[논문]냉간 압연기에서 작업롤의 질량 불평형에 관한 연구

김영득; 김창완; 박현철

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.4.429

냉간 압연기에서 작업롤의 질량 불평형에 관한 연구
Investigation of Unbalanced Mass of a Work Roll in a Cold Rolling Mill 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.4, 2012년, pp.429 - 435

김영득 (포항공과대학교 기계공학과) , 김창완 (건국대학교 기계설계학과) , 박현철 (포항공과대학교 기계공학과)

초록
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압연공정 중에 작업롤은 스트립과의 지속적인 마찰에 의해 마모가 발생하여, 질량 불평형이 발생하게 된다. 이러한 작업롤의 질량 불평형을 고려한 압연기의 수학적 모델을 제안하였고, 이 모델은 실험에 의해 검증되었다. 작업롤은 편심을 가진 강체 로터로 가정되어, 질량 불평형의 채터 진동에 대한 영향을 분석하였다. 스핀들의 준평형 해석을 통해 계산된 조인트 힘은 압연기의 작업롤에 외력으로 작용시켰다. 압연기의 운동방정식을 직접적분법으로 풀어 과도 응답을 얻고 주파수 분석을 수행하였다. 편심은 수직 방향의 진동보다 수평 방향의 진동에 더 큰 영향을 끼쳤는데, 작업롤 반경의 1%의 편심거리도 수평 방향 채터 주파수의 진폭을 크게 상승시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An abrasion due to continuous friction between a work roll and strip causes the mass of the work roll to be unbalanced in the rolling process. We developed a mathematical model for the rolling mill considering the unbalanced mass and verified the model experimentally. The work roll was approximated as a rigid rotor with eccentricity, and the effect of the unbalanced mass on chatter vibration was investigated. The joint forces computed by quasistatic analysis were applied to the work roll in the rolling mill. Transient responses were obtained, and frequency analysis was performed by solving equations of motion using a direct integration method. Horizontal vibrations were more strongly affected by eccentricity than vertical vibrations. In the horizontal direction, a small eccentricity of 1% of the work roll radius considerably increased the amplitude of the chatter frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이런 이유로 반복적으로 압연기에서 작업롤을 분리하여 그라인딩 작업을 하게 된다. 본 논문에서는 이러한 질량 불평형을 고려한 압연기의 수학적 모델을 제안하였고, 이 모델은 실험에 의해 검증되었다. 작업롤은 편심을 가진 강체로터로 가정되어, 질량 불평형의 채터 진동에 대한 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 작업롤의 질량 불평형을 고려한 냉간 압연기의 수학적 모델을 제안하였다. 작업롤은 편심을 가진 강체 로터로 가정되어, 질량 불평형의 채터 진동에 대한 영향을 분석하였다.
압연기의 운동방정식을 직접 적분법으로 풀어 과도 응답을 얻고 주파수 분석을 수행하였다. 이로써 압연기의 질량 불평형이 채터 진동에 미치는 영향에 대해 분석하였다.

가설 설정

(10) 이 효과를 고려하기 위해 Fig. 3 과 같이 작업롤을 편심을 가진 강체 로터로 가정하였다. 작업롤의 무게중심 G 는 작업롤의 중심 P 에서 편심거리 e 만큼 떨어져 있다.

제안 방법

압연기의 채터 진동을 분석하기 위해 실험을 수행하였다.⁽⁹⁾ 스트립에 가장 직접적인 영향을 미치는 작업롤의 진동을 측정하였다. 가속도 센서를 작업롤의 초크부에 부착하여 진동 가속도를 측정하였다.
⁽⁹⁾ 스트립에 가장 직접적인 영향을 미치는 작업롤의 진동을 측정하였다. 가속도 센서를 작업롤의 초크부에 부착하여 진동 가속도를 측정하였다. 타코미터를 이용해서 스핀들의 회전속도를 측정했으며, 로드 셀을 이용해 작업롤의 압연하중을 측정하였다.
직접적분법은 이전 타임 스텝의 결과로부터 다음 타임 스텝의 결과를 계산한다. 먼저 롤과 스핀들에 적용되는 중력 등의 외력을 계산하고 압연기의 운동방정식을 매트릭스 형태로 구성한다. 운동방정식에 압연기의 초기 변위와 초기 속도를 입력하고, 초기 가속도를 계산한다.
작업롤은 편심을 가진 강체로터로 가정되어, 질량 불평형의 채터 진동에 대한 영향을 분석하였다. 스핀들의 준평형 해석을 통해 조인트에 적용되는 조인트 힘을 계산하였다. 이렇게 계산된 조인트 힘은 압연기의 작업롤에 외력으로 작용하였다.
이렇게 계산된 조인트 힘은 압연기의 작업롤에 외력으로 작용하였다. 압연기의 운동방정식을 직접 적분법으로 풀어 과도 응답을 얻고 주파수 분석을 수행하였다. 이로써 압연기의 질량 불평형이 채터 진동에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
이렇게 계산된 조인트 힘은 압연기의 작업롤에 외력으로 작용하였다. 압연기의 운동방정식을 직접 적분법으로 풀어 과도 응답을 얻고 주파수 분석을 수행하였다. 이로써 압연기의 질량 불평형이 채터 진동에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
압연기에서 발생하는 채터 진동은 스트립에 채터 마크를 발생시키며, 품질을 저하시킨다. 압연기의 채터 진동을 분석하기 위해 실험을 수행하였다.⁽⁹⁾ 스트립에 가장 직접적인 영향을 미치는 작업롤의 진동을 측정하였다.
먼저 롤과 스핀들에 적용되는 중력 등의 외력을 계산하고 압연기의 운동방정식을 매트릭스 형태로 구성한다. 운동방정식에 압연기의 초기 변위와 초기 속도를 입력하고, 초기 가속도를 계산한다. 타임 스텝과 요구되는 해석 시간 등의 시뮬레이션 파라미터를 설정한다.
좀더 자세히 확인해보면, 편심거리가 커짐에 따라 진폭의 크기는 미세하게 증가하였다. 이를 정확히 확인하기 위해, 수직 가속도의 FFT 를 통해 주요 진동주파수의 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 이러한 질량 불평형을 고려한 압연기의 수학적 모델을 제안하였고, 이 모델은 실험에 의해 검증되었다. 작업롤은 편심을 가진 강체로터로 가정되어, 질량 불평형의 채터 진동에 대한 영향을 분석하였다. 스핀들의 준평형 해석을 통해 조인트에 적용되는 조인트 힘을 계산하였다.
본 논문에서는 이러한 질량 불평형을 고려한 압연기의 수학적 모델을 제안하였고, 이 모델은 실험에 의해 검증되었다. 작업롤은 편심을 가진 강체로터로 가정되어, 질량 불평형의 채터 진동에 대한 영향을 분석하였다. 스핀들의 준평형 해석을 통해 조인트에 적용되는 조인트 힘을 계산하였다.
주요 진동 주파수의 변화를 좀 더 정확히 확인 하기 위해, 수평 가속도의 FFT 를 분석하였다. Fig.
가속도 센서를 작업롤의 초크부에 부착하여 진동 가속도를 측정하였다. 타코미터를 이용해서 스핀들의 회전속도를 측정했으며, 로드 셀을 이용해 작업롤의 압연하중을 측정하였다.
롤의 탄성 변형에 의한 롤 사이의 컨택 스티프니스와 롤 사이의 마찰력도 고려되었다. 현장에서 측정된 압연하중을 작업롤에 외력으로 적용시켰다. 또한 앞에서 준평형 해석을 통해 계산된 조인트 힘도 작업롤에 외력으로 적용시켰다.

성능/효과

수학적 모델에 편심거리가 주어져도 주요 진동 주파수는 변하지 않고, 채터 주파수의 진폭만 다소 변화가 발생하였다. 1, 2차 기어 메쉬 주파수인 355 Hz 와 710 Hz 의 진폭은 편심거리에 따라 변하지 않고 일정하지만, 채터 주파수인 1192 Hz 의 진폭은 편심거리가 증가함에 따라 미세하게 증가한 것을 볼 수 있다. 이는 기어 메쉬 주파수가 감속기의 기어에서 발생해서 스핀들을 통해 작업롤까지 전달되었기 때문에, 작업롤 편심의 영향을 받지 않는다고 판단된다.
이로써 본 연구대상과 유사한 구조를 갖는 압연기의 채터 진동을 연구하기 위해서는, 상대적으로 큰 영향을 갖는 수평 방향의 진동을 관찰할 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 매우 작은 크기의 편심거리도 수평 방향 채터 주파수의 진폭을 크게 상승시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
압연기의 운동방정식을 직접적분법으로 풀어 과도 응답을 얻고 주파수 분석을 수행하였다. 수직 가속도 FFT 의 수치 해석 결과와 실험결과가 잘 일치했기 때문에, 제안된 압연기의 수학적 모델은 타당하다고 할 수 있다.
앞의 실험결과와 같이 주요 진동주파수인 기어 메쉬 주파수와 채터 주파수가 발생하였다. 작업롤에 편심이 없는 경우의 수직 방향 가속도의 FFT 에서, 수치 해석 결과와 앞의 실험결과가 잘 일치하기 때문에, 제안된 압연기의 수학적 모델은 타당하다고 할 수 있다. 수학적 모델에 편심거리가 주어져도 주요 진동 주파수는 변하지 않고, 채터 주파수의 진폭만 다소 변화가 발생하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압연공정 중에 작업롤은 스트립과의 지속적인 마찰에 의해 무엇이 발생되는가?	압연공정 중에 작업롤은 스트립과의 지속적인 마찰에 의해 마모가 발생하여, 질량 불평형이 발생하게 된다. 이러한 작업롤의 질량 불평형을 고려한 압연기의 수학적 모델을 제안하였고, 이 모델은 실험에 의해 검증되었다.
	채터 진동은 어떻게 발생하는가?	채터 진동이란 소재와 제조장치간의 급격한 기계적인 진동으로 인해 발생하는 현상이며, 예전에는 주로 밀링 및 연삭 등의 절삭 가공에서 주로 나타나는 현상이었다. 하지만 최근에 더 엄격한 품질의 압연제품의 수요와 요구로 인해 품질에 대한 규격이 엄격해지며, 압연 공정에 있어서도 채터 진동으로 인한 문제가 크게 대두되고 있는 실정이다.
	채터 진동이 발생되는 원인은 무엇인가?	채터 진동이 발생하면, 이러한 마크가 완성품의 외관에 선명하게 드러나 소비자의 불만을 야기한다. 채터의 발생 원인으로 압연 롤의 불균형과 편심, 기계 조립 부위의 이완, 미스얼라인먼트, 롤 슬립, 기어 구동부 및 베어링 손상 등의 기계적 요인을 생각할 수 있다. 채터 진동이 심하게 발생하는 경우 압연기 자체의 구조와 공진을 일으켜 높은 소음을 동반하고 작업 환경을 저해하는 요인이 된다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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