분석: 채터링을 제거하기 위해 비대칭 피치 톱니 사용

Chatter는 밀링에서 비용이 많이 들고 지속적인 문제입니다. 채터링 진동의 영향은 공구를 손상시키고, 공작물을 폐기시키며, 심지어 공작 기계를 손상시킬 만큼 커질 수 있습니다. 설상가상으로, 채터링 위험으로 인해 공작 기계 작업자가 처리 매개변수 선택에 너무 보수적이어서 기계 성능이 이를 최대한 활용하지 못하게 될 수 있습니다. 일반적으로 공작기계의 처리 능력은 절반 또는 일부만 사용됩니다.

플러터(Flutter)는 자려진동의 일종으로 스핀들 모터에서 안정적으로 입력된 에너지가 일정한 메커니즘을 통해 진동으로 변환되는 것을 의미합니다. 공작기계 진동의 주요 메커니즘은 진동파의 포지티브 피드백 증폭입니다. 기본적으로 가공 시스템(공구 및 공작물 포함)의 동적 강성이 부족합니다. 커터 톱니가 공작물을 절단하면 진동이 발생하고 진동하는 커터 톱니가 공작물 표면에 잔물결을 형성합니다. 다음 톱니가 주름진 표면과 접촉하면 표면 주름으로 인해 칩 두께가 변경되고, 변경된 칩 두께로 인해 절삭력이 변경되고, 변경된 절삭력으로 인해 진동이 발생합니다.

채터링 메커니즘을 제거하는 한 가지 방법은 가공 시스템의 동적 특성을 테스트하고, 이러한 테스트 결과를 사용하여 안정적인 절삭 영역 맵을 계산하고, 안정적인 범위 내에서 절삭 조건을 선택하는 것입니다. 이 사전 제어 범위 전략은 주름진 표면과 일치하도록 공구 진동을 조정하는 데 의존합니다. 앞면과 뒷면의 주름이 서로 일치하면 칩 두께가 더 이상 변하지 않고 진동이 멈춥니다. 인접한 치아 사이의 진동파 수가 정확히 1, 2 또는 임의의 정수인 경우 안정성 사인 곡선 그래프에 안정적인 간격이 나타납니다. 이러한 종류의 가공 전략은 안정적인 속도를 알고, 허용 스핀들 속도 범위 내에서 안정적인 속도를 유지하고, 커터 톱니가 고르게 분포되어 있으며 스핀들 속도를 정확하게 제어해야 합니다.

대안적인 전략은 톱니 간격을 변경하여 진동파의 포지티브 피드백 증폭 메커니즘을 억제하는 것입니다. 커터 톱니의 피치가 비대칭(불균일)인 경우, 각 커터 톱니가 절단한 이전 커터 톱니가 남긴 주름면의 물결 모양이 달라 진동을 억제합니다. 동일한 간격의 톱니를 가진 공구와 비교할 때, 동일하지 않은 톱니 간격의 공구는 일반적으로 더 안정적인 축 절삭 깊이를 달성할 수 있습니다.

그러나 이러한 결과를 얻으려면 신중한 추정이 필요합니다. 이송이 일정하기 때문에 톱니 피치의 변화로 인해 톱니당 이송이 달라집니다. 이는 일반적으로 하나의 톱니만 전체 칩 부하를 견딜 수 있고 나머지 톱니는 전체 부하에서 절삭할 수 없음을 의미합니다. 이러한 이유로 공구 회전당 유효 이송을 줄여야 하며, 톱니가 균형을 이룰 때까지 축 방향 절입 깊이를 늘려 이송 감소를 일치시켜야 합니다.

예를 들어, 톱니 분포가 균일하고 축방향 절입 깊이(10mm)가 가장 안정적인 4날 엔드밀을 생각해 보겠습니다. 치아는 90°로 균일하게 분포되어 있으며 배열 방향은 각각 0°, 90°, 180°, 270°입니다. 허용 칩 부하(날당 이송)가 0.2mm이면 1회전당 이송은 0.8mm/rev가 됩니다. 하나의 치아 방향만 10° 변경되면 이러한 치아의 방향은 0°, 100°, 190° 및 280°가 됩니다. 따라서 톱니 간격은 100°(최대 간격), 90°, 90° 및 80°(최소 간격)입니다.

날당 이송량이 허용한계값을 초과하지 않도록 최대간격을 유지하기 위해 최대간격을 제어간격으로 사용합니다. 등간격 커터 톱니 이송을 기준으로 등간격과 최대 간격(이 예에서는 90°/100°)의 비율에 따라 이송량을 줄여야 합니다. 이와 같이 톱니 사이의 각 간격에 해당하는 칩 하중은 각각 0.2mm, 0.18mm, 0.18mm 및 0.16mm입니다. 회전당 이송은 0.72mm/rev입니다. 이 공구의 경우 안정적인 축 방향 절입 깊이의 허용 가능한 증가는 100/90 비율보다 커야 합니다. 즉, 11.1mm가 금속 제거율의 임계값이라는 의미입니다. 일반적으로 이 방법을 사용하여 진동파의 포지티브 피드백 증폭을 억제하는 경우 부등간격 공구가 적용 가치를 갖도록 하려면 축 방향 절입 깊이가 최대 간격/균등 간격 비율의 두 배가 되도록 허용해야 합니다.

마찬가지로 스핀들 속도를 변경하면 진동파의 포지티브 피드백 증폭을 억제할 수도 있지만 스핀들이 1회전 이상 회전하면 공구 치 간격도 효과적으로 변경될 수 있습니다. 그러나 피드는 고정되어 있으므로 최대 거리에서도 피드를 제어할 수 있습니다. 금속 제거율을 높이려면 스핀들 속도를 변경하여 안정적인 축 방향 절입 깊이가 최대 피치/동일 피치 비율을 두 배로 늘릴 수 있어야 합니다.