[논문]오비탈 연삭시스템의 연삭가공 열변형 오차 해석

이현민; 최우천; 조창래; 조순주

doi:10.7736/kspe.2016.33.7.595

[국내논문] 오비탈 연삭시스템의 연삭가공 열변형 오차 해석
Thermal Deformation Analysis of an Orbital Grinding System Grinding Process 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.7, 2016년, pp.595 - 600

이현민 (고려대학교 기계공학과) , 최우천 (고려대학교 기계공학부) , 조창래 ((주)CESCO 연구개발부) , 조순주 ((주)CESCO 연구개발부)

Abstract ▼ AI-Helper

An orbital grinding system uses a special motion to machine crankshafts in ships. When a crankshaft is operated, eccentric pins rotate and a grinding wheel moves in order to grind the pins. Thermal error caused by heat generated in the grinding process decreases the quality of the final product. In this study, the thermal error of an orbital grinding system caused by heat generation was investigated in order to predict the extent of thermal error that can occur during the grinding process. Since the machine position changes during orbital grinding, the pin part is divided into 30 degree intervals and heat is generated. Total thermal error was measured by summing the thermal errors associated with the pin and the grinding wheel. Total thermal error was found to reach a maximum at 60 degrees and a minimum at 210 degrees because of the shape of the crankshaft.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 오비탈 연삭시스템 공작기계의 연삭과정 동안 발생하는 열에 의한 현상을 3차원 모델과 해석을 통하여 공작물에 생기는 온도분포와 열발생에 따른 열변형 오차에 대해 알아보려 한다.

가설 설정

오비탈 연삭시스템 특성상 접촉부에 따라 선속도가 변하므로 이를 약 30° 간격으로 나타내었다. 선속도는 연삭되는 접촉부에 따라 달라진다. 이는 가공시 접촉되는 숫돌과 크랭크 샤프트의 길이와 각도의 변화에 따라 나타낼 수 있다.
실제 가공 중 냉각수를 사용하는 점을 고려하여 에너지 파티션을 구하는 공식으로 표면 공극에 연삭액이 모두 채워진다고 가정한다. 연삭액과 숫돌 복합체의 열적특성은 숫돌의 입자와 연삭액의 열특성의 가중평균체적으로 근사할 수 있다.
연삭 에너지는 연삭숫돌이 가공물을 연삭하면서 열에너지로 모두 소비된다고 가정된다. 연삭가공에서 온도의 상승을 계산하기 위한 중요한 지수로 Energy Partition이 있다.
Energy Partition은 연삭의 종류와 공작물과 연삭숫돌의 재료에 따라 달라지며, 가공 조건에 따라서도 달라지게 된다. 연삭가공 중 발생한 열이 공작기계에 전달되면 열전달 특성에 따라 기계의 각 부위의 온도가 상승하게 된다. 이에 따라 부품별로 열변형이 일어나면서 기계의 형상 및 구속 조건에 따라 기계 전체에 열변형 오차의 차이가 발생하게 된다.
오비탈 연삭가공시 연삭 숫돌이 크랭크샤프트의 핀부를 2바퀴 돌아 연삭하였을 경우 전체 연삭 깊이가 모두 연삭된다고 가정하여 연삭 깊이와 열량을 조건으로 적용하여 열전달을 해석하였다. 주위온도는 상온인 22℃로 적용하였다.

제안 방법

앞에서 설명한 식을 이용하여 필요한 변수값들을 구한 뒤 이를 핀부가 회전하며 연삭되는 오비탈 연삭가공의 현상에 맞게 적용하기 위해 연삭숫돌이 핀부의 둘레를 따라 2바퀴 도는 가공으로 조건을 적용하였다. 또한 복잡한 오비탈 가공을 단순화하여 해석하기 위해 각 각도별로 나누어 해석하였으며, 각도별 연삭 시에는 일반 연삭과정과 같이 경계조건을 주어 열원에 의한 열전달을 간단한 해석모델의 설정을 통해 해석할 수 있었다. 열변형의 경우 열전달 해석을 통해 얻은 온도분포의 데이터를 바탕으로 FEM 해석하여 알 수 있었다.
오비탈 연삭가공 시스템의 선박용 크랭크 샤프트의 핀부 연삭가공 시 일어나는 특수한 상황에 대해 구속조건을 변경하며 가공 시 생기는 열원이 공작물의 온도와 열변형 오차에 미치는 영향을 알아 보았다. 또한 전체 오비탈 시스템 구동부의 열 발생에 따른 열변형도 알아보았다. 해석을 통해 시스템의 거동을 살펴본 결과 다음과 같았다.
앞에서 설명한 식을 이용하여 필요한 변수값들을 구한 뒤 이를 핀부가 회전하며 연삭되는 오비탈 연삭가공의 현상에 맞게 적용하기 위해 연삭숫돌이 핀부의 둘레를 따라 2바퀴 도는 가공으로 조건을 적용하였다. 또한 복잡한 오비탈 가공을 단순화하여 해석하기 위해 각 각도별로 나누어 해석하였으며, 각도별 연삭 시에는 일반 연삭과정과 같이 경계조건을 주어 열원에 의한 열전달을 간단한 해석모델의 설정을 통해 해석할 수 있었다.
오비탈 연삭가공 시스템의 선박용 크랭크 샤프트의 핀부 연삭가공 시 일어나는 특수한 상황에 대해 구속조건을 변경하며 가공 시 생기는 열원이 공작물의 온도와 열변형 오차에 미치는 영향을 알아 보았다. 또한 전체 오비탈 시스템 구동부의 열 발생에 따른 열변형도 알아보았다.
주위온도는 상온인 22℃로 적용하였다. 온도분포 해석을 바탕으로 실제 연삭가공시 적용되는 Stock부의 구속조건과 Workrest의 구속조건들을 적용하여 공작물의 변형을 해석하였다. 전체 오비탈 시스템의 경우에는 구동부인 이송대의 리니어 모터와 주축계의 모터에 발열량을 적용하여 열전달을 해석하였다.
전체 오비탈 시스템의 경우에는 구동부인 이송대의 리니어 모터와 주축계의 모터에 발열량을 적용하여 열전달을 해석하였다. 위와 같이 온도 분포 해석을 바탕으로 열응력을 적용하여 열변형 해석을 하였다.
온도분포 해석을 바탕으로 실제 연삭가공시 적용되는 Stock부의 구속조건과 Workrest의 구속조건들을 적용하여 공작물의 변형을 해석하였다. 전체 오비탈 시스템의 경우에는 구동부인 이송대의 리니어 모터와 주축계의 모터에 발열량을 적용하여 열전달을 해석하였다. 위와 같이 온도 분포 해석을 바탕으로 열응력을 적용하여 열변형 해석을 하였다.
4와 같다. 핀부의 연삭시 수시로 변하는 열원에 의해 나타나는 열특성을 해석하기 위해 핀부의 둘레를 약 30° 간격으로 각도별로 12개의 영역으로 분리하여 해석을 진행하였다. 또한 전체 오비탈 시스템의 구동부 열원에 의해 변형되는 오차를 포함하여 계산하기 위해 전체 시스템의 구동부와 이송부같이 주요 부분만 적용시킨 단순화된 모델을 사용하였다.

대상 데이터

오비탈 연삭시스템은 선박용 크랭크 샤프트를 연삭하는 공작기계로 5 m 급의 크랭크 샤프트를 공작물로 하는 모델을 적용하였다. 이는 Fig.

성능/효과

(2) 최대 열변형은 핀부의 60° 구간에서 일어났고 210° 구간에서 최소 열변형이 나타났다.
(3) 전체 오비탈 시스템에서는 y축 이송대의 모터 발열량이 최대로 열변형 또한 최대로 나타났다.
(4) 두 가지 열변형을 합산하였을 때 가공 시 최대로 일어나는 열변형은 0.014 mm 최소 0.005 mm로 핀부의 각도에 따라 변화가 다소 크게 나타났다. 핀부의 가공 시 접촉부의 열발생량이 최대인 180°과 최소인 0°에서 열변형이 최대, 최소가 아닌 60°와 210°에서 발생하는 원인은 열팽창이 크랭크샤프트의 형상과 가공방향과 관련되어 60° 구간에서는 인장력이 210° 구간에서는 압축력이 더 크게 발생 되어 나타났다.
이는 Table 3과 같다. 열변형은 가공되는 핀 접촉부의 반경 방향으로의 변형을 해석하여 나타내었으며 열변형오차 또한 온도분포와 같이 연삭가공 시 접촉부에서 최대로 나타났다. 최대 열변형의 경우 발열량의 최대 지점과는 다르게 60°에서 나타났다.

후속연구

핀부의 가공 시 접촉부의 열발생량이 최대인 180°과 최소인 0°에서 열변형이 최대, 최소가 아닌 60°와 210°에서 발생하는 원인은 열팽창이 크랭크샤프트의 형상과 가공방향과 관련되어 60° 구간에서는 인장력이 210° 구간에서는 압축력이 더 크게 발생 되어 나타났다. 향후 오비탈 연삭가공의 특수한 거동으로 적용되는 열량의 변화에 대해 냉각수의 조건에 따른 열변형 해석을 수행하여 개선하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Energy Partition에 영향을 주는 요소는 무엇인가?	이것은 총 연삭에너지가 가공물의 열에너지로 변환되는 부분을 나타낸다. Energy Partition은 연삭의 종류와 공작물과 연삭숫돌의 재료에 따라 달라지며, 가공 조건에 따라서도 달라지게 된다. 연삭가공 중 발생한 열이 공작기계에 전달되면 열전달 특성에 따라 기계의 각 부위의 온도가 상승하게 된다.
	연삭 가공이란 무엇인가?	연삭 가공은 주로 공작물의 기계정밀도와 표면처리 등을 위해 생산과정에서 마지막으로 선택되는 기계가공이다. 다른 가공과정들과 달리 연삭가공은 각 재료들의 비에너지 특성에 의해 가공시 연삭숫돌을 비롯해 가공품의 극심한 온도 상승을 가져 올 수 있다.
	연삭 가공 공작기계의 열적 오차를 예측하고 최소화하기 위한 다양한 시도들이 연구되고 있는 이유는 무엇인가?	연삭 가공은 주로 공작물의 기계정밀도와 표면처리 등을 위해 생산과정에서 마지막으로 선택되는 기계가공이다. 다른 가공과정들과 달리 연삭가공은 각 재료들의 비에너지 특성에 의해 가공시 연삭숫돌을 비롯해 가공품의 극심한 온도 상승을 가져 올 수 있다. 이러한 과정에서 생기는 극심한 온도 상승은 가공품에 연소, 백색층, 되비빔, 잔류 인장응력, 미세균열 등의 현상을 일으켜 열적손상을 준다. 열발생으로 인해 공작물에는 열적 오차가 생기게 되며 이런 오차는 공작기계의 정밀도를 저하시키는 가장 큰 요인 중 하나가 된다. 근래 많은 연구에서 공작기계의 열적 오차를 예측하고 최소화하기 위한 다양한 시도들이 있었으며 열특성 해석을 통한 열변형 예측이 활발히 연구되어왔다.

참고문헌 (6)

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Littmann, W. E., "The Influence of the Grinding Process on the Structure of Hardened Steels," Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Department of Metallurgy, Vita. Bibliography, pp. 70-72, 1954.
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Malkin, S., Guo, C., and Malkin, S., "Thermal Analysis of Grinding," CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 56, No. 2, pp. 760-782, 2007.

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저자의 다른 논문 :

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].

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