Microsoft Word _ _ _특집 박형욱

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1 한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 32, No. 5, pp ISSN (Print), ISSN (Online) May 2015 / 특집 시뮬레이션기반기계장비설계기술 밀링가공시채터현상예측기술개발 Prediction of the Chatter during the Milling Process of the Machine Tool 서재우 1, 박형욱 1, Jae Woo Seo 1 and Hyung Wook Park 1, 1 울산과학기술대학교기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, UNIST) Corresponding author: hwpark@unist.ac.kr, Tel: Manuscript received: / Revised: / Accepted: Chattering during the milling process causes severe problems on both the workpiece and cutting tools. However, chatter vibration is the inevitable phenomenon that operators require the prediction before the process or monitoring system to avoid the chatter in real-time. To predict the chatter vibration with the stability lobe diagram, the dynamic parameters of machine tool are extracted by considering cutting conditions and adapting the material properties. In this study, experimental verifications were taken for various aluminum types with different feed rates to observe the effect of the key parameters. The comparison between experimental results and the predictions was also performed. KEYWORDS: Chatter prediction ( 채터현상예측 ); Stability lobe diagram ( 안정성선도 ); Chatter marks ( 채터마크 ) 1. 서론 기계장비를이용한절삭가공은스핀들, 공구, 그리고 CAD/CAM 등의기술의발전과함께경쟁력을갖췄으며, 제조산업의한축을담당하고있다. 특히최근엔항공우주, 자동차, 그리고금형과같은분야의업계에서기계장비를통한고속정밀가공이쓰이며, 그에따라빠르게상용화되었다. 1,2 하지만여전히산업계에서는기계장비의생산력상승을필요로하며, 이는결국기계장비의공작물제거율 (Material removal rate) 과관련이있다. 이송속도, 스핀들의회전속도그리고절삭량의상승이공작물제거율상승을위해필수적이며, 이에 따라기계장비는열적, 동적으로가혹한환경에노출되었다. 이를극복하기위해서많은연구들이이뤄졌으며, 많은문제들이해결되어지금의수준에도달했지만, 기계장비가공중채터현상은여전히절삭공정상의장애물로남아있다. 3 기계장비의동적불안정으로인한진동문제와달리채터현상자체는가공시공구와가공물간의상호작용에의해발생하는자연적인현상으로완전한제거가불가능하다. 4 강체 (Rigid body) 가아닌공구는절삭력에의한변형을하며가공물에표면파형 (waviness) 을만든다. 표면파형은공구에작용하는절삭력을지속적으로변화시키며, 그로인해특정한임계점을넘어선가공조건에서는기 Copyright C The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp. 441-446 May 2015 / 442 계장비에자려진동이발생한다. 그리고자려진동은채터현상이일어나는가장큰원인중하나이다. 가공중채터현상이발생하면가공물의표면품질저하와가공오차를야기하며, 공구의수명또한빠르게줄어든다.

또한그에따른표면상태를확인하여채터진동발생유무를판별하였다. 2. 채터현상예측기술개요 채터현상을예측하는방법론은안정선선도 (Stability lobe diagram) 를기반하는방식이일반적이다. 기본적으로이차원안정선선도에서는가로축은스핀들의속도그리고세로축은축방향의절삭량을의미한다.

2 한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp May 2015 / 442 계장비에자려진동이발생한다. 그리고자려진동은채터현상이일어나는가장큰원인중하나이다. 가공중채터현상이발생하면가공물의표면품질저하와가공오차를야기하며, 공구의수명또한빠르게줄어든다. 연구자들은미리채터현상자체를예측하여가공조건을설정하거나, 센서를통한모니터링과현상발생시가공조건변화그리고액츄에이터나댐퍼를설치하여현상을억제하는방법등을연구하고있다. 본연구에서는밀링가공중에서발생하는채터진동을예측하기위한시뮬레이터를개발하였으며, 이에대한검증을데스크탑 (desktop) CNC 가공기와여러종류의알루미늄으로시행하였다. 또한그에따른표면상태를확인하여채터진동발생유무를판별하였다. 2. 채터현상예측기술개요 채터현상을예측하는방법론은안정선선도 (Stability lobe diagram) 를기반하는방식이일반적이다. 기본적으로이차원안정선선도에서는가로축은스핀들의속도그리고세로축은축방향의절삭량을의미한다. 채터진동에대한수학적인규명은 Tobias와 Fishwick의지연미분방정식 (Delay differential equation) 에의해시작되었다. 5 이후에 Altintas와 Budak에의해개발된 0차순서근사 (Zeroth order approximation) 를기반한푸리에급수 (Fourier series) 를통한안정선선도예측이현재의대부분의채터현상예측에기반이되고있으며, 6 이를응용하여더정확하고범용적으로쓰일수있는모델들이개발되고있다. Fig. 1 Flow chart of chatter prediction with input and output parameters 2.1 채터예측시뮬레이터개발본연구에서의채터현상예측시뮬레이터는상용수치해석프로그램인 MATLAB 의 GUI 를기반으로개발되었다. 채터현상예측에쓰이는수식은위에서언급한 Altintas 의 Fourier series 방법과 Tlusty 의 average tooth angle 방법을기반으로하였으며, 각방법에따른두가지의다른안정선선도를보여준다. 현재개발된시뮬레이터는동일한이송속도조건에서직선운동을하는앤드밀기반밀링가공을할때에대한예측을수행할수있다. 채터현상예측에쓰이는파라미터들로는기계장비자체의동특성, 가공조건그리고가공소재특성으로크게분류될수있으며, Fig. 1 에안정선

한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp. 441-446 May 2015 / 443 Fig.

좌측상단의그림은입력변수들에대한설명과함께기본적인밀링공정에대한설명을보여준다. 좌측중반부터하단까지는다양한입력변수를사용자가입력할수있게끔하는빈칸들이만들어져있다. 우측상단의두그래프는설정된입력변수를통해얻은주파수응답함수그래프를보여주며, 우측하단의두그래프는각각 average tooth angle 방법과 Fourier series 방법에대한안정선선도계산결과를보여준다. 3.

3 한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp May 2015 / 443 Fig. 2 Illustration of the developed simulator for two dimensional chatter prediction divided into (a) left and (b) right sides of window 선도계산방식및단위와함께자세히소개되어있다. Fig. 2 는개발된시뮬레이터의 GUI 를보여주고있다. 좌측상단의그림은입력변수들에대한설명과함께기본적인밀링공정에대한설명을보여준다. 좌측중반부터하단까지는다양한입력변수를사용자가입력할수있게끔하는빈칸들이만들어져있다. 우측상단의두그래프는설정된입력변수를통해얻은주파수응답함수그래프를보여주며, 우측하단의두그래프는각각 average tooth angle 방법과 Fourier series 방법에대한안정선선도계산결과를보여준다. 3. 채터현상예측모델실험적검증 본연구에서는채터예측에대한실험적검증을위해서비교적으로구조가단순하고강성이약한데스크탑 CNC 가공기를기반으로실험을수행하였다. 3.1 기계장비정, 동강성실험채터현상예측을위해서는특정한장비와공구조합에따른공구끝단에서의정강성과동강성에대한정보가필요하며이는예측을위한입력변수로쓰이게된다. 이번실험에서쓰이게된앤드밀공구에지름 5mm 의 4 개와 3 개의날을가진유니툴사의제품들을사용하였으며, 공구끝단은 Fig. 3 Illustration of experimental setup for the stiffness of the desktop CNC machine 척에서 25mm 길이로장착되었다. 먼저기계장비의정강성을측정하기위해서 Fig. 3 과같이측정장비가준비되었다. 접촉식변위센서를공구끝단에고정시킨후, Kistler 사의공구동력계를사용하여이송에의한힘과변위를측정하였다. 0.1mm, 0.2mm 그리고 0.3mm 를이송하였을때힘을측정하였으며그것의평균값을정강성으로선정하였다. 이러한방법론으로본연구에사용된기계장비테이블의 X 축과 Y 축에대해서수행하였다. 정강성실험을통하여얻은데스크탑 CNC 가공기에강성은일반적인기계장비보다비교적약한결과를보여주었다. X 축으로는 3500 kn/m, Y 축에서는 500kN/m 강성값들이얻어졌다. 정강성을측정한후에기계장비의주파수응답함수 (Frequency response function) 를얻기위한실험을 Fig. 4 와같이수행하였다. 자성을가진가속도센서를공구의끝단에부착한후에충격망치를통하여주파수응답함수를얻었다. Dewetron 사의신호증폭및수집장치 (DEWE-43) 를통하여데이터를분석하였다. 기계장비의동특성실험을통하여얻은진데스크탑 CNC 가공기의고유주파수는 250Hz, 댐핑계수는 0.05 이다.

한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp. 441-446 May 2015 / 444 Fig. 5 Comparison between experimental result and stability lobe diagram predictions Fig.

2 예측모델의실험적검증채터진동의발생유무를확인하기위한실험은일반적으로가속도계혹은마이크로폰등의센서를이용하여수행하지만, 본연구에서는가공후가공물의표면의상태를확인하고조도를측정함으로써이루어졌다.

4 개날을가진공구를사용하였으며, 스핀들회전속도는 3800RPM 이며, 모든가공조건에서이송속도는 200mm/min 으로고정하였다. 그리고절삭길이를 100 μm에서 500 μm로 100 μm씩변화시키며실험을수행하였다. Fig. 5 에서는실험결과와채터예측시뮬레이터로그려진안정선선도를비교한결 Fig.

4 한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp May 2015 / 444 Fig. 5 Comparison between experimental result and stability lobe diagram predictions Fig. 4 Illustration of experimental setup for the FRF of the desktop CNC machine 3.2 예측모델의실험적검증채터진동의발생유무를확인하기위한실험은일반적으로가속도계혹은마이크로폰등의센서를이용하여수행하지만, 본연구에서는가공후가공물의표면의상태를확인하고조도를측정함으로써이루어졌다. 가공소재로는 5052 계열, 6061 계열그리고 7075 계열의각각다른알루미늄을선택하였으며, 모든가공은슬로팅을통한절삭으로수행하였다. 그리고각각의다른이송속도, 스핀들회전속도그리고절삭깊이에따른실험을수행하였다 절삭깊이에따른실험적검증본연구에서의실험적검증은채터예측시뮬레이터로그려진안정선선도와실험에서선정된스핀들회전속도에서의채터현상유무에대한결과를비교함으로써이루어졌다. 4 개날을가진공구를사용하였으며, 스핀들회전속도는 3800RPM 이며, 모든가공조건에서이송속도는 200mm/min 으로고정하였다. 그리고절삭길이를 100 μm에서 500 μm로 100 μm씩변화시키며실험을수행하였다. Fig. 5 에서는실험결과와채터예측시뮬레이터로그려진안정선선도를비교한결 Fig. 6 Surfaces of the machined workpiece at each different depth of cut of (a) 100 μm, (b) 200 μm, (c) 300 μm, (d) 400 μm and (e) 500 μm taken by optical scope with magnification of 50 과를보여준다. 안정선선도에서가로축은스핀들속도그리고세로축은절삭깊이를의미하고, 원기호는안정적인구간가위표기호는채터가발생하는구간을의미하며, 각조건에서가공실험이진행되었다. Fig. 6 은광학현미경으로촬영한가공

한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp. 441-446 May 2015 / 445 Fig. 8 Test specimen for verifying the chatter prediction Fig.

100 μm, 200 μm그리고 300 μm에서는일정한패턴이남아있었으며, 경계점인 400 μm에서는불확실한결과그리고 500 μm에서는고르지않은표면상태를보여주며, 예측한결과와실험결과가일치함을알수있었다. 3.2.2 이송속도에따른실험적검증실험에서사용한데스크탑 CNC 가공기의강성이비교적으로약해서일어난결과일수도있지만, 동일한가공조건에서이송속도에따라서선별적으로채터현상이발생하였다.

5 한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp May 2015 / 445 Fig. 8 Test specimen for verifying the chatter prediction Fig. 7 Surfaces of the machined workpiece at each different feedrate of (a) 200mm/min, (b) 300mm/ min and (c) 400mm/min condition taken by optical scope with magnification of 100 한알루미늄의표면상태를보여준다. 100 μm, 200 μm그리고 300 μm에서는일정한패턴이남아있었으며, 경계점인 400 μm에서는불확실한결과그리고 500 μm에서는고르지않은표면상태를보여주며, 예측한결과와실험결과가일치함을알수있었다 이송속도에따른실험적검증실험에서사용한데스크탑 CNC 가공기의강성이비교적으로약해서일어난결과일수도있지만, 동일한가공조건에서이송속도에따라서선별적으로채터현상이발생하였다. 앞절과같은가공조건에서, 경계점인 400 μm의실험을수행하였다. Fig. 7 에서알수있듯이이송속도에따라서표면의결과가다르며, 특히 400mm/min 에서는채터현상이발생하였다 시편표면조도기반실험적검증이번절에서는채터현상해석예측정확도를일정한범위의스핀들회전속도와절삭깊이에서슬롯팅 (Slotting) 가공시, 가공물표면에안정선선 Fig. 9 Roughness data of workpiece for aluminum 7071 with the three flute 5mm end mill 도의경향을보여줄수있는시편을 Fig. 8 과같이제작하였다. 시편은육면체의한면과반대편면의단차를 2mm 로만들고, 이때절삭방향을절삭깊이가점점더깊어지게끔설계하였다. 실험도중소리나시각적으로판단하여채터가발생하였을때는공구의보호를위해가공을중단하였으며, 여기에서는오차가발생하므로조도시험을통해이를검증하였다. 검증실험에서공구로는 3 개의날을가진직경 5mm 의앤드밀이사용되었다. Fig. 9 는 7075 계열알루미늄에대한조도측정실험에서의각가공면의측정단면결과를보여주고있다. 조도실험결과를분석하였을때, 평균적인조도값이나위치에따른조도값들은채터현상과상관없이일정하지않았으며, 이는스핀들의회전속도그리고이송속도와같은변수들이존재하기때문이라고짐작된다. 하지만, 프로파일을그

한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp. 441-446 May 2015 / 446 REFERENCES Fig.

6 한국정밀공학회지제 32 권 5 호 pp May 2015 / 446 REFERENCES Fig. 10 Comparison between stability lobe diagram and test result for aluminum 7071 with the three flute 5mm end mill 려보면채터마크게생길시점에서는프로파일이급격하게변화하는모습을보여주며, Fig. 10 과같이프로파일을통해판단한채터마크와해석으로예측된결과를비교하면동일한경향을보여주는것을알수있었다. 4. 결론및향후계획 본연구에서는채터현상예측을위한시뮬레이터를수치해석프로그램인 Matlab 을기반으로하여, GUI 형식으로개발하였으며, 이를데스크탑 CNC 가공기를사용한가공실험으로검증하였다. 기존의연구들에서제대로고려되지않은이송속도와가공물의표면에중점을두었으며, 그에따라이송속도가채터현상에미치는영향과표면조도측정을이용한채터현상의발생유무를확인하였다. 이를바탕으로하여서향후에는이송속도에따른변수를기존채터현상해석의수식에조화하는방법을연구하여, 채터현상해석에대한정확도향상시키고검증을시행할것이다. 또한채터현상이가공물표면에주는영향을정량적으로정리할방법에대한연구를진행할예정이다. 1. Quintana, G. and Ciurana, J., Chatter in Machining Processes: A Review, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 51, No. 5, pp , Altintas, Y. and Weck, M., Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding, CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 53, No. 2, pp , Abele, E., Altintas, Y., and Brecher, C., Machine Tool Spindle Units, CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 59, No. 2, pp , Budak, E. and Altintas, Y., Analytical Prediction of Chatter Stability in Milling - Part 1: General Formulation, Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, Vol. 120, No. 1 pp , Hanna, N. H. and Tobias, S. A., A Theory of Nonlinear Regenerative Chatter, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 96, No. 1, pp , Altintas, Y. and Budak, E., Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling, CIRP Annals- Manufacturing Technology, Vol. 44, No. 1, pp , 후기 본연구는산업통상자원부 기계장비정밀도시뮬레이션플랫폼기술개발 사업및지역혁신인력사업 (No. 2012H1B8A ) 으로수행되었습니다.

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Mar.; 28(3),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2017 Mar.; 28(3), 163 169. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2017.28.3.163 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) PCB