[논문 리뷰] Investigations of Process Damping Forces in Metal Cutting

Emily Stone, Suhail Ahmed외 2명|ArXiv.org|2005. 08. 23.

Advanced machining processes and optimization참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 유한요소 시뮬레이션을 활용하여 공구 진동과 변동하는 칩 하중 영향을 분리하여 밀링 가공에서의 공정 다이밍력의 영향을 조사한다. 시뮬레이션 결과, 공구의 배면 접촉에 의한 공정 다이밍력은 도구의 배면 길이 대비 파장에 따라 비선형적으로 영향을 받으며, 짧은 도구의 경우 다이밍력은 cutting speed에 비례하고, 긴 도구의 경우 반비례하는 것으로 나타났다. 이는 샤프트의 기하학적 및 동적 특성이 진동 안정성에 미치는 영향을 강조한다.

ABSTRACT

Using finite element software developed for metal cutting by Third Wave Systems we investigate the forces involved in chatter, a self-sustained oscillation of the cutting tool. The phenomena is decomposed into a vibrating tool cutting a flat surface work piece, and motionless tool cutting a work piece with a wavy surface. While cutting the wavy surface, the shearplane was seen to oscillate in advance of the oscillation of the depth of cut, as were the cutting, thrust, and shear plane forces. The vibrating tool was used to investigate process damping through the interaction of the relief face of the tool and the workpiece. Crushing forces are isolated and compared to the contact length between the tool and workpiece. We found that the wavelength dependence of the forces depended on the relative size of the wavelength to the length of the relief face of the tool. The results indicate that the damping force from crushing will be proportional to the cutting speed for short tools, and inversely proportional for long tools.

연구 동기 및 목표

• 재귀적 소음 발생 중 도구의 배면 접촉에 의한 공정 다이밍의 기여도를 분리하고 분석하기.
• 진동하는 가공 중 동적력( cutting, 추진력, 전단면력)이 칩 두께 변화를 어떻게 예측하는지 조사하기.
• 도구의 배면 길이와 진동 파장이 침강력과 다이밍 거동에 미치는 영향을 규명하기.
• 공정 다이밍에 영향을 주는 기하학적 및 동적 요인을 모델링하여 가공의 안정성 예측을 향상시키기.

제안 방법

• Third Wave Systems의 AdvantEdge 소프트웨어를 사용한 유한요소 시뮬레이션으로, 사용자 정의된 작업물 기하구조와 진동하는 공구 모듈을 적용.
• 정현파 형태의 작업물 표면을 시뮬레이션하여 주기적인 칩 두께 변화를 유도하는 정사각형 가공 시뮬레이션.
• 사용자가 정의한 주파수와 진폭으로 공구 진동을 시뮬레이션하는 진동 공구 모듈을 활용하여, 배면 접촉력의 연구를 가능하게 함.
• 내림차순 운동 중 칩 두께 및 접촉 길이에 대한 cutting, 추진력, 전단면력의 측정 및 분석.
• 접촉 길이와 시뮬레이션된 힘을 비교하여 선형적 의존성 여부를 평가하고, 떨어짐 및 초기 접촉 단계에서의 이격 현상을 식별.
• 파장과 도구의 배면 길이 비율을 분석하여 다이밍력 경향에 미치는 영향을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동 가공 중 칩 두께의 주기적 변화에 대해 cutting, 추진력, 전단면력은 어떻게 반응하는가?
• RQ2 칩 두께와 동적력 사이의 위상 관계는 무엇이며, 시뮬레이션에서 왜 힘이 칩 두께보다 앞서는가?
• RQ3 공구의 배면 길이가 진동 파장에 비해 상대적으로 크거나 작은 경우, 공정 다이밍력의 크기와 거동은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 공정 다이밍력이 도구의 배면과 작업물 간 접촉 길이에 대해 얼마나 선형적으로 의존하는가?
• RQ5 다이밍 거동은 cutting speed에 따라 어떻게 변화하며, 이는 소음 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• cutting 및 추진력은 칩 두께 변화에 대해 약 90도 위상으로 앞서며, 이는 최대 칩 두께에 도달하기 이전에 칩의 변형 저항이 조기에 발생하기 때문이다.
• 전단면력과 전단면 길이 역시 칩 두께 변화를 앞서며, 이는 동적 변형 효과가 기하학적 변화보다 먼저 발생함을 시사한다.
• 짧은 도구의 경우 공정 다이밍력은 cutting speed에 비례하고, 긴 도구의 경우 반비례하며, 이는 상대적 파장과 배면 길이에 따라 달라진다.
• 중간 내림차순 구간에서는 힘-접촉 길이 관계가 약간 선형적이지만, 떨어짐 및 초기 접촉 효과로 인해 시작 및 끝 단계에서 이격 현상이 발생한다.
• 파장에 대한 다이밍력 의존성은 비단조화적이다: 상대적 배면 길이가 긴 경우 파장 증가에 따라 증가하고, 짧은 경우 감소하며, 중간 비율에서는 불확실하다.
• 배면과 파도진 표면 간의 기하학적 상호작용은 공정 다이밍에서 주요 요소이며, 이는 안정성 모델이 이러한 비선형적이고 주파수 의존적인 거동을 반영해야 함을 시사한다.