인 영향을 미칩니다.진동은 돈을 낭비하게 합니다.
- 진동은 에너지를 필요로 하기 때문에 에너지를 낭비하고 가공 작업자의 전문성에 도전합니다.
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가공에서 진동의 다른 유형은 무엇입니까?
가공에서의 자유 진동
그림 2 자유 진동
자유 진동은 초기 입력이 기계 시스템에서 진동을 일으키고 그 다음 자유롭게 진동할 때 발생합니다.이것은 아이의 그네를 뒤로 당겼다가 놓을 때 일어나는 일과 비슷합니다.그런 다음 기계 시스템은 1 이상의 ‘고유 주파수’에서 진동한 다음 0으로 감쇠합니다.
가공에서의 강제 진동
강제 진동은 시간에 따라 변하는 외란(하중, 변위 또는 속도)이 기계 시스템에 적용될 때 발생합니다.외란은 주기적이거나, 정상 상태 입력이거나, 무작위 입력일 수 있습니다.불균형한 세탁기가 흔들리거나 지진 중에 건물이 진동하는 것은 강제 진동의 예입니다.
그림 3 강제 진동 (f = 주파수, A = 진폭)
시스템의 주파수 응답은 강제 진동의 가장 중요한 특징 중 하나를 나타냅니다.공진이라는 현상에서, 가진 주파수가 약하게 감쇠된 시스템의 고유 주파수에 가까워지면 진동의 진폭이 극도로 높아질 수 있습니다.시스템의 고유 주파수를 공진 주파수라고 합니다.그네를 타는 아이를 밀 때, 그네가 점점 더 높이 올라가도록 정확한 순간에 밀어야 하며, 큰 움직임에는 큰 힘을 가할 필요가 없습니다.미는 힘은 시스템에 에너지를 계속 추가하기만 하면 됩니다.로터 베어링 시스템에서 공진 주파수를 자극하는 모든 회전 속도를 임계 속도라고 합니다.
가공에서의 공진 진동
기계 시스템의 공진은 시스템 장애로 이어질 수 있습니다.따라서 진동 분석은 이러한 유형의 공진이 발생할 수 있는 시기를 예측하고 예방 조치를 결정해야 합니다.추가적인 감쇠는 진동의 크기를 크게 줄일 수 있으며, 시스템의 강성이나 질량을 변경하여 고유 주파수를 가진 주파수에서 멀리 이동시킬 수도 있습니다.시스템을 변경할 수 없는 경우, 가진 주파수를 이동시킬 수 있습니다(예: 힘을 생성하는 기계의 속도 변경).
미세 진동에 대한 교육 영상을 확인하세요.
그림 4 공명 진동(공진).
진동 현상에 대한 절삭력의 역할
금속을 절삭하는 동일한 힘이 절삭 공구에도 작용합니다.이러한 힘은 절삭 공구를 변형시키고 구부려 진동을 유발할 수 있습니다.
그림 5 절삭 부하와 낮은 공구 강도로 인해 금속 절삭 시 진동이 발생합니다.
절삭력의 동적 특성은 공진 진동으로 이어질 수 있습니다.이러한 상황의 위험은 가느다란 절삭 공구나 공작물, 과도하게 높은 절삭력, 감쇠 능력이 부족한 공구 또는 공작물 재료, 잘못된 절삭 방법 또는 부적절한 공구 형상으로 인해 증가합니다.
그림 6은 강철 공구 홀더(직경 100mm, 오버행 길이 500mm)를 보여줍니다.
그림 6 경우에 따라 동적 절삭 부하로 인해 공명 진동이 발생할 수 있습니다.
500N의 정적 절삭력으로 이 공구는 25µm 처짐이 발생합니다.절삭력이 142Hz에서 사인파 패턴으로 변하면 정적 처짐보다 20배 더 큰 진폭으로 가변 처짐이 발생합니다.이것이 공명 진동(공진)을 유발합니다.
절삭날에 절삭력이 가해지는 주파수가 절삭 공구의 고유 주파수(공진 주파수)와 같을 때 공진 진동이 발생할 수 있습니다.절삭 조건(밀링)의 변경, 강하고 간헐적인 칩 파편 또는 재료 구조의 불규칙성조차도 이러한 상황을 유발할 수 있습니다(그림 7 참조).
기계 기술자들은 공진 진동을 채터라고도 합니다.그 자체로 채터는 실제로 문제가 아니지만, 일부 상황에서는 제어할 수 없는 절삭날 마모나 불완전하게 가공된 공작물 표면 조도를 통해 공정 품질을 위태롭게 할 수 있습니다.이러한 경우 채터를 억제해야 하며, 이는 수정된 절삭 조건이나 두 번째 단계로 수정된 공구 선택을 통해 가장 쉽게 달성할 수 있습니다.
그림 7 물질 구조의 불규칙성이 진동을 유발할 수 있음
위의 예에서 1단계는 재료 불규칙성이 절삭력에 동적 구성 요소를 생성하는 상황을 나타냅니다.2단계에서 이 공작물 재료의 불규칙성은 칩 두께의 변화를 유발합니다.이것은 연속적인 동적 절삭력으로 이어지고, 그 주파수가 공구의 고유 주파수에 가까워지면 공진 진동이 발생할 수 있습니다.
공작기계 안정성은 진동에서 역할을 합니다.
가공 중 진동 및 그 위험에 대한 분석은 공작 기계의 안정성을 고려해야 합니다.공작기계는 무한한 안정성을 제공할 수 없으며, 일반적으로 공작기계 스핀들의 회전 속도가 증가함에 따라 공구 안정성이 떨어집니다(그림 8 참조).
그림 8 공작 기계의 안정 영역(Tlusty and Tobias).
일반적으로 공작기계가 작동하는 rpm(분당 회전수)이 높을수록 진동 위험이 커집니다.하지만특정 속도에서는 안정성이 증가합니다.특정 절삭 공구에 대해 선택된 rpm은 낮은 안정성 범위에 속할 수 있으며, 진동을 유발하고 이를 제거하기 위해 기계 속도를 늦출 필요가 있습니다.반대로 선택된 rpm은 높은 안정성 영역에 속할 수 있어 절삭 조건을 높은 수준으로 유지할 수 있습니다.진동을 피하려면, 특히 더 높은 rpm 가공 중에는 속도를 신중하게 선택하세요.
한쪽이 고정된 원통형 빔의 굽힘을 결정하는 방법은 무엇입니까?
일반 역학에서 아래에 표시된 모델(그림 9)은 한쪽이 고정된 원통형 빔(예: 내경 터닝 공구 홀더, 밀링 커터, 드릴 등)의 굽힘을 결정합니다.더 간단하고 일반적인 용어로, 휨이나 처짐이 클수록 공진 진동을 포함한 해로운 진동의 위험이 높아지고, 공구 휨이나 처짐이 줄어들면 진동 위험이 줄어듭니다.
그림 9 한 방향으로 고정하는 사이드락 생크의 휨(굽힘), 힘 및 주요 치수 간의 관계.
이러한 관점에서 볼 때, 진동 위험 감소는 공구 처짐 또는 휨을 최소화해야 합니다.
이것은 여러 가지 방법으로 달성할 수 있습니다.
- 절삭력을 줄이거나 절삭력이 시스템에 작용하는 방향을 변경하세요.
- 굽힘 저항성(또는 강성)이 더 높은 공구를 사용하세요.그림 10의 공식은 오버행 길이를 두 배로 늘리면 처짐이 8배 증가하는 반면, 직경을 두 배로 늘리면 처짐이 16배 감소한다는 것을 보여줍니다.따라서 더 짧은 공구나 더 큰 공구는 진동 위험이 적습니다.따라서 오버행 비율(L/D = 지지되지 않는 길이 또는 오버행을 직경으로 나눈 값)은 종종 진동 위험의 빠른 분석을 위한 측정값을 제공합니다.오버행 비율에 따른 몇 가지 지침:오버행 비율이 3 미만이면 일반적으로 진동이 발생하지 않습니다.오버행 비율이 6 미만이면 진동 위험이 스며듭니다.오버행 비율이 9 미만이면 진동이 발생할 가능성이 높습니다.오버행 비율이 9보다 크면 진동은 확실하며 고전적인 공구로는 종종 문제를 해결할 수 없습니다.
- 강성이 더 높은 공구 재료를 사용하세요.탄성 계수(E)는 주요 요소입니다.예를 들어 강철 공구 생크를 초경으로 교체하면 처짐이 최대 50%까지 떨어집니다.이 접근 방식은 테이퍼 공구 사용과 결합될 수 있습니다.
진동에서의 오버행 고려 사항
오버행 비율을 사용하여 진동 위험을 예측하는 경우 신중하게 고려해야 할 점이 있습니다.그림 9의 공식을 추가로 분석하면 그림 10에 표시된 공식이 나오며, 이 형식으로 작성하여 두 가지 예에 적용하면 매우 명확해집니다.첫째, 오버행 길이가 200이고 직경이 50mm인 공구는 오버행 비율이 4입니다.둘째, 길이가 100mm이고 직경이 25mm인 다른 공구도 오버행 비율이 4입니다.이 두 공구 모두 동일한 진동 위험을 보일까요?그림 10의 공식에 두 공구에 대한 이러한 값을 적용하면 두 번째 공구가 두 배의 굽힘을 표시하므로 진동 위험이 두 배가 된다는 것을 알 수 있습니다.
진동 위험이 높은 경우, 공구의 직경이 핵심 요소가 됩니다.
그림 10 오버행 길이와 직경에 대한 공구 굽힘(휨)의 상세한 공식
가공에서 진동을 최소화하고 제어하는 방법은 무엇입니까?
몇 가지 실제적인 단계는 진동의 위험을 최소화하거나 피할 수 있습니다.이 모든 단계를 사용하여 절삭력이 절삭 공구에 작용하는 크기나 방향을 변경하세요.
- 90°에 가까운 절삭날 각도를 사용하세요.
- 더 작은 코너 R(노즈 반경) 및/또는 더 날카로운 절삭날을 사용하세요.
- 절삭 깊이를 줄이고 이송을 늘리세요.
- 절삭 속도를 변경하세요.
- 더 나은 공구 클램핑 시스템(예: Seco-Capto 및 Seco Steadyline 공구)을 사용하세요.
첫 번째 조언(90°에 가까운 절삭날 각도 사용)을 밀링 가공에 다르게 적용하세요.선삭에서와 같이 결과적인 절삭력은 절삭날에 거의 수직으로 작용합니다(그림 12).장비 스핀들에 고정된 밀링 커터의 굽힘(휨, 벤딩) 위험을 평가할 때(그림 13), 절삭 부하의 크기(F)를 절삭 부하의 방향과 장비 스핀들 ‘기준점’ 사이의 거리(l)로 곱한 값(=F x l)에 기반하여 진동 위험을 검토하세요.모든 공작기계 스핀들에는 스핀들이 흔들릴 수 있는 고정된 참조점이 포함되어 있습니다.
그림 11 절삭 공구를 더 견고하게 고정(클램핑)하면 진동 위험이 감소합니다.
직각 어깨 밀링 커터(절삭날 각도 90°)를 고이송 밀링 커터(절삭날 각도 몇 도)와 비교할 때, 절삭력 방향과 참조점 사이의 거리가 더 작으므로 진동 위험(동일한 절삭력으로)이 더 적습니다.
그림 12 밀링 커터에 가해지는 절삭 부하의 크기와 방향(절삭날에 대략 수직).
그림 13 (F x l) 가 밀링 가공의 진동 위험을 결정합니다.
용도에 따라 진동을 줄이기 위한 체크리스트
밀링에서 진동을 줄이는 방법은 무엇입니까?
밀링에서 진동 문제를 해결하려면 적절한 공구와 절삭 조건을 선택하여 절삭력의 크기와 방향을 변경하세요.
- 거친 피치의 밀링 커터를 선택하고 가능한 가장 작은 오버행으로 고정하세요.
- 포지티브 형상의 절삭날을 선택하세요.
- 특히 Steadyline 공구를 사용하는 경우 직경이 더 작은 밀링 커터를 선택하세요.
- 작은 코너 R을 선택하세요.
- 더 얇은 코팅의 초경 재종을 선택하세요.
- 날 당 이송을 높이세요.회전 속도를 줄이고 테이블 이송을 유지하여 날 당 이송을 높이세요.진동이 발생할 때 날 당 이송을 줄이지 마세요.
- 축 방향 및 반경 방향 절삭 깊이를 줄이세요.
- 안정적인 밀링 커터 클램핑 시스템을 사용하세요.모듈식 공구 홀딩 시스템을 사용하는 경우 가능한 가장 큰 연결 크기를 사용하세요.테이퍼 공구 홀딩을 사용하세요.
- 밀링 커터를 공작물의 중앙에 위치시키세요.상향 밀링 기술을 적용하세요.
정상적인 이송 및 절삭 속도로 시작하세요.진동이 발생하면 다음과 같이 점차적으로 변경하세요.
- 이송을 늘리세요.
- 회전 속도를 높이세요.
- 회전 속도를 줄이세요.
- 진동이 사라지거나 적어도 최소화될 때까지 이송을 줄이세요.
솔리드 엔드밀 가공에서 진동을 줄이기 위한 팁과 요령
선삭에서 진동을 줄이는 방법은 무엇입니까?
다음 단계는 선삭 결과에 영향을 미칩니다.진동 문제 해결을 위한 체크리스트로 사용하세요.
- 최대 안정성 및 강성을 위해 기본 공구 시스템 및 치수를 선택하세요.가능한 가장 짧은 오버행으로 공구를 고정하세요.이렇게 하면 공구의 고유 진동수가 높아지고 처짐이 줄어들어 진동을 피하거나 발생 시 감쇠하기가 더 쉬워집니다.
- 인서트 및 코너 R(노즈 반경)의 유형과 크기를 신중하게 선택하세요.가능한 가장 작은 코너 R을 선택하고, 가능하면 절삭 깊이보다 작게 만들어 배분력을 낮추세요.공구 처짐을 최소화하고 공작물에 대한 정확한 가공 공차를 보장하기 위해 절삭 깊이를 제한하세요.진동이 발생할 가능성이 있는 경우, 가벼운 절삭과 우수한 날 강도를 결합하기 위해 상단 각도가 작은 인서트(60° 또는 55°)를 선택하세요.
- 쉬운 절삭과 적은 공구 처짐을 위해 날카로운 절삭 및 절삭날 형상의 인서트를 선택하세요.더 날카로운 절삭날은 더 약하고 적절한 칩 브레이킹이 필요하다는 점에 유의하세요.
- 인성이 더 높은 초경 재종과 더 날카로운 형상의 인서트를 선택하세요. 단, 이렇게 하면 강도가 약한 절삭날이 생성되어 조기에 치핑이 발생하거나 파손될 수 있습니다.절삭날 신뢰성과 공구 수명을 높이려면 더 인성이 높은 절삭 재료로 약한 형상을 보완하세요.
- 절삭 깊이를 최소화하기 위해 절삭 조건을 신중하게 선택하세요.심각한 진동 위험이 있는 경우 코너 R의 25% 이상인 이송을 사용하세요.기계-공구 안정성이 낮은 rpm 영역에서 작업하지 않도록 절삭 속도를 평가하세요.
보링에서 진동을 줄이는 방법은 무엇입니까?
다음 단계는 보링 결과에 영향을 미칩니다.진동 문제 해결을 위한 체크리스트로 사용하세요.
- 오버행 비율을 확인하고 필요한 경우 공구를 수정하세요.더 큰 공구 직경을 사용할 수 있습니까?테이퍼 공구 유형입니까?직경이 다른 모듈식 공구 유형입니까?
- 가능한 최상의 공구 클램핑(Seco-Capto)을 사용하세요.
- 절삭날을 중앙 높이에 놓으세요.
- 포지티브 형상과 작은 반경의 절삭날을 선택하세요.더 얇은 코팅의 초경 재종을 선택하세요.
- 인서트 및 코너 R(노즈 반경)의 유형과 크기를 신중하게 선택하세요.가능한 가장 작은 코너 R을 선택하고, 가능하면 절삭 깊이보다 작게 만들어 배분력을 낮추세요.공구 처짐을 최소화하고 공작물에 대한 정확한 가공 공차를 보장하기 위해 절삭 깊이를 제한하세요.진동이 발생할 가능성이 있는 경우, 가벼운 절삭과 우수한 날 강도를 결합하기 위해 상단 각도가 작은 인서트(60° 또는 55°)를 선택하세요.
- 쉬운 절삭과 적은 공구 처짐을 위해 날카로운 절삭 및 절삭날 형상의 인서트를 선택하세요.더 날카로운 절삭날은 더 약하고 적절한 칩 브레이킹이 필요하다는 점에 유의하세요.
- 인성이 더 높은 초경 재종과 더 날카로운 형상의 인서트를 선택하세요. 단, 이렇게 하면 강도가 약한 절삭날이 생성되어 조기에 치핑이 발생하거나 파손될 수 있습니다.절삭날 신뢰성과 공구 수명을 높이려면 더 인성이 높은 절삭 재료로 약한 형상을 보완하세요.
- 절삭 깊이를 최소화하기 위해 절삭 조건을 신중하게 선택하세요.심각한 진동 위험이 있는 경우 코너 R의 25% 이상인 이송을 사용하세요.기계-공구 안정성이 낮은 rpm 영역에서 작업하지 않도록 절삭 속도를 평가하세요.
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