機械構造의 案内／結合部에 있어서摩擦減衰에 관한 연구

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1 機械構造의 案内／結合部에 있어서摩擦減衰에 관한 연구
1. 개발 플로우 2. 개발 플로우 설명 (1) 개발의 시작에 위치하는 것이며, 그 형태는 개발에 따라 다양하고 평소 영업 활동을 통해서 다른 문의가 있고 다른 협의, 견적을 거쳐서 수주이다. 외에도, 사내의 톱 다운에 의해 의나 트러블 대응 등에 의한 돌발적인 것, 또 자주적인 연구 개발을 목적 (2) 협의 결과를 바탕으로 내용을 더욱 상세하게 분해한 기본(견적) 사양서, 개발 개요 이미지 공유를 목적으로 한 개념도을 작성한다. 기본서에는, 기능, QCD의 내용이나 공사 범위, 전략, 시장 리스크(기술, 개발 스케줄, 코스트·)등을 포함해서 이들을 명확히 할 필요가 있다. 프로젝트 체제 구축을 실시하고, 필요 인력·인재 확보·역할 만큼 담, 또 개발비 배정, 개발공정 등을 결정 (3) 개발의 성패 또한 이후의 모든 공정에 큰 영향을 준다는 점에서 충분한 시간을 투입, 상세 검토를 실시할 계획을 책정, 구체적 시행사항로서 개발의 핵심 애로 기술의 추출 및 대책과 검증, 고장 모드 분석과 대책, VE활동 등에 의한 비용 분석·비용 재검토, 상세 개발 일정의 조정(태스크 브레이크 다운 크리티컬 패스 검토등), 사양재검토( 조정 포함), 출도 관리, 기본 계획도 작성, 각종 기술 계산서 작성,위험도 분석, 평가, 대책에 의한 안전 확보, 환경 배려 설계, 과거의 실패 사례 조사, 각종 법령, 규격 확인, 관계된 특허 출원 상황의 확인 등. 그리고 이러한 활동을 통해서 최종적인 사양으로 된 확정 시방서(경우에 의한 계약 사양서)과기본 계획도, 견적서를 작성하고, 사내의 승인 및 다른 승인을 얻을 필요가 있다. (4) 승인된 확정(계약)시방서· 기본 계획도를 바탕으로, 출도 도서의 종류, 출도 예정일을 작성을 시작으로 실시하고, 작성하는 도서류에는, 상세 설계도, 조달사양서, 조립 방안, 검사 방안 등이 있다. 이들 도서 작성 시에는 제작·조달하기 쉬움, 코스트, 납기 등을 포함한 생산 설계도 관계 각처와 협의하면서 추진할 필요가 있다, 완성된 도서에서는, 이후 제작·조달 공정에 미비나 문제가 발생하지 않는 것을 충분히 확인할 필요가 있다. (5) 작성된 서류에 의한 조달 활동을 통해서, 각 메이커(사내의 경우도 있다)에서 제작, 구입품 수배를 진행하며 이 공정에 의한 더욱 상세한 비용 분석, 일정 조정을 실시한다 개발 전체의 계획에 반영하고, 또 경우에 따라서는 대책을 강구할 필요가 있다. 조달 담당자 및 개발 담당자는, 즉시, 업체에서 제작·조달 진척 및 품질의 지원을 실시하는 부품 또는 유닛 단독체의 QCD를 확보하도록 노력할 필요가있다 (6) 제작·조달된 부품의 수입검사, 납품을 거쳐서 부품을 집결하고 부품의 집합은 유닛마다 행하는 경우등 그 공정에 대응 실시하는 등, 각각의 개발 안건에 적합한 방법을 취할 수 있다. 개발(설계)담당자는 조립도, 조립 방안, 조립 시 검사 방안 등을작성하고, 조립 담당 부문과 조정을 실시하며 이 중에서 조립 방법 및 절차의 검토, 조립체제 확립, 조립시의 안전 확보, 필요 치공구의 준비 등을 확정한다. 이상의 준비를 실시한 후, 조립·조정 작업이 진행된다. 개발(설계)담당자는 조립·조정 공정에서도 적시에, 조립 상황을 확인하고, 계획 밖의 현상이 발생하지 않았는지, 조립 정밀도 등이 확실히 확보되고 있는지를 지원할 필요가 있다

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(7) 장치의 크기, 시운전의 내용에 따라서 시운전 지역을 확보하고 안전 대책을 강구하고 개발한 장치를 설치한다 개발(설계)담당자는 검사·시험 운전 방안, 시운전 전 사전 안전 검토를 준비하는 시험 운전 담당 부문과 시운전 내용·체제·안전 등을 있어 조정을 실시한다 시험 운전 담당자는 방안대로 검사 및 시운전을 실시하는 검사 기록 를 작성하며 또 검사 결과가 사양을 만족하지 않는 경우에는 관련 부문과 협의하는 방안을 사실배포하고 그 후, 품질 검사 부문에 의한 검사·확인을 실시하는 검사 방안을 만족하면 출하허가 승인을 얻고 본 검사에는 다른 입회 검사가 포함되는 경우도 있고 지적사항에 대한 실시의 가부(경우에 따라서는 추가 비용의 교섭), 부적합 사항의 수정, 재 입회 현장 점검 등을 실시하는 경우도 있다 (8) 출하에 있어서 개발(설계)담당자는 포장 수송 요령서를 작성하고, 포장 형태, 가동부의 고정방법, 반송 방법(중장비, 매는 방법 등), 수송 수단(육송(트럭), 해상 운수, 공수 등)를 결정한다 출하 담당 부문은, 포장 수송 요령서에 근거하여 출하 작업을 진행하고 개발(설계)담당자는, 본 작업에 임하고 미비가 없는지 충분히 확인할 필요가 있다. 또 포장은, 사진 촬영 등을 실시하고, 필요시 담당자에게 보내 정보의 공유를 도모한다, 고정에 대한 개발(설계)담당자는 반입 경로, 반입 기자재, 기초로 주위의 상태 등을 사전에 조사하여 설치 요령서를 작성하다 경우에 따라서는, 개발전에 확인을 실시하고, 설치에 있어서 문제가 발생하지 않도록, 장치 개발(분할 구조화 이나 기초의 개량 등)에 반영할 필요가 있다. 설치 요령서에는 설치 방법, 설치 위치, 정도, 설치 후 확인 항목 등도 아울러 기재할 필요가 있다. 설치 담당자는, 설치수순서에 의하여 작업을 추진하고 설치 기록의 작성을 가지고 작업을 완료하다 (9) 운용 담당자에 대한 운영자 교육을 실시한 후 실제 운용이 시작된다. 운영자교육에 있어서는 사전에 설명서를 작성하고 그에 따라 교육을 실시한다. 교육은 장치의 운전 방법뿐만 아니라, 장치의 구조, 보수 · 관리 방법에 대해서도 충분히 실시해야할 필요가 있다. 특히 안전에 관하여는 그 위험을 매뉴얼, 운영자 교육을 통해 제대로 전달 · 이해시키는 것이 필수적이다. 유지 보수는 TPM (예방) 인 사상을 가지고 실시하는 것이 좋고, 시설에 관한 모든 요소문제를 미연에 방지 구조를 현장 · 현물 구축하는 것이 바람직하다. 또한 문제 발생시의 체제 · 대응에 대해서도 사전에 운용 담당자와 정해 둘 필요가있다 (10) 운용 끝난 장치의 경우, 적절한 폐기 처분 될 필요가있다. 개발 (설계) 담당자는 본 공정에 있어서도 불편이 생기지 않도록 개발 단계에서 사전 배포가 요구되고 예를 들어, 쉽게 분해 할 수있는 구조로하는 것이 나 유해 물질방출이되지 않을 재사용이 가능한 물건의 채용 등이 꼽힌다. 2. 개발 담당자의 역활 개발 (설계) 담당자는 목적 (사양)을 달성하기 위해 새로운 기술과 기법에 도전함으로써 경쟁력을 유지하면서 QCD (품질, 비용, 납기)를 확보하고, 또한 개발에 관련된 모든 회사 부서 사람과 Win-Win 관계를 구축 할 필요가 있다. 또한 앞까지 해설 한 업무 흐름 모두에서 관계 가지고 개발에 큰 영향을 미치는 중요한 결정으로 그 책임은 매우 무겁다고 생각된다. 정리하면 개발 (설계) 담당자의 역할은 다음과 같이 정리할 수있다. ✓ 고객의 목적 공유 조정 (사양 비용의 조정 · 결정) ✓ 개발 계획의 입안 · 실시 (도면 (구조 · 형상 ·기구)의 작성, 각종 기술 검토 등) ✓ 사양을 만족하는 데 필요한 신기술 개발 ✓ 관계 기관과의 조정 (관계 부처, 조달처 제작 업체 등) ✓QCD 관리 ✓ 운용 중 · 후 후속 (보수 등) ✓ 장치 및 각 공정의 안전 확보 ✓ 친환경 이상에 대해 개략적 그림으로 나타내면 그림 1.2과 같다.

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2. 연구의 목적 개발 담당자가 검토 · 계획한 기술적 과제중 가압기 · FA 장치 등 외부에서 부하가 작용되며 그 상태에서 구동되는 기계 장치를 가정하고 이때의 설계 과제로서 중요하다 "기계 구조 사양 결정"을 연구 대상으로 하면 기계 구조 사양의 결정은 기계 구조를 구성하는 프레임 구조와 기계 요소를 개발방출 장치의 요구 사양에 따라 적절하게 선택 · 설계하는 것이며, 그 장치 사양에 제공하는 영향은 크다. 잘못 기계 구조를 설계하는 경우 구동부 기능의 미비 (위치 결정 부장점 등) 과대 변형 (강성 강도 부족), 진동, 가공기에서는 びびり 진동의 발생 등 결함을 발생시킨다. 여기에서는 특히 기계 구조 사양의 정적 · 동적 특성에 주목하고 그 목적, 과제를 정리하면 그림과 같다

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3. 감쇄 ✓ 점성 감쇠 속도에 비례감쇠이며, 공기 · 물 · 기름의 유체 저항 등이 대표적이다. 기계 공학에서 취급하는 기계 및 장비, 구조물에서는 대략 이런 감쇠 특성을 가지는 것이 많기 때문에 이 형태의 감쇠를 대표로 이용하는 경우가 많다. ✓ 마찰 감쇠 쿨롱 마찰로 불린다. 볼트 결합 이나 습동부 등 진동시의 미끄럼 마찰에 기인한 감쇠이며, 속도와 반대 방향으로 작동하는 에너지를 소산시키는 성질을 가지고 있다. 또한 이 감쇠는 대부분의 기계 구조에서 가지고 있는 것이며, 또한 그 효과도 상대적으로 크다고 생각된다. 기계 구조물의 진동 특성을 고려할 때 무시할 수 없다 ✓ 이력 감쇠 이력 감쇠이라고도 불린다. 하중 변형 곡선이 고리 모양(그림 1.5:세로축(하중 F), 횡축(변위 δ)을 그림으로써 에너지가 흡수되는 계수이다 건축 구조물의 면진에 이용되는 흡진 제품등, 그 변형에서 탄성적 성분과 소성적 성분이 조합된 것에서 좋은 특징이 나타났다 마찰 감쇠는 예로서 가공기의 과거 개발 사례에서 그 장비 사양, 특히 비비리진동 발생의 유무에 영향이 큰 것을 경험적으로 이해하고있다. 그러나 "마찰 감쇠"를 발생시키는 메커니즘의 해명과 정량적 예측 방법은 확립되어 있지 않고, 장비 제작 후 기계 조정에 의해 장비 사양을 만족하도록 대응하고 있는 것이 현실이다. 그림에 「마찰 감쇠 "이 비비리 진동 발생 여부에 영향을 미친 예를 나타낸다 가공기의 홈이 있는 안내면의 예이며, 안내면 체결 볼트의 체결력에 의해 안내면의 마찰력이 조정 가능하다. 그리고 이 마찰력의 조정에 의해 비비리 진동 발생의 유무가 변화하는 것을 알 수있다. 그러나 진동 진동을 발생시키지 않기 위한 적절한 마찰력 및 가공 기계 구조의 사양은 밝혀진 것이 없다 이 볼트의 체결력에 따라 비비리 진동 발생의 유무가 변화하는 이유는 공구 절삭 진동이 부가될때 볼트와 바이트가 접하고 있는 부위에 마찰이 발생 감쇠 효과를 얻을 수 있다고 생각된다 . 그러나 마찰 감쇠 발생 메커니즘은 분명하지 않고 정량적 인 검토도 이루어지고 있지 않다

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3.1. 비비리 진동의 일반적 대책방법 예 ✓ 절삭 조건의 변경 (절삭폭을 감소, 절삭속도의 감소 또는 증가 절삭유제 등) ✓ 공구 변경 (경사각의 증가등 공구 형상 변경, 코팅 등) ✓ 공작 기계의 동특성 개선 그러나 "절삭 조건의 변경", "공구 변경"은 일반적으로 가공 효율성과 비용의 증대 소지가 많은 "공작 기계의 동특성 개선 '에서는 기 설치된 가공 기계에 용이하게 실시 할 수있는 것은 아니다. 따라서 기계 본체 자체가 비비리진동을 억제 할수있는 기계구조 사양을 개발(설계) 단계에서 밝혀 적용하는 것이 중요하다. 과거의 절삭 가공기 개발실적에서 기계 구조 사양 중 바이트부, 이송구동 기구부 (이송 나사지지 베어링) 또한 그들을 유지하는 프레임 의 각 부분의 강성 및 안내 부의 마찰이 비비리진동 발생 에 크게 영향을 주고있는 것은 분명하고, 이러한 사양을 비비리진동이 발생 하지 않도록 정량적으로 결정할 필요가 있다. 여기서 절삭가공 기계에 사용되는 안내부의 베어링으로는 범용적이며, 가장 큰 마찰력이 발생하는 것으로 생각된다 "접촉 식"의 "미끄럼 베어링"을 본 연구의 대상 한다. 본 연구와 관계되는 항목으로 공작기계 진동특성 공작기계 안내면의 감쇄능 비비리 진동의 예측 및 억제 - 절삭조건의 변경 회전수 변경-진동 재생효과의 억제 / - 절삭속도의 저하 : 공구의 여유각과 워크면의 접촉에 의한 감쇄효과 증대 - 공구의 변경 : 부등피치 공구로 진동의 재생효과의 억제 / 공구의 형상 및 경사각의 변경 - 기계 장치를 이방향성 구조화 : 축 대칭 형상의 공구나 워크등 축에 수직으로 직교하는 2방향에 있어서 유사한 진동모드 (공진주파수)되는것에서 발생하는 모드, 커플링형 불안전진동의 회피 - 공작기계 동특성의 개선 이상과 같이 비교적 간단한 모델에서 구조 사양이 비비리 진동에 미치는 영향 검토나 기존 공작기계의 특성을 전제로 한 진동 예측 억제에 대한 많은 연구가 수행되어왔다. 하지만 공작 기계를 새로 개발할 때의 진동 진동 억제 대책으로는 강성의 극대화에 초점을 두고 있으며, 설계 단계에서 활용할 수 있는 진동 진동 발생의 정량양적 예측 방법의 개발은 불충분하다. 따라서 이를 해결할 수 있는 공작 기계 모델의 구축 및 이를 이용한 설계 지침의 획득은 공작기계 개발에 있어서 중요하다고 생각하여 본 연구에서 임하는 것으로 했다.

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3.2 연구대상 설정 모델 단순한 2 차원 절삭을 대상으로 마찰 감쇠 (안내 부에 의한 마찰력)을 포함한 2 자유도 진동계로 가공기를 모델링한다. 그 구성 요소에 대해서 (a) 절단 가공기 (b) 선삭가공 기계를 그림 2.4에 나타내었다. 공구인선의 절삭점에서 발생하는 절삭력의 주분력과 배분력 (b)에서는 이송 분력 또한 배분력은 비비리 진동발생 방향과 직교할때 영향이 작다고 생각되기 때문에 생략하고있다 )은 스프링 요소의 하나인 공구, 공구홀더 부 (Tool, Tool post)를 거쳐 테이블 안내 부 (Slide table)로 전달된다 안내 부의 구조로 미끄럼 베어링을 대상으로하며, 여기에서 마찰력에 의한 감쇠 효과를 얻을 수 있다. 절삭력은 더욱 두번째 스프링 요소가 되는 구동부 (이송나사, 지지베어링)을 통해 커플링, 모터로 전달된다 (Feed drive unit). 이러한 구조는 실제 공작 기계에서도 많이 볼 수있다. 적용 범위도 넓기 때문에 연구 대상으로 유익하다고 생각된다. 또한 본 연구에서는 일반적으로 문제가 되는것이 많은 재생형 진동을 다룬다. 재생 형 진동은 일반적으로 절입두께를 변화시키는 방향 (a)는 절입 방향 (b)는 이송 방향)에 발생하기 쉽다. 때문에 여기에서는 그 방향으로 이동하는 테이블만을 고려하고 있다. 또한 절삭력에 대해서도 그 방향 성분 (a)는 배분력 방향 (b)는 이송 분력 방향)만을 고려하여 영향이 작은 다른 성분은 무시하기로했다.

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3.2 연구대상 설정 모델 그림 2.4 (a), (b)의 장치 구성 요소는 기본적으로 2 개의 질점 (Tool post, Slide table) 두개의 스프링 요소 (Tool post, Feed drive unit), 하나의 마찰 감쇠 (Slide bearing)으로 구성된 '2 자유도계 공작 기계 모델 "로서 그림 2.5과 같이 개략적으로 표현 될 수있다. 여기에서 마찰 감쇠를 발생하는 미끄럼 베어링의 안내부는 공작 기계를 구성하는 데 일반적으로 어떤 프레임에 배치되기 때문에 강체로 간주 될 수 없다, 따라서 그 안내부 (프레임 부, Slide bearing support frame (그림 2.5, 2.7))의 탄성 (kN)와 질량 (mN)에 대해서도 고려한다 4. 미끄럼 베어링의 마찰 습동 특성 미끄럼 베어링 부의 예압하중 및 속도를 변화시켜 마찰력을 측정했다. 시험 결과를 그림과 같다. P는 로드셀에 의해 측정 된 예압하중이다. 안내면의 특징 (S45C, 불소 수지 (품명 : 타카이토 B)의 조합) 타카이드 B는 PTFE (4불화에텔렌)을 주재료로하고, 정지 마찰 마찰 계수와 동 마찰 계수의 차이가 매우 작은 것을 특징으로하고있다. 이 특징은 본 시험 결과에서도 확인할 수 타당한 시험 결과 인 것으로 생각된다. 4.1 비비리 진동의 안정한계의 해석 모델 비비리 진동은 강제 비비리 진동과 자려 비비리 진동이 있지만 본 절에는 큰 진동으로 성장하는 문제가 많은 자려진동에 대한 것이다. 선삭 가공에서는 절삭 방향의 변화가 없는 연속 가공을 함으로 강제 비비리 진동이 문제가 되는것은 작지만 자려 비비리진동에도 2방향의 진동이 연속하는 모드 커플링형의 진동이 발생이 어렵다. 그러므로 재생효과에 기인하는 자려 비비리 진동만을 논의 한다. 강제 비비리 진동 - 힘의 외란형 : 단속 절삭이나 절삭층의 주기적인것 - 변위 외란형 : 베어링 , 기어, 회전체의 언발란스. 전동기등의 진동이나 바닥에서 전해지는 진동 (2) 자려 비비리 진동 - 재생형 : 1회전전의 진동이 사상면 기복에 대해서 재생하는것 - 모드 커플링형 : 2방향 연속진동에 기인하는것

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자려(재생형)비비리 진동은, 절삭 프로세스에서 발생하는 진동이 폐쇄 루프를 통해서 확대하는 불안정 현상의 하나이다. 절삭 가공의 그 자려 비비리진동 발생 과정의 모식도를 그림 2.14(그림 중의 기호가 Tool의 절삭 점에서 위상이 비뚤어진 위치에 표기되어 있지만, 정확히는 절삭점 근방의 현상을 나타내고 있다)에 나타낸다. 절삭 중에 절입 방향의 진동(비비리 진동)이 발생하면, 1회전 전에 사상면에 남은 진동의 흔적(Outer Modulation)과 현재의 인선진동(Inner Modulation)에 의해, 현재의 절입두께 h(t)가 변동하는데 따라 현재 사상면 전사된 1회전 후 절삭두께에 대해서도 변동(재생 효과)을 생긴다. 이 변동에 의해서 절삭력도 변동하고 다시 진동이 발생한다. 이 닫힌 루프가 불안정한 조건에서는, 진동이 폐쇄 루프를 통해서 성장을 계속, 자려(재생형)비비리 진동이 발생한다. 본 연구에서 주 분력방향의 진동은, 절삭력에 대한 영향을 주지 않기 때문에 배분력에 대해서만 고려하였다 위에서 해설한 2중의 닫힌 루프는 그림 2.15에 나타내블록 선도로 표현한다 4.2 절삭시험기의 동특성의 계측과 비비리 진동의 안정성 임펄스 해머를 이용하여 공구인선부(Tool)을 절삭이송방향(Thrust direction)에 타격하고 , 그 때의 가속도 응답을 공구인선의 하부에 부착한 가속도계에 의하여 계측하였다. 또 동시에 타격력을 임펄스 해머에 내장된 힘센서로 측정하여, 각각을 FFT아나라이저 등의 해석 장치에 입력·해석하는 것으로 절삭 시험기의 컴 플리언스 전달 함수 GR(ω c)이 얻을 수 있다. 임펄스 응답 법에 의한 컴 플리언스 전달 함수의 획득 방법은, 본 연구의 같은 마찰력을 포함한 비선형성이 강한 대상에서는, 그다지 적절치 않다, 정확성이 없는 것이 우려되지만, 정성적으로는, 마찰력이 절삭 시험기의 동적 특성에 어떤 영향을 미치는지를 밝힐 수 있다고 생각한다

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획득한 전달 함수의 결과의 예를 그림 2.18에 나타내다 (a)는, 안내부의 마찰력이 5[N]과 매우 작을 경우이므로, 2개의 정점을 가진 전형적인 2자유도계의 전달 함수가 나오고 있다. (b)는 마찰력이 85[N]의 경우로, 마찰에 의한 감쇠 효과가 크게 나타나고 있으며(a)에서 계측된 2개의 피크가 거의 확인할 수 없는 상태이다. (c)는, 더욱 마찰력을 키우는 200[N]이라고 할 경우는 새로 2개의 피크의 발현을 확인할 수 있다. 그러나 이는(a)의 피크에서의 주파수는 변화하고 있으므로, 저 마찰 때와는 다른 전달 함수가 되고 있음을 알수있다 다음에 마찰력을 다양하게 변화시켜서 실험(임펄스 응답 법)을 수행할 각자의 마찰력에 있어서의 컴 플리언스 전달함수의 최대 음의실수부 GR(ω c)를 구하고 또한 2.5.2절에서 특정한 대비 절삭력 Kt를 이용, 그것들을 예식(2.11)에 대입함에서 임계 절삭폭 alim을 요구할 수 있다. 임계 절삭폭 alim은, 주축 회전 속도(절삭 속도)마다 다른 값이 요구되지만(그림 2.16참조), 여기에서는 절삭 조건을 표 2.2로 가정한 절삭 속도를 100m/min에 고정하기로 마찰력마다 1개의 해답을 얻고 있다. 계산 결과를 그림 2.19에 나타내다 그림 2.18(a)(b)(c)및 그림 2.19에서 얻어진 결과는 안내면의 마찰력이 작을 경우(그림 2.18(a), 안내면 슬라이드 테이블부(Slide table)는 자유롭게 진동할 수 있는 점에서 마찰력에 의한 감쇠 효과는 작고, 컴플리언스 전달 함수의 최대 음의실부 GR(ω c)는 커지고 임계 절삭폭 alim은 작아진다. 마찰력을 키우면 감쇠 효과는 커지고 어떤는 마찰력(그림 2.18(b)에 있어서 전달 함수의 최대 음의실부 GR(ω c)은 최소가 되고, 최대 임계절삭폭을 얻을수있다 다시 마찰력을 키우면(그림 2.18(c)미끄럼 베어링부의 안내면에서 슬라이드가 생기지 않는 고착의 비율이 증가하고 결과적으로 감쇠 효과가 작아지며, 고착된 미끄럼 베어링 지지 프레임(Slide bearing support frame)의 질량-스프링계의 영향이 큰 가산된 전달 함수가 달라진다. 이에 따라 전달 함수의 최대 음의실부 GR(ω c)은 다시 커지는 임계절삭폭폭 alim이 감소했다고 생각된다. 상기를 고찰하면, 미끄럼 베어링부의 안내면으로 슬라이드 테이블부가 미끄럼을 동반하면서 진동하는 상태에서는, 슬라이드 테이블부(mS)와 미끄럼 베어링 지지 프레임(mN)사이에서, 고착 → 미끄러져→ 고착 → 슬라이드, 이 반복되고 있다. 그리고 미끄럼 안내부의 마찰력을 키우면서 진동 1주 기간의 고착 시간의 비율과 고착에 의한 미끄럼 베어링 지지 프레임의 변위가 증대한다

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4.3 절삭시험 조건과 비비리 진동의 판정 공작물, 공구, 절삭 조건은 기본적으로 비절삭저항을 측정한 2.5.2절의 실험과 동일하다. 단, 이송량은 mm/rev에서 일정하게 한다, 임계 절삭폭을 확인하기 위해, 절입 공구의 인서트폭을 바꾸고 절삭 폭을 2, 3, 4, 5, 6 mm의 5단계에서 변화시켰다. 또, 겹판 스프링을 교환하여 각부의 강성을 변화시키고, 미끄럼 베어링의 예상 하중을 변화하여 마찰력을 변화시켰다. 절삭 실험 중에는 공구의 인선부근의 진동을 측정하는 레이저 변위계 및 가속도 센서(그림 2.7참조)을 이용하여, 비비리 진동의 인선진폭 및 주파수의 계측을 실시했다. 임계 절삭폭은 공작물의 회전수에 의하여 증감하지만[2-1][2-10]이, 본 실험에 의해 발생하는 비비리 진동의 주파수(150 Hz이상)에 비해서 회전 수(약 320 rpm≒ 5.3 Hz)가 낮은 영역에서는, 그 증감은 미소하여 무시할 수 있다. 한편, 저속도 영역에서는 절삭 속도에 대한 진동 속도의 비율이 커지기 때문에 공구의 여유 면이 공작물의 표면에 접촉하고, 비비리 진동을 억제하는 프로세스 덤핑 영향이 커지는 것이 우려된다 [2-1]2-10]. 그러나 절삭 속도는 100 m/min이기 때문에 비교적 높고, 또 인선이 예리하게 유지하도록 유의하면 그 영향은 적다고 생각한다. 비비리 진동 발생 상태의 한 예를 그림 2.25에 나타낸다. 그림 위쪽의 홈이 비비리 진동의 발생이 없는 안정 상태(Stable)인 매끄러운 가공 면을 얻을수있음을 알수있다. 한편 아래쪽 홈은 비비리 진동이 발생하는 불안정 상태(Unstable)의 가공 면이며, 일정 간격으로 진동의 흔적이 새겨진 것으로 나타났다 비비리 진동 발생의 판정은, 레이저 변위계에서 측정한 공구 인선부근의 변위를 이용했다. 구체적으로는, 절삭전과 절삭중에서 비교해서, p-p(peak to peak)값으로 mm이상 증대된 경우에, 비비리 진동이 발생한 것으로 판정했다. 예를 들어, 스프링 상수의 조합 kB=32.91[N/μm], kS=34.48[N/μm]에서 측정된 진동 변위를 그림 2.26에 표시했다 여기에서는 절삭 이송에 따른 변위는 제외된다. 그림 2.26(a)는 마찰력이 작을 경우(20N)이며, 절삭개시 직후부터 진동이 크게 성장하고 있는 것을 안다. 그림 2.26(b)는 마찰력이 적당히 큰 경우(40N)이며, 절삭 중에도 진동이 증대하지 않고 안정한 상태가 유지된다. 그림 2.26(c)는 마찰력이 큰 경우(127N)이며, 절삭 직후에 진동이 성장하고 mm정도의 진폭으로 유지되고 있다.

11 機械構造의 案內／結合部에 있어서摩擦減衰에 관한 연구
4.3 절삭시험 조건과 비비리 진동의 판정 더욱이 절삭폭을 변화시키고 진동 변위의 p-p값을 측정한 결과를 그림 2.27에 정리하다 절삭폭이 커질수록 진동 변위가 증대하고 있지만, 어느 절삭폭에서도, 마찰력에 대해서는 상술과 유사한 경향이 보인다. 즉, 마찰력이 작은 조건에서는 비비리 진동 발생시의 변위가 매우 큰 그래프의 상한을 넘고 있으며, 마찰력이 적당히 큰 조건에서 안정이 되고, 마찰력이 커지자 점차 불안정 상태가 된다 또한 동시에 가공 면 상태(그림 2.25참조), 가공시의 소리에 대해서도 확인하고, 이 판정 기준과 모순되지 않음을 확인했다. 게다가, 공구 인서터 근방에 부착한 가속도 센서의 측정 결과를 주파수 분석하고 비비리 진동 주파수 성분도 판정을 실시하고 같은 판정 결과를 얻는 것을 확인했다

12 機械構造의 案內／結合部에 있어서摩擦減衰에 관한 연구
4.3 절삭시험 조건과 비비리 진동의 판정 공구부의 스프링 상수 kB를 크게 하면 안정 절삭 범위가 확대됨을 알수있다. 일반적인 비비리 진동 억제 방법의 개념과 같은 경향이다. 공구부의 강성이 저하하면, 그림 2.30과 같이, 미끄럼 베어링부에서 마찰 감쇠와 상관 없이, 공구부만으로 큰 진동이 발생하기 때문으로 풀이된다. 즉, 미끄럼 베어링부에서 마찰 감쇠가 유효하게 기능하지 않는다 다음에 그림 2.29(d),(e),(f)보다, 구동부에 스프링 상수 kS를 과대하면 안정 절삭 범위가 축소하는 것을 알수있다. 이는, 강성을 높일수록 비비리 진동안정성이 향상된다는 일반적인 개념과 반대의 경향이다. 구동부에 강성이 커지면 진동은 주로 공구부의 스프링 요소에서 발생하고, 미끄럼 베어링부에서의 진동 진폭이 작아진다 따라서 마찰에 의한 분산되는 에너지도 감소하여 안정 절삭 범위가 줄것으로 생각된다. 또 구동부 강성을 작게 하면, 그림 2.31과 같이, 미끄럼 베어링에서의 진동 진폭이 커지고 마찰에 의한 분산에너지가 증가하여 안정 절삭 범위가 확대된다 그림 2.28, 2.29의 모든 것, 안정 절삭 범위를 최대화하는 최적의 안내부의 마찰력이 존재하는 것을 안다. 다음에, 그림 2.28(b)(=2.29(e)의 조건에서 마찰력을 변화시켰을 때 등가 질량, 등가 스프링 상수, 등가감쇠의 해석 결과를 표 2.3에 나타낸다. 이 해석 결과의해, 마찰력의 차이(미끄럼 베어링 하중의 조정)에 의한 등가감쇠 값에 한자릿수 이상의 큰 변화를 일으키을 알수있다. 이처럼 최적 마찰력이 존재하는 원인을 다음으로 고찰하다 우선, 비비리 진동 주파수에 대해서 보면, 어느 조건에서도 마찰력이 증가하는 주파수가 높아지고 있는 것을 안다. 이는 안내부의 마찰력의 증가에 따른 미끄럼 베어링부가 고착하는 비율이 증가하고, 등가스프링 정수가 증가한다(등가 질량도 증가하지만 본 실험 조건에서는 등가 스프링 정수의 증가 비율이 크다)때문이라고 생각된다. 한편, 등가감쇠는 안내부의 마찰력에 대해서 다음과 같이 달라진다. 마찰력이 작은 영역에서는 감쇠력은 작은 등가감쇠도 작다. 이 때문에, 그림 2.26(a)및 그림 2.27로 나타나게 발산적인 비비리 진동이 발생한다. 마찰력을 크게하면 그에 따른 등가감쇠도 커지다 그 결과, 그림 2.26(b)의 예에서는 적절한 감쇠효과가 얻어져 안정한 절삭 상태가 유지되다 다시 마찰력을 키우면, 미끄럼 베어링부의 고착 비율이 증가하고 상대 미끄럼 변위가 작아지기 때문에 등가감쇠가 감소한다 이 결과, 안내부가 거의 고착된 진동계에서의 비비리 진동이 발생한다. 그러나, 그림 2.26(c)및 그림 2.27에 나타내듯이, 그 진동 진폭은 극단적으로 크게 성장하지 않는다. 이는, 비비리 진동이 성장하고 진동 진폭이 커지면, 미끄럼 베어링부의 고착이 해소되어 마찰력이 큰 것과 아울러 비산에너지가 크게 되며, 그것 이상 진동이 성장할 수 없기 때문이다

13 機械構造의 案內／結合部에 있어서摩擦減衰에 관한 연구
4.4 결론 마찰 감쇠를 포함 2자유도계 공작 기계 모델"을 구축하는 동시에, 그 속에 담긴 마찰 감쇠와 2개의 스프링 요소를 변화시킬 수 있는 절삭 시험기를 개발하고, 분석 및 가공 실험에 의해서, 비비리 진동 안정 한계를 요구했다. 그 결과 얻어진 지식을 정리하면 다음과 같다. (1)제안된 공작 기계의 진동 모델을 이용한 비비리 진동 예측은 실제로 가공 실험 결과와 잘 일치하고 있어, 개발 단계에서의 비비리 진동 억제의 검토에 유익하다. 또 마찰력은 본 연구처럼 미리 예측할 수 있어서 그 이외의 주된 정원은 개발 시점에서 설계 도면 및 수치 해석 결과로부터 계산할 수 있다. 그러므로, 개발 단계에서 본 모델을 활용할 수 있다. (2)구동부 강성을 과대하면 비비리 진동 안정성이 떨어진다. 이것은, 미끄럼 베어링부에서 비비리 진동 진폭이 매우 작고 마찰 감쇠도 감소하기 때문이다. (3)공구부 강성을 높이는 것은 비비리 진동 안정성의 향상에 효과적이다. 이는 공구부의 강성이 낮은 경우는, 미끄럼 베어링의 마찰 감쇠 효과는 작고, 공구부만으로 큰 진동이 발생하고 또 강성이 높으면, 미끄럼 베어링부의 진동 진폭이 커지고 마찰 감쇠가 유효하게 작용하기 때문이다. (4)비비리 진동 안정성에 대해서 최적인 안내부의 마찰력이 존재한다. 그 이유는 다음과 같이 이해할 수 있는. 우선, 안내부의 마찰력이 매우 작은 영역에서는, 감쇠도 작은데 폭발적인 비비리 진동이 발생한다. 다음에 마찰력을 증가시키면 그것에 따른 감쇠는 증가하고 비비리 진동 억제에 큰 효과를 얻을 수 있다. 그러나 다시 마찰력을 키우면, 미끄럼 베어링부가 고착하고 충분한 상대 미끄럼 변위를 얻지 못하고, 마찰에 의한 감쇠가 작아진다. 종래, 비비리 진동 억제의 방법으로서는 장치 강성을 높이는데 주안점을 두고 있었다. 그러나 이 지침은 반드시 옳지는 않다, 장치의 각 강성 및 감쇠를 최적화하는 것이며, 더 큰 비비리 진동 안정성을 얻을 수 있는 것이, 실험 및 해석의 양면에서 드러났다. 여기서 얻어진 새로운 비비리 진동 안정성 향상의 설계 지침이 향후 공작 기계 개발에 도움이 되기를 기대한다.