다아라 매거진 _ 2017.09

기술뉴스

[Tech TrendsⅠ]절삭력 변화에 따른 진동과 공구 떨림, 표면조도 저하

절삭 변수 줄여 진동 최소화하면 생산성↓ 생산원가↑

[Tech TrendsⅠ]절삭력 변화에 따른 진동과 공구 떨림, 표면조도 저하 - 다아라매거진 기술뉴스

금속 절삭 작업에서 발생하는 진동을 컨트롤하지 못하면 여러 가지 문제가 발생한다. 절삭 공정에 따라 절삭력의 변화로 진동과 공구 떨림이 발생하고 이로 인해 부품 표면조도가 저하되며, 절삭 공구의 마모 혹은 파손이 빨라져 장비 부품이 손상되기도 한다. 제품 디자인 트렌드가 진동을 유발하기도 한다. 제조업체들은 제품 강도를 높이고 어셈블리 비용 절감을 위해 일체형 피삭재로 부품을 가공하는 경우가 많아지고 있다.


부품 내부 형상을 가공하는 데에는 깊은 캐비티에 도달하는 공구가 필요하고 이에 따라 길어진 공구 길이는 진동을 악화시킨다. 절삭 변수를 줄여 진동을 최소화하면 생산성이 줄어들고 생산원가가 늘어나게 된다. 진동 제어를 위한 다양한 접근 방식 중 기본적인 것은 패시브/동적 시스템으로 진동이 확산돼 가공 공정을 방해하기 전에 이를 흡수하는 동조 질량 댐퍼(tuned-mass damper) 컨셉을 이용한다.
진동은 모든 산업 부문에서 심각한 문제로 인식되고 있다. 반복적인 작동 및/또는 외부 응력으로 인한 동조 운동은 기계, 건물 또는 교각 내 공명을 일으켜 위험한 수준으로 커질 수 있다.

제조업체와 건설업체는 동조 질량 댐퍼 개념을 적용해 진동을 극복하는 경우가 많다. 질량 동조 댐퍼는 기계 또는 구조 내부에 매다는 장치로, 불필요한 진동으로 인한 공명을 없애고 에너지를 흡수하며 떨림 동작을 최소화한다.


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금속 절삭으로 인한 진동
금속 절삭에서는 칩을 만들 때 변화하는 응력이 진동을 발생시킨다. 단속 응력은 밀링의 절삭 공정에서 두드러지게 나타나며, 선삭 작업에서 칩이 형성되고 절단되면서 툴 홀더 바에 주기적으로 부하가 생겼다 안생겼다 할 때에도 나타난다.

금속 절삭에서 진동을 제어하기 위한 패시브 접근 방식 중 하나는 가공 시스템 구성 요소의 강성을 극대화하는 것이다. 원치 않는 동작을 제한하려면 더 크고 무거우며, 콘크리트 또는 기타 진동 흡수 재질로 채워진 단단한 구조적 요소로 제작한 머신툴을 사용하는 것이 좋다.

피삭재의 관점에서 얇은 부품과 부분적으로 지지력이 부족한 부품은 가공 시 진동을 일으키기 쉽다. 부품을 재설계해 강성을 개선할 경우 어느 정도 효과를 볼 수 있으나, 설계 변경 시 무게가 증가하고 제품의 성능이 저하될 수 있다.
절삭 공구의 진동을 제어하는 패시브 접근 방식 중에는 짧고 단단한 공구를 사용하고 강으로 된 툴 홀더를 견고한 초경으로 교체하는 방법도 있다.

공구의 진동 제어를 위한 패시브/동적 접근 방식 중 하나는 동조 질량댐퍼의 개념을 적용하는 것이다. Seco의 Steadyline 시스템은 고밀도 재질(전체 치수를 최소화)의 질량 댐퍼로 구성된 사전 동조 진동 댐퍼를 반경방향 흡수 부분을 거치도록 툴 홀더 바 내부에 장치해 절삭 공구에서 바 바디로 전달된 진동을 즉시 흡수한다.

패시브/동적 시스템 작동 원리
Steadyline 동적/패시브 진동 제어 시스템의 작동 원리를 보면 기존 모노블록 툴 홀더의 진동 관련 속성은 질량(M1), 강성(K1), 고유의 댐핑 특성(K´1)이며 이들 속성을 MKK´시스템으로 그룹화했다. 작업 시 절삭력 Fe는 홀더의 운동(진동)을 발생시킨다.

Steadyline 시스템을 구현하면 질량 M2, 강성 K12, 밀도 K´12의 두 번째 MKK´ 시스템 속성이 추가된다. MKK´ 시스템 S2는 본래의 MKK´ 시스템과 고유 주파수가 동일하며, 원치 않는 진동이 발생할 경우 이상 공명을 일으켜 에너지를 흡수하고 진동 동작을 감쇠시킨다.

Steadyline 시스템에서 진동 흡수 질량계는 공구 휨 확률이 가장 높고 절삭 인선에서 바의 바디로 진동이 전달될 때 질량계가 이를 즉시 댐핑할 수 있도록 바 전면에 배치된다. 또한, Steadyline 시스템에는 짧고 작은 GL 절삭 공구 헤드가 포함돼 절삭 인선을 댐핑 질량계에 가까이 배치함으로써 진동 흡수 효과를 극대화한다. 이 시스템은 다양한 적용 영역에 맞춰 조정 가능하며 밀링(윤곽가공, 포켓 가공, 슬로팅), 선삭, 황삭 및 정삭 보링 작업에 가장 유용하다.

Steadyline 시스템의 효과를 보여주는 좋은 예는 까다로운 42CrMo4 강 보링 작업으로 3mm의 절삭 깊이가 0mm까지 줄어드는 5개의 황삭 경로에서 원통형 105.8mm 보어를 원뿔형 129mm 보어로 확대한 예이다.

바 직경 80mm, 초기 절삭 길이가 600mm로 연장된 공구 길이 대 직경 비율이 7.5였다. 황삭 작업은 이송 0.3mm/rev에 절삭 속도 157m/min로 수행됐다. 최종 직경 130mm의 예비 정삭은 절삭 깊이 0.5mm, 이송 0.2mm/rev, 절삭 속도 200m/min로 진행됐다. 피삭재의 양이 많아 Steadyline 바의 회전 속도를 완전히 활용하지는 못했으나, Steadyline 패시브/동적 진동 제어 시스템을 사용함으로써 작업의 가공 시간이 12시간에서 2시간으로(80% 이상) 단축됐다.

사이드 밀링 작업 시 Steadyline 시스템의 이점을 잘 보여주는 예는 1.1206 CK50 강소재를 Combimaster 밀링 커터 홀더(패시브/동적 진동 제어 기능 없음)를 사용해 커터 직경 20mm 커터, 속도 312m/min, 이송 0.3mm/tooth, 절삭 깊이 0.9mm로 적용한 예이다. Steadyline 시스템을 채택한 동일한 공구 버전을 비댐핑 버전과 동일한 절삭 및 이송 속도로 적용했더니 원치 않는 진동 없이 절삭 깊이를 2.2mm까지(2.3배 증가) 늘릴 수 있었다.

패시브/동적 진동 제어 시스템을 사용할 가능성이 높은 후보는 석유 및 가스 장비 생산업체, 발전 및 우주항공 고객이다.

이러한 산업 부문은 주기적으로 긴 길이의 공구가 필요한 복잡한 대형 부품을 다뤄야 하기 때문이다. 또한 각 부품이 보통 가공하기 어려운 단단한 합금으로 제작되기 때문에 진동이 생기는 높은 절삭력을 발생시킨다. 그러나 어떤 제조업체든 Steadyline 툴링의 댐핑 기능으로 기능 확장, 생산성 개선, 비용 절감이 가능한 적용 분야가 있다는 점은 확실하다.

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선삭 공구 시스템은 선삭 및 보링에 사용할 수 있으며 32mm, 40mm, 50mm, 60mm, 80mm와 2.5" 및 3.0" 사이즈를 포함한 7개의 샹크 직경이 있다.

각 직경에 6xD, 8xD, 10xD의 3가지 공구 길이와 다양한 기계 연결부로 제공된다. 여기에는 32~80mm의 원통형 샹크와 Seco-Capto, HSK-T/A가 포함된다.

직경 50mm 이하의 바는 정확한 폴리로브 기반의 연결부를 통해 작은 GL 절삭 공구에 직접 연결해 빠르고 편리한 너트 시스템으로 고정할 수 있다.

직경 60mm 이상의 바는 BA 연결부가 있어 4개의 Graflex 스크류로 잠기며 0˚/180˚ 배치가 가능하다. 이러한 대형 바는 BA-to-GL 어댑터와 소형 GL50 절삭 공구 헤드를 사용해 선삭에 활용할 수 있으며, 맞춤형 툴링으로 제공되는 BA 보링 헤드를 사용할 경우 보링도 가능하다.

GL 헤드는 황삭 및 정삭 보링 가공, 우승수 및 좌승수 절삭 버전의 선삭 가공에 사용할 수 있다. 황삭용으로 네거티브 인서트, 정삭용으로 포지티브 인서트가 제공되며 나사 가공, 홈 가공 및 절단용 인서트도 있다.

Seco는 다양한 표준 공구 뿐만 아니라 특수 가공용의 다날 인선 바, 아주 긴 바(2m 이상)와 같은 맞춤형 문제 해결 솔루션도 제공한다.

밀링용 Steadyline 진동 제어 구성품은 20~40mm 직경용 Combimaster 교체형 헤드 밀링 커터 및 40~160mm 직경의 커터용 셸 밀 홀더로 제공된다. Combimaster와 셸 밀 버전은 모두 다양한 스타일의 인서트와 함께 직각, 카피, 엔드, 페이스, 플랜지, 디스크 밀링과 윤곽가공 및 나선 보간 램핑에 사용할 수 있다. 원뿔형으로 강화된 원통형 형상의 공구 바디는 고강도 밀링 가공에서 우수한 정적 및 동적 안정성을 제공한다. Seco-Capto, HSK-A, BT, CAT, DIN(테이퍼 페이스 버전 포함) 기계 연결부가 밀링 홀더용으로 제공된다.
밀링 가공을 위한 맞춤형 툴링으로 Shrinkfit 클램핑과 특수 콜렛 등의 특별 부품도 제공된다.

Steadyline 공구는 기본적으로 별도의 준비 작업 없이 내장된 댐핑 시스템을 즉시 사용할 수 있는 ‘플러그 앤 플레이’ 방식이다. 최고의 결과를 얻으려면 중간 익스텐션이나 리덕션없이 기계에 직접 장착해야 한다.

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기계에 공구를 장착할 때는 단단한 동시 페이스 및 테이퍼 접촉면과 높은 굽힘 저항으로 절삭 인선의 정확한 배치를 극대화하는 Seco-Capto 시스템을 사용하는 것이 좋다. Seco-Capto를 사용할 수 없을 때는 원통형 바를 스플릿 보링 바 홀더에 클램핑하고 바에서 두 번째 줄에 해당하는 4xD에 삽입한다.

Steadyline 툴링으로 가공할 때는 몇 가지 특수 사항을 고려해야 한다.

기존의 바를 패시브/동적 Steadyline 유닛으로 즉시 교체할 경우에는 충분한 진동이 발생할 정도로 절삭 조건을 늘려 시스템의 댐핑 기능을 완전히 작동시켜야 한다.

또한, 오버행이 길 경우 바가 휠수는 있지만 진동없이 프로그래밍한 것보다 작은 직경을 만들어낼 수 있다. 작업을 3회의 가벼운 절삭으로 나누면 휨 없이 프로그래밍한 직경으로 생산할 수 있다. 칩이 정확하게 배출되려면 바 직경에 비해 최소 가공 직경을 충분히 크게 잡는 것이 중요하다. 특히 깊고 작은 홀의 경우 반드시 칩 배출을 고려해야 한다. 칩 배출을 돕고 온도에 민감한 바로의 열 전달을 최소화하는 데는 절삭유를 사용하는 것이 효과적이다.

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