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문제 정의
- 본 논문에서는 기존의 공작기계의 베드 해석과는 다른 연삭공정과 선삭공정이 하나의 장비에서 가능한 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템의 개발 하는데 필요한 요소들에 대해서 소개를 하고 현재 진행되고 있는 연구내용을 소개하고자 한다.
- 본 논문에서는 다기능 하이브리드 수직형 복합연삭시스템 개발을 위하여 현재 진행되고 있는 연구에 대해서 일부 소개를 하였다. 절삭과 연삭이 하나의 장비에서 가공이 되는 이 장비는 본 논문의 해석에 대해 강성이 높은 베드의 재료를 사용하여 제작이 되었으며, 각 주요 유닛 부분에서도 구조해석과 모달해석 결과를 바탕으로 설계되어 제작이 되었다.
제안 방법
- Built-in Motor를 사용하였으며 회전수는 5,500 RPM (최대 6,500 RPM까지 설치 가능), 최대 토르크는 384 Nm, Front Bearing의 크기는 Ø85 mm로 설계하였으며, Built-in Motor 및 Bearing의 온도제어를 위해 냉각 장치를 적용하였으며 Front Bearing의 발열상태를 모니터링 할 수 있도록 설계 하였다.
- Loading & Unloading Station에서 제품과 척의 기준면이 평행을 이룰 수 있도록 단계별 완충이 되도록 설계하였다.
- 57 µm으로 해석되었다. 강성을 높이기 위해서는 박스형 구조를 사용하는 방법도 있으나, 시스템의 전체적인 무게와 제작시의 비용절감을 위하여, 해석 결과 변형량이 높은 부분의 강성을 높이기 위하여 추가적으로 상단부에 리브를 추가 설계한 후 재해석을 진행하였다. 베드에 리브를 추가하여 재해석한 결과 각 포지션 별로 Loading에서 6.
- 고주파 스핀들은 동력 18 kW, 최고 회전 속도 30000 RPM, Front Bearing Size는 Ø55 mm이며, 스핀들의 발열을 막기 위해 냉각시스템을 적용하여 설계하였다.
- 공구교환장치는 내경 및 절삭 Tool을 적용할 수 있으며, 회전 공구용 Holder를 장착하여 Mill기능이 가능하도록 설계를 하였다. One 모터 적용 설계방식으로 Disc 회전과 Mill기능을 모터 1개로 구동이 가능하다.
- 그 다음은 재료를 SS41로 부여 하여 각 포지션 별로 모달해석을 진행하였다.
- 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템의 제작 시 비용 절감과 구조적인 강성을 강화하기 위해 SS41과 FC300에 대해 구조해석을 진행 하였다. 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템에서 다른 요소를 배제하고 각각의 포지션별로 자중과 더미의 하중만을 고려했을 경우의 해석 결과를 비교하였다. 선삭가공이 진행되는 Turning position에서는 가공부에 가공부하 500 kgf의 힘을 부여한 후, 하단 여섯 부분을 Fix시킨다음 해석을 진행하였다.
- 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템의 구조해석을 진행 후, 감쇠능력을 확인하기 위하여 재료별 모달해석을 진행 하였다. 먼저 재료를 주철로 부여하여 각 포지션 별로 해석을 진행하였다.
- 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템의 제작 시 비용 절감과 구조적인 강성을 강화하기 위해 SS41과 FC300에 대해 구조해석을 진행 하였다. 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템에서 다른 요소를 배제하고 각각의 포지션별로 자중과 더미의 하중만을 고려했을 경우의 해석 결과를 비교하였다.
- 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템의 주축스핀들의 구조해석을 진행하였다. Fig.
- 또한 Work 의 경사면 연마를 위해 Fig. 8과 같이 고주파 스핀들 장치를 최대 20°까지 선회시킬 수 있도록 설계하였다.
- 1은 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템 베드의 3D 모델로서 베드의 상단부에 장착하게 될 이송계의 임의의 더미를 추가하여 이송계 하중 350Kg을 추가하여 모델링을 완성하였다. 또한, 가공물이 로딩 되는 Loading position, 측정하는 Gauging position, 연삭을 하는 Grinding position, 선삭가공을 하는 Turning position별로 더미의 위치를 변경하여 모델링을 완성 하였다.
- 리브를 추가 설계한 모델링에 동일한 해석조건에서 베드의 성분을 SS41로 변경하여, 각각의 포지션 별로 해석을 진행하였다. SS41 성분의 베드 구조해석 결과 각 포지션 별로 Loading 3.
- 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템의 구조해석을 진행 후, 감쇠능력을 확인하기 위하여 재료별 모달해석을 진행 하였다. 먼저 재료를 주철로 부여하여 각 포지션 별로 해석을 진행하였다.
- 먼저, 베드의 성분을 주철로 하여, 각각의 포지션 별로 해석을 진행하였다. 그 결과 각 포지션 별로 Loading에서 7.
- 본 연구에서는 SolidWorks 2010을 사용하여 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템 베드의 3D 모델링을 수행하였으며, 신뢰성 향샹을 위하여 2D 도면을 바탕으로 동일한 형상을 갖는 주요 유닛의 3D 모델을 완성 하였다.
- 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템에서 다른 요소를 배제하고 각각의 포지션별로 자중과 더미의 하중만을 고려했을 경우의 해석 결과를 비교하였다. 선삭가공이 진행되는 Turning position에서는 가공부에 가공부하 500 kgf의 힘을 부여한 후, 하단 여섯 부분을 Fix시킨다음 해석을 진행하였다.
- 이송 기구는 X 축과 Z 축으로 이루어져 있으며, X축은 가공물 공급 및 배출, 가공물 측정, 연삭 및 선삭 총 4 Station으로 이루어지며, Z축에는 스핀들을 장착할 수 있도록 설계하였다. X, Z축 각각의 최대 이송 속도는 최대 60 m/min과 40 m/min이며 Roller type의 LM Guide를 사용하였다.
- 본 논문에서는 다기능 하이브리드 수직형 복합연삭시스템 개발을 위하여 현재 진행되고 있는 연구에 대해서 일부 소개를 하였다. 절삭과 연삭이 하나의 장비에서 가공이 되는 이 장비는 본 논문의 해석에 대해 강성이 높은 베드의 재료를 사용하여 제작이 되었으며, 각 주요 유닛 부분에서도 구조해석과 모달해석 결과를 바탕으로 설계되어 제작이 되었다. 국내에서는 최초로 국내기술로써 개발이 되고 있으며, 현재 Fig.
대상 데이터
- 이송 기구는 X 축과 Z 축으로 이루어져 있으며, X축은 가공물 공급 및 배출, 가공물 측정, 연삭 및 선삭 총 4 Station으로 이루어지며, Z축에는 스핀들을 장착할 수 있도록 설계하였다. X, Z축 각각의 최대 이송 속도는 최대 60 m/min과 40 m/min이며 Roller type의 LM Guide를 사용하였다. 또한 고정밀 위치제어를 위해 각축에는 최대 0.
- 이에 다기능 하이브리드 수직형 복합 연삭시스템에 적용 될 베드는 SS41와 주철(FC300) 재료의 베드 정특성과 동특성을 통하여 선정하였다. Table 1은 SS41와 FC300에 관한 재료물성치 이다.
성능/효과
- 1차 모드의 해석 비교 결과, 주철재질의 베드가 SS41 베드보다 1차 고유진동수가 20~30 Hz 정도 낮은 결과를 보였다. 1차모드의 고유진동수가 30 Hz정도 높은 SS41 재질의 베드가 공진의 영향에서 베드의 재료로써 유리 하다는 결과가 나타났다.
- 1차 모드의 해석 비교 결과, 주철재질의 베드가 SS41 베드보다 1차 고유진동수가 20~30 Hz 정도 낮은 결과를 보였다. 1차모드의 고유진동수가 30 Hz정도 높은 SS41 재질의 베드가 공진의 영향에서 베드의 재료로써 유리 하다는 결과가 나타났다. Table 2는 SS41 재질과 FC300 재질의 1차 고유 진동수를 비교한 표이다.
- SS41 성분의 베드 구조해석 결과 각 포지션 별로 Loading 3.80 µm, Gauging 4.08 µm, Grinding 3.82 µm, Turning에서 8.57 µm으로 해석되었다.
- 2는 베드에 리브를 추가하기 전과 추가한 후의 베드의 구조해석을 비교한 것이다. 각각의 포지션 별로 더미가 위치 하는 부분의 상단에 붉은색으로 변형량이 제일 크게나타났으며, 하단 지지부가 파란색으로 변형향이 가장 작게 나타났다.
- 2는 베드에 리브를 추가하기 전과 추가한 후의 베드의 구조해석을 비교한 것이다. 각각의 포지션 별로 더미가 위치 하는 부분의 상단에 붉은색으로 변형량이 제일 크게나타났으며, 하단 지지부가 파란색으로 변형향이 가장 작게 나타났다.
- 그 결과 각 포지션 별로 Loading에서 7.4 µm, Gauging 7.78 µm Grinding 7.44 µm, Turning 15.57 µm으로 해석되었다.
- 11은 이송계 system의 변형량과 응력을 드릴가공과 연삭가공 시 해석한 결과이다. 드릴가공 시 최대변형량이 0.95 ㎛로 Main Spindle 연결부분 상단에 붉은색으로 나타났으며, 최대 응력은 1.63 MPa로 나타났다.
- 베드에 리브를 추가하여 재해석한 결과 각 포지션 별로 Loading에서 6.68 µm, Gauging 6.80 µm, Grinding 6.73 µm, Turning 14.69 µm으로 해석되어졌으며, 리브를 추가하기 전보다 변형량이 평균 0.8 µm정도 감소한 것을 알 수 있다.
- 7은 Main Spindle의 변형량과 응력을 해석한 결과이다. 변형량의 경우 Work를 Cucking하는 부분에서 최대 1.67 ㎛로 발생하였고 붉은색으로 표시되고 있으며, LM가이드와 연결 되는 부분은 파란색으로 변형량이 가장 작게 나타났다. 응력의 경우 LM 가이드 연결부분에서 최대 3.
- 9는 Electro Spindle의 변형량과 응력을 해석한 결과이다. 최대 변형량은 0.25 ㎛로 Spindle 고정 부분에서 붉은색으로 나타났고, 베드의 연결부분에는 푸른색으로 변형량이 가장 작게 나타났다. 최대응력은 0.
- 구속조건은 하단부 6부분을 고정하여 진행하였다. 해석 결과 1차 모드의 값이 Loading 63.229 Hz, Gauging 61.151Hz, Grinding 58.016 Hz, Turning 53.054 Hz가 나타났다. Fig.
- 해석 결과 1차 모드의 값이 Loading 90.867 Hz, Gauging 87.734 Hz, Grinding 82.941 Hz, Turning 76.016 Hz로 나타났다. Fig.
- 해석 결과 SS41의 재료가 주철보다 강성이 더욱 뛰어나다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 15와 같이 1차적인 시스템이 완성이 되었다. 향후 현재 완성된 시스템을 이용하여 가공테스트 및 정밀도향상 테스트를 진행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.