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문제 정의
- 본 연구에서 공작기계의 고속주축 신뢰성평가를 위해서 클레임(Claim)이력 데이터를 이용하여 FMEA 분석을 통해 종합성능 시험 항목 및 운전 싸이클에 따른 절삭력을 이용한 시험법(TDP)을 제안 하였다. 이 시험법으로 현대위아(주)에서 개발하고 있는 24,000 rpm 직결 주축에 대하여 평가를 진행 하고 있으며, 평가 진행 중이라도 고장 예측 또는 고장 발생 시 설계자에게 통보하여 설계를 개선하도록 조치하고 있다.
제안 방법
- 1) 머시닝센타 주축의 수명시험모드를 결정하기 위해서 실제 가공 절삭조건에 따른 절삭력을 이용하여 가속하중을 결정하였으며, 공정 별로 (페이스 밀, 엔드밀, 드릴, 탭핑)시험 사이클을 결정하였다.
- M/C공작기계의 실 가공 조건의 절삭 하중을 이용한 가속수명시험과 절삭환경을 모사한 내환경성 시험을 동시에 적용하여 고객 보증시간 동안 주축의 수명과 성능에 대한 신뢰성을 평가한다.
- Table 1은 고객 클레임 이력 조사 기간 동안 출하된 제품을 추적하여 A/S건에 대한 고장모드, 영향 및 치명도 분석(FMEA)을 통한 주 고장 원인 분석하였으며, FMEA 분석 통해 구성품에게 요구되는 기능과 그에 대응되는 고장 모드를 나타내고, 각 고장모드에 대한 치명도를 정성화 하여, 신뢰성 평가 시 주요 측정 항목을 선정하였다.1,5
- 4는 신뢰성평가 구성도이다. 내구/수명시험 전 종합 성능평가실시하며, 내구 후 성능을 비교 평가 한다.4 내구/수명 평가 중이라도 주축이 이상 징후가 나타나면 즉각 원인 파악 및 설계자에게 통보 된다.
- 주축 베어링의 마모 또는 변형에 의해서 진동, 소음 및 열등이 높아지며 이것이 가공물에 악영향을 미치므로 베어링의 성능이 주축의 성능과 가장 큰 관계를 가지고 있다. 따라서 내구시험평가 시 진동 열화 성능을 주축의 성능 기준으로 제시 하였다. 실제로 베어링에 걸리는 하중은 기계의 충격이나 진동에 의해서 계산되어진 정적인 절삭력 성분 보다 커질 수 있다.
- 베어링온도는 대기온도 +15℃ 이내 이어야 한다. 베어링온도 측정결과 열화는 미비하였으나, 베어링 기준 온도가 높으므로 주축 내에 강제냉각을 제안 하였다.
- 본 연구에서는 머시닝센타 직결 주축의 주요 고장 모드 및 메커니즘 분석을 수행하였고, 실제 절삭 환경을 재현할 수 있는 수명시험장치 제작 및 성능 열화 시험 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 베어링에 작용하는 하중이 가공 조건에 따라 변동하므로 그 변동하는 하중 조건에서 베어링의 피로수명과 같은 수명이 되도록 평균 하중(Fm)을 구한다. 식(6)과 식(7)은 하중F과 회전 속도N가 단계적으로 변동하는 경우와 그 때의 평균회전 속도(Nm)이다.
- 시험대상품의 성능열화 확인을 위하여 내구수명 시험 전 무 부하운전, 주축베어링 온도, 무 부하 연속, 열변위 및 돌출량, 소음측정시험으로 진행 하였으며, 내구 시험 중 베어링 온도, 주축 진동, 모터온도, 소음 측정하여 성능열화 및 고장유무를 확인 하였으며, 주축 앞쪽을 분해하여 절삭유 또는 이물질 침투 여부를 검사하였다. 무 부하 운전 시험은 지령값대비 측정값이 10rpm 이내이어야 하며, 측정 시험결과는 Table 7과 같다.
- 하중이 부과완료 되면 시험계획 법에 따라 주축을 회전하게 되며, 하중이 부과된 상태에서 회전하게 되는 원리이다. 이때 하중BAR를 지지하는 BEARING은 2쌍으로 FAG사의 B7005-C-T-P45로써 동적 하중이 14.6kN이며, Oil급유 순환 방식일 경우 50,000 rpm까지 가능한 주축 전용 Steel ball 베어링을 채택 하였다.
- 시험용 장비는 Test Bench base, 주축 고정면, 환경 챔버, 하중부과 장치 및 측정 장치로 구성 되어 있다. 제작된 평가 장비는 주축을 동시에 2대를 평가 할 수 있으며, 환경 챔버는 70 bar 수압을 견딜 수 있도록 설계되었다. 실제 공작기계에서 절삭 가공 시 발생하는 하중(절삭력)은 주축의 AXIS방향과 RADIAL방향으로 나타난다.
- 주축모터 발열측정은 베어링온도측정과 동시에 진행하였다. 주축모터에는 토크가 부과되지 않은 상태에서 최고속도 정회전 24,000 rpm에서 측정결과는 Table 9와 같다.
- 진동에 의한 실제 주축 사용 조건을 고려할 경우 분당 수만 번의 하중 변동이 발생하나, 분당 수만 번 이상의 하중(절삭력)을 제어할 수 있는 액추레이터가 없는 관계로 정적 평균하중으로 시험부하로 설정 하였다.
대상 데이터
- 시험대상품은 Table 6에 보는 봐와 같이 최대 24,000rpm, BT30급 직결주축으로 시험 진행하였으며, 주축 구동 CNC은 지멘스 840D sl로 하였다.
- 2는 머시닝센터 주축 시험용 장비이다. 시험용 장비는 Test Bench base, 주축 고정면, 환경 챔버, 하중부과 장치 및 측정 장치로 구성 되어 있다. 제작된 평가 장비는 주축을 동시에 2대를 평가 할 수 있으며, 환경 챔버는 70 bar 수압을 견딜 수 있도록 설계되었다.
성능/효과
- 2) 고객 클레임을 통한 FMEA분석 결과 머시닝센타 주축의 주요 고장모드는 고속회전에 의한 베어링의 과도한 변동 절삭력 및 이물질 침투로 인한 변형 및 마모로 확인 되었다. 실제 시험결과에서는 이물질 침투로 인한 고장은 관찰되지 않았으나, 일정 시간 이후에 급속하게 진동 증가 하였다.
- 3) 수명시험 중 성능열화확인을 위해 대표 성능시험 (베어링 온도, 주축 진동, 모터 발열, 소음 측정 시험)을 수행한 결과 베어링 온도는 열화가 미비하였으며, 주축 모터의 경우 약 6.5%의 열화가 진행 되었다. 그러나 실 절삭에서는 토크가 모터에 부과되어 모터코일에 전류량이 높아져 모터의 온도가 더 상승할 것으로 예측되며 그 결과 실제적으로 열화가 더 진행이 예상된다.
- 4) 내구 수명시험 전 후 주축 앞 단을 분해 한 결과 절삭유로 인한, 약간의 녹이 있음을 발견하였다. 그러나 성능에는 직접적인 영향이 없을 것으로 판단 된다.
- 그러나 실 절삭에서는 토크가 모터에 부과되어 모터코일에 전류량이 높아져 모터의 온도가 더 상승할 것으로 예측되며 그 결과 실제적으로 열화가 더 진행이 예상된다. 또한 주축 진동의 경우 내구 시험 시간 최대 76%에서 열화 되고 있음을 확인 할 수 있었다. 소음의 경우 미비 하나 약 3.
- 7은 내구 시험 전 후 주축 앞 단에 이물질 침투 여부를 보여 주고 있다. 분해 결과 이물질 침입은 미비하였으며, 약간의 녹이 발견되기는 하였으나 성능에는 문제가 없다.
- 소음 측정시험 분석 결과, 약 3.5% 성능 열화됨을 확인 할 수 있었고, 18,000 rpm 이상에서는 기준치 80dB를 초과함을 보였다. 이 소음은 주축의 소음이 아니고 모터소음으로 확인되었으며, 모터 소음결과를 모터 메이커에 통보 조치하였다.
- 측정결과 6.5% 열화됨을 확인 할 수 있었고, 모터 코일 온도는 기준치 120℃를 만족하나 온도가 100도 근접함으로 향후 주축 내구성에 문제를 야기할 소지가 있다. 직결주축은 모터와 직결 상태이므로 주축 하우징의 열변형 원인 및 모터 수명단축이 예상되는 바, 모터 코일부 외각에 냉각팬을 장착하여 일정 수준의 모터 온도를 관리 할 필요가 있다 사료된다.
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