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문제 정의
- 우수한 스핀들 설계를 위해서는 정∙동적 특성의 파악이 중요하다. 본 연구에서는 정밀가공을 위한 20,000rpm 중절삭 스핀들 개발을 위한 정∙동적 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 구축된 유한요소모델의 선단부 지점에 반경방향으로 1000N의 절삭력을 부여하고, 축 방향으로각 10,000 rpm, 15,000rpm, 20,000rpm 으로 회전을 하여 해석을 수행하였고 결과는 각각 Fig. 3과 Fig. 4 그리고 Fig. 5와 같이 나타났다.
- 본 연구에서는 20,000rpm 중절삭 스핀들의 설계안정성을 검증하기 위해 정 · 동적 해석을 수행하였다.
- 회전체에 일정한 mash를 얻기 위해 sweep mash 기법을 이용하여 스핀들에 적용하였다. 유한요소모델은 224,540개의 노드(node)와 57,715개의 요소(element)로 구성되고 스핀들의 자중을 고려하였으며 반지름 방향은 완전 고정하고 축 방향으로 회전하도록 조건을 두었다.
- 해석을 통해 스핀들의 1차, 2차 그리고 3차모드에서의 굽힘 고유진동수를 파악하였다. 해석조건으로 감쇠는 고려하지 않았으며, 온도에 따른 스핀들 축의 탄성계수 변화와 베어링 지지부의 영향을 무시하고 해석을 수행하였다.
- 해석을 통해 스핀들의 1차, 2차 그리고 3차모드에서의 굽힘 고유진동수를 파악하였다. 해석조건으로 감쇠는 고려하지 않았으며, 온도에 따른 스핀들 축의 탄성계수 변화와 베어링 지지부의 영향을 무시하고 해석을 수행하였다. 해석 결과 고유 진동수는 Table 4와 같이 발생하였고 Table 5는 각 모드에 따른 굽힘을 나타낸다.
대상 데이터
- 본 연구의 해석 대상인 20,000rpm 중절삭 스핀들의 구조를 Fig. 1에 도식화 하였다. 그리고 Table 1에 세부 사양을 나타내었다.
- 스핀들의 총 길이는 580mm이고 로터의 무게는 8.76kg이며 베어링의 강성은 164 N/um로 적용하였다.
데이터처리
- 해석 프로그램인 ANSYS Workbench를 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 재료 물성치는 Table 2과 같고 스핀들의 수학적 모델을 Fig.
이론/모형
- 동적 해석을 위해 상용 회전체 해석 소프트웨어인 ARMD를 사용하였다. Fig.
- 전륜부(front)와 후륜부(rear)에 각각 2개씩 설치한 각접촉 볼 베어링(angular contact ball bearing)에 의해 스핀들이 지지되고 모터 내장형(built-in motor) 구조로 설계되어있다. 또한 베어링의 윤활 방법으로는 Oil-jet을 채용하였다.
- 2에 나타내었다. 회전체에 일정한 mash를 얻기 위해 sweep mash 기법을 이용하여 스핀들에 적용하였다. 유한요소모델은 224,540개의 노드(node)와 57,715개의 요소(element)로 구성되고 스핀들의 자중을 고려하였으며 반지름 방향은 완전 고정하고 축 방향으로 회전하도록 조건을 두었다.
성능/효과
- 1) 정적해석을 수행한 결과 주축 회전에 따른 최대 변위는 7.68μm 이고 최대 응력은 65.95 MPa으로 나타났다.
- 2) 모드해석 결과 1-3차까지 497.87, 849.32, 67,905 Hz로 나타났다. 최대 회전속도 20,000rpm 스핀들의 최대운전주파수는 335Hz 이다.
- 20,000rpm 구동 시 최대변형과 최대응력이 나타났고, 선단부 끝 지점에서 최대변형이 7.68μm 로 변형이 일어났으며 최대응력은 65.95 Mpa 로 나타났다.
- 본 연구에서는 정밀가공을 위한 20,000rpm 중절삭 스핀들에 대해 유한요소해석을 수행한 결과설계 안정성을 확인 할 수 있었다. 최대구동 조건에서 정 · 동적으로 안정적인 결과를 얻을 수 있었다.
- 해석모델의 최대 회전속도는 20,000rpm 으로 공진주파수는 약 335Hz이다. 분리여유 30%를 고려하여도 공진 가능성을 충분히 회피한 것으로 나타났다.
- 최대구동 조건에서 정 · 동적으로 안정적인 결과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- 향후 본 연구의 해석대상인 20,000rpm 중절삭 스핀들에 대한 최적설계를 수행하고자 한다. 본 연구의 결과는 후속 연구 진행 시 기초데이터로 활용할 예정이다.
- 최대구동 조건에서 정 · 동적으로 안정적인 결과를 얻을 수 있었다. 향후 본 연구의 해석대상인 20,000rpm 중절삭 스핀들에 대한 최적설계를 수행하고자 한다. 본 연구의 결과는 후속 연구 진행 시 기초데이터로 활용할 예정이다.
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