[논문]베어링 배열방식이 고속 스핀들의 동특성에 미치는 영향

홍성욱; 최춘석; 이찬홍

doi:10.7736/kspe.2013.30.8.854

베어링 배열방식이 고속 스핀들의 동특성에 미치는 영향
Effects of Bearing Arrangement on the Dynamic Characteristics of High-speed Spindle 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.8, 2013년, pp.854 - 863

홍성욱 (금오공과대학교 기전공학과) , 최춘석 (금오공과대학교 기전공학과) , 이찬홍 (한국기계연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

High-speed spindle systems typically employ angular contact ball bearings, which can resist both axial and radial loading, and exhibit high precision and durability. We investigated the effects of the arrangement of the angular contact ball bearings on the dynamics of high-speed spindle systems. The spindle dynamics were studied with a number of spindle-bearing models, and the location of the bearings was varied, along with the rotational speed and the preload. A finite element spindle model and a bearing model were used, and simulated data showed that the bearing arrangement significantly affected the spindle dynamics. Furthermore, the main effects were due to the cross coupling terms between the transverse and rotational motions of the ball bearings. The coupling stiffness terms were found to influence the spindle dynamics, depending on the mode shapes. An extensive discussion is provided on the effects of the bearing arrangement on the dynamics of the spindle.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 정예하중 조건에서 각접촉 볼베어링의 배면과 정면배열을 비롯한 베어링의 배열이 스핀들에 미치는 동적 특성을 고찰하였다. 특히 축에 두 개의 베어링, 또는 두 쌍의 베어링이 마주 보고 대칭적으로 설치될 때 베어링의 위치 및 베어링 배열방식에 따른 고유진동수뿐만 아니라 고유모드를 비교 검토하였다.
본 논문에서는 정예하중조건의 각접촉 볼베어링 위치 및 배열방식에 따른 고속 스핀들의 동특성 변화에 대해 고찰하였다. 이를 위해 베어링 자체에 대한 동적 모델을 포함한 스핀들-베어링 계의 동적 모델을 구성하였으며 이를 이용한 해석 및 결과 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

본 예제에서는 개발된 프로그램의 타당성을 검증하기 위해 일부의 계산결과를 상용프로그램(Bearinx)과 비교하였다. 먼저, 베어링의 배열과 회전속도와 베어링의 위치를 변경시키며 계산하였다. Fig.
베어링은 7014C이며 정예하중을 주었으며, 축의 양끝단으로부터 20mm에서 120mm까지 20mm간격으로 이동하며 계산하였고, 베어링의 배열은 앞에서와 마찬가지로 O, X의 형태를 고려하였다.
6과 같은 1000mm의 단순 회전체에 두 개의 각접촉 볼베어링이 정예하중 방식으로 결합된 시스템을 고려하였다. 베어링은 좌우대칭으로 한 개씩 배치하였으며 끝단으로부터 50mm에서 300mm까지 50mm 간격으로 변경하며 계산하였다. 계산에 사용한 베어링은 7008C이다.
0에서 40,000rpm까지 회전속도를 변경하였다. 본 스핀들은 베어링 위치가 확정되어 있어 베어링 정렬방향만을 변경시키며 그 특성을 분석하였다.
예컨대, 고속스핀들에서 발생되는 돌출에 대한 해석적 접근^7-10이나 스핀들의 회전정밀도 오차에 대한 해석^11-13 등이 관심을 모으고 있다. 본 연구에서는 베어링의 모델 중 de Mul⁴에 의해 제시된 모델과 보요소를 이용한 회전체 유한요소모델¹⁴을 결합한 프로그램을 구성하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 3가지 회전체에 서로 다른 방식의 베어링 배열을 고려한 해석을 실시하였다.
실제적인 조건에 유사한 스핀들에 대해 베어링의 위치 및 배열에 따른 특성을 검토하기 위해 Fig. 12와 같은 단순화된 스핀들 모델에 2개의 각접촉 볼베어링이 대칭적으로 결합된 단순 스핀들 모델을 고려하였다.
본 논문에서는 정예하중조건의 각접촉 볼베어링 위치 및 배열방식에 따른 고속 스핀들의 동특성 변화에 대해 고찰하였다. 이를 위해 베어링 자체에 대한 동적 모델을 포함한 스핀들-베어링 계의 동적 모델을 구성하였으며 이를 이용한 해석 및 결과 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
해석의 타당성을 보장하기 위해 첫번째 예제에서 개발된 프로그램에 의한 결과와 상용프로그램에 의한 결과를 동시에 제시하였다. 특히 베어링의 배열과 위치에 따른 특성을 같이 검토하였으며 스핀들-베어링 계의 고유진동수 별 모드형상을 적극적으로 비교 검토하여 베어링 배열에 따른 변화를 개념적으로 분석하였다.
본 논문에서는 정예하중 조건에서 각접촉 볼베어링의 배면과 정면배열을 비롯한 베어링의 배열이 스핀들에 미치는 동적 특성을 고찰하였다. 특히 축에 두 개의 베어링, 또는 두 쌍의 베어링이 마주 보고 대칭적으로 설치될 때 베어링의 위치 및 베어링 배열방식에 따른 고유진동수뿐만 아니라 고유모드를 비교 검토하였다.
개발된 프로그램을 이용하여 3가지 회전체에 서로 다른 방식의 베어링 배열을 고려한 해석을 실시하였다. 해석의 타당성을 보장하기 위해 첫번째 예제에서 개발된 프로그램에 의한 결과와 상용프로그램에 의한 결과를 동시에 제시하였다. 특히 베어링의 배열과 위치에 따른 특성을 같이 검토하였으며 스핀들-베어링 계의 고유진동수 별 모드형상을 적극적으로 비교 검토하여 베어링 배열에 따른 변화를 개념적으로 분석하였다.

대상 데이터

베어링은 좌우대칭으로 한 개씩 배치하였으며 끝단으로부터 50mm에서 300mm까지 50mm 간격으로 변경하며 계산하였다. 계산에 사용한 베어링은 7008C이다. 베어링의 예하중은 300N을 주었으며 베어링 배열은 Fig.
베어링의 위치 및 배열방식에 따른 특성을 검토하기 위해 Fig. 6과 같은 1000mm의 단순 회전체에 두 개의 각접촉 볼베어링이 정예하중 방식으로 결합된 시스템을 고려하였다. 베어링은 좌우대칭으로 한 개씩 배치하였으며 끝단으로부터 50mm에서 300mm까지 50mm 간격으로 변경하며 계산하였다.

데이터처리

본 연구에서는 베어링의 모델 중 de Mul⁴에 의해 제시된 모델과 보요소를 이용한 회전체 유한요소모델¹⁴을 결합한 프로그램을 구성하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 3가지 회전체에 서로 다른 방식의 베어링 배열을 고려한 해석을 실시하였다. 해석의 타당성을 보장하기 위해 첫번째 예제에서 개발된 프로그램에 의한 결과와 상용프로그램에 의한 결과를 동시에 제시하였다.
본 예제에서는 개발된 프로그램의 타당성을 검증하기 위해 일부의 계산결과를 상용프로그램(Bearinx)과 비교하였다. 먼저, 베어링의 배열과 회전속도와 베어링의 위치를 변경시키며 계산하였다.

성능/효과

(1) 각접촉 볼베어링에는 경방향변위 및 각변위에 대한 직접적인 강성과 이들간의 연성되는 강성이 존재한다.
(2) 베어링의 배열의 영향은 베어링의 위치에 따라 달라지며, 스핀들의 각 모드별 모드형상에 영향을 받는다.
(3) 베어링 배열에 따른 특성은 경방향변위와 모멘트 연성강성과 베어링 위치에서의 모드변위 영향을 직접적으로 받는다.
(4) 경방향변위-모멘트 연성강성은, 등가적으로 O 배열에서는 경방향 강성을 베어링 위치에서 축외측 방향으로, X 배열은 축 내측으로 이동시킨 효과로 대응시킬 수 있다.
(5) 스핀들의 강성을 높이기 위해 베어링 배열방식에 따른 모드형상 및 고유진동수 변화를 검토해야 하며, 일반적으로 베어링이 스핀들 외측에 위치할수록 X 배열이, 내측에 위치할수록 O 배열이 스핀들의 고유진동수를 높이는데 효과적이다.
(6) 개발된 프로그램이 베어링 배열 및 스핀들 특성에 따른 동특성 변화를 잘 예측할 수 있다.
8은 베어링의 위치에 따른 고유진동수를 비교한 그림이다. 상용프로그램과 제안된 모델에 의한 계산결과를 비교하고 있으며 결과가 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다.
18 and 19는 여러 형태의 베어링 배열에 대해 전방 1차모드와 2차모드의 고유진동수를 비교해서 보여주고 있다. 조합가능한 모든 배열에서 본 예제에서는 Tandom O 방식의 배열이 1,2차모드에 대해 가장 높은 고유진동수를 나타내고 있다.
특히 4차모드까지 모두 베어링의 설치 위치가 끝단에 가까울수록 O 배열이 X형에 비해 낮은 고유진동수를 보이고 있으나 베어링이 중심으로 옮겨갈수록 O 배열의 고유진동수가 상대적으로 높아지는 것을 볼 수 있다. 이러한 일반적인 경향에도 불구하고 3, 4차 모드의 경우에는 그 특성이 복합적으로 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	각접촉 볼베어링의 장점은 무엇인가?	각접촉 볼베어링(Angular contact ball bearing)은 고속에서 사용가능하며 축방향과 경방향의 복합하중을 받을 수 있는 장점이 있어 대부분의 스핀들에서 채용되고 있다. 1-3 각접촉 볼베어링은 그 속성 때문에 단독으로 사용될 경우 한쪽 축방향으로의 하중만을 지탱할 수 있으므로 2개 이상이 대칭적으로 배열되어 사용되며, 그 배열방식에 따라 스핀들의 특성에 크게 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
	각접촉 볼베어링의 축방향 예하중은 예하중 방식에 따라 어떻게 나뉘는가?	1-3 각접촉 볼베어링은 그 속성 때문에 단독으로 사용될 경우 한쪽 축방향으로의 하중만을 지탱할 수 있으므로 2개 이상이 대칭적으로 배열되어 사용되며, 그 배열방식에 따라 스핀들의 특성에 크게 영향을 주는 것으로 알려져 있다.5,6 각접촉 볼베어링을 적절하게 사용하기 위해서는 축방향 예하중을 가해야 하는데, 예하중 방식에 따라 정위치 방식이나 정예하중 방식으로 나뉘어진다. 최근 고속 스핀들에서는 발열이나 이에 기인한 열팽창 등에 무관하게 일정한 예하중이 가해질 수 있도록 정예하중 방식이 주로 활용되고 있으며 이를 위해 Fig.
	각접촉 볼베어링의 배열방식이 스핀들의 동특성에 미치는 영향에 대한 기존에 수행된 연구의 한계는 무엇인가?	Li와 Shin5은 베어링 정렬방향이 스핀들의 동특성에 미치는 영향에 대해 연구하였으며 정렬방향에 따른 베어링 커플링 성분의 영향에 대해 고찰하였다. 그러나 스핀들 전체의 동역학적 관점에서 베어링의 위치와 배열방향 등을 복합적으로 고려한 해석은 이루어지지 않았다. 따라서 스핀들의 설계관점에서 배면과 정면배열을 채택해야 하는 기준 등에 대해서는 논의되지 않았으며 설계자들 또한 경험에 의존하고 있다.

참고문헌 (14)

Harris, T. A., "Rolling Bearing Analysis," John Wiley & Sons, pp. 12-17, 1990.
Abele, E., Altintas, Y., and Brecher, C., "Machine Tool Spindle Units," CIRP Annals: Manufacturing Technology, Vol. 59, No. 2, pp. 781-802, 2010.

상세보기
Hagiu, G. D. and Gafitanu, M. D., "Dynamic Characteristics of High Speed Angular Contact Ball Bearings," Wear, Vol. 211, No. 1, pp. 22-29, 1997.

상세보기
de Mul, J. M., Vree, J. M., and Maas, D. A., "Equilibrium and associated load distribution in ball and roller bearings loaded in five degrees of freedom while neglecting friction-part I: general theory and application to ball bearings," ASME J. of Tribology, Vol. 111, No. 1, pp.142-148, 1989.

상세보기
Li, H. and Shin, Y., "Analysis of bearing configuration effects on high speed spindles using an integrated dynamic thermo-mechanical spindle model," Int. J. of Machine Tools and Manufacture, Vol. 44, No. 4, pp. 347-364, 2004.

상세보기
Choi, C. S., Lee, C. H., and Hong, S. W., "Dynamic analysis of spindle with the combination and arrangement of angular contact ball bearings varied," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 305-306, 2012.
Bae, G. H., Lee, C. H., Hwang, J., and Hong, S.W., "Estimation of axial displacement in high-speed spindle due to rotational speed," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 6, pp. 671-679, 2012.

원문보기 상세보기
Zverv, I., Pyounb, Y. S., Lee, K. B., Kim, J. D., Jo, I. H., and Combs, A., "An Elastic Deformation Model of High Speed Spindles Built into Ball Bearings," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 170, No. 3, pp. 570-578, 2005.

상세보기
Jedrzejewski, J. and Kwasnya, W., "Modelling of Angular Contact Ball Bearings and Axial Displacements for High-speed Spindles," Journal of Manufacturing Technology, Vol. 59, No. 1, pp. 377- 382, 2010.
Chen, J. S. and Hwang, Y. W., "Centrifugal Force Induced Dynamics of a Motorized High-Speed Spindle," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 30, No. 1-2, pp. 10- 19, 2006.

상세보기
Hwang, J., Shim, J. Y., Hong, S. W., and Lee, D. W., "Accuracy simulation of precision rotary motion systems," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 28, No. 3, pp. 285-291, 2011.
Jorgensen, B. R. and Shin, Y. C., "Dynamics of spindle-bearing systems at high speeds including cutting loads effects," Journal of Manufacturing Science and Technology, Vol. 120, No. 2, pp. 387- 394, 1998.

상세보기
Bae, G. H., Hong, S. W., and Hwang, J., "Experiment and simulation of asynchronous response for spindle due to geometric errors in bearings," Proc. of the KSPE Autumn Conference, pp. 497-498, 2012.
Lee, C. W. and Hong, S. W., "Asynchronous harmonic response analysis of rotor-bearing systems," International Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis, Vol. 2, No. 2, pp. 51- 65, 1990.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증