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문제 정의
- 본 연구에서 엔지니어링 분야의 공차설계와 6시그마 통계적 공차설계 기법의 장점을 통합한 공차설계 방법론을 제시하였다.
제안 방법
- 제시한 통합 공차설계 방법 순서는 상위레벨인 시스템과 하위 레벨인 부품과의 관계를 정의하고, 평가 방법을 사전에 준비한다. 이를 기반으로 최적 공차설계를 수행한다. 마지막 단계에서 환경을 고려한 공차를 최적화하여 현장적용여부를 검토한다.
- 이를 기반으로 최적 공차설계를 수행한다. 마지막 단계에서 환경을 고려한 공차를 최적화하여 현장적용여부를 검토한다.
- 본 연구에서는 엔지니어링 공차설계와 6시그마 공차설계의 장점을 취하여 [Fig. 3]와 같은 통합 공차설계 프로세스를 제시한다. 기존 공학설계를 체계화하고, 단계 3과 단계 4에 통계적 기법을 적용하고, 평가를 세밀히 한 것이다.
- 새로운 통합 공차설계 프로세스의 특징은 설계시스템의 목표기능을 명확히 정의하고 평가 기준을 설정하는 제품의 기능정의를 시작으로 최종단계에서 설계 목표 달성여부를 평가하는 6단계로 구성하였으며 각 단계별 공차설계 활동을 구체화하였다.
- 이전 단계에서 잠정 결정된 부품의 허용공차를 통해 제품의 목표품질 달성가능성을 예측한다. 통계적 공차해석 방법(몬테카를로 기법)을 이용하여 제품의 성능을 예측하고, 현 수준의 문제점을 정확히 파악한다.
- 이 문제점을 근본적으로 개선하기 위해 초음파 융착 방법을 사용하지 않고 부품을 조립하는 구조 설계가 필요하여 [Fig. 7]과 같이 클립 체결식 조립 구조를 채택하기로 결정하였다.
- 턴테이블의 클립과 클램프 플레이트의 크로우의 조립 공차설계에 대해 본 연구에서 제시한 통합 공차설계 프로세스를 적용하여 프로세스의 유효성을 확인하고 공차설계 프로세스로 적용하였다.
- 턴테이블 내부 공간의 제약으로 최대 조립공간은 기준면에서 마그네트가 조립되는 부분까지 1.4mm이내이며 크로우의 두께는 기술적 제작 가능 치수 0.3mm, 클립두께는 원재료의 특성을 고려하여 0.8mm로 잠정 결정하고 다음과 같이 상호 관계를 정의하였다.
- 제품과 부품과의 관계정의를 통해 [Fig. 9]과 같이 조립구조의 제약조건 관계를 설정하여 공차설계를 진행하였다.
- 초기설계를 실시하였다.
- 안착 높이(A)에 대한 공차설계 시 기준치수를 설정하기 위해 클립과 동일한 재료로 두께 0.8mm 시편을 만들어 변위에 따른 클립에 걸리는 힘은 실험을 통해 확인하고, 이 특성 데이터를 기준으로 안착부 높이 기준치수를 설계에 반영함으로써 간섭량이 이 범위를 초과하지 않도록 설정하기 위하여 실험을 실시하였다.
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단계 4: 공차분석
공차설계 된 내용을 바탕으로 클립과 크로우의 간섭량에 영향을 주는 안착 높이와 간섭량의 함수식, 그리고 제약조건을 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 [Fig. 11]과 같이 공차해석을 진행하였으며 다음과 같은 분석 결과를 얻을 수 있었다
. - 공차분석 결과로 공학적 설계 제약조건을 고려하여 클립 안착높이와 간섭량에 영향을 주는 클램프 플레이트 돌기 두께의 공차 및 간섭량의 규격을 통계적으로 조정하는 최적화 단계를 [Fig. 12]과 같이 수행하였다.
- 본 연구에서는 엔지니어링 공차설계와 6시그마 통계적 공차설계 방법의 장점을 묶어 통합 공차설계 프로세스를 제시하고, 스핀들 모터 공차설계에 적용하였다. 통합 공차설계 프로세스를 적용한 스핀들 모터 공차설계에서 6시그마 수준의 설계목표 품질을 달성하였다.
대상 데이터
- 본 설계는 설계에 관여한 인원이 모두 전과정에 참석하여 결과를 공유하고 관련 자료는 문서화하여 기술 데이터로 확보한다.
이론/모형
- 부품기능을 정의하고, IT등급(ISO Tolerance Class)에 따른 부품 정밀도, 축/구멍에 기준한 허용공차를 부여한다. 허용공차는 KS 규격에 있는 허용 공차를 이용한다. 마지막으로 결합 방법에 맞는 적정한 치수공차를 선정한다.
- 6시그마는 제품 및 서비스 개발에 통계적 공차해석 방법을 사용한다(Design For Six Sigma). 엔지니어링 공차설계가 단순히 비용 중심의 제품설계 방법인 반면 6시그마 공차 설계는 통계적 기법으로 최종 품질을 예측하고 핵심인자를 파악하여 최적화를 통해 설계목표를 달성하는 방법이다.
성능/효과
- 본 논문에서 제시한 통합 공차설계 방법론은 발표된 사례가 없다. 본 연구에서 제시한 통합 공차설계 방법을 광학디스크 드라이브용 스핀들 모터 공차설계에 적용하여 좋은 결과를 얻었다.
- 제품과 부품의 상호 관계 정의에서 먼저 변경된 형상의 클램프 플레이트에서 최종 제품의 요구 성능인 마그네트 자속의 누설에 의한 손실 여부를 [Fig. 8]과 같이 자속밀도 분포(Flux Density Distribution) 해석을 통해 기존구조와 차이가 없음을 확인하였다.
- 실험 결과 [Fig. 10]과 같은 클립의 변위량 특성 결과 그래프를 도출 하였고 0.8mm 두께의 클립은 간섭량 0.32mm에서 8.3kg의 힘으로 파괴 되어 최대 간섭량은 이보다 작은 0.3mm이하로 설계하여야 함을 알 수 있었다. 잠정적으로 설정한 것이다.
- 상기와 여러 조건들을 조정하여 공차최적화를 실시한 결과 클립 최종 설계 규격인 안착 높이는 ZST,Bench = 6.19 또한 조립에 의한 간섭량은 6시그마 품질 수준인 ZST,Bench = 6.0 이상의 6시그마 수준의 설계 목표를 달성하였다.
- 클립의 간섭량은 평균 0.1mm로 설정 공차인 0.05∼0.2mm를 만족하고, 변위량 0.26mm에서 7.2kg 힘으로 파괴되어 시편으로 확인한 수치보다 낮지만 최대 허용 간섭량 0.2mm이상을 만족함을 알 수 있다.
- 평가 단계는 공차설계를 통해 얻어진 부품의 기준치수와 허용공차를 도면화 하여 시작 금형으로 부품을 만들어 시험평가를 진행 하였고 평가 기준으로 시험한 결과 착탈 시험 300,000회와 환경 보존 시험 그리고 실장 시험에서 설정된 규격을 만족하였다.
- 단, 시편 시험 대비 클립의 강도 저하 원인은 사출과정에서 수지 흐름성의 저하로 강도가 낮아 질 수 있음을 알 수 있었다.
- 본 통합 공차설계 프로세스의 장점은 경험있는 엔지니어의 노하우를 이용하여 공차설계 목표와 방향을 결정 하고, 이를 6시그마 통계적 방법으로 공차를 명확히 정하는 것이다. 또한 이 방법은 개발 초기단계에서 시험 평가 방법을 확정하고 준비함으로써 개발 기간 단축은 물론 개발 비용 절감을 가져왔다.
후속연구
- 본 프로세스가 다양한 분야의 공차설계에 적용되어 많은 효과가 있기를 기대한다.
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