CNC 가공정밀도, 가공정밀도 영향 요인, 가공오차, 오차 감소 방안, CNC 열특성

가공정밀도란?

 

<기출>

24-2-2 CNC 머시닝센터의 구조 측면에서 가공 정도에 영향을 줄 수 있는 요인들에 대하여 수직형과 수평형으로 구분하여 설명하시오 

24-4-4 공작기계로 공작물 가공 시 발생하는 1) 가공오차의 종류 2) 가공오차의 발생 원인과 오차를 줄일 수 있는 방안에 대하여 설명하시오 

12-4-2 CNC 공작기계를 연속적으로 장시간 사용시 주축의 열변위 특성의 향상방안을 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 가공정밀도 개요

 가공정밀도는 정밀공작을 위해 굉장히 중요하며, 가공정밀도를 저하시키지 않기 위해 관련 원인과 대책의 정확한 인식이 중요함
기계가공의 최선의 정밀도는 길이의 0.001%가 한계로 봄 (1000mm 기준 0.01mm) 

공정별 IT공차 수준, Machinery's handbook

방전가공 (EDM; Electric Discharge Machining)

[특수가공][공정] 전해가공 (ECM; Electrochemical Machining)

래핑가공 (Lapping)

 

슈퍼피니싱 (Super Finishing), 정밀연삭, 특수가공, 정밀입자가공

 

 

2) 가공정밀도와 측정 정밀도 

(1) 가공 정도

가공정확도는 가공 후 부품의 실제 기하학적 매개 변수 (크기, 모양, 위치 등)이 이상적인 기하학적 매개 변수를 충족하는 정도로 측정 
실제 기하학적 치수와, 이상적인 형상에 따른 치수의 편차를 가공 오류라 함 

기본적으로, 가공오차는 가공비에 반비례하기 때문에 가공 경제성을 고려하여 가공 정밀도를 선정해야함 

(2) 측정 정밀도

정밀도(precision)는 여러 번 측정하거나, 계산시 그 결과가 얼마만큼 가까운지를 나타내는 기준 (관측의 균질성 기준) 
관측된 값의 편차가 적을수록 정밀하며, 정밀도는 우연 오차, 그리고 관측장비와 관측 방법에 따라 크게 영향을 받음

 

측정 오차, 정확도(accuracy), 정밀도(precision)

 

 

 

3) 공작 기계의 진동 

진동의 결과 : 표면 정도 불량, 치수 정밀도 저하, 마멸과 치핑을 촉진하여 공구 조기파손 특히 취성공구, 공작기계 부품에 손상, 고주파 소음 등

진동에는 강제떨림(forced chatter), 자여떨림(self-induced chatter), 재생떨림(regenerative chatter)이 있음 

① 강제떨림
주기적으로 변하는 절삭력에 기인(공작기계 구성요소들의 불균형), 구동기구로부터 발생하는 주기적인 변동력, 절삭저항의 주기적인 변화에 의해 발생. 전동기, 치차, 벨트바퀴, 회전축 등의 불균형이 원인(회전속도가 빠를수록 심함), 단속적 절삭이나 고강성 구조가 필요 
강제떨림에서도 공진이 발생할 수 있는데 이 경우 진폭을 줄이기 위헤 강성이나 감쇠능을 증대시키고, 절삭속도와 공구 형상의 변화가 진동 억제에 도움이 될 수 있음. 또한 공진이 발생하지 않도록 설계 반영 필요

② 자려떨림
칩이 생성되는 과정에서 불안정 상태(불연속칩)로 유기되는 공진적 진동. 공작물 재료의 불균질성, 공작물 표면 상태의 불균일성, 생성되는 칩 형태의 변화, 절삭유 성능저하, 공작물과 칩 접촉면에서 마찰 상태 변화 진동계의 고유진동수 근방에서 발생. 강제떨림보다 진동상태가 더 격심, 면에 떨림무늬가 남고 공구 마멸을 현저하게 助長 

③ 재생떨림
가공물에 남겨진 떨림자국을 절삭하게 되어 공구힘이 변화해 재생떨림이 발생함. 

강제 채터링 방지
구동기구에 고정도 부품 사용, 각 회전 부분의 정적, 동적 부적합을 제거, 주기적인 절삭저항의 변화를 아주 작게 하는데 노력해야함 (절입, 이송, 절삭속도 등을 적절하게) 
피삭재를 강하게 고정, 가능한 센터작업, 심압대 바렐을 짧게 사용, 세장물에는 진동방진구 사용, 공구 생크를 굵게 하고 공구대에 짧게 고정, 여유각을 크게, 마모폭이 크지 않아도 공구 교환, 경사각을 크게, 칩의 유출을 용이하게, 윤활효과가 적절하도록 

감쇠
재료 내부 감쇠 (회주철이 감쇠능이 좋음), 공작기계 체결부 감쇠(마찰 에너지 소산) , 외부 감쇠 (자동차의 완충기처럼) 

채터 영향 인자들
절삭력(경도가 크면 절삭력이 증가, 채터 발생 쉬움), 칩의 형태(불연속칩)

 

 

4) 공작 기계의 열변위  특성 및 개선 방향

CNC머신을 (터닝센터, 머시닝센터 등) 지속 가동시 공작물과 공구 사이 마찰, 주축과 베어링 마찰, 모터 발열 등으로 주축에 열변위가 발생하고 가공정밀도 저하로 이어짐. 주축 구조 개선, 냉각시스템 개선, 제어시스템 개선, 기타 방법으로 조치 필요

① 주축구조 개선
고온 안정적인 윤활 및 강성 유지 베어링 사용, 재질 변경, 열변위 최소화 구조 

② 냉각시스템 개선
고성능 윤활시스템, 윤활유 지속 관리 리사이클링, 냉각수관리 (냉각시스템 구축)

③ 제어시스템 개선
온도 보상, 주축 회전속도 제어 (열발생 감소), 진동 제어 

④ 기타 방법
주축 정기점검, 고정밀 측정장비 이용

 

5) 공작 기계 제어 방식

CNC 서보 기구 (servo mechanism)에는 개방회로방식, 반폐쇄회로제어방식, 폐쇄회로제어방식, 복합회로제어방식이 있음

CNC가공, NC 가공, 서보기구(servo mechanism), 공구제어방법, CNC 주축 열변위특성

 

 

2. CNC 가공 정밀도 

 

1) 가공 오차의 발생 원인 (CNC선삭 기준)

공작기계 위치결정 정밀도의 부족 (심압대와 주축대의 센터가 안맞아 테이퍼 발생 등) 
절삭저항 등이 변화하면서 피드백이 부족하여 동일 절삭조건시 다른 가공이 됨 
절삭열이 발생하면서 소재, 공구, 공작기계에 영향을 줌 
빌트업 엣지 등 절삭 형상의 부적합으로 발생함 

 

① 공작기계에서 발생하는 가공 오차 
주축 회전 정밀도, 위치 결정 정밀도, 절삭저항 및 중량이동에 따른 변형, 열변형 

 

② 공작물에 의한 가공 오차 
절삭력 및 중랴에 따른 변형, 열변형, 잔류응력, 척 부착력에 의한 변형 

 

③ 공구에 의한 가공 오차 
절삭저항에 따른 공구 변형, 공구 손상에 따른 변형, 공구 열변형 

 

④ 지그 등 치공구에 의한 오차 
절삭저항 및 부착력에 의한 변형, 부착시 정밀도

 

⑤ 절삭 현상에 따른 오차
과절삭, 불규칙 진동, 요철면 

 

구성인선 (BUE; Built-Up Edge), 크레이터 마모, 플랭크 마모

2024.06.25 - [Mechanical Engineering Study/절삭가공] - 밀링, 밀링머신의 종류, 밀링 특징, 상향절삭, 하향절삭, 밀링 채터링, 밀링 분할법

치공구 기본 이론, 위치결정면, 위치결정구(locator), 클램프(clamp)

 

2) 가공정밀도에 미치는 인자 (밀링 가공 기준)

밀링 가공 정밀도는 기계 하중에 의한 변형, 열에 의한 변형, 주축의 동적 강성, 제품 열 변형 등이 있음 

 

① 기계 하중에 따른 변형 

테이블의 휨 

새들의 처짐 (넓은 평면을 나눠서 가공시 공작물 표면에 단차가 생김)

주축 직각도 

 

② 주축 동적 강성 (특히 진동) 

회전 부분의 불균형, 기어나 베어링 오차로 인한 상대적 변위(오차 발생) 
절삭시 절삭저항의 변동이 추가되어 표면 열화를 초래하고 진동 주파수가 생기며 해당 진동이 공작기계 고유진동수와 일치시 상태 변위가 수십 마이크로미터에 이르며 떨림 진동이 발생하고 공구의 파손을 야기함 

 

③ 공구 강성

공구에 떨림, 휨 등이 있을시 정밀도 영향 
공구 강성은 굵기에 비례하고 길이의 세제곱에 반비례하기 때문에, 짧고 굵은 것을 사용해야함 

④ 떨림

밀링 절삭날 충격, 회전부 불균형, 내부 진동, 공구 및 기계 구조물의 탄성변형 등

 

⑤ 열변형

제품의 열변형(공구와 공작물의 마찰에 의한 열)
기계의 열변형(내부 열원에 의한 열변형 - 주축 베어링, 윤활유와 오일탱크, 기어 및 기어 베어링 등) 

 

3) 가공 오차 종류 및 감소 대책 

• 공작기계 및 공구의 강성을 보완
• 진동 제어 (진동 방지 목적 방진 구조 적용, 전용 고정구 활용 등) 
• 구성인선 및 진동발생이 없는 절삭 조건 활용 
• 공구 경사각을 크게 
• 적절한 절삭유 사용 (냉각으로 열변형 최소화)
• 절삭깊이를 얕게 하고 이송을 작게 하여 절삭저항을 줄임 
• 냉각장치로 공작기계 발열부 냉각
• 공구 마모가 적은 공구재료와, 절삭조건 선정 
• 인프로세스 센설르 통해 공작물 치수를 계획 보정
• 공작기계 및 공작물 변형량을 모니터링하여 NC제어로 보정 
• 열팽창계수가 작은 공구 생크 사용 
• 베어링의 3점 지지 방식 변경 (동적 강성 보강)
• 공구 가공에 따른 진동 주파수, 충격 주파수 등이 기계 구조 공진점과 겹치지 않도록 설계 
• 감쇠능을 부가 
• 미끄럼 접촉면의 틈새 조절 
• 외부 발열원 제거 및 내부 열원의 충분한 냉각, 혹은 열변형의 영향이 공작 정밀도에 영향을 주지 않도록 피드백 제어

 

4) 정밀 공작의 조건 (가공 정밀도 및 표면 정밀도를 높이기 위한 방법)

• 기본적으로 가공기준면 (평면)이 있어야함 - 정확한 기준면이 잇어야 정밀 공작이 가능함
• 회전축의 이송 변환은 되도록 피해야함 (이송을 일정하게)
• 강성이 충분히 확보되어야함 (자체 진동 등) 
• 고속절삭은 다듬질면의 정밀도를 높이고 진원도를 좋게 함 
• 칩을 완전히 제거할 수 있어야함 
• 공작물의 잔류응력을 공작 전 충분히 제거해야함 
• 공작기계 주축의 강성, 베어링 지지 및 안내장치가 중요함 
  - 베어링 위치, 구조, 주축과 베어링의 끼워맞춤, 진동의 적절한 제어가 필요함
  - 주축을 베어링 2점 지지했을때, 두 사이 거리가 길어질수록 주축 처짐이 커지며, 대단베어링의 변위는 작아짐 
  - 주축 처짐 변위와, 베어링 변위의 합이 가장 작은 지점 (베어링 사이 거리, 주축 하중점과 베어링 사이 거리)를 찾아야함 
• 구동축 베어링은 진동 없이 회전하여 표면정밀도를 해치면 안되고, 정확한 원운동을 하며 정밀한 축방향 안내를 해야함 
  (주축, 베어링 계통의 진동 억제가 굉장히 중요함)
• 굽힘 모멘트를 고려한 베어링의 적절한 위치 선정 

베어링의 위치에 따라 굽힘 모멘트에 따른 변위가 달라짐