시계열 분석 방법에 의한 절삭공구의 마멸에 관한 연구

Abstract

근래에 강조되고 있는 기계가공의 자동화, 무인화를 위한 문제점 중에서 아직까지 뚜렷한 해결방안이 없는 공구교환의 자동화 및 최적절삭조건의 유지를 위하여 절삭작업중에 공구의 마멸을 간접적으로 감지할 수 있는 방법론을 제시하였다. 절삭중에 공구대로부터 수직방향의 가속도를 측정하여 일정한 간격으로 끊어 읽은 후 시계열모델을 세우고 그로부터 유도되는 여러 특성들의 변화를 플랭크마멸 길의 진정에 따라 관찰하였다. 첫째, ARMA 모델로부터 얻어지는 분산은 공구의 마멸진전에 비례하여 증가함을 나타냄으로써 공구마멸 감지를 위한 하나의 인자로 이용될 수 있는 가능성을 보였다. 그러나 절삭조건 및 공구재료에 따라 공구수명을 결정짓는 진동신호의 분산은 일정하지 않음으로 그에 대한 자료가 필수적이다. 둘째, 동적모우드의 감쇠율은 플랭크마멸길이 진정에 관련이 없음을 보이고 있다. 세째, 공구대의 수직방향으로의 고유진동수에 해당하는 동적모우드의 절대적인 세기는 절삭조건에 상관없이 절삭초기에는 감소하다가 어느정도의 마멸(최대 플랭크마멸길이 : 0.4∼0.5㎜)후에는 다시 증가하는 모습을 보임으로써 공구교환을 결정하기 위한 좋은 인자임이 밝혀졌다. 이러한 공구대 고유진동수에 해당하는 모우드의 거동은 절삭초기에 있어서 실제여유각(true clearance angle)이 크기 때문에 발생하는 페네트레이션(penetration) 효과와 계속적인 절삭시 플랭크마멸길이의 증가에 따른 절삭력의 증가와 관련이 큰 것으로 믿어진다.

Recently automation which does not need manpower has been emphasized in machining processes. One of the most difficult problems for the automatic machining is automatic tool changing due to wear. A new indirect method has been proposed to sense the progress of tool wear using time series. The acceleration signal was measured on the tool post in the vertical direction during cutting, sampled with uniform interval, and fitted by the time series modeling procedure. Various signal characteristics derived from the fitted ARMA models were observed in respect with the progress of flank wear. First, the theoretical variance of the signal by the ARMA models was observed to be proportional in approximation to the increase of flank wear length. Hence, it can be used as a factor for indicating tool wear. Since, however, the variance is dependent on the cutting condition and tool meterial, the information about the variance for each cutting condition should be provided. Second, damping ratios of dynamic modes were observed to be independent of the cutting tool wear. Third, the absolute power of a dynamic mode, which is believed to be the natural frequency of the tool post in the vertical direction, was found to be decreasing in the beginning of the cutting until the maximum flank wear length increased up to 0.4∼ O.5mm and then increasing once again regardless of the cutting conditions. Therefore it seems to be a good factor for the indication of the tool changing time regardless of tool material and cutting conditions. Those behavior of the dynamic mode is believed to be related to the ease of tool penetration due to positiveness of true clearance angle in the beginning of cutting and then increase of cutting forces due to the progress of flank wear.