가공에서 진동은 무엇이고 어떻게 줄일 수 있을까요?
평형점 주변에서 흔들림이 발생하면 ‘진동’ 이라고 불리우는 기계적 현상이 발생합니다. 가공 산업에서는 일반적으로 절삭 부하나 공작 기계 자체의 진동으로 인해 원치 않는 결과가 발생합니다. 상당한 경쟁 우위를 확보하려면 진동의 원인을 이해하고 극복하는 방법을 알아야 합니다.진동은 평형점 주변에서 흔들림이 발생하는 기계적 현상입니다. 이러한 흔들림은 진자의 스윙처럼 주기적이거나 자갈길에서 타이어의 움직임과 같이 무작위일 수 있습니다.
진동이 바람직한 경우도 있습니다. 예를 들어, 소리는 공기의 진동이기 때문에 휴대전화가 올바르게 작동하도록 만듭니다. 그러나 진동은 에너지를 낭비하면서 원치 않는 변형과 소음을 발생시키는 경우가 더 많습니다. 예를 들어, 작동 중인 엔진, 전기 모터 및 기타 기계 장치의 대부분의 진동을 원하지 않습니다. 회전 부품의 불균형, 고르지 않은 마찰, 기어 톱니의 맞물림 및 기타 문제로 인해 진동이 발생할 수 있으며, 일반적으로 신중하게 설계 된 구조에서 최소화됩니다.

그림 1 절삭 공구의 진동
공작 기계, 가공물 및 공구는 완벽하게 단단하지는 않으며 절삭 부하로 인해 진동할 수 있습니다. 공작 기계, 가공물 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 채터링을 예측할 수 있어 절삭 성능이 향상됩니다.
가공 중 진동은 많은 부정적인 결과를 가져오며 그 중 가장 중요한 것은 다음과 같습니다:
- 절삭 인선에 불필요한 추가 마모가 발생하고, 마모를 제어하거나 예측할 수 없음(예: 절삭 인선이 부서지고 갈라짐)으로 인해 가공 신뢰성이 저하됩니다.
- 표면 조도가 저하되고 폐기하거나 재작업해야 하는 가공물이 증가합니다. 따라서 진동은 가공 시스템을 위험에 노출시키고 배송 시간 및 배송 안정성에 문제를 일으킬 수 있습니다.
- 앞서 설명한 진동의 두 가지 효과는 가공 경제성에도 나쁜 영향을 줍니다. ‘진동에는 비용이 듭니다’
- 진동은 에너지를 필요로 하기 때문에 에너지를 낭비하고 가공 작업자의 전문성에 도전합니다.
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그림 2 자유 진동
자유 진동은 초기에 가해진 힘이 기계 시스템에서 진동을 발생시킨 다음 자유롭게 진동할 때 발생합니다. 이것은 놀이터의 그네를 뒤로 당겼다가 놓을 때 일어나는 것과 비슷합니다. 그런 다음 기계 시스템은 1 이상의 ‘고유 주파수’에서 진동한 다음 0으로 감쇠합니다.
강제 진동은 시간에 따라 변하는 교란(부하, 변위 또는 속도)이 기계 시스템에 적용될 때 발생합니다. 방해는 주기적, 정상 상태로 가해지거나 또는 임의로 가해질 수 있습니다. 균형이 맞지 않는 세탁기가 흔들리거나 지진으로 건물이 흔들리는 것은 강제 진동의 예입니다.

그림 3 강제 진동 (f = 주파수, A = 진폭)
시스템의 주파수 반응은 강제 진동의 가장 중요한 특징 중 하나입니다. 공명 현상에서, 약간 감쇠된 시스템의 고유 주파수에 강제 주파수가 가까워지면 진동의 진폭이 극도로 높아질 수 있습니다. 시스템의 고유 주파수를 공진 주파수라고 합니다. 그네를 타고 아이를 밀 때 정확한 순간에 밀어야 그네가 점점 더 올라가고 큰 움직임에 많은 힘을 가할 필요가 없습니다. 오로지 시스템에 밀어주는 에너지를 계속 추가하기만 하면 됩니다. 로터 베어링 시스템에서 공진 주파수를 발생시키는 모든 회전 속도를 임계 속도라고 합니다.
기계 시스템의 공진(공명 진동)은 시스템 고장으로 이어질 수 있습니다. 결과적으로 진동 분석은 이러한 유형의 공진이 발생할 수 있는 시기를 예측하고 예방 조치를 결정해야 합니다. 추가적인 감쇠(댐핑)는 시스템의 강성 또는 질량을 변경하여 고유 주파수를 강제 주파수에서 멀리 떨어트려 진동의 크기를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 시스템을 변경할 수 없는 경우 강제 주파수를 변경 시킬 수도 있습니다(예: 힘을 생성하는 기계의 속도 변경).

그림 4 공명 진동(공진).
미세 진동에 대한 교육 영상을 확인하세요.
금속을 절삭하는 동일한 힘이 절삭 공구에도 작용합니다. 이러한 힘은 절삭 공구를 변형 및 휘게 하며 진동을 유발할 수 있습니다.

그림 5 절삭 부하와 낮은 공구 강도로 인해 금속 절삭 시 진동이 발생합니다.
절삭 부하의 동적 특성으로 인해 공명 진동(공진)이 발생할 수 있습니다. 가느다란 절삭 공구 또는 공작물, 지나치게 높은 절삭 부하, 감쇠 용량이 부족한 공구 또는 가공물 재료, 잘못된 절삭 방법 또는 부적절한 공구 형상이 진동의 위험을 증가시킵니다.
그림 6은 강 공구 홀더(직경 100mm 및 오버행 길이 500mm)를 보여줍니다.

그림 6 경우에 따라 동적 절삭 부하로 인해 공명 진동이 발생할 수 있습니다.
500N 의 절삭 부하는 25 µm 의 공구 편향을 유발합니다. 절삭 부하가 142Hz에서 사인파 패턴으로 변하면 정적 처짐(정 휨)보다 20배 더 큰 진폭으로 가변 처짐이 발생합니다. 이것이 공명 진동(공진)을 유발합니다.
절삭 인선에 절삭력이 미치는 주파수가 절삭 공구의 고유 진동수(공진 주파수)와 같을 때 공명 진동이 발생할 수 있습니다. 절삭 조건(밀링)의 변화, 강력하고 간헐적인 칩 파편 또는 소재 구조의 불규칙성이 이러한 상황을 유발할 수 있습니다(그림 7 참조).
가공 업계에서는 이런 공명 진동을 ‘채터chatter’ 라고 부릅니다. 채터 그 자체는 실제로 문제가 되지 않지만 일부 상황에서는 채터로 인해 제어할 수 없는 인선 마모 또는 불완전하게 가공된 표면 마감을 통해 공정 품질을 위험에 빠뜨릴 수 있습니다. 이러한 경우에는 절삭 조건을 변경이 채터링을 억제하는 가장 쉬운 방법이며, 그 다음으로는 공구 선택을 변경하는 방법이 있습니다.

그림 7 물질 구조의 불규칙성이 진동을 유발할 수 있음
위의 예에서 1단계는 소재의 불규칙성이 절삭 부하의 동적 구성요소를 생성하는 상황을 나타냅니다. 2단계에서 가공물 소재의 불규칙성이 칩 두께의 변화를 일으킵니다. 이로 인해 연속적인 동적 절삭 부하가 발생하며, 절삭 부하의 주파수가 공구의 고유 진동수에 가까워지면 공명 진동이 발생할 수 있습니다.
가공 중 진동 및 그 위험에 대한 분석은 공작 기계의 안정성을 고려해야 합니다. 공작 기계의 안정성은 무한하지 않으며 공작 기계 스핀들의 회전 속도(RPM)가 증가함에 따라 공구 안정성이 떨어집니다 (그림 8 참조).

그림 8 공작 기계의 안정 영역(Tlusty and Tobias).
일반적으로 공작 기계가 작동하는 RPM(분당 회전수)이 높을수록 진동의 위험이 커집니다. 하지만 특정 속도에서는 안정성이 증가합니다. 어떠한 절삭 공구에 대한 어떠한 RPM은 낮은 안정성 영역에 속하여 진동을 유발할 수 있으며, 이런 위험을 제거하려면 장비를 느리게 구동해야 합니다. 반대로, 또 다른 RPM은 높은 안정성 영역에 속하여 높은 절삭 조건을 유지할 수 있습니다. 특히 더 높은 RPM 가공 중에 진동을 방지하려면 속도를 신중하게 결정해야 합니다.
일반적인 역학에서 아래에 표시된 모델(그림 9)은 한 방향으로 고정하는 원통형 빔(예: 내경 선반 홀더, 밀링 커터, 드릴 등)의 휨(굽힘)을 결정합니다. 더 간단하고 일반적으로 설명하자면, 휨(굽힘) 또는 편향이 클수록 공명 진동을 비롯한 유해한 진동의 위험이 더 커지고 공구 휨(굽힘) 또는 편향이 감소하면 진동 위험이 줄어듭니다.

그림 9 한 방향으로 고정하는 사이드락 생크의 휨(굽힘), 힘 및 주요 치수 간의 관계.
이러한 관점에서, 진동 위험을 줄이려면 공구 변형 또는 휨(굽힘)을 최소화해야 합니다.
이것을 달성하는 방법은 여러 가지가 있습니다.
- 절삭 부하를 줄이거나 절삭 부하가 작용하는 방향을 바꾸세요(절입각KAPR 변경 등).
- 굽힘 저항성이 더 높은 튼튼한 공구로 변경하세요(공구 소재 변경, 조합 변경 등). 그림 10의 공식은 오버행 길이를 두 배로 늘리면 처짐이 8배 증가하는 반면 직경을 두 배로 키우면 처짐이 1/16로 감소한다는 것을 보여줍니다. 따라서 더 짧거나 더 두꺼운 공구로 변경하면 진동 위험이 줄어듭니다. 따라서 오버행 비율(L/D = 돌출 길이 또는 오버행을 직경으로 나눈 값)은 진동 위험을 쉽게 분석하기 위한 지표로 사용할 수 있습니다. 오버행 비율(공구의 돌출 길이 대비 직경의 비율)에 따른 일반적 특성:
- 오버행 비율 3 이하 : 일반적으로 진동이 발생하지 않습니다.
- 오버행 비율 6 이하 : 진동 발생 가능성이 있습니다.
- 오버행 비율 9 이하 : 진동 발생 가능성이 높습니다.
- 오버행 비율 9 초과 : 진동이 확실히 발생하며 기존 강 소재 공구로는 문제를 해결할 수 없는 경우가 많습니다.
- 더 단단한 소재의 공구로 변경하세요(초경, 헤비메탈, 댐핑홀더 등). 탄성 계수(E)는 주요 요소입니다. 예를 들어 강 소재의 홀더를 초경 소재의 홀더로 교체하면 최대 50%까지 처짐이 감소합니다. 이러한 방식은 테이퍼 툴링(공구 조합이 전체적으로 테이퍼 형상을 이루도록 툴링)과 병행할 수 있습니다.
오버행 비율을 사용하여 진동 위험을 예측하는 경우 신중하게 고려해야 할 점이 있습니다. 그림 9의 공식을 추가로 분석하면 그림 10과 같은 공식이 나오는데, 이 공식을 아래의 두 가지 예에 적용해보면 내용이 매우 명확해집니다. 먼저 오버행 길이가 200mm이고 직경이 Φ50mm인 공구의 오버행 비율은 4입니다. 그리고 길이가 100mm이고 직경이 Φ25mm인 공구도 오버행 비율이 4입니다. 이 두 공구 모두 진동 위험이 동일할까요? 위에서 예로 든 두 공구에 그림 10의 공식을 적용하면 두 번째 공구가 첫 번째 공구에 비해 굽힘(휨) 정도가 두 배가 되어 진동 위험도 두 배가 됨을 알 수 있습니다.
진동 위험이 높은 경우, 공구의 직경이 핵심 요소가 됩니다.

그림 10 오버행 길이와 직경에 대한 공구 굽힘(휨)의 상세한 공식
진동의 위험을 최소화하거나 피하기 위한 몇 가지 단계가 있습니다. 이 모든 단계를 활용하여 절삭 공구에 작용하는 절삭 부하의 크기 또는 방향을 변경하세요.
- 절입각(진입 각도, KAPR)을 90° 에 가까운 홀더로 변경하세요.
- 더 작은 코너 R(노즈 반경) 및/또는 더 날카로운 절삭날(더 날카로운 칩브레이커, 또는 포지티브 인서트로 변경)을 사용하세요.
- 절삭 깊이를 줄이고 이송을 늘리세요.
- 절삭 속도를 변경하세요.
- 더 나은 홀더 고정 방법(예: Seco-Capto세코 캡토 및 Seco Steadyline 스테디라인 댐핑 홀더 등)을 사용하세요.
밀링 가공에서는 첫 번째 조언(90°에 가까운 절입각 KAPR 사용)을 다르게 적용합니다. 선반 가공에서 결과적인 절삭 부하(절삭 저항의 합력)는 절삭날에 수직에 가까운 방향으로 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 공작 기계의 스핀들에는 스핀들이 움직이는 고정 기준점이 있습니다(그림 13).

그림 11 절삭 공구를 더 견고하게 고정(클램핑)하면 진동 위험이 감소합니다.
직각 밀링 커터(절입각 KAPR 90°)와 하이피드(고이송) 밀링 커터(절입각 KAPR 10~15° 등)를 비교하면 절삭 부하의 방향과 기준점 사이의 거리가 더 작아지므로 절삭 부하가 동일한 경우 진동의 위험은 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.
밀링 가공에서 진동 문제를 해결하려면 적절한 공구와 절삭 조건을 선택하여 절삭 부하의 크기와 방향을 변경하세요.
- 황목 피치(적은 날 수)의 밀링 커터를 선택하고 가능한 짧은 오버행으로 조립하세요.
- 포지티브 형상의 절삭날을 선택하십시오(포지티브 인서트 또는 더 날카로운 칩브레이커 등).
- 특히 Steadyline(스테디라인 댐핑 홀더)을 사용하는 경우 직경이 더 작은 밀링 커터를 선택하세요.
- 인서트의 코너 R(반경)을 작은 것으로 선택하세요.
- 코팅이 더 얇은 초경 재종을 선택하세요(PVD 코팅 등).
- 날 당 이송을 높이세요. 회전 속도(또는 절삭 속도)는 약간 줄이고 테이블 이송(분 당 이송)은 그대로 유지하여 날 당 이송을 더 높이세요. 진동이 발생하는 경우 날 당 이송을 줄이지 마세요.
- 축 방향 절삭 깊이(Ap) 및 반경 방향 절삭 폭(Ae)를 줄이세요.
- 안정적인 밀링 커터 클램핑 시스템을 사용하세요. 모듈식 커터 시스템(콤비마스터 등)을 사용하는 경우 가능한 가장 큰 연결부 크기를 사용하세요. 공구 조합이 전체적으로 테이퍼 형상을 이루도록 툴링하세요(테이퍼 툴링).
- 밀링 커터의 포지션을 가공물의 중앙에 놓으세요. 상향 밀링으로 적용하세요(상황에 따라).
공구 제조사에서 권장하는 정상 이송 및 절삭 속도로 시작하세요. 진동이 발생하면 다음과 같이 점차적으로 변경하세요:
- 이송을 높이세요.
- 회전 속도(RPM)를 높이세요.
- 회전 속도(RPM)를 줄이세요.
- 진동이 사라지거나 적어도 최소화될 때까지 이송을 줄이세요.
아래의 단계들은 선반 가공 결과에 영향을 미칩니다. 진동 문제 해결을 위한 체크리스트로 사용하세요.
- 안정성과 강성을 극대화하려면 기본 툴링 시스템과 치수를 선택하세요. 가능한 한 짧은 오버행을 유지하도록 공구를 고정하세요. 이렇게 하면 도구의 고유 진동수가 더 높아지고 편향이 줄어들어 진동이 발생하더라도 최소화 되거나 감쇠(댐핑)하기가 더 쉽습니다.
- 인서트 유형과 크기, 그리고 코너 R(노즈 반경)을 신중하게 선택하세요. 인서트 코너 R(노즈 반경)은 가능한 가장 작고, 가급적 절삭 깊이보다 작은 크기로 선택하여 배분력(passive cutting force)을 줄이세요. 절삭 깊이를 제한하면 공구 처짐을 최소화하고 가공물에 대한 정확한 가공 공차를 얻을 수 있습니다. 진동이 발생할 가능성이 있는 경우 코너 각도가 작은 인서트 형상(T-60° 또는 D-55°)을 선택하여 경절삭 형상과 인선 강도 사이의 밸런스를 맞추세요.
- 날카로운 인서트 형상과 칩브레이커를 선택하면 절삭이 쉽게 되고 공구 변형이 최소화됩니다. 주의 : 날카로운 절삭날은 약하다는 단점이 있고, 적절한 칩 브레이킹이 필요합니다.
- 인성이 더 높은(무른) 초경 재종과 더 날카로운 형상(또는 칩브레이커)의 인서트를 선택하세요. 그러나 이렇게 하면 절삭 인선의 강도가 약해서 조기에 치핑이 발생하거나 파손될 수 있습니다. 인선의 안정성과 공구 수명을 늘리려면, 공구 소재(또는 재종)를 인성이 더 높은 것으로 변경하여 약한 형상을 보완하세요.
- 절삭 조건을 신중하게 선택하여 절삭 깊이를 최소화 하세요. 심각한 진동 위험이 있는 경우, 이송은 최소한 인서트 코너 R(노즈 반경)의 25% 이상으로 적용하세요. 공작 기계 안정성이 낮은 RPM 영역에서 작업하지 않도록 절삭 속도를 검토하세요.
아래의 단계는 보링의 결과물에 영향을 줍니다. 진동 문제 해결을 위한 체크리스트로 사용하세요.
- 오버행 비율을 확인하고 필요에 따라 공구 조합을 변경하세요. 직경이 더 큰 공구로 변경할 수 있습니까? 테이퍼 형상의 공구, 또는 조합이 가능합니까? 다양한 직경으로 모듈식 공구를 조합해도 되는 환경입니까?
- 가능한 최고의 도구 클램핑(Seco-Capto세코 캡토)을 사용하세요.
- 절삭 인선을 센터 높이에 맞추세요.
- 포지티브 형상과 작은 코너 R(반경)을 가진 인서트(또는 칩브레이커)를 선택하세요. 코팅이 더 얇은 초경 재종을 선택하세요(PVD 코팅 등).
- 인서트 유형과 크기, 그리고 코너 R(노즈 반경)을 신중하게 선택하세요. 인서트 코너 R(노즈 반경)은 가능한 가장 작고, 가급적 절삭 깊이보다 작은 크기로 선택하여 배분력(passive cutting force)을 줄이세요. 절삭 깊이를 제한하면 공구 처짐을 최소화하고 가공물에 대한 정확한 가공 공차를 얻을 수 있습니다. 진동이 발생할 가능성이 있는 경우 코너 각도가 작은 인서트 형상(T-60° 또는 D-55°)을 선택하여 경절삭 형상과 인선 강도 사이의 밸런스를 맞추세요.
- 날카로운 인서트 형상과 칩브레이커를 선택하면 절삭이 쉽게 되고 공구 변형이 최소화됩니다. 주의 : 날카로운 절삭날은 약하다는 단점이 있고, 적절한 칩 브레이킹이 필요합니다.
- 인성이 더 높은(무른) 초경 재종과 더 날카로운 형상(또는 칩브레이커)의 인서트를 선택하세요. 그러나 이렇게 하면 절삭 인선의 강도가 약해서 조기에 치핑이 발생하거나 파손될 수 있습니다. 인선의 안정성과 공구 수명을 늘리려면, 공구 소재(또는 재종)를 인성이 더 높은 것으로 변경하여 약한 형상을 보완하세요.
- 절삭 조건을 신중하게 선택하여 절삭 깊이를 최소화 하세요. 심각한 진동 위험이 있는 경우, 이송은 최소한 인서트 코너 R(노즈 반경)의 25% 이상으로 적용하세요. 공작 기계 안정성이 낮은 RPM 영역에서 작업하지 않도록 절삭 속도를 검토하세요.
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