선반 가공 중 진동 제거를 위한 효과적인 전략

선반 가공에서 흔한 결함 중 하나는 진동입니다. 선반이 진동하면 공정 시스템의 정상적인 절삭 공정이 교란되고 파괴되어 가공 표면 품질을 심각하게 악화시킬 뿐만 아니라 공작기계와 절삭 공구의 수명을 단축시킵니다. 따라서 공작기계에서 발생하는 진동을 줄이거나 제거하기 위한 조치를 취할 필요가 있습니다.

오늘은 주로 가공 과정에서 공작물 시스템과 공구대 시스템의 변형으로 인한 저주파 진동의 원인과 제거 대책을 소개합니다.

01 저주파 진동의 주요 특징

공작기계의 회전 부품과 전달 시스템의 진동을 제거한 후, 선반 진동의 주요 유형은 선반 속도에 따라 변하지 않는 자진동입니다.

저주파 진동의 주요 특징은 다음과 같습니다:

• 낮은 진동 주파수(50~300Hz), 진동 시 낮은 소음
• 공작물 절삭 표면에 남는 자국이 깊고 넓음
• 진동이 심해 공작기계 부품(심압대, 공구대 등)이 풀리거나 초경 블레이드가 파손되는 경우가 많음

02 저주파 진동의 원인

선반에서 저주파 진동 발생 시 공작물 시스템과 공구대 시스템이 보통 진동합니다(대부분 공작물 시스템 진동이 크고 주도적 역할). 이들은 때로는 서로 멀어지고 때로는 접근하며, 크기가 같고 방향이 반대인 힘과 반력을 생성합니다. 진동 과정에서 공작물과 공구가 멀어질 때 절삭력 F는 공작물 변위와 같은 방향으로 분리되어 양의 일을 합니다. 공작물이 공구에 접근할 때 접근하는 절삭력 F가 하는 일은 음수입니다.

선반 가공 중:

• 칩과 공구 경사면 사이의 마찰
• 공구가 공작물에 절입하고 빠져나갈 때 만나는 금속의 경화 정도가 다름
• 진동 과정에서 공구의 실제 기하학적 각도가 주기적으로 변화
• 진동 중 공구가 공작물에 대한 상대 운동 경로가 타원이어서 절삭 단면이 주기적으로 변화
• 이전 회전 시 공작물 진동으로 남겨진 자국이 절삭 단면의 주기적 변화를 유발

이 다섯 가지 조건은 절삭력의 주기적 변화를 일으켜 f 위상 거리 > f 접근이 되게 합니다. 이렇게 하면 각 진동 주기에서 절삭력이 공작물(또는 공구)에 하는 양의 일이 항상 음의 일보다 커서 공작물(또는 공구)이 에너지 보충을 얻고 자진동을 발생시킵니다.

03 저주파 진동 제거 대책

(1) 저주파 진동에서 진동은 주로 Y 방향 진동으로 인한 절삭력 변화로 f 위상 거리 > f 접근이 되어 진동이 발생합니다.

주로 다음 5가지 대책을 취합니다.

① 공구 주 편각(μ, R 각도)이 클수록 FY 힘이 작아지고 진동 발생 가능성이 적습니다. 따라서 공구 주 편각을 적절히 증가시켜 진동을 제거하거나 줄입니다.

② 공구 경사각을 적절히 증가시키면 FY 힘을 줄이고 진동을 감소시킬 수 있습니다.

③ 공구 후퇴각이 너무 크거나 날 너무 날카로우면 공구가 공작물에 '물리기' 쉬워 진동이 발생하기 쉽습니다. 공구를 적절히 패시베이션하면 후퇴면이 공구가 공작물에 '물리는' 것을 방지하여 진동을 줄이거나 제거할 수 있습니다.

④ 선반 가공 시 공구 팁 위치가 너무 낮으면(공작물 중심보다 낮음) 또는 선반에서 보링 시 공구 팁 위치가 너무 높으면 공구 팁의 실제 경사각이 감소하고 후퇴각이 증가하여 진동이 발생하기 쉽습니다.

⑤ 공구대 시스템에 음의 강성이 있으면 공작물에 '물리기' 쉬워 진동이 발생합니다. 따라서 선반에서 공구대 시스템의 음의 강성으로 인한 진동은 가능한 한 피해야 합니다.

(2) 선반 가공 과정에서 넓고 얇은 칩이 생성될 때 Y 방향 진동이 절삭력의 변화를 일으킵니다. 절삭 단면이 넓고 얇으면 Y 방향 진동으로 절삭 단면과 절삭력이 급격히 변합니다. 따라서 이 경우 진동이 쉽게 발생합니다. 예를 들어 종방향 커터로 선반 가공 시 절삭 깊이가 클수록, 이송량이 클수록, 주 편각이 작을수록 절삭 단면이 더 넓고 얇아져 진동이 더 쉽게 발생합니다. 따라서 선반 속도 선택 시 절삭력이 속도와 함께 감소하는 중속 영역(탄소강 절삭 시 속도 범위 30~50m/min)을 피하고, 동시에 캐리지의 절삭력을 줄이고, 이송량을 적절히 늘리고 절삭 깊이를 줄이는 것도 진동 억제에 도움이 됩니다.

(3) 공작물 시스템과 공구대 시스템의 강성 부족이 저주파 진동의 주요 원인입니다. 다음 조치를 취하여 진동을 제거하거나 줄일 수 있습니다:

① 삼각 또는 사각 척으로 공작물 클램핑 시 공작물 회전 중심과 주축 회전 중심 간 동심도 오차를 최소화하고, 공작물 기울기로 인한 간헐적 절삭 또는 불균등 절삭으로 인한 절삭력의 주기적 변화로 인한 진동을 피합니다.

② 변형, 굽힘, 진동하기 쉬운 가늘고 긴 공작물 가공 시 탄성 센터와 보조 지지를 사용하고, 냉각수를 추가하여 공작물을 냉각시켜 열팽창 변형을 줄입니다.

③ 공작물 클램핑 시 공작물을 너무 길게 연장하지 마십시오. 강성이 부족한 공작물에는 합리적인 센터 프레임, 공구 받침대, 센터 등 보조 지지를 사용하여 공작물 강성을 높입니다.

④ 센터 사용 시 센터와 센터의 테이퍼 홀이 잘 맞아야 하며, 너무 큰 잭킹 힘으로 공작물이 굽혀지거나 너무 작은 잭킹 힘으로 공작물이 흔들리는 것을 피하고, 심압대 슬리브의 돌출이 너무 길지 않도록 주의해야 합니다.

⑤ 공작기계 주축 베어링 클리어런스는 회전 정밀도와 주축 강성에 직접 영향을 미칩니다. 사용 중 베어링 마모로 인해 클리어런스가 너무 크고 강성이 부족하면 베어링 클리어런스를 조정하고 예압을 가해 공작물 시스템 강성을 높여 진동을 제거해야 합니다.

⑥ 중안장과 대안장, 소공구대와 중안장 사이의 도브테일 가이드 레일 접촉을 정기적으로 확인하고, 경사 끼움을 조정하여 적절한 간격을 유지하여 공구대 이동 시 크롤링으로 인한 공구대 시스템 진동을 방지합니다.

⑦ 사각 공구대를 회전시켜 공구가 필요한 위치로 향할 때마다 사각 공구대를 눌러 고정하여 사각 공구대가 풀려 공구대 시스템 강성이 감소하고 진동이 발생하는 것을 방지합니다.