공작기계 채터(Chatter) 특성

 

절삭과정이 공작기계 채터(Chatter) 특성에 미치는 영향과 채터진동 억제 대책

 

 

1. 개요

 

공작기계의 강성이 제품의 치수 정확도와 표면정도에 중요한 영향을 주고 있다. 강성이 부족한 공작기계의 사용이 제품 품질과 절삭 작업에 끼치는 악영향에 대하여 설명 하고자 한다.

 

 

2. 진동(Vibration)과 채터(Chatter)의 결과

 

적절히 통제되지 못한 진동과 채터(Chatter)는 다음과 같은 결과를 초래한다.

 

  1) 표면 정도가 불량해 진다.

  2) 치수 정확도가 저하 된다.

  3) 마멸과 치핑이 촉진되어 절삭공구가 조기에 파손된다.

      ( 초경, 세라믹, 다이야몬드 등 취성이 큰 공구가 심하다.)

  4) 과다한 진동은 공작 기계의 부품에 손상을 준다.

  5) 신경에 거슬리는 고주파수의 소음을 발생한다.(삐---하는 소리)

 

 

3. 진동의 형태와 대책

 

절삭 작업에 관계되는 진동과 채터는 매우 복잡한 현상임이 밝혀졌다. 그러나 기본적으로는 강제진동 (Forced Vibration) 과 자려진동(Self-Excited Vibration)의 두가지 형태로 나눌 수 있다.

 

  1) 강제 진동(Forced Vibration)

 

     ① 일반적으로 공작 기계에 주기적으로 가해지는 어떤 힘에 의해 야기된다. 즉 공작기계의 구성 요소들의
         불균형이나 스프라인, 키이 등이 설치된 기계에서 절삭 공구에 걸리는 힘이 주기적으로 변하는 것도
         강제 진동의 원인이 된다.

     ② 대책:

       ⓐ위와 같은 근본 원인을 제거 하거나 격리한다.

       ⓑ만약 작용의 진동수와 공작 기계의 진동 시스템 고유 진동수가 같거나 비슷할 경우 공진 현상

          이 발생한다. 이러한 경우 진폭을 줄이기 위하여 강성이나 감쇠능을 증대 시킨다.

      ⓒ일반적으로 절삭 공정 변수가 강제 진동에 크게 영향을 미치지는 않으나 절삭속도와 공구형상

의 변화가 진동 억제에 도움이 될 수 있다.

 

2) 자려진동(Self-Excited Vibration)--통상 채터(Chatter)

 

     ① 원인 : 주로 절삭 과정에서 공작 기계 및 공구와 칩 사이의 상호 작용에 의해 야기 되며

        일반적으로 매우 큰 진폭을 갖는다.

 그 원인으로는

       ⓐ 공작물 재료의 불균질성

       ⓑ 공작물 표면 상태의 불균일성

       ⓒ 생성되는 칩 형태의 변화

       ⓓ 절삭유의 성능 저하

       ⓔ 공작물과 칩 접촉면에서 마찰 상태의 변화 등이 있다.

     ② 재생채터 : 재생채터는 기계 가공에서 가장 중요한 자려 진동의 하나로 이전 절삭에서 남은

         진동 흔적과 같이 어떤 거칠기를 가진 표면을 절삭 할 때 절삭 깊이 변화에 따른 절삭력의

         변동으로 같은 진동이 야기 되며 그 결과로 다시 진동 흔적이 남는다. 이 채터는 후속 작업에

         계속 영향을 미치므로 재생채터라 한다.

     ③ 대책 :

       ⓐ 시스템의 동적 강도 및 감쇠능을 증대시킴에 의해 억제 시킬 수 있다.

       ⓑ 공작기계는 각진동수 마다 상이한 강성을 가지므로 절삭 속도와 같은 공정 변수는 채터에

           영향을 줄 수 있으므로 변경 하여 본다

 

 

 

4. 감쇠(Damping)

 

감쇠란 진동이 소멸되어 가는 현상을 말하며 감쇠능이 크다는 말도 진동이 소멸되는 속도가 크다는 것을 의미한다. 감쇠는 공작기계의 진동과 채터의 억제에 중요한 역할을 한다.

 

1) 감쇠의 종류

 

① 재료 내부의 감쇠

재료 자체의 고유 성질이며 회주철은 강보다 크나 복합 재료보다 작다.

재료에 따른 감쇠능은 망치로 두들겨 소리를 들어보면 알수있다 강, 콘크리터, 목재 등의 차이

② 공작 기계 채결부 감쇠

내부 감쇠보다 덜 중요 하지만 모든 연결 부분이 마찰 에너지를 소산 시키는 작용을 하므로

감쇠능을 증대 시키는 역할을 한다

③ 외부 감쇠

자동차의 완충기 같이 별도로 설치된 댐퍼에 의한 감쇠 작용을 말한다.

 

 

5. 채터(Chatter)에 영향을 주는 인자들

 

채터(Chatter)가 발생할 확률은 절삭력과 절삭 깊이, 절삭폭의 크기에 비례함이 연구 결과 밝혀졌다.

 

1) 절삭력

 

경도가 큰 공작물은 일반적으로 절삭력이 증가 하므로 채터 발생이 쉽다. 알류미늄, 마그네슘, 마르텐사이트, 석출 경화 스테일레스강 등이 특히 채터 발생 확률이 높다

 

2) 칩의 형태

 

연속형 칩이 생성되는 경우보다 불연속형칩, 톱니형칩이 절삭력 변화가 크고 채터가 발생할 가능성이 크다.