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문제 정의
- 본 연구에서는 공작기계에서 발생하는 열 변형을 최소화하기 위해 hot gas 우회방식의 오일쿨러를 개발하고 이에 대한 성능평가를 실시하였다. 성능평가를 위해 열 부하 기능, hot gas 및 액상 냉매 유량 측정, 각 부위별 온도 측정이 가능한 시험기를: 제작하였으며, 부하별 온도유지성능과 hot gas 와 액상냉매의 유량을 측정하는 동작특성 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 공작기계의 정밀도 향상에 영향을 미치는 열 변형을 최소화하기 위해 사용되는 hot gas 우회방식의 오일쿨러를 개발하고 이의 성능평가를 수행하여 개발된 오일쿨러의 성능을 입증하고자 한다. 본 논문은 hot gas 우회방식의 오일쿨러 개발, 부하장치를 이용한 개발시스템의 동작 특성 분석 및 실제 공작기계에서의 열 변형실험을 통한 성능평가 내용을 포함하고 있다.
- 이러한 원리를 이용하여 초정밀공작기계에 사용되어 열 변형을 최소화할 수 있는 hot gas 우회 방식의 오일쿨러를 개발하였다. Fig.
제안 방법
- 개발된 오일쿨러의 동작특성을 시험하기 위해 앞에서 개발한 성능평가 시험장치를 이용해 시험하였다. 시험은 오일쿨러의 설정온도를 조정하여 최대냉각과 최대가열을 하는 것으로 설정하였다.
- 개발된 오일쿨러의 실제 성능평가를 위해 머시닝센터에 개발된 오일쿨러를 부착하고 스핀들에 test bar 를 장착한 후 test bar 의 열변형 정도를 측정하였다.
- 오일쿨러로 공급되는 열량은 냉각 유의온도 차와 유량을 측정하여 모니터링 할 수 있다. 냉각유의 유량은 기어타입 오일 유량계(Oval 사, FLOWPET LS5276)로 측정하였고, 오일쿨러 각 부위(압축기 입/출구, 응축기 입/출구, 팽창밸브 입/출구, 열 교환기 입/출구, regulating 밸브 입/출구) 의온도는 T-type 열전대로 측정하였다. 우회되는 hot gas 의 유량 및 전체 냉매 유량 측정을 위해서는 RHEONIK 사의 RHM 04 질량유량계를 각각 압축기 출구 및 응축기 출구에 설치하여 측정하였다.
- 이를 통해 hot gas 의 양에 따른 오일쿨러의 성능이 기대치에 충족하는 것을 분석하였다. 또한 개발된 오일쿨러 시스템을 실제 머시닝센터에 장착하여 실 가공 영역에서의 열변형을 측정하였다. 측정결과 오일쿨러는 냉각오일의 설정 온도를 정확히 제어하였고, 스핀들의 회전속도변화에 따른 온도변화가 최대 2℃ 정도로 분석되어 열 변형량도 최대 1.
- 10 에 보는 바와 같이 test bar 의 x, y, z 방향의 변위를 측정할 수 있도록 설치하였다. 또한 스핀들의 온도 변화 및 스핀들 주변 온도 등을 측정하기 위해 온도 센서 를 변위 센서와 같은 방향으로 설치하였다. 모든 측정 데이터는 데이터 수집장치를 통하여 PC 에 저장된다.
- 우회되는 hot gas 의 유량 및 전체 냉매 유량 측정을 위해서는 RHEONIK 사의 RHM 04 질량유량계를 각각 압축기 출구 및 응축기 출구에 설치하여 측정하였다. 또한 오일쿨러 냉동사이클의 고압과 저압 측정은 KELLER 사의 PA-21SR 압력센서를 이용하였으며, 소비 전력량은 Y0K0GAWA 사 CW240 을 이용하여 측정하였다. 각종 측정 데이터(유량, 온도, 압력, 전력량 등)는 데이터 수집장치(Agilent 사 34970A) 로 모아져 PC 로 전송, 저장된다.
- 한다. 본 논문은 hot gas 우회방식의 오일쿨러 개발, 부하장치를 이용한 개발시스템의 동작 특성 분석 및 실제 공작기계에서의 열 변형실험을 통한 성능평가 내용을 포함하고 있다.
- 실시하였다. 성능평가를 위해 열 부하 기능, hot gas 및 액상 냉매 유량 측정, 각 부위별 온도 측정이 가능한 시험기를: 제작하였으며, 부하별 온도유지성능과 hot gas 와 액상냉매의 유량을 측정하는 동작특성 실험을 수행하였다. 이를 통해 hot gas 의 양에 따른 오일쿨러의 성능이 기대치에 충족하는 것을 분석하였다.
- 시험은 오일쿨러의 설정온도를 조정하여 최대냉각과 최대가열을 하는 것으로 설정하였다.
- 오일쿨러의 설정온도는 23℃ 이며, 실온추종 제어 방식을 사용하였다. 열 변형측정은 스핀들에 test bar 를 고정시키고 4000 — 6000 — 5000rpm 으로 각각 4 시간씩 주축을 회전하면서 test bar 의 열변형량을 즉정하였다.
- 냉각유의 유량은 기어타입 오일 유량계(Oval 사, FLOWPET LS5276)로 측정하였고, 오일쿨러 각 부위(압축기 입/출구, 응축기 입/출구, 팽창밸브 입/출구, 열 교환기 입/출구, regulating 밸브 입/출구) 의온도는 T-type 열전대로 측정하였다. 우회되는 hot gas 의 유량 및 전체 냉매 유량 측정을 위해서는 RHEONIK 사의 RHM 04 질량유량계를 각각 압축기 출구 및 응축기 출구에 설치하여 측정하였다. 또한 오일쿨러 냉동사이클의 고압과 저압 측정은 KELLER 사의 PA-21SR 압력센서를 이용하였으며, 소비 전력량은 Y0K0GAWA 사 CW240 을 이용하여 측정하였다.
- Regulating 밸브의 개도는 0 ~ 650 펄스로 조절되는 스텝핑 모터에 의해 정밀하게 조절된다. 응축기의 냉각 팬은 응축기 압력이 21 기압 이상이 되면 가동되게 제어 함으로써 압축기 출구 냉매 즉 hot gas 의 열량을 충분히 확보하여 가열 용량 증대시키고, 냉각 팬의 속도변화를 제어하여 냉각 팬의 소비전력을 절감하고 가열용량을 증대할 수 있도록 하였다
- 이 밖에 냉각과 가열을 동시에 할 수 있는 hot gas 우회방식의 오일쿨러에 대해 중간 냉각 및 중간 가열부하에 대해서도 실험을 수행하였다. 최종실험 결과는 Table 1에 정리하였다.
- 열 교환기에서 이루어지는 냉각유의 온도제어를 정밀하게 제어하기 위해서는 단순한 냉각작용뿐만 아니라 가열작용도 필요하다. 이를 위해서 hot gas 를 우회하여 이를 이용한 정밀한 온도제어가 가능한 방법을 사용하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 머시닝센터는 N 사의 SPACE 530 수직 형 머 시 닝 센터 로 X, y, z 죽의 이송량은 각각 1050, 530, 550mm 이고 최고 회전수는 10, 000 rpm 이다. 주축 모터의 출력은 연속모드인 경우 15kW 이 고 이 송모터 출력 은 X, y, z 각각 0.
- 그러나 이 대체 냉매도 오존층에 미치는 영향은 미미하지만 지구의 온난화에는 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이 중에서 R-407C 냉매는 R-22와 유사한 압력 특성을 갖는 R-32/125/134a(23/25/52 wt. %)의 비 공비 혼합냉매로 개발된 오일쿨러의 냉매로 선택하였다.
이론/모형
- 열 변형 실험은 ISO/DIS230-3 을 기반으로 수행하였다.'"2 실험에서 최대 rpm 은 머시닝센터의 최대 회전속도의 60% 정도를 운전하는 것으로 하였으며 실 가공영역에서 많이 사용되는 4000 ~ 6000 rpm 으로 운전하였다.
- '"2 실험에서 최대 rpm 은 머시닝센터의 최대 회전속도의 60% 정도를 운전하는 것으로 하였으며 실 가공영역에서 많이 사용되는 4000 ~ 6000 rpm 으로 운전하였다. 오일쿨러의 설정온도는 23℃ 이며, 실온추종 제어 방식을 사용하였다. 열 변형측정은 스핀들에 test bar 를 고정시키고 4000 — 6000 — 5000rpm 으로 각각 4 시간씩 주축을 회전하면서 test bar 의 열변형량을 즉정하였다.
성능/효과
- 또한 항온 하에서는 최대 2℃이상의 온도변화가 발생하며, 이에 따라 최대 Gum 의 변형이 발생하는 것으로 측정되었다." 따라서 본 연구에서 개발한 오일쿨러의 적용으로 최대 2℃의 온도변화와 1.5 um 정도의 변형이 생기는 것으로 분석되어 열 변형을 최소화할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 오차는 기계마다 달라질 수 있다.
- 기존의 열 변형실험에서는 8 시간 동안 무부하 운전을 한 결과 최초온도 21℃에서 시작하여 운전 시간이 경과할수록 주축의 온도가 상승하여 주축 온도가 최고 26℃까지 상승하고 최대 정도의 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 항온 하에서는 최대 2℃이상의 온도변화가 발생하며, 이에 따라 최대 Gum 의 변형이 발생하는 것으로 측정되었다.
- 최종실험 결과는 Table 1에 정리하였다. 실험 결과에서 보는 바와 같이 각 모드에 대해 오일쿨러는 냉각 오일의 설정온도를 정확히 제어하였고 이를 위해 hot gas 의 유량도 적절히 제어되고 있음을 알 수 있다. 또한 가열 운전시 소비전력이 줄어드는 것은 hot gas 의 유입 이 많아짐 에 따라 압축기 의 부하가 줄어들기 때문이다.
- 성능평가를 위해 열 부하 기능, hot gas 및 액상 냉매 유량 측정, 각 부위별 온도 측정이 가능한 시험기를: 제작하였으며, 부하별 온도유지성능과 hot gas 와 액상냉매의 유량을 측정하는 동작특성 실험을 수행하였다. 이를 통해 hot gas 의 양에 따른 오일쿨러의 성능이 기대치에 충족하는 것을 분석하였다. 또한 개발된 오일쿨러 시스템을 실제 머시닝센터에 장착하여 실 가공 영역에서의 열변형을 측정하였다.
- 이와 같은 실험결과를 통해 hot gas 우회 방식의 오일쿨러를 탑재한 머시닝센터는 주축의 고속 및 변속 가공 조건에서도 열변형이 최소화 되는 것으로 판단되며, 부하장치를 이용한 성능평가에서도 분석된 바와 같이 온도유지 능력이 탁월한 것으로 분석되었다.
- 또한 개발된 오일쿨러 시스템을 실제 머시닝센터에 장착하여 실 가공 영역에서의 열변형을 측정하였다. 측정결과 오일쿨러는 냉각오일의 설정 온도를 정확히 제어하였고, 스핀들의 회전속도변화에 따른 온도변화가 최대 2℃ 정도로 분석되어 열 변형량도 최대 1.5um 정 도밖에 발생 하지 않아 열 변형이 최소화 되는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 주축의 고속 및 변속 가공 조건에서도 열 변형이 최소화되어 초정밀 가공기계에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 5um 정 도밖에 발생 하지 않아 열 변형이 최소화 되는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 주축의 고속 및 변속 가공 조건에서도 열 변형이 최소화되어 초정밀 가공기계에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 추후에는 on/off, 인버터 방식의 오일쿨러와의 성능비교와 함께 신뢰성 및 경제성을 보증할 수 있는 실험을 수행할 예정이다.
- 이와 같은 결과는 주축의 고속 및 변속 가공 조건에서도 열 변형이 최소화되어 초정밀 가공기계에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 추후에는 on/off, 인버터 방식의 오일쿨러와의 성능비교와 함께 신뢰성 및 경제성을 보증할 수 있는 실험을 수행할 예정이다.
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