연삭 가공에서 진동 유발 물결 무늬 해결하기

생산 연삭 작업에서 부품 표면의 물결 무늬(waviness)는 기계나 공정에 진동 문제가 생겼다는 잠재적 단서입니다. 이 효과는 검사에서 발견되거나, 래핑이나 폴리싱 단계가 있다면 파동 제거에 소요되는 시간이 늘어나는 것으로 나타날 수 있습니다. Norton 연삭숫돌 제조사 Saint-Gobain Abrasives에 따르면, 이 시점에서 공장은 거의 항상 공정에 간단한 변경을 가해 진동 문제를 해결하려 시도합니다. 그리고 그 간단한 변경이 꽤 좋은 접근법일 수 있습니다.

실제로 표면의 그런 파동은 흔히 채터(chatter)라고 불리며, 적절한 해결책을 가리킬 수 있습니다. 예를 들어 평면 연삭기에서 가공된 부품의 경우, 진동 주파수(분당 사이클)는 작업 속도(분당 인치)를 두 연속된 채터 자국 사이의 거리(인치)로 나눈 값과 같습니다. 이 관계로 진동 주파수를 찾아 연삭 스핀들의 회전 속도와 일치하면, 연삭숫돌, 휠 플랜지 또는 연삭 스핀들이 유력한 원인입니다. 휠을 교체하거나 플랜지 볼트를 조이거나 속도를 변경하는 것만으로도 진동 문제를 치유하거나 제어하기에 충분할 수 있습니다.

하지만 다른 경우(기계의 다른 부품 관련이거나 시스템의 고유 주파수 관련)에는 간단한 해결책만으로는 문제를 충분히 해결할 수 없습니다. 이런 경우 최선의 대응은 기계를 수리하여 진동이 공작물에 영향을 주게 만드는 고장 난 기계 요소를 고치는 것입니다. 하지만 수리에는 시간이 걸리고 기계를 생산에서 빼야 합니다. 당분간 기계를 계속 가동해야 하는 공장을 위해, 연구자들은 생산성을 저해하지 않고 기계를 세우지 않으면서도 진동의 영향을 극복하는 공정을 입증했습니다.

다음 내용은 Saint-Gobain 기업 응용 엔지니어 John Hagan과 Mark Martin이 쓴 '접촉 길이 필터링(contact-length filtering)' 기법에 관한 논문에서 파생되었습니다. 작업 이송 속도를 줄이면서 절입 깊이를 늘리면, 전반적인 생산성에 순영향 없이 심각한 진동의 영향을 제거할 수 있습니다.

큰 휠-대-작업 비율

접촉 길이 필터링의 목적은 휠-대-작업 접촉 길이를 진동에 의해 영향을 받는 표면 파장에 비해 매우 크게 만드는 것입니다. 전자가 후자에 비해 충분히 높으면, 진동이 여전히 발생함에도 불구하고 휠이 공작물에서 진동 관련 피크를 효과적으로 제거해 표면을 매끄럽게 만듭니다. 절입 깊이를 이송 속도 감소 배수와 같은 배수로 늘리면 재료 제거율(따라서 생산성)을 동일하게 유지할 수 있습니다.

절입 깊이가 접촉 길이를 제어합니다. 당연히 접촉 길이 증가는 소재 번인, 공작물 처짐 등 불리한 효과를 피해야 합니다. 휠의 절입 깊이는 표준 절삭 조건에 비해 깊지만 여전히 이런 악영향을 피하는 수준으로 증가시킵니다.

한편 이송 속도(작업 속도)는 부품의 진동 자국 파장을 제어합니다. 더 느린 작업 속도는 파장을 단축시킵니다.

접촉 길이 필터링은 휠-대-작업 접촉 길이의 2배가 채터 또는 표면 물결의 파장을 초과하기 시작할 때 매끄러운 표면을 달성합니다. 즉, 채터 진폭 감소에 필요한 조건은...

2 × 접촉 길이 (lc) ≥ 채터 파장 (λchatter)

...여기서 위 두 수치가 접촉 길이(lc)와 채터 파장(λchatter)을 정의합니다.

연구자들은 이 기법이 항상 작동하지 않는다고 말합니다. 모든 공정에서 진동 파장을 충분히 낮추거나 접촉 길이를 충분히 높이는 것이 가능하지 않을 수 있습니다. 이런 경우 남아있는 유일한 해결책은 어차피 수행해야 할 것, 즉 진동의 근본 원인을 식별하고 수정하는 데 시간을 들이는 것입니다. 사이드바에서 극심한 진동에도 불구하고 접촉 길이 필터링이 매끄러운 표면 가공에 효과적이었던 사례를 참조하십시오.

이 기사는 Modern Machine Shop 편집장 Peter Zelinski가 작성했으며 2018년 12월호에 처음 게재되었습니다. 허가를 받아 재생산되었습니다.