CNC 공작 기계 정확도 향상: 9가지 일반적인 문제 해결 방법
CNC 공작 기계가 때때로 정확한 결과를 제공하지 못하는 이유는 무엇일까요? 공구 마모부터 부적절한 기계 보정에 이르기까지 다양한 요인이 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 기사에서는 9가지 일반적인 문제를 자세히 살펴봅니다...
길고 가느다란 샤프트가 가공 중에 휘어지는 이유가 궁금한 적이 있으신가요? 이 기사에서는 숨겨진 힘을 밝히고 정밀도를 향상시킬 수 있는 실용적인 솔루션을 제공합니다. 최적의 결과를 위해 변형을 최소화하고 가공 기술을 개선하는 방법을 알아보세요.
가공 과정에서 많은 샤프트형 부품은 길이 대 직경 비율(L/d)이 25를 초과하여 날씬한 샤프트로 분류됩니다. 이러한 부품은 기하학적 구조로 인해 제조 과정에서 고유한 과제를 안고 있습니다.
절삭력, 중력 하중, 팁 클램핑력의 복합적인 영향을 받는 수평 방향의 길고 얇은 샤프트는 처짐, 진동 및 잠재적인 불안정성에 취약합니다. 이러한 현상은 가공 정확도, 표면 조도 및 전반적인 부품 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하고 가느다란 샤프트의 선삭 작업 중 응력 분포를 개선하려면 종합적인 접근 방식이 필요합니다. 최적의 결과를 보장하기 위해 다음과 같은 전략과 기법이 사용됩니다:
이러한 고급 기술과 고려 사항을 통합함으로써 제조업체는 25를 초과하는 까다로운 L/d 비율에서도 높은 정밀도, 우수한 표면 품질 및 치수 정확도를 유지하면서 길고 가느다란 샤프트를 효과적으로 가공할 수 있습니다.
두 가지 주요 전통적 클램핑 선반에서 길고 가는 샤프트를 돌리는 방법: 하나는 하나의 팁과 하나의 중심을 사용하는 것이고, 다른 하나는 두 개의 팁을 사용하는 것입니다.
여기서는 그림 1과 같이 원팁-원센터 클램핑 방식을 주로 분석합니다.
실제 가공 분석을 통해 선삭 중 길고 얇은 샤프트의 굽힘 변형이 발생하는 주요 원인은 다음과 같습니다:
(1) 절삭력에 의한 변형
선삭 공정 중에 발생하는 절삭력은 축 방향 절삭력 PX, 반경 방향 절삭력 PY 및 접선 방향 절삭력 PZ로 분해할 수 있습니다. 절삭력에 따라 선삭 중 길고 가는 샤프트의 굽힘 변형에 미치는 영향이 달라집니다.
1） 방사형 절삭력 PY의 효과
길고 얇은 샤프트의 축을 통과하는 평면에 수직으로 반경 방향 절삭력이 가해집니다. 길고 얇은 샤프트의 강성이 약하기 때문에 반경 방향의 힘으로 인해 샤프트가 구부러져 수평면에서 변형됩니다. 길고 얇은 샤프트의 굽힘 변형에 대한 반경 방향 절삭력의 영향은 그림 1에 나와 있습니다.
2）축 방향 절삭력 PX의 효과
축 방향 절삭력은 길고 얇은 샤프트의 축과 평행하게 적용되어 공작물에 굽힘 모멘트를 생성합니다. 일반적인 선삭 공정의 경우 축 방향 절삭력이 공작물의 굽힘 변형에 미치는 영향은 크지 않으므로 무시할 수 있습니다. 그러나 길고 얇은 샤프트의 강성과 안정성이 낮기 때문에 축 방향 절삭력이 특정 값을 초과하면 샤프트가 세로로 구부러져 변형을 일으킵니다. 이는 그림 2에 나와 있습니다.
(2) 열 차단 효과
가공 중에 발생하는 절삭 열은 공작물의 열 변형과 신장을 유발할 수 있습니다. 선삭하는 동안 척과 심압대 중심은 고정되고 그 사이의 거리는 일정하게 유지됩니다.
결과적으로 길고 얇은 샤프트의 축 신장은 고정된 거리에 의해 제한되어 열팽창 시 샤프트의 축 압축 및 굽힘 변형으로 이어집니다.
따라서 길고 얇은 샤프트의 가공 정밀도를 향상시키는 것은 본질적으로 공정에서 힘과 열 변형을 제어하는 문제입니다.
길고 얇은 샤프트의 가공 정확도를 향상시키려면 생산 조건에 따라 다른 조치를 취해야 합니다.
(1) 적절한 클램핑 방법 선택하기
선반에서 길고 가는 샤프트를 선삭하는 데 사용되는 두 가지 전통적인 클램핑 방법 중 이중 중심점 클램핑 방법을 사용하면 정확한 공작물 위치와 동축성을 보장할 수 있습니다.
그러나 이 방법은 강성이 낮고 굽힘 변형 및 진동이 심한 길고 얇은 샤프트에는 적합하지 않으며, 길이 대 직경 비율이 낮고 가공 공차가 작으며 동축성 요구 사항이 높은 공작물에만 적합합니다.
길고 얇은 샤프트 가공에는 일반적으로 원팁 앤 원센터 클램핑 방식이 사용됩니다.
그러나 심압대 중심을 너무 많이 조이면 길고 얇은 샤프트가 구부러질 뿐만 아니라 선삭 시 열 신장을 방해하여 축 방향 압축 및 굽힘 변형이 발생할 수 있습니다.
또한 척 클램핑 표면과 심압대의 중앙 구멍이 동축이 아니기 때문에 클램핑 후 위치가 과도하게 설정되어 길고 얇은 샤프트의 굽힘 변형이 발생할 수 있습니다.
따라서 원팁-원센터 클램핑 방식을 사용할 때는 길고 얇은 샤프트가 열팽창으로 인해 자유롭게 늘어날 수 있도록 탄성 상단을 사용하여 열에 의한 굽힘 변형을 줄여야 합니다.
동시에 그림 3과 같이 척과 길고 얇은 샤프트 사이에 개방형 와이어 링을 삽입하여 두 축 사이의 축 방향 접촉 길이를 줄이고 설치 중 과도한 위치를 제거하며 굽힘 변형을 줄일 수 있습니다.
(2) 길고 얇은 샤프트의 응력 변형 직접 감소
1）안정된 받침대와 중앙 받침대 사용
원팁-원센터 클램핑 방식을 사용하여 길고 얇은 샤프트를 선삭할 때, 방사형 절삭력이 굽힘 변형에 미치는 영향을 줄이기 위해 전통적으로 고정 받침대와 중앙 받침대가 사용됩니다.
이는 길고 얇은 샤프트에 지지대를 추가하여 강성을 높이고 방사형 절삭력의 영향을 효과적으로 줄입니다.
2）축 클램핑 방식을 사용하여 길고 얇은 샤프트 회전하기
고정 받침대와 중앙 받침대를 사용하면 공작물의 강성을 높이고 반경 방향 절삭력의 영향을 제거할 수 있지만, 특히 길이 대 직경 비율이 큰 길고 얇은 샤프트의 경우 굽힘 변형이 더 분명한 축 방향 절삭력이 공작물을 구부리는 문제를 해결할 수 없습니다.
따라서 축 클램핑 방식을 사용하여 길고 얇은 샤프트를 선삭할 수 있습니다. 축 클램핑 선삭은 그림 4와 같이 길고 가는 샤프트의 한쪽 끝은 척으로 고정하고 다른 쪽 끝은 샤프트에 축 방향 장력을 가하는 특수 설계된 콜릿 척으로 고정하는 공정을 말합니다.
선삭 공정 중에 길고 얇은 샤프트에 축 방향 장력이 지속적으로 가해져 축 방향 절삭력이 공작물을 구부리는 문제를 해결합니다.
축 장력의 작용으로 반경 방향 절삭력으로 인한 굽힘 변형 정도가 감소하고 절삭 열로 인한 축 신장이 보상되어 길고 얇은 샤프트의 강성과 가공 정확도가 향상됩니다.
3）역절삭 방식을 사용하여 길고 얇은 샤프트를 돌리는 방법
리버스 커팅 방식은 다음과 같은 프로세스를 말합니다. 절단 도구 는 그림 5와 같이 길고 얇은 샤프트의 선삭 공정 중에 스핀들 척에서 심압대 방향으로 이송됩니다.
이렇게 하면 가공 과정에서 발생하는 축 방향 절삭력이 길고 얇은 축을 장력 상태로 만들어 축 방향 절삭력으로 인한 굽힘 변형을 제거합니다.
동시에 탄성 심압대 센터를 사용하면 절삭 공구에서 심압대 엔드까지 공작물의 압축 변형과 열 연신율을 효과적으로 보정하여 공작물의 굽힘 변형을 방지할 수 있습니다.
그림 6과 같이 후면 공구 포스트가 추가된 개조된 선반 베드에서 길고 가는 샤프트를 선삭하는 이중 공구 접근 방식을 사용하면 앞뒤 절삭 공구를 동시에 사용할 수 있습니다.
두 개의 선삭 공구가 서로 방사상으로 반대편에 위치하며, 앞쪽 공구는 올바른 방향으로 설치되고 뒤쪽 공구는 반대로 설치됩니다.
두 공구로 선삭하는 동안 발생하는 방사형 절삭력이 서로 상쇄되어 공작물 변형과 진동이 최소화되고 가공 정확도가 높아 일괄 생산에 적합합니다.
4）마그네틱 커팅은 가느다란 샤프트를 돌리는 데 사용됩니다.
마그네틱 절삭의 원리는 리버스 절삭의 원리와 유사합니다. 선삭하는 동안 가느다란 샤프트가 자력에 의해 늘어나면서 굽힘 변형이 줄어들고 가공 정확도가 향상됩니다.
(3) 절단량을 합리적으로 조절합니다.
절삭량 선택은 절삭력의 크기와 절삭 과정에서 발생하는 절삭 열의 양에 영향을 미칩니다. 따라서 가느다란 샤프트를 선삭할 때 발생하는 변형에도 영향을 미칩니다.
1）절단 깊이(t)
가공 시스템의 강성이 결정되었다고 가정하면, 절삭 깊이가 증가함에 따라 선삭 시 발생하는 절삭력과 절삭 열량도 증가합니다. 이는 가느다란 샤프트에 가해지는 힘과 열로 인한 변형의 증가로 이어집니다.
따라서 가느다란 샤프트를 선삭할 때는 가능한 한 절삭 깊이를 최소화하는 것이 좋습니다.
2）피드 속도(f)
이송 속도를 높이면 절단 두께와 절단력이 증가하지만 절단력의 증가가 이송 속도 증가에 정비례하지는 않습니다.
따라서 가느다란 샤프트에 가해지는 힘으로 인한 변형 계수가 감소합니다. 절삭 효율 개선의 관점에서 이송 속도를 높이는 것이 절삭 깊이를 높이는 것보다 더 유리합니다.
3）절단 속도(V)
절삭 속도를 높이면 절삭력을 줄이는 데 도움이 됩니다. 절삭 속도가 증가하면 절삭 온도가 상승하고 공구와 공작물 사이의 마찰력이 감소하며 가느다란 샤프트에 가해지는 힘으로 인한 변형이 감소하기 때문입니다.
그러나 과도한 절단 속도는 원심력으로 인해 가느다란 샤프트가 구부러져 절단 공정의 부드러움을 방해할 수 있습니다.
따라서 절삭 속도는 일정 범위 내에서 제어해야 하며, 길이 대 직경 비율이 큰 공작물의 경우 절삭 속도를 적절히 줄여야 합니다.
(4) 합리적인 도구 각도.
선삭 시 가느다란 샤프트의 굽힘 변형을 줄이려면 선삭 시 발생하는 절삭력을 최소화하는 것이 중요합니다.
공구의 기하학적 각도 중 경사각, 주 경사각, 경사각이 절삭력에 가장 큰 영향을 미칩니다.
1）경사각(γ)
레이크 각도(γ)는 절단력, 절단 온도 및 절단력에 직접적인 영향을 미칩니다.
경사각을 높이면 절단되는 금속 층의 소성 변형이 줄어들어 절단력이 크게 감소합니다.
따라서 가느다란 샤프트를 선삭할 때는 공구의 강도를 충분히 확보하는 한도 내에서 공구의 경사각을 최대한 높이는 것이 좋습니다. 경사각은 일반적으로 γ=13°-17°로 간주합니다.
2）주 경사각(KR)
주 경사각(kr)은 세 가지 절삭력의 크기와 비율에 영향을 줍니다. 주 경사각이 증가하면 반경 방향 절삭력은 크게 감소하는 반면 접선 방향 절삭력은 60°-90° 사이에서 증가합니다.
세 가지 절삭력의 비율은 60°-75° 범위에서 가장 합리적입니다. 가느다란 샤프트를 선삭할 때는 일반적으로 60°보다 큰 주 경사각이 사용됩니다.
3）경사각(λs)
경사각(λs)은 선삭 중 칩의 흐름 방향, 공구 팁의 강도 및 세 가지 절삭력의 비율에 영향을 미칩니다.
경사각이 증가하면 반경 방향 절삭력은 크게 감소하지만 축 방향 및 접선 방향 절삭력은 증가합니다.
세 가지 절삭력의 비율은 -10° ~ +10° 범위 내에서 가장 합리적입니다. 가느다란 샤프트를 선삭할 때는 일반적으로 0°~+10°의 양의 경사각을 사용하여 칩이 가공할 표면을 향해 흐르도록 합니다.
가느다란 샤프트의 강성이 낮기 때문에 선삭 시 힘과 열로 인한 큰 변형으로 인해 가느다란 샤프트의 가공 품질 요구 사항을 보장하기 어렵습니다.
그러나 적절한 클램핑 방법과 고급 가공 방법을 사용하고, 합리적인 공구 각도와 절삭량을 선택하고, 기타 조치를 취하면 슬림 샤프트의 가공 품질 요구 사항을 보장할 수 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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