공작기계 감쇠 특성과 매개변수

아헨공과대학 공작기계연구소 WZL이 기계 컴포넌트의 감쇠를 모델링하고 매개변수화하기 위해 전제조건을 만들고, 리니어 축 컴포넌트의 감쇠특성에 다양한 설계변수와 윤활제가 미치는 영향을 발표하였다.

아헨공과대학 공작기계 연구소 WZL 소속

공학박사 크리스티안 브레허(Christian Brecher) 교수: 연구소장,

공학박사 마르셀 파이(Marcel Fey): 기계 기술부 수석 엔지니어,

석사 다니엘 크리스토퍼스 엥(Daniel Christoffers M) 엔지니어링,

석사 미하엘 바그너(Michael Wagner): 연구원,

감쇠*(파동이나 입자가 물질을 통과할 때 일부가 흡수되거나 산란되어 에너지가 감소하는 현상)

강성*(탄성변형을 할 때 재료가 그 변형에 저항하는 정도)

현대식 절삭공작기계(WZM)에 성능과 제조에 관련하여 까다로운 요건들이 제시되고 있다. 기계의 동적 컴플라이언스(외력에 의해 변형되는 양이나 정도)와 절삭 프로세스는 상호 작용하여 영향을 받는다. 충분하지 못한 감쇠*나 강성*에 의해 발생하는 힘에 의해 동적 컴플라이언스가 기술적인 영향을 받는다. 이러한 컴플라이언스가 형성되는 지점에서 자려, 채터 진동이 발생할 수 있으며, 이러한 진동은 성능, 표면 품질, 공구 마모에 부정적인 영향을 준다[2; 10]. 따라서 이러한 동적거동에 의도적으로 영향을 줄 수 있는 개발 프로세스가 필요하다. 질량 매개변수, 강성 매개변수와 달리 검증된 감쇠 모델과 매개변수에 대한 정보는 매우 드물다. 이를 위해 강성, 질량, 힘 흐름에서 모든 구조물, 기계 요소, 접합 지점의 감쇠를 정확하게 알아야 한다.

아헨공과대학 공작기계연구소 WZL은 이전의 프로젝트들에서 기계 컴포넌트의 감쇠를 모델링하고 매개변수화하기 위한 방법론적 전제조건을 마련하였다. 이 과정에서 다양한 변형구조와 윤활제가 리니어 축 컴포넌트의 감쇠 특성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 중요한 인식을 도출하였다 [5]. 이러한 경험을 프로젝트에 활용하고 전체 기계에 적용하고자 한다. 연구 대상은 동적 컴플라이언스와 프로세스 안정성이 예비장력이나 윤활 등 개별 리니어 축 컴포넌트를 조정하여 개선되는지 여부이다.

그림 2: [4; 3]에 따른 감쇠모델 식별과 검증을 위한 방법론
해결해야 할 감쇠 산출

진동하는 시스템에서 감쇠를 측정하는 것은 여러 가지 이유로 쉽지가 않다. 무엇보다 사라지는 에너지로서의 감쇠는 직접 확인할 수 없으며,[9] 이러한 상황에 시스템 고유 감쇠도 마찬가지이다. 측정 시 감쇠의 작용 위치에 대해 유추할 수 없고 모의 예측을 하는 경우에도 국부적으로 매핑하는 수 밖에 없다 [7]. 많은 기계요소는 베어링의 프리텐션과 같이 장착 상태에서만 최종적인 특성이 나타난다. 테스트 벤치를 구성하는 경우 이러한 장착 상태를 매핑할 수 있도록 유의해야 한다. 대상을 테스트벤치에 연결하면 알 수 없는 감쇠현상이 발생하는데, 이는 접합부분과 테스트벤치 구성요소의 감쇠에 기인하는 경우가 많다. 외부 감쇠를 확인하기 위해서 테스트 벤치를 세밀하게 구성하고 각 단계마다 시뮬레이션과 조정하여 외부 감쇠의 모든 매개변수를 연속적으로 측정할 수 있다.

자려진동(기계 내부에서 발생하는 진동)으로 인한 채터진동(가공과정 중의 진동)의 발생은 공작기계에서 성능을 제한한다. 이러한 유형의 진동은 일정한 절삭 깊이에서 발생하며 절삭 공작기계의 성능에 대한 척도가 된다. 회전수와 피드를 잘 조합하면 가공 프로세스에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 공작기계의 안정성 거동을 묘사하는 것은 성능 한계를 보여주는 안정성 맵을 통해 이루어진다.

프로세스 매개변수 변형은 의도적으로 동적특성에 영향을 미치는 것 외에 기계거동을 바꿀 수 있는 방법이다. 이때 접합지점과 연결지점이 시스템의 전체 감쇠에 큰 영향을 미치며, 접합지점과 연결지점의 감쇠특성은 구조부품의 감쇠특성보다 10 ~ 20% 정도 높다. 구조적 변경 외에 개별적인 공진 문제와 프로세스 안정성을 감쇠 보조수단, 마찰 댐퍼, 능동적 감쇠시스템을 이용하여 영향을 주고 있다[1; 8].

그림 3: [5]에 따른 윤활, 장착 크기, 프리텐션 등급의 영향
프로젝트의 토대는 감쇠연구그룹의 프로젝트(FOR1087)에서 시작하였다. 이 연구에서는 적합한 방법과 확인된 모델의 유효성을 입증하는 데에 초점을 맞추었다. 필요한 테스트 벤치는 설계하고 구성, 제작하였다. 이미 언급했듯이 연구 대상의 감쇠로부터 외부 감쇠를 분리하는 것은 컴포넌트 감쇠 계산에서 본질적인 도전 과제가 되었다. 테스트 벤치를 점진적으로 구성하는 방법과 모의 조정이 실제로는 적합하지 않은 것으로 나타났다. 그러한 구조는 조립 단계마다 테스트 벤치의 질량거동과 강성거동을 바꾼다. 이 모델을 전체 구조의 모드형상과 동일하지 않은 모드형상과 시뮬레이션을 이용하여 조정한다. 공작기계연구소에서는 외부감쇠를 그림 2에 제시한 방법을 이용하여 조정하였다. 조사해야 할 컴포넌트는 진동하는 두 질량 사이의 연결지점에 배치하고 측정하였다. 이러한 절차와 방법은 이미 [6; 3; 4]에서 설명하고 검증하였다. 연구 조사에서 이 방법이 프로파일 레일 가이드, 볼 스크류 너트, 볼 스크류 고정 베어링, 비고정 베어링의 감쇠 특성에 적용한다. 프로파일 레일 가이드의 경우 프리텐션 등급과 윤활의 영향을 확인하였고, 이러한 프리텐션 등급과 윤활이 감쇠거동에 있어서 중요한 것으로 확인되었다.(그림 3).

동적거동 최적화하기

생산되는 공작물의 질량 정확도와 표면품질과 관련하여 현대식 공작기계에 제시되는 요구사항은 갈수록 까다로워지고 있다. 이런 요구사항에 관련하여 공작기계의 동적거동 최적화에 대한 요구가 커지고 있다. 실시한 최적화 조치를 평가하기에는 높은 질량에서 프로세스 안정성이 적합하다. 제조사들은 동적거동을 개발단계부터 최적화하기 위해 노력하고 있다. 이를 위해 고유모드 분석을 통해 구조적 약점을 찾아내고 구조적으로 제거할 목적으로 유한 요소법과 멀티바디 시뮬레이션을 이용하는 경우가 많고, 기계 컴포넌트와 질량 산란을 의도적으로 선택하여 실현한다.

그림 4: 프로젝트 목적 설정

프로세스에 결정적인 고유모드를 확인하기 위해서는 동적 컴플라이언스 거동을 구체적으로 매핑해야 한다. 여기서 연결 지점의 강성특성과 감쇠특성 값을 알아야 한다. 산업환경에서는 이에 대해 경험 값을 이용하는 경우가 많다. 이는 매개변수화되고 검증된 접합지점과 연결지점의 모델이 부족하기 때문이다(그림 4 참조). 하지만 경험 값을 사용하는 업계의 방식은 공정에 있어서 결정적인 고유진동의 산출 정확도가 충분하지 못한 모델을 생성하고 부정확한 예측을 초래한다. 이러한 결함을 제거하기 위해 감쇠연구그룹에서 감쇠모델을 인식하고 예측능력도 검증하여, 기계 컴포넌트의 감쇠를 공작기계의 동적 컴플라이언스 거동을 설계하는 데에 이용할 수 있다.

연구의 핵심

연구그룹은 공정 안정성에 컴포넌트가 미치는 영향을 두 공작기계 제조사와 함께 최신 프로젝트에서 확인하고자 하였다. 연구의 핵심은 다음과 같다.

첫째, 리니어 축 컴포넌트의 감쇠 특성을 구조이형이나 윤활제를 선택함으로써 기계의 공정 안정성을 개선하기 위해 이용할 수 있는가?

둘째, 기계 전체에서 감쇠 모델을 매개변수화하려면 어느 정도의 정확성이 필요한가?

그림 5: 연구 패키지(work package)와 목적 설정

두 파트너사인 Heller와 Index는 이 질문에 해답을 구하기 위해 자사의 최신 기계를 제공하였다. Index는 콤팩트한 Traub TNL32 타입의 자동 선반을 준비하였고, Herller는 최대한 넓은 스펙트럼을 연구하기 위해 CP8000을 제공하였다. CP8000은 컬럼이동 구조의 5축 가공센터에서 한 번의 클램핑으로 직경 1250mm, 높이 1400mm의 피삭재를 가공할 수 있다. 프로젝트 진행을 위해 시퀀스 플랜을 개발하였다.(그림 5) 컴포넌트 크기가 커서 넓은 스펙트럼의 테스트 벤치가 필요했으며, 기존 테스트 벤치를 조정해야 했다. 리니어 축 컴포넌트 연구를 위해 방법을 조정하고 프로세스 절차를 최적화했다. 평가를 단순화하기 위해 비교가 용이한 관점에서 조정하고, 많은 컴포넌트로 인해 효율적으로 조정을 해야 했고 대부분 자동으로 이루어졌다.

모든 컴포넌트를 이용한 시뮬레이션 모델

이어서 모든 컴포넌트 프로파일 레일 가이드, 볼 스크류 너트 그리고 볼 스크류 베어링을 연구하였다. 개별 컴포넌트의 산란을 평가하기 위해 다수의 샘플을 만들었다. 컴포넌트의 매개변수를 알면 기계의 동적거동을 모델로 연구할 수 있다. 이를 위해 두 기계에 대해 모든 컴포넌트를 포함하는 시뮬레이션 모델을 만들었다. 전체 시스템에서 민감도 조사를 통해 개별 콤포넌트 감쇠 비율을 평가하고, 개별 콤포넌트의 산란이 전체 시스템에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해 콤포넌트 산란을 전체 시스템의 산란과 관련시키는 것이 필수적이다. 견고한 통계적 기반을 마련하기 위해 기계 산란에 대해 연구하였다. 동일한 구조의 기계 산란에 대해서는 지금까지 참고 문헌에서나 파트너 사에서 알려진 바가 없었기 때문에, 3단계에서는 실험 조사를 위한 기반을 조성하였다. 3 단계의 민감도 분석을 토대로 동적거동의 개선을 보장하는 리니어 축 컴포넌트를 선택하고 실험을 통해 구현하였다. 다수의 변경이 미치는 영향을 서로 분리하기 위해, 이를 단계별로 처리하고 문제의 해답을 구할 수 있었다.

중요한 영향 요인

앞서 감쇠연구그룹 프로젝트에서 얻은 자료가 이번 프로젝트를 위한 견고한 토대를 형성하였다. 감쇠 특성을 확인하기 위한 새로운 방법이 도출되었고, 모델링한 후 감쇠를 검증할 수 있었다. 얻은 결과는 프로젝트에 사용하여 전체 기계에 적용하고 공작기계 감쇠에 대한 이해가 확립되었다. Index 자동 선반에서는 볼 스크류 예압이 전체 기계의 동적 컴플라이언스에 미치는 영향이 큰 것으로 확인되었다. 또한 윤활제 점도가 프로세스 안정성에 미치는 영향도 확인할 수 있었다. 본 저자는 이번 프로젝트 „컴포넌트 감쇠가 공작기계의 동적 특성과 프로세스 안정성에 미치는 영향“(BR 2905/70-1) 범위에서 이러한 연구를 후원해준 DFG(독일연구협회)에 감사를 드리고, 프로젝트 협력과 변함없는 지원해 주신 Gebr. Heller Maschinenfabrik과 Index사에 감사에 인사를 드린다.

참고 문헌

[1] Altintas, Y.; Brecher, C.; Weck, M.; Witt, P.: Virtual Machine Tool. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 54. Jg., 2005, No. 2. P. 115-138.

[2] Altintas, Y.: Manufacturing automation. Metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design. 2. ed. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2012.

[3] Brecher, C.; Fey, M.; Bäumler, P.: Identification method for damping parameters of roller linear guides. Production Engineering. 6. Jg., 2012, 4-5. P. 505-512.

[4] Brecher, C.; Fey, M.; Bäumler, P.: Damping models for machine tool components of linear axes. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 62. Jg., 2013, No. 1. P. 399-402.

[5] Brecher, C.; Fey, M.; Wagner, M.: Dämpfung in Profilschienenführungen. wt Werkstattstechnik Online. 104. Jg., 2014, No. 5. P.295-300.

[6] Fey, M.: Identifikation geeigneter parametrierter Dämpfungsmodelle für Komponenten einer Linearachse. Dissertation.

RWTH Aachen, 2015.

[7] Ophey, L.: Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften vorgespannter Schrägkugellager. Düsseldorf: VDI Verlag, 1986.

[8] Sitte, B.: Prozessstabilität als Bewertungskriterium im Entwicklungsprozess von Werkzeugmaschinen. Dissertation.

RWTH Aachen, 2013.

[9] Richtlinie. VDI 3830 Teil 1 (August, 2004). Werkstoff- und Bauteildämpfung.

[10] Weck, M.; Brecher, C.: Werkzeugmaschinen 5 – Messtechnische Untersuchung und Beurteilung, dynamische Stabilität. 7.

Aufl. Berlin, Heidelberg: Springer, 2006.