This paper presents the analytical prediction of stability lobes in milling. The stability lobes are obtained by measuring the relative frequency response function (FRF) of a machining center at the cutting point of the end mill cutter over the workpiece fixed by the fixture attached to the dynamometer, the vise, and the table in a row of the machine tool, measuring cutting forces, and approximating cutting force coefficients. Analytically predicted stability lobes are experimentally proven and verified in cutting tests. In this way, the method of chatter stability evaluation of machine tools in an experimental stage is suggested. By doing experiments on the DNM prototype machining center, we evaluated the chatter stability of the machining center and identified the weak point of the spindle structure. To improve the chatter stability of machine tools, the stiffness of the spindle structure should be reinforced in Y-direction.
본 연구는 공작기계의 채터 진동 발생 메커니즘을 파악하고 가공의 안정성을 판정할 수 있는 채터 예측 모델을 만들어 공작기계의 채터 강성을 평가할 수 있는 방법을 제안하였다. 절삭 가공 시 발생하는 가공 시스템의 동적 불안정성인 채터는 공작기계의 공구 구조물, 공작물, 그리고 가공 프로세스가 통합된 절삭 메커니즘과 관련되어 있다. 그러므로 채터에 대한 분석을 위해 절삭 메커니즘과 공작기계의 동특성을 분석하고 절삭 조건에 따른 절삭력을 규명하여 채터 진동을 예측할 수 있는 연구를 수행하였다. 그리고 제안된 채터 예측 모델은 실험을 통해 검증 및 평가하고 확정하여 공작기계의 채터 강성을 평가할 수 있는 방법을 제안하였다. 구체적 연구 방법으론 첫째, 상대 주파수 응답 함수를 측정하여 공작물에 대한 공구 구조물의 동적 특성을 파악한다. 이를 위해 스핀들과 공구 홀더에 연결된 엔드 밀링 공구 말단부의 가공점과 공작물의 가공점에 각각 가속도계를 설치하고 충격 망치를 이용하여 진동 측정을 실시한다. 공작물은 채터 실험을 위해 고정구를 이용하여 공구동력계 위에 장착하고 바이스를 이용하여 공작기계의 테이블과 공구동력계를 고정시킨다. 둘째, 밀링 가공 시 절삭력 상수를 측정하기 위해 엔드밀링 커터로 알루미늄 공작물을 절삭 속도와 절삭 깊이를 고정시키고 이송 속도만을 변화시키며 슬로팅한다. 이송 속도에 따른 절삭력은 공구동력계를 이용하여 측정하고 각 주기당 평균절삭력을 계산하고 절삭력 이론식에 대입하여 절삭력 상수를 예측한다. 셋째, 채터의 발생 메커니즘을 분석하여 이론 모델을 만들고 공작기계의 전 가공 범위에 걸쳐 안정선도를 작성한다. 마지막으로, 이론적으로 예측된 결과를 검증하기 위해 공작기계에 대한 가공 실험을 실시하여 안정선도와 비교 검토하였다. 다양한 가공 조건에서 절삭 실험을 수행하여 제안된 방법의 타당성을 평가하고 확정하였다. 그리고 이러한 시험 평가 결과를 바탕으로 공작기계의 시험 평가 장비에 가공의 안정성을 사전에 평가할 수 있는 방법을 제시하여 공작기계의 제조에 있어 채터 강성을 증가시킬 수 있는 방향을 제시하였다.
