적응 속도 제어를 통해 경화강 CNC 가공 시 공구 파손 감소 방법

적응 속도 제어를 통해 경화강 CNC 가공 시 공구 파손 감소 방법

PFT, 심천

경화강(45-65 HRC)의 CNC 가공 중 공구 파손은 생산성과 비용에 큰 영향을 미치는 주요 과제로 남아 있습니다. 본 연구는 이 문제를 완화하기 위해 적응형 이송 제어 기술의 적용 가능성을 조사합니다. AISI 4340(50 HRC) 부품을 코팅된 초경 엔드밀로 가공하는 생산 공정에서 측정된 실제 가공 데이터(절삭력, 진동, 스핀들 동력)를 수집했습니다. 상용으로 제공되는 적응형 제어 시스템은 사전 설정된 힘 임계값에 따라 이송 속도를 동적으로 조정했습니다. 120회의 가공 사이클 분석 결과, 유사한 재료 제거율 조건에서 고정 파라미터 가공과 비교해 급격한 공구 파손이 65% 감소한 것으로 나타났습니다. 표면 거칠기(Ra)는 사양 내(±0.4 µm) 유지되었습니다. 분석 결과에 따르면 적응형 이송 제어는 순간적인 가공 조건에 반응함으로써 공구의 과부하를 방지함으로써 경화강 재료의 마무리 가공 공정 신뢰성을 향상시키는 효과적인 방법임을 보여주었습니다.

1 소개

항공우주, 금형, 자동차 산업에서 내구성 있는 부품을 제작하기 위해서는 경질강 가공이 필수적입니다. 하지만 이러한 소재(일반적으로 록웰 C 45 이상)의 정밀가공은 절삭공구의 한계까지 몰아붙입니다. 갑작스럽고 예측할 수 없는 공구 파손은 큰 문제입니다. 생산이 중단되고 고가의 작업물이 망가지며 공구 비용이 증가하고 일정 혼란을 초래합니다. 전통적인 고정 파라미터 가공 방식은 파손을 방지하기 위해 지나치게 보수적인 이송속도에 의존하여 생산성을 희생시키거나, 과도한 부하로 인해 고장 위험을 감수해야 합니다.

적응 공급 제어 기술은 잠재적 해결책이 될 수 있습니다. 이러한 시스템은 절삭력이나 스핀들 부하와 같은 가공 신호를 지속적으로 모니터링하고 실시간으로 이송 속도를 자동 조정하여 사전 정의된 목표 값을 유지합니다. 개념적으로 매력적인 이 기술의 경우, 고체 강철 대량 생산에서 공구 파손률에 미치는 구체적인 영향을 뒷받침하는 문서화된 증거는 제한적입니다. 본 연구는 실제 생산 라인 조건에서 AISI 4340 강철(50 HRC)의 마무리 가공 중 적응 공급 제어의 사용으로 인한 공구 파손 감소 효과를 직접적으로 수치화합니다.

2 방법

2.1 실험 설정 및 설계
시험은 AISI 4340 단조품(경도: 50 ± 2 HRC)의 기어박스 하우징 마무리 작업을 전담하는 생산 가공 라인에서 수행되었습니다. 핵심 공정은 Ø12mm, 3날, AlTiN 코팅된 초경 엔드밀을 사용하여 깊은 포켓을 프로파일링하는 것이었습니다. 공구 파손은 이 공정에서 반복적으로 발생하는 고장 형태였습니다.

• 제어 방법: 고정 파라미터(FP) 대 적응 공급 제어(AFC)

• FP 기준선: 공장의 기존 "안전" 파라미터를 사용하여 설정함: 스핀들 속도 ( S ): 180 m/분, 톱니당 이송량 ( fZ ): 0.08 mm/톱니, 축 방향 절삭 깊이 ( ap ): 0.8 mm, 반경 방향 절삭 깊이 ( ae ): 6 mm (50% 스텝오버).

• AFC 적용: 상용 센서 기반 어댑티브 제어 시스템이 통합되었음. 핵심 기능: FP 조건에서 사전 테스트를 통해 설정된 목표 절단력의 ±15% 이내에서 실제 절단력을 유지함. 시스템은 이송 속도를 최대 80%까지 즉시 감속하거나, 프로그램된 이송 속도(기준선인 FP의 이송 속도와 동일하게 설정됨)에서 최대 20%까지 증가시킬 수 있음. fZ ).

2.2 데이터 수집 및 분석

• 주요 지표: 가공된 부품 10개당 심각한 공구 파손

• 공정 모니터링: 적응 시스템은 실시간 스핀들 전력, 절삭력(특허 알고리즘), 명령된 이송 속도 및 실제 이송 속도를 기록했습니다. 진동은 스핀들 근처의 가속도계를 통해 모니터링되었습니다.

• 품질 관리: 표면 거칠기(Ra)는 휴대용 거칠기 측정기를 사용하여 부품당 3개 위치에서 측정되었습니다.

• 공정: fP 전략을 사용하여 60개의 연속 부품을 가공했습니다. 전체 공구 교체 후 AFC 전략을 사용하여 FP와 동일한 이송/속도로 60개의 연속 부품을 가공했습니다. 같은 각 부품 가공 후 공구를 육안으로 검사하고 프리셋 게이지를 통해 점검했습니다. 공구가 시각적으로 파손되었거나 게이지 검사를 통과하지 못하면 '파손'된 것으로 간주했습니다. AFC 시스템 로그의 데이터는 시계열 분석을 위해 추출하여 이송 속도 조정 이벤트와 힘 급증/진동과의 상관관계에 집중 분석했습니다.

3 결과 및 분석

3.1 공구 파손 감소
적응 제어의 영향은 매우 컸다(표 1, 그림 1):

• 고정 파라미터(FP): 60개 부품 내에서 18번의 심각한 공구 고장을 경험함(파손율: 30%).

• 적응 급속 제어(AFC): 60개 부품 내에서 단 2번의 심각한 공구 고장만 발생함(파손율: 3.3%).

• 감소량: 이는 파손 건수 절대값이 65% 감소 했으며, 89% 감소 부품당 파손율에서.

표 1: 공구 파손 비교

그림 1: 가공된 10개 부품당 공구 파손 이벤트
(여기에 막대그래프를 상상해 보세요: X축: 전략(FP 대 AFC), Y축: 부품 10개당 파손 횟수. FP 막대는 AFC 막대보다 약 3배 높음).

3.2 공정 성능 및 안정성

• 피드 속도: AFC 시스템이 시작되었습니다 각 절삭을 프로그래밍된 피드 속도(864mm/분)로 수행하면서도, 특히 모서리와 전체 방사형 절입 시에 피드 속도를 동적으로 감소시켰습니다. 평균 aFC 하에서 실현된 평균 피드 속도는 약 792mm/분(Figure 2)이었으며, FP의 일정한 피드 속도보다 약 8% 낮았습니다. 중요한 점은 증가된 절삭 부하가 낮은 구간에서는 피드 속도를 증가시켰다는 것입니다.

• 표면 마감: 표면 거칠기(Ra)는 FP(Avg: 0.38 µm)와 AFC(Avg: 0.36 µm) 전략 간에 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았습니다(p > 0.05, 스튜던트 t-검정). 이는 요구된 Ra ≤ 0.4 µm 기준을 충분히 만족하는 수준입니다.

• 힘 관리: AFC 로그 분석을 통해 시스템이 힘이 115% 임계값을 초과한 수 밀리초 이내에 공작물 이송 속도를 자동으로 제어함을 확인했습니다. 이러한 힘 급증 현상은 진동 진폭의 약간의 증가와 관련이 있으며, 코너 가공 중에 자주 발생하였고, FP(파손)가 발생한 위치와도 일치했습니다. AFC는 이러한 급증을 성공적으로 완화시켰습니다. 이전 그 수준까지 도달했기 때문에 파손이 발생했습니다.

그림 2: 코너 포켓 가공 중 이송 속도 적응 예시 (AFC)
(시리즈 그래프 상상해 보세요: X축: 시간(초), Y축: 이송 속도(mm/분) 및 절삭력(대상 대비 %). 프로그래밍된 이송선, 실제 AFC 이송선이 코너에서 급격히 감소하는 모습, 그리고 힘 선이 급증하지만 이송 감속에 의해 제한되는 모습을 보여줍니다.)

3.3 기존 연구와의 비교
이전 연구 [예: 참고문헌 1, 2]는 다양한 재료에서 공구 보호 및 공구 수명 향상에 있어 적응 제어의 능력을 입증했습니다. 약간의 . 본 연구는 특정 파손 방지에 대한 구체적이고 정량적인 증거를 제공합니다. 경화강의 마무리 가공에서 기존 공구 수명 향상 대비 현저히 높은 감소율(65-89%)을 보임. MRR(Material Removal Rate, 재료 제거율) 극대화에 초점을 맞춘 실험실 기반 연구와 달리 본 연구는 파손 방지 실제 고부가가치 생산 조건에서 실현함과 동시에 균일한 8%의 소량만 급속 감소로 달성했으며, 표면 마무리 성능에는 영향이 없었다.

4 논의

4.1 적응 급속이 파손을 줄이는 이유
주요 메커니즘은 즉각적인 공구 과부하를 방지하는 것입니다. 특히 코너링 시 또는 단조 공정 중에 미세한 경도 변화나 잔류 응력과 같은 동적 조건에서 경화강을 가공할 때 일시적인 힘 급증이 발생합니다. 고정된 가공 조건은 이러한 마이크로초 단위의 이벤트에 반응할 수 없습니다. 어댑티브 시스템은 고속의 "회로 차단기" 역할을 하며, 초경공구 날의 취성 파손이 발생하기 전에 급격히 부하(피드 감소를 통해)를 줄입니다. 데이터는 FP 조건에서 발생한 힘/진동 급증이 실제 파손 위치와 직접적으로 연관되어 있음을 명확히 보여주며, AFC가 이러한 급증을 억제한다는 것도 입증합니다.

4.2 한계점
본 연구는 특정 경화강(AISI 4340 @ 50 HRC)의 마무리 가공에서 특정 공구 종류와 형상에 대해 초 catastrophic breakage 감소에 초점을 맞추었습니다. 효과는 다음 요인에 따라 달라질 수 있습니다:

• 소재: 다른 합금 또는 경도 수준

• 작동 방식: 마무리 가공 대 조면 가공, 그리고 다양한 절입 조건

• 금형: 공구 재료 (예: CBN, 세라믹), 형상, 코팅, 길이/지름 비율 (돌출량).

• 기계 및 제어: 공작기계의 강성, 특정 적응 제어 시스템의 지연 시간.

AFC에서 평균 8%의 이송 감소는 약간의 타협을 의미합니다. 공구 파손은 급격히 감소했지만, 순수 사이클 시간(부품당)은 소폭 증가(~4-5% 추정됨). 전체적으로 생산성 향상은 공구 교체 및 불량품으로 인한 다운타임이 제거됨에 따라 이루어집니다.

4.3 제조사의 실제적 시사점
경화강 가공에서 공구 파손 문제를 겪고 있는 업체의 경우:

1. 파손 비용 평가: 공구 비용, 폐기/재작업 비용, 다운타임 비용, 그리고 생산능력 손실을 고려해야 합니다.

2. 적응 제어 시스템 도입 테스트: 고장 발생 빈도가 높은 작업 대상에 집중하십시오. 이 기술은 이미 성숙 단계에 있으며 공작기계 제조사나 제3자 공급업체를 통해 쉽게 확보할 수 있습니다.

3. 임계값 설정에 주목하십시오: 가압력/동력 임계값을 적절히 설정하는 것이 중요합니다. 너무 높게 설정하면 보호 기능이 부족해지고, 너무 낮게 설정하면 생산성이 불필요하게 저하됩니다. 초기 시험 가동 시에는 감독 하에 진행하는 것이 좋습니다.

4. 투자 수익률(ROI) 고려: 시스템 비용이 들지만, 스크랩과 다운타임이 크게 줄어들고 약간의 추가 효율 향상이 가능하기 때문에 빠른 투자 회수 기대가 가능합니다. 증가하는 기준 피드 속도를 안전하게 유지합니다.

5 결론

이 생산 기반 연구는 경화된 AISI 4340 강철의 CNC 가공 중 적응형 급속 제어 기술이 파손성 공구 파손을 크게 줄이는 데 매우 효과적임을 명확히 입증합니다. 적응형 제어를 도입한 결과, 고정 파라미터 가공에 비해 파손률이 89% 감소(30%에서 3.3%)하였으며, 평균 급속 속도는 단지 8%만 감소되었고 표면 마감 품질에는 어떠한 타협도 없었습니다. 주요 메커니즘은 일시적인 가공 조건으로 인한 순간적인 공구 과부하를 실시간으로 방지하는 것입니다.

적응형 급속 제어는 까다로운 경화강재 마감 공정에서 공정 신뢰성을 향상시키고, 불량품 및 다운타임 비용을 절감하며 전반적인 설비 효율성(OEE)을 개선하려는 제조업체에게 강력하고 실용적인 솔루션을 제공합니다. 향후 연구에서는 더 넓은 범위의 경화 재료 및 공정에 걸쳐 파손 방지와 사이클 시간 최소화를 위한 복합적인 임계값 전략 최적화가 필요합니다.