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문제 정의
- 본 논문은 공작기계의 기구학적 이해와 해석을 통 한 진동양상 및 변형을 파악하여 구조를 개선하여 생산성 향상을 위한 공작기계 운전의 고속화와 안정 성을 향상시키는 것에 관해 연구한 내용이다
제안 방법
- 어 모터 (Linear Motor) 구동방식을 채택하여 X, Y, Z 축의 최대 100m/min 이송속도를 만족할 수 있도록 하였다. 주축은 150만 이상의 DmN값으로 최대 회전수는 40, 000rpm의 초고속 주축시스템을 적용하였다.
- 부품의 개수가 가장 많은 틸팅 인덱스 테이블을 질량수를 맞춘 하나의 파트로 대체하여 해석 규모를 간소화하였다. 따라서, 총 노드 개수는 317825개, 요소 개수는 157097개로 Mesh 생성 작업을 수행하였다
- 5축 절삭가공기 구조물의 초기 설계안을 Initial Model로 정하고 열, 자중, 진동 해석을 통해 문제점을 파악하고자 한다. 자중 변위량 및 응력값을 정 리하면 Table 3과 같다.
- 열변위량 해석은 모터내장형 주축의 온도가 20℃ 에서 최악조건인 100℃까지 상승하는 경우에 대해 유한요소해석을 통하여 변위량을 분석하였다.
- 1, 2, 3차 고유진동수가 매우 낮은 주파수대역 에서 나타나 구조물의 강성보완 설계가 필요할 것으로 예측하였다. 또한, Fig.
- Table 4는 Initial Model과 Alteration Model의 무게 및 감소율을 보여주고 있다 설계 변경 결과 Head와 Slide Saddle의 무게가 약 30% 가량 감소하였으며 Main Bed의 Rib의 개수는 50% 증가하였다. 설계 변경 으로 본 5축 절삭가공기 구조물의 강성이 강화되었다는 것을 검증하기 위해 Alteration Model에 대해 열, 자 중, 진동 해석을 수행하여 비교해 보기로 하였다
- 자중, 열, 진동 변위량을 종합하여 3차원 그래프를 작성하여 온도, 진동수의 변화에 따른 총 변위량을 계산해 보았다.
- 5축 절삭가공시스템의 구조물 최적설계를 위해 구조물에 대하여 자중 변위량 해석, 열 변위량 해석, 진동 변위량 해석 등을 통해 구조물의 거동 및 특성을 분석하였다.
- 분석된 구조물의 특성을 바탕으로 Bed, Head, Slide Saddle의 설계변경 안을 제안하였다. 설계변경된 Alteration Model의 설계 개선 효과를 검증하기 위하여 유한요소 해석을 진행하였으며, 그 결과 Initial Model보다 자중 및 열, 진동 변위량이 감소되 었음을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 구조물은 총 25개의 파트로 이루어져 있으며 이 중에서 Main Bed, Column, Slide Saddle, Head, Main Table 5개 부분은 주조 작업을 통해 만들기 때문에 회주철(Gray Cast Iron)을 부여하였으며 나머지 20개 파트는 일반기계가공을 이용하여 제작하므로 Structural Steel을 부여하였다 상세한 재료 물성은 Table 2에 자세히 나타내었다.
데이터처리
- 앞서 제시한 설계 변경안을 통해 변경된 5축 절삭 가공기 구조물을 Alteration Model로 정하고 자중 해석을 통해 안정성을 평가하여 비교함으로써 강성이 강화되었다는 것을 검증하기로 하였다.
성능/효과
- 열변위량은 Z축 방향으로 크게 나타나는 경 향을 보였으며 이는 전체 시스템의 강성이 Y축 방향으로 가장 강하며 X, Z축 방향으로는 약해서 강성을 강화시켜야 할 필요성이 있다고 판단되었다. 모든 방향 의 열변위 량은 40℃를 지나서 급격하게 증가되는 경 향을 보이고 있어 40℃ 이하로 유지시켜 줄 수 있는 냉 각시 스템 이 필요하다고 판단되 었다.
- 5% 감소되 었다. 또한, Z축의 경우 자중 변위량이 기존의 -117.2µm에서 -36.4µm로 69% 감소되었다 자중 웅력값의 경우 기존의 9.43MPa에서 11.7MPa로 8% 증가되어 강성이 강화되 었다고 판단할 수 있었다
- Z죽의 100P 일 때 열 변위량이 기존의 496µm에서 465µm로 6% 감소되었다. 열응 력값은 100P일 때 기존 81.9MPa에서 124MPa로 51% 증가되었지만 항복응력값인 240MPa보다는 낮 아 안전하다고 판단된다
- 7의 그래프에 나타내었다. 변위량은 Z축 20P에서 최소 1.1%, Y축 100P에서 최대 18.2%까지 감소되는 결과를 얻었다. 이러한 결 과에 비추어 보아 설계 변경을 통해 열변형에 대한 강성이 어느 정도 강화되었다고 판단하였다.
- Alteration Model의 진동해석 결과인 1차 Mode Shape를 보여주고 있으며, Initial Model과 Alteration Model의 동특성해석결과 1차 고유진동수는 경우 기 존의 33.8Hz에서 39Hz로 15.3% 증가되었고 2차 고유 진동수는 기존의 50.2Hz에서 56.9Hz로 13.% 증가되 었다. 또한, 3차 고유진동수는 87.
- 2%의 변위 량이 감소된 것을 알 수 있었다. 이러한 결과에 비추어보아 구조설계 변경을 통해 열, 자중, 진동 변형에 대한 강성이 강화되었다고 판단하였다.
- 설계변경된 Alteration Model의 설계 개선 효과를 검증하기 위하여 유한요소 해석을 진행하였으며, 그 결과 Initial Model보다 자중 및 열, 진동 변위량이 감소되 었음을 확인할 수 있었다.
- 1) 5축 절삭가공시스템 대해 열적, 정적, 동적 안정성 을 평가한 결과 Initial Model의 낮은 강성은 상부 에 불필요하게 집중된 과도한 무게에 비해 하부 Main Bed 구조의 약한 강성으로 인한 구조적 불안 정성을 띄고 있는 것으로 판단되었다.
- 2) 설계변경 안이 적용된 Alteration Model에 대해 열 적, 정적, 동적 특성 유한요소해석을 수행하여 자 중 변위량은 Z축에서 최고 69%, 열 변위량은 Y축 에서 최고 18.2%, 진동 변위량은 1차 고유진동주 파수 대역에서 최대 90%까지 감소되는 결과를 얻 었다.
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