[논문]고정밀 연삭기용 주축시스템 설계

편영식; 이건범; 박정현; 요꼬이요시유끼; 여진욱; 안건준; 곽철훈

문제 정의

본 연구는 고정밀도의 광페룰 가공용 연삭기의 주축시스템 설계 및 해석에 관한 것이다. 시스템설계, 최적 설계변수 결정단계 및 시스템해석 단계를 거쳐 최종 설계구조를 결정하였으며, 결정된 설계구조에 대한 해석 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 각 요소별로 최적 설계된 전체 주축 시스템의 적정성을 판단하기 위하여 기검증된 주축시스템 해석모델⁽⁸⁾에 대한 구조해석용 소프트웨어를 이용하여 설계된 주축 시스템을 평가하였다.
본 연구에서는 광페룰 정밀도와 현재 생산되고 있는 외국산 광페룰 가공용 공작기계의 정밀도와 경쟁할 수 있는 공작기계를 설계하기 위하여 주축시스템 사양을 결정하였다. Table 1은 본 연구에 적용된 광페룰 가공용 연삭기의 주축 시스템 설계사양으로, 주축회전수 5,000rpm, 회전정밀도 1511m, 주축 강성 (radial stif&ess) 70N/㎛, 주축 하우징표면에서의 열발생 7㎛이내, 하우징에서의 진폭을 0.
본 연구에서는 초고속 정보통신망 구현에 필수적인 광학 연결용 부품인 광페룰을 고정밀도로 가공하기 위한 고정밀연삭기용 주축시스템의 설계사양을 결정하는 과정과 각 과정에서 사용되는 해석 모델 및 해석 결과를 이용하여 설계변수를 결정하는 방법을 제시하였다.

제안 방법

3과 같이 풀리 근방에 2개의 베어링을 설치하였다. 개발된 주축 시스템은 반경 방향 강성, 축방향 강성, 베어링 온도, 고유진동수, 회전 정 밀도 등과 같은 모든 설계요구사항을 만족할 수 있도록 설계하였으며 설계된 주축시스템의 최종 구조는 Fig. 4와 같다.
시스템 설계 단계에서는 개발 요구사항을 기초로 시스템 설계용 CAE 소프트웨어를 이용하여 모터사양, 벨트 동력 전달 장치 축형상 및 크기, 베어링의 종류 및 위치 등을 결정하고 , 주축해석단계에서는 시스템 설계단계에서 결정된 다양한 설계 대안의 적정성을 판단하기 위해 정적강도, 피로 강도, 고유진동수, 변위량 및 비틀림각 등을 해석하였다. 마지막 단계인 주축 시스템해석 및 보완 단계에서는 기 검증된 해석 모델을 이용하여 축의 변위 및 강성, 발열량, 고유진동수, 진동형태 등을 해석할 수 있는 소프트웨어를 개발하였으며, 이를 이용하여 주축시스템의 정적 및 동적 특성을 해석한 결과를 기초로 설계된 주축시스템을 보완하였다.
설계된 고정밀 주축시스템은 Fig. 9와 같이 단순화한 탄성변형 모델을 적용하여 주축회전수가 각각 1,000, 5,000 및 10,000rpm일 경우에 대해 주축시스템을 해석하였으며, Table 4는 앞에서 기술한 해석 모델을 이용하여 해석한 결과를 나타낸 것이다.
있다. 시스템 설계 단계에서는 개발 요구사항을 기초로 시스템 설계용 CAE 소프트웨어를 이용하여 모터사양, 벨트 동력 전달 장치 축형상 및 크기, 베어링의 종류 및 위치 등을 결정하고 , 주축해석단계에서는 시스템 설계단계에서 결정된 다양한 설계 대안의 적정성을 판단하기 위해 정적강도, 피로 강도, 고유진동수, 변위량 및 비틀림각 등을 해석하였다. 마지막 단계인 주축 시스템해석 및 보완 단계에서는 기 검증된 해석 모델을 이용하여 축의 변위 및 강성, 발열량, 고유진동수, 진동형태 등을 해석할 수 있는 소프트웨어를 개발하였으며, 이를 이용하여 주축시스템의 정적 및 동적 특성을 해석한 결과를 기초로 설계된 주축시스템을 보완하였다.
시스템 설계 단계에서는 주어진 설계사양을 기초로 시스템 설계용 CAE 소프트웨어인 APM WinDrive를 이용하여 모터 사양, 벨트 동력 전달 장치, 축형상 및 설계변수, 베어링의 종류 및 위치 등을 결정한다.
시스템 설계가 완료되면 최적 설계를 위해 시스템을 구성하고 있는 각 요소가 주어진 설계 조건을 만족하는 조합으로 구성된 설계 대안을 제시한 후, 이를 해석한 결과를 기초로 최종구조를 결정한다.
시스템 설계가 완료되면 축해석용 소프트웨어인 APM WinShaR를 이용하여 축의 정적 강도, 피로강도, 고유진동수, 변위량 및 비틀림각 등을 해석하고 해석 결과를 기초로 설계된 시스템의 적정성을 판단한다.
설계 및 해석에 관한 것이다. 시스템설계, 최적 설계변수 결정단계 및 시스템해석 단계를 거쳐 최종 설계구조를 결정하였으며, 결정된 설계구조에 대한 해석 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
동적 특성에 대한 해석이 필요하다. 이러한 해석 결과를 기초로 주어진 설계사양을 충족시키는 시스템을 최적 시스템으로 결정하였다.
있다. 적정 예압력을 결정하기 위해 경예압 (47N)과 중예압(147N)일 경우에 대해 주축회전 수 l,000rpm, 5,000rpm 및 10,000rpm에 대해 해석한 결과 예압력이 147N일 때가 높은 회전정밀도를 유지하였으므로, 베어링 예압력을 147N으로 결정하였다. 예압력이 147N이고 주축회전수가 l,000rpm, 5,000 pm 및 10,000rpm 경우 베어링의 온도가 21.
주축시스템에 요구되는 회전 속도는 5,000rpm으로 비교적 고속이므로 내열성이 우수한 P2급의 베어링을 적용하였으며, 기본 윤활방식으로 그리스 공급 방식을 적용하였다. 주축 시스템에 적용된 베어링의 사양은 Table 3과 같다.
8은 주축시스템 해석에 적용된 동적 모델을 도식적으로 나타낸 것으로, 주축시스템의 동적 모델을 이용하여 주축 시스템의 정밀도와 주파수 응답 특성을 평가할 수 있다. 주축의 회전정 밀도를 평가하기 위하여 적분기호를 사용하였으며, 이것은 순간 회전축(주축의 nm-out, 회전 주파수에 대한 조화진동)의 위치와 주축의 회전결함을 기술한 것이다. 주축의 동적편차 원인 중의 하나는 베어링부와 조립품 의결함 및 드라이버의 결함에 의한 동적교란(dynamic distur- bance)을 들 수 있다.
페룰 연삭용 주축시스템은 고정밀도가 요구되므로 벨트 장력이 주축시스템에 가해지는 힘을 분산하고 주축에 발생하는 굽힘 모멘트를 최소화하기 위하여 Fig. 3과 같이 풀리 근방에 2개의 베어링을 설치하였다. 개발된 주축 시스템은 반경 방향 강성, 축방향 강성, 베어링 온도, 고유진동수, 회전 정 밀도 등과 같은 모든 설계요구사항을 만족할 수 있도록 설계하였으며 설계된 주축시스템의 최종 구조는 Fig.

대상 데이터

결정하였다. Table 1은 본 연구에 적용된 광페룰 가공용 연삭기의 주축 시스템 설계사양으로, 주축회전수 5,000rpm, 회전정밀도 1511m, 주축 강성 (radial stif&ess) 70N/㎛, 주축 하우징표면에서의 열발생 7㎛이내, 하우징에서의 진폭을 0.7㎛로 설정하였다.

성능/효과

(1) 시스템 설계 단계에서 CAE소프트웨어를 이용하여 개략적인 시스템을 설계하였으며, 설계 결과를 기초로 가능한 설계 대안을 제시하고 해석을 통해 최적 구조를 결정하는 과정을 통하여 시행착오 과정을 현저히 줄일 수 있었다.
(2) 반경 방향의 강성은 l,000rpm일 때 80.6N/㎛, 5,000 rpm 일 때 80N/㎛, 10, 000rpm일 때 76.3N/㎛으로 목표 치인 70N/㎛을 모두 만족하였다.
(3) 동적정밀도인 회전정밀도(run-out)는 lOOOrpm일 때 1.97㎛, 5,000rpm일 때 2.0311m, 10, 000rpm일 때 2.22 Rm로 목표치인 0.511m와 다소 차이가 있으나 조립기술로 보완하여 제품에 요구되는 정밀도를 만족할 수 있었다.
(4) 베어링의 온도 상승은 예압력 및 회전 정도와 밀접한 관련이 있다. 적정 예압력을 결정하기 위해 경예압 (47N)과 중예압(147N)일 경우에 대해 주축회전 수 l,000rpm, 5,000rpm 및 10,000rpm에 대해 해석한 결과 예압력이 147N일 때가 높은 회전정밀도를 유지하였으므로, 베어링 예압력을 147N으로 결정하였다.
1(b)는 설계된 주축시스템의 해석 결과의 하나인 축길이에 대한 변위량을 도시한 것이다. 변위량 선도에 의하면 주축의 최대 반경 방향 변위가 0.97 ㎛로 축의 강성 기준 0.0002~0.0003을 충분히 만족하였으며, 정적 강도, 피로강도, 비틀림각 등의 해석결과도 모든 축 설계기준^(6,7)을 만족한다는 것을 알 수 있다.
일반적으로 공작기계 주축계의 진동모우드는 1차 모우드를 중심으로 하여 3 ~5차 모우드까지 검토하는 것이 좋으나, 사용회전수 영역을 보면 1차 모우드가 무엇보다 중요하다. 본연구에서는 이러한 점을 고려하여 1차 모우드에 대하여 검토하였으며, 검토 결과 Fig. 10과 같이 숫돌의 위치와 진동 절점 (Nodal point)의 위치가 거의 일치하였으며, 설계된 주축 시스템의 해석 결과를 설계 요구사항과 비교분석한 결과 정적 강성, 회전 정밀도, 열 발생량의 측면에서 모두 만족하였다.
주축시스템 해석용 소프트웨어를 이용한 정적 및 동적 해석 결과를 요구된 설계사양과 비교 분석한 결과, 축 직경이 ∅40인 제 4구조가 주축의 회전 정밀도, 베어링온도와 같은 동적 특성이 우수하다고 판정되어 이를 최종 주축 시스템으로 결정하였다.

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