[논문]공작기계 틸팅 인덱스 테이블의 특성 해석에 관한 연구

최치혁; 이춘만

문제 정의

본 연구에서는 현재 업체에서 설계 개발된 2축 틸팅 인덱스 테이블의 구조해석을 실시하여 구조 물의 변위량과 응력 분포를 확인하고, 공작기계 운용에 큰 영향을 미치는 진동에 대한 응답성을 확인하고자 진동해석을 실시하였다. 또한 구조물 회전시 발생하는 강성을 확인하기 위해 동적해석을 실시하여 구조물의 설계 타당성을 검토하여 검증되고 최적화된 틸팅 인덱스 테이블 개발을 하고자 한다.
해석 결과 본 구조물은 개발 완료 후 사업화를 위해서 재료비 절감을 위한 개선 설계가 가능한 경쟁력 있는 제품임을 확신한다. 본연구 결과는 안정적 틸팅 인덱스 테이블 개발에 적용되었으며, 성공적인 제품 개발이 이루어졌다.
본 연구에서는 현재 업체에서 설계 개발된 2축 틸팅 인덱스 테이블의 구조해석을 실시하여 구조 물의 변위량과 응력 분포를 확인하고, 공작기계 운용에 큰 영향을 미치는 진동에 대한 응답성을 확인하고자 진동해석을 실시하였다. 또한 구조물 회전시 발생하는 강성을 확인하기 위해 동적해석을 실시하여 구조물의 설계 타당성을 검토하여 검증되고 최적화된 틸팅 인덱스 테이블 개발을 하고자 한다.

제안 방법

간섭체크를 실시하였다. 간섭부위가 없는 올바른 설계임을 확인한 후 ANSYS®를 통한 구조해석을 실시하였다. Fig.
개발 사양인 최대 적재능력을 적용할 때 틸팅축 최대회전각인 시계방향 45°, 반시계방향 110°에서 구조해석을 실시하였다.
구조해석을 실행하기 위한 경계조건으로 공작기계의 베드부와 결합되는 구조물의 양쪽 가장자리에 위치하고 있는 A축 양쪽 지지대 바닥면을 회전과 이동이 없도록 구속조건을 주었으며, 하중조건 은 구조물의 자중을 고려한 중력의 적용과 테이블의 최대 적재 중량을 적용하여 실시하였다. 또한, 각 부품 재질을 적용하여 데이터의 현실성을 높였 으며, Table 1은 유한요소해석을 위해 적용된 구조 물의 구성 재질별 물성치를 나타내었다
먼저 고정도화, 경량화, 소형화를 목표로 설계를 진행하였다. 개발 목표치로는 DD모터 내장형, 테이블 최대 적재중량 2450N(250kgf), C축(테이블 회전축) 최대 회전각 360°, A축(테이블 틸팅축) 최대 회전각 155°(시계방향회전 45°에서 반시계방향회전 -110°), 테이블 크기 Φ500mm로 선정하였다.
본 연구에서는 안정적인 틸팅 인덱스 테이블 개발 을 위하여 개발 설계를 기준으로 모델링, 정/동 해 석을 실시하였다. 특성 해석 결과 인덱스 테이블은 충분한 정/동 강성을 가진 구조물임을 확인하였다.
설계된 도면을 기반으로 실시된 3D 모델링을 통하여 간섭체크를 실시하였다. 간섭부위가 없는 올바른 설계임을 확인한 후 ANSYS®를 통한 구조해석을 실시하였다.
고속·고정도 공작기계 필드테스트에서 가장 문제시 되는 조건의 하나로 진동 문제가 있다. 이에 고유진동 수 및 모션을 확인하기 위하여 자중이 가해진 상태에서 틸팅 인덱스 테이블의 고유진동수에 대한 해석을 전체 6차 모드까지 실시하였다. Table 2는 그 결과를보여주고 있다.
틸팅 인덱스 테이블에서 설계 후 검토되어야 하는 중요한 조건중에 하나가 테이블 회전 및 틸팅 구동시 테이블에 작용하는 하중이 구조물의 체결부에 미치는 영향을 확인하여야 한다. 이에 기구동역학해석을 통하여 하중을 고려한 구동시 접촉압력으로 발생된 힘이 구조물의 파손이 가능한지 여부를 확인하였다 두 개의 회전축을 각각 구동 메카니즘을 통하여 구속조건을 설정하여 회전시 발생하는 동적 안정성을 확인하였다
게 나타났다. 진동해석을 통하여 각 모드에서 발생하는 변형성을 확인하였다. 또한 동적해석 결과, M8 육각렌치볼트의 경우 반복하중 안전율인 4배를 적용하고 나사의 최소전단하중인 8, 920N과 비교한 결과 C축과 A축에 적용되는 M8 볼트의 반력 하중인 133N과 564.
해석의 조건으로는 테이블에 작용하는 최대 적재 하중을 적용하고, 모터 회전수를 설계에서 지정한 DD Motor의 최대 회전수를 적용하여 해석을 실시하였다. 해석은 MSC社의 MSC.

대상 데이터

2는 구조해석을 위한 메쉬작업을 보여주고 있다. 307, 791개의 노드와 164, 792개의 요소수를 가지는 유한요소모델을 확인하였다
개발 목표치로는 DD모터 내장형, 테이블 최대 적재중량 2450N(250kgf), C축(테이블 회전축) 최대 회전각 360°, A축(테이블 틸팅축) 최대 회전각 155°(시계방향회전 45°에서 반시계방향회전 -110°), 테이블 크기 Φ500mm로 선정하였다. Fig.

이론/모형

해석의 조건으로는 테이블에 작용하는 최대 적재 하중을 적용하고, 모터 회전수를 설계에서 지정한 DD Motor의 최대 회전수를 적용하여 해석을 실시하였다. 해석은 MSC社의 MSC.visualNastran 4D®를 사용하여 수행하였다

성능/효과

83MPa이 나타나는 Von-Mises 응력분포를 보여주고 있다. C축을 지지하는 양쪽 A축의 지지대(support)와 테이블에 응력이 집중 발생하는 것으로 확인되었다. 변형량 및 응력의 구조해석 결과 기존 연구된 결과들과 비교하면 매우 안정된구조물 설계가 이루어졌음을 확인할 수 있다
Table 3은 C축 회전을 위한 구동부에 작용되는 조건 및 결과를 나타내었다. 각 볼트당 반력 은 ISO 898-1 및 KS B 0233에서 체결부간 반력 및 설계 에 대한 각 볼트당 반력이 규정되어진 나사강도보다적은 힘이 작용함을 확인하였다. 예로서, M8 나사일 경우 규격에 명시되어 있는 보증 하중에서 중간정도의 강도（5.
구조물에서 M8이 적용되는 Table 3의 첫번째 경우 반력은 133N으로 현재 사용되는 체결부의 결 합이 안전함을 알 수 있다. 결과적으로 C축 구동시 모터 최대 회전수를 적용하여도 파손이 일어나지 않는 다는 결과이다. C축 구동부 설계가 충분한 동강성을 가짐을 확인할 수 있다.
진동해석을 통하여 각 모드에서 발생하는 변형성을 확인하였다. 또한 동적해석 결과, M8 육각렌치볼트의 경우 반복하중 안전율인 4배를 적용하고 나사의 최소전단하중인 8, 920N과 비교한 결과 C축과 A축에 적용되는 M8 볼트의 반력 하중인 133N과 564.1Ne 충분한 안정성을 가짐을 확인하였다. 이는, 부하하중이 KS B 0233 규격의 볼트 보증강도를 만족하는 동적 안정성을 가진 설계임을 확인하였다.
진동해석을 통하여 각 모드에서 발생하는 변형성을 확인하였다. 또한 동적해석 결과, M8 육각렌치볼트의 경우 반복하중 안전율인 4배를 적용하고 나사의 최소전단하중인 8, 920N과 비교한 결과 C축과 A축에 적용되는 M8 볼트의 반력 하중인 133N과 564.1Ne 충분한 안정성을 가짐을 확인하였다. 이는, 부하하중이 KS B 0233 규격의 볼트 보증강도를 만족하는 동적 안정성을 가진 설계임을 확인하였다.
C축을 지지하는 양쪽 A축의 지지대(support)와 테이블에 응력이 집중 발생하는 것으로 확인되었다. 변형량 및 응력의 구조해석 결과 기존 연구된 결과들과 비교하면 매우 안정된구조물 설계가 이루어졌음을 확인할 수 있다
해석 결과 본 구조물은 개발 완료 후 사업화를 위해서 재료비 절감을 위한 개선 설계가 가능한 경쟁력 있는 제품임을 확신한다. 본연구 결과는 안정적 틸팅 인덱스 테이블 개발에 적용되었으며, 성공적인 제품 개발이 이루어졌다.
1Ne 충분한 안정성을 가짐을 확인하였다. 이는, 부하하중이 KS B 0233 규격의 볼트 보증강도를 만족하는 동적 안정성을 가진 설계임을 확인하였다. 해석 결과 본 구조물은 개발 완료 후 사업화를 위해서 재료비 절감을 위한 개선 설계가 가능한 경쟁력 있는 제품임을 확신한다.
정적해석 결과 변형 분포는 최대 변형량은 1.12 ㎛로 적재하중이 집중적으로 가해지는 C축 중심부 에 대부분 발생하고 최대응력이 0.83MPa로 양단 지지대에 집중되며 전체적인 응력 분포가 양호하게 나타났다. 진동해석을 통하여 각 모드에서 발생하는 변형성을 확인하였다.
8은 1차 모드와 2차 모드의 진동해석 결과를 보여주고 있다. 진동해석 결과 1차 모드에서는 A축 기준 회전（뒤틀림）운동 모드가 발생하였으며, 2차 모드에서는 베이스를 기준으로 상하로 병진 운동을 하는 모드가 발생하였음을 확인하였다. 진동 크기의 차이는 있으나 3차 모드에서 상하 병진 운동 4, 5, 6차 모드에서는 뒤틀림운동이 발생하였다.
각 최대 틸팅각에서 구조해석 결과 최대 변형량과 최대 응력값은 유사하게 나타났다. 최대 변형 량은1.4㎛±0.07, 최대응력은 1.3MPa±0.1 정도로 정적해석결과는구조체에 큰 영향을 미치지 않는 범위로나타났다 비교적 높은 변형량을 보이는 부분은 테이블 및 테이블 바디의 정면부위와 틸팅축 연결부위임을 확인할 수 있다. 만약 개선 설계가 필요할 경우 변형과 응력 분포 결과 테이블의 정면 부위와 테이블 바디의 틸팅축 연결부의 강성설계를 고려할 필요성이 있다.
본 연구에서는 안정적인 틸팅 인덱스 테이블 개발 을 위하여 개발 설계를 기준으로 모델링, 정/동 해 석을 실시하였다. 특성 해석 결과 인덱스 테이블은 충분한 정/동 강성을 가진 구조물임을 확인하였다.
이는, 부하하중이 KS B 0233 규격의 볼트 보증강도를 만족하는 동적 안정성을 가진 설계임을 확인하였다. 해석 결과 본 구조물은 개발 완료 후 사업화를 위해서 재료비 절감을 위한 개선 설계가 가능한 경쟁력 있는 제품임을 확신한다. 본연구 결과는 안정적 틸팅 인덱스 테이블 개발에 적용되었으며, 성공적인 제품 개발이 이루어졌다.
이는, 부하하중이 KS B 0233 규격의 볼트 보증강도를 만족하는 동적 안정성을 가진 설계임을 확인하였다. 해석 결과 본 구조물은 개발 완료 후 사업화를 위해서 재료비 절감을 위한 개선 설계가 가능한 경쟁력 있는 제품임을 확신한다. 본연구 결과는 안정적 틸팅 인덱스 테이블 개발에 적용되었으며, 성공적인 제품 개발이 이루어졌다.

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