연삭 공정에서 채터 문제 발생 여부 확인 방법
Will Smith – Director of Software, Adcole LLC
채터란 무엇이며 그 원인은
채터는 가공된 부품의 완성된 표면에 나타날 수 있는, 일정한 간격으로 반복되는 작은 봉우리 또는 ‘파동’ 패턴입니다. 채터는 형상 오차(원형도 및 로빙)가 아니며, 표면 마감(거칠기)도 아닙니다. 오히려 이 두 영역 사이에 존재합니다. 엔진이나 모터 내부의 회전축과 같은 핵심 부품에서 채터는 최종 조립체 내부에 문제를 일으켜 부품의 조기 고장을 초래하고 다른 구성 요소를 손상시킬 수 있습니다. 본 글에서는 고수요 조립체에서 축 품질을 개선하기 위한 축 부품의 채터 원인, 평가 방법 및 측정 결과에 대해 살펴보겠습니다.
엔진 내 소음, 진동 및 거친 느낌(NVH)의 주요 원인인 채터는 적절한 품질 프로세스와 장비를 통해 발견될 수 있습니다. 채터는 밀링, 선삭, 보링, 연삭 등 모든 가공 작업에서 발생할 수 있습니다. 보다 구체적으로, 채터는 일반적으로 공구 불균형, 공구 또는 고정 장치 강성 부족, 비등방성 부품 강성(크랭크축의 특정 문제), 부품 중심의 원형 편차, 장비 오작동 또는 마모, 기타 불균형 또는 진동 원인에 의해 발생합니다.
채터 검사가 중요한 이유
현대식 모터와 내연 기관(ICE)은 더 엄격한 공차와 더 높은 성능을 요구하여 효율성과 수명이 매우 중요합니다. 채터 패턴이 있는 회전축은 엔진 또는 모터의 최종 조립체 내에서 과도한 소음 및 진동 문제를 유발할 수 있으며, 이는 리콜이 필요할 수 있는 NVH(소음·진동·거친 느낌) 문제로 이어져 고객 불만, 평판 손상 및 판매 감소로 이어질 수 있습니다. 이는 특히 20,000 RPM 이상에 달할 수 있는 EV 로터 샤프트와 같은 고회전수 요구 사항에서 특히 그렇습니다.
채터는 수십 년간 제조업체들이 측정 및 분석해 온 특성이지만, 신규 부품 설계 시 종종 간과되기도 합니다. 엔진이나 모터 모두에서 이 매개변수는 모니터링이 매우 중요할 수 있습니다. 생산 장비에 예산이 우선 배정되는 경우가 많지만, 품질 관리 장비 역시 동등하게 중요합니다. 품질 저하는 막대한 비용을 초래할 수 있으므로, 엔지니어와 생산 관리자는 견고한 품질 관리 시스템을 구축하고 필요한 특성을 측정할 수 있는 적절한 장비를 확보해야 합니다.
채터는 종종 연삭 휠 또는 절삭 공구 회전 속도와 공작물 회전 속도의 비율과 관련된 특정 주파수에서 발생합니다. 이로 인해 발생하는 공정의 ‘고유 주파수’는 일관된 특성을 보이며, 주파수 영역 플롯에서 고조파가 더 많이 나타나는 경우가 많습니다. 공정 매개변수는 이 ‘고유 주파수’에서의 진폭을 제어하거나 발생 주파수를 제품 요구사항에 맞게 이동시키기 위해 조정됩니다. 이 주파수에서의 진폭 값 증가 및/또는 다른 주파수에서의 추가 진폭 스파이크/피크는 종종 공정 관련 문제나 외부 영향력을 나타냅니다. 외부 영향력에는 인근 모터, 펌프, 기타 장비(예: 스탬핑 또는 프레스 기계) 또는 지게차 통행 등이 포함될 수 있습니다. 채터 출력은 기술자와 엔지니어가 문제의 근원을 파악하는 데 도움을 주어 제품 품질의 개선 및 회복으로 이어질 수 있습니다.
채터 검사 방법
품질 관리 장비는 특정 매개변수 세트를 측정하도록 최적화됩니다. 예를 들어 정밀 접촉식 장비는 채터를 측정할 수 있는 반면, 광학식 장비는 측정할 수 없거나(또는 효과적이지 못합니다). 채터는 원형도나 원형도 데이터의 세분화(예: 섹터 원형도 또는 로빙)와 같은 표준 GD&T 특성을 평가해서는 감지되지 않습니다. 진폭은 서브마이크론 수준으로 매우 작을 수 있으며, 채터는 특정 영역에만 국한될 수 있고, 채터의 주파수는 크게 변동할 수 있습니다. 그러나 진폭, 영역 또는 주파수 변동과 관계없이 채터는 여전히 내연기관(ICE) 또는 전기 모터의 품질, 최종 조립 및 성능에 뚜렷한 영향을 미칠 수 있습니다.
연삭 공정 후 샤프트의 채터 측정을 위한 한 가지 도구는 Adcole 접촉식 샤프트 계측 게이지입니다. 이러한 게이지와 광범위한 GD&T 매개변수를 측정할 수 있는 적절한 소프트웨어는 회전 샤프트에 요구되는 까다로운 품질을 유지하기 위한 귀중한 데이터와 분석을 제공합니다. 캠축 분야에서, 일정한 반경에 걸쳐 연삭기 속도가 균일한 로브 베이스 서클 영역을 분석하면 채터 문제를 감지하기 위한 더 깨끗한 신호를 얻을 수 있습니다. 반경이 급격히 변화하는 로브의 리프트 영역은 별도로 분석할 수 있으며, 이는 가변 속도로 연삭된 표면에 대한 추가 정보를 제공합니다.
기계 엔지니어 다니엘 콜린스는 “진동 분석에서 고속 푸리에 변환은 어떻게 사용되나요?”라는 글에서이렇게썼습니다: “많은 진동 관련 문제가 특정 주파수에서 발생하기 때문에, 특정 주파수에서의 진폭 변동을 기반으로 진동의 원인과 위치를 좁히거나 식별할 수 있습니다.” 이것이 프로파일 오차 내의 로브나 피크를 단순히 세는 것보다 주파수 영역에서 진폭을 계산하는 것이 더 나은 이유입니다.
모든 측정 데이터는 데이터 수집 소프트웨어로 직접 입력되며, 신호를 시간 파형(시간 대 진폭) 또는 고속 푸리에 변환(FFT, 주파수 대 진폭) 또는 둘 다로 기록합니다. 이 모든 데이터는 컴퓨터 프로그램 알고리즘으로 분석되며, 이를 엔지니어나 훈련된 진동 분석가가 다시 분석하여 기계의 상태를 판단하고 느슨함, 불균형, 정렬 불량, 윤활 문제 등 발생 가능한 잠재적 문제를 식별합니다. 진동 분석은 휠 불균형이나 휠 드레싱 문제와 같은 결함을 감지할 수 있습니다.
챗터는 축 저널에서 작은 각도 범위에서만 나타나며, 이로 인해 측정 및 탐지가 더 어려워질 수 있습니다. 또 다른 방법은 모든 회전축의 저널에 적용 가능한 사분면 분석 옵션입니다. 이 방법은 360도 전체 원형도 데이터를 챗터 분석을 위해 분석할 수 있게 하며, 원형도 오차를 챗터 분석을 위해 90도씩 네 구역으로 분할합니다. 이 분석 옵션은 생산 과정에서 일반적으로 90도 미만의 영역에 파동 패턴이 나타나는 저널 표면의 “채터 버스트”를 포착할 수 있는 도구를 제공합니다. 이러한 파동의 진폭은 종종 진원도나 로빙 측정 파라미터에 영향을 미칠 만큼 크지 않지만, 엔진 최종 조립 시 NVH 문제를 유발할 수 있습니다. 90도 구간에서 진원도 오차를 분석함으로써 정의된 허용 오차를 초과할 수 있는 더 높은 진폭의 채터를 측정할 수 있습니다.
그림 1A: 로드 1 측정값의 원형도 오차 플롯. 직사각형 박스 내 영역이 채터 버스트를 나타냅니다. 이는 약 35도의 작은 각도 범위에서 발생합니다. 전체 360도 원형도 오차를 채터 분석에 활용할 경우, 이 35도 영역의 진폭은 나머지 원형도 오차 데이터에서 해당 주파수가 균일하지 않아 희석됩니다. 90도 사분면 단위로 데이터를 분석하면 작은 각도 창에서 “채터 버스트”를 포착할 수 있어 제조 공정상의 잠재적 문제에 대한 핵심 정보를 제공합니다.
제한된 각도 범위에서 채터를 찾는 한 가지 방법은 “슬라이딩 윈도우” 방식을 사용하는 것입니다. 이를 통해 각도 단위의 윈도우 설정과 슬라이드 각도 증분값을 지정할 수 있습니다. 이 슬라이딩 윈도우는 전체 360도의 진원도 또는 프로파일 오차 데이터를 통과하며 최대 진폭과 해당 진폭이 발생한 각도 영역을 결정합니다. 또한 필요한 테스트를 통해 채터 허용 오차를 설정하고 지정된 각도 영역에서 분석할 채터 범위를 개발할 수 있어야 합니다. 이는 알려진 “잡음이 많은” 샤프트에 대해 일련의 테스트를 수행하고 동일한 테스트를 알려진 “잡음이 적은” 샤프트에 대해 수행한 결과와 비교하는 방식으로 기반할 수 있습니다.
그림 1B: 전체 360도
그림 1C: 90도 사분면
채터 측정 결과 출력
채터는 부품 표면에 다양한 형태로 나타날 수 있습니다. 때로는 넓은 각도 범위에서 명확한 주파수를 보이며 발생하기도 합니다. 이는 측정 대상 요소의 진원도 또는 프로파일 오차 플롯에서 잠재적으로 관찰될 수 있습니다. 그러나 진원도나 프로파일 오차 플롯은 오차 데이터에 채터를 숨길 수 있는 필터를 적용하는 경우가 많아 채터가 가려질 수도 있습니다.
그림2a는 저널 원형도와 캠축 로브 프로파일 오차의 오차 플롯으로, 플롯 하단에 6개의 로브가 표시되어 있습니다. 이 로브 프로파일 플롯은 0~90도와 270~360도 사이의 기준 원 영역을 보여줍니다. 리프트 영역 오차는 90~270도 구간에서 발생합니다. 이 예시에서는 베이스 서클 영역에 뚜렷한 파동 패턴이 관찰됩니다. 베이스 서클은 반경이 일정하므로 일반적으로 일정한 속도로 연삭되지만, 리프트 영역은 그렇지 않습니다.
그림 2B:채터 출력이 포함된 캠축 진원도 및 프로파일 수치 보고서 예시
그림 4:전체 360도 프로파일 오차 데이터에 대한 로브 채터 데이터. 베이스 서클 영역만 볼 때와 비교하여 전체 360도를 살펴보면 채터의 진폭이 약화(감쇠)됩니다. 이는 로브 프로파일 오차의 베이스 서클 영역에서 주파수가 훨씬 더 선명하기 때문입니다.
그림 5:로브 베이스 서클 영역을 분석한 채터 플롯. 로브 1(파란색)과 로브 7(검은색)은 232 UPR에서 높은 진폭을 보입니다.
일부 기업은 제조 공정상의 문제를 파악하기 위해 로브 계수 과정을 사용합니다. 이는 원형도 또는 프로파일 오차에서 부적합을 보이는 각도 영역을 판단하는 데 유용하지만, 로브나 피크를 계수하기 위한 내부 정의에 의존한다는 점에서 한계가 있습니다. 일반적으로 피크 간 균등 간격을 고려하지 않아 특정 발생 주파수를 판단할 수 없습니다.
결론
채터 측정은 소음 및 진동을 유발하지 않고 장기간 작동하는 고품질 샤프트를 일관되게 생산하는 데 매우 중요합니다. 이러한 소음과 진동은 부품의 빠른 마모나 고장을 초래할 수 있습니다. 측정 가능한 채터가 있는 정밀 회전 부품이 고속으로 회전할 경우 엔진 또는 시스템 전체 고장으로 이어질 수 있습니다. 정의된 영역의 표면 채터를 분석할 수 있는 고급 분석 기능을 갖춘 도구를 보유하면 제품 출고 전에 제조상의 문제를 탐지할 수 있습니다. 샤프트 제조업체는 지정된 공차 범위를 벗어난 잠재적 제조 오류를 분석하고 이를 시정하기 위한 조치를 취하기 위해 인라인 또는 감사실 환경에 적합한 품질 관리 도구나 계측기에 투자할 계획을 세워야 합니다.
Collins, D. (2022, October 17). How are fast Fourier transforms used in vibration analysis. Motion Control Tips. https://www.motioncontroltips.com/how-are-fast-fourier-transforms-used-in-vibration-analysis/