[논문]가공정도 향상을 위한 Pipe Cutting Machine의 설계 개선

길사근; 노승훈; 신호범; 김영조; 김동욱; 노호철

가공정도 향상을 위한 Pipe Cutting Machine의 설계 개선
Design Alterations of a Pipe Cutting Machine for the Improved Precision Machining 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.3, 2018년, pp.53 - 58

길사근 (금오공과대학교 대학원) , 노승훈 (금오공과대학교 기계시스템공학과) , 신호범 (금오공과대학교 대학원) , 김영조 (구미대학교 기계공학과) , 김동욱 (국방과학연구소) , 노호철 (금오공과대학교 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

The modern industry requires the precision machining as well as the high productivity. The machine tool structure should be evaluated in aspects such as durability, static stability, precision rate and the dynamic stability which is one of the most critical characteristics in determining the magnitude of vibrations. In this study, the dynamic properties of a pipe cutting machine were investigated to analyze the structural vibrations of the machine, and further to improve the structural stability and precision machining. Frequency response test and computer simulation have been utilized for the analysis and the design alterations. And the result shows that proposed design alterations can reduce the vibrations of the machine substantially.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Base부의 진동이 장비 전체에 영향을 미칠 수 있으므로 추후에 진행되는 모든 설계 개선안의 경우 설계변경안#1을 모든 개선안에 기본적으로 적용하고 추가적으로 개선안을 적용하여 효과를 확인하고자 한다.
본 연구는 파이프 절단기의 장비 안정화를 통한 진동억제로 가공정도를 높이기 위한 목적으로 진행되었다. 실험과 시뮬레이션을 통한 진동 특성을 분석하여 진동의 주된 원인을 파악하고 이를 바탕으로 설계 개선안을 설정하였으며 설계 개선안의 효과를 검증하는 과정을 거쳐 최종 안정화 설계안을 도출하였다.
본 연구에서는 가공 중 발생하는 장비 진동을 억제하여 장비 안정성 및 가공 품질을 향상시키는 것을 목표로 진행되었으며, 구체적 진행 방법은 장비 주파수 분석 실험 및 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하여 장비 진동 특성 파악 후 진동을 억제할 수 있는 개선안을 도출하여 컴퓨터 시뮬레이션 모델에 적용 후 효과를 확인함으로써 최적 설계안을 완성하고자 하였다.[1]
7%이고 최대 오차가 10% 수준으로 허용 오차범위에 있어 실험 결과와 시뮬레이션에 의한 분석 결과가 잘 일치하는 것으로 판단된다. 시뮬레이션 모델이 실제 장비의 특성을 잘 반영하고 있으므로 이 모델을 이용하여 설계 개선을 진행하고자 한다.
주파수 분석 실험 및 시뮬레이션을 통해 장비의 진동 특성(고유진동수, 진동형)이 분석되었으므로 이를 바탕으로 큰 진동의 원인이 되는 고유진동수와 작동속도 간의 공진여부와 그때의 진동형을 바탕으로 공진을 회피할 수 있는 설계 개선안을 도출하고 이 개선안을 시뮬레이션 모델에 적용하여 개선효과를 확인하고자 하며, 이 과정을 거쳐 장비의 안정화 설계안을 도출할 수 있다.

제안 방법

30Hz로 회전하는 Spindle[Table 5]이 장비의 1차 고유진동수(실험-31.1Hz)와 근접해 공진하게 되어 큰 진동을 유발할 가능성이 있으므로 이에 대한 설계 개선을 목표로 진행하였고, 구조물의 강성을 높이고 불필요한 질량 제거를 통해 고유진동수를 상승시켜 공진 회피를 위한 최적 조건을 찾는 방식으로 설계안을 도출하였다.
Pipe cutting machine(S사)의 제원(가로x폭x높이 : 6925x2080x2250 mm), 질량(약 2900 kg), 형상을 반영하여 3D 모델을 완성하고 이 모델을 활용해 장비 재료, 구속조건, 결합 및 지지조건 등을 적용해 시뮬레이션을 진행하였다. 구현된 3D 모델은 Fig.
Pipe cutting machine의 진동 특성 분석 및 설계 개선안 도출을 위하여 주파수 분석 실험을 진행하고 이를 통해 장비 진동의 주요한 원인이 되는 고유진동수와 진동형에 대하여 분석하고자 한다. Table 1은 실험에 사용된 장치의 스펙이다.
설계변경안 #3은 Fig. 10과 같이 Vise frame의 형상을 변경하여 본 구조물의 1차 고유진동수를 변화시키는 과정에서 불필요한 질량을 제거하여 고유진동수를 상승시키도록 개선안을 도출하였다.
본 연구는 파이프 절단기의 장비 안정화를 통한 진동억제로 가공정도를 높이기 위한 목적으로 진행되었다. 실험과 시뮬레이션을 통한 진동 특성을 분석하여 진동의 주된 원인을 파악하고 이를 바탕으로 설계 개선안을 설정하였으며 설계 개선안의 효과를 검증하는 과정을 거쳐 최종 안정화 설계안을 도출하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

성능/효과

넷째, 지지부의 지름(ϕ)을 20 mm 증가시켜 구조물의 1차 고유진동수가 31.1 Hz에서 34.2 Hz로 9% 상승하여 Spindle작동속도와의 공진 회피로 진동 크기가 71% 감소하였다. [Fig.
다섯째, Vise frame의 형상을 변경하고 불필요한 질량을 제거하여 구조물의 1차 고유진동수를 31.1 Hz에서 33.1 Hz로 6% 상승시켜 Spindle작동속도와의 공진 회피로 진동 크기가 43% 감소하였다. [Fig.
둘째, 진동분석 결과 1차 고유진동수(31.1 Hz)와 작동 속도(30 Hz)가 근접하여 공진이 발생하게 됨을 확인하였다.
13] 일반적으로 진동을 억제하면 공구 수명 증가, 생산성 향상으로 불량률과 후 처리 가공비용이 감소된다. 또한 가공 단면의 표면 품질과 가공 치수 정도를 향상시킬 수 있고 소음 발생이 줄어 근로 환경을 개선하고 장비의 내구성을 증가 시킬 수 있다.
설계변경안 #1 적용 결과, 1차 고유진동수가 31.1Hz에서 32.1Hz로 5% 상승하여 Spindle작동 속도(30Hz)에서의 공진이 억제되었고, 장비 전체 진동 크기는 55%가 감소한 것을 확인할 수 있었으며, 그 결과는 Table 8과 같다.
설계변경안 #2 적용 결과, 1차 고유진동수가 31.1 Hz에서 34.2 Hz로 9% 상승하여 공진이 억제되었고, 장비 전체 진동 크기는 71%가 감소하였다.
설계변경안 #3 적용 결과, 1차 고유진동수가31.1Hz에서 33.1Hz로 6% 상승하여 작동속도와의 공진이 억제되어 장비 전체 진동 크기는 43%가 감소하였으며, 그 결과는 Table 8과 같다.
셋째, Base의 밑판 두께를 5 mm 증가시켜 구조물의 1차 고유진동수가 31.1 Hz에서 32.1 Hz로 5% 상승하여 작동속도(30 Hz)와의 공진 회피로 진동 크기가 55% 감소하였다.[Fig.
실험 및 시뮬레이션을 통하여 얻어진 고유진동수를 비교한 결과, Table 4에서 볼 수 있듯 두 결과의 오차 평균은 3.7%이고 최대 오차가 10% 수준으로 허용 오차범위에 있어 실험 결과와 시뮬레이션에 의한 분석 결과가 잘 일치하는 것으로 판단된다. 시뮬레이션 모델이 실제 장비의 특성을 잘 반영하고 있으므로 이 모델을 이용하여 설계 개선을 진행하고자 한다.
안정화 설계 적용을 통한 구조물 1차 고유진동수(31.1Hz)와 Spindle작동속도(30Hz)와의 공진 회피로 개선 된 장비의 진동크기가 기존 대비 22.6μm에서 2μm로 91.3% 소멸될 수 있음을 확인 하였고, 절단기의 진동을 억제 시킴으로써 파이프 품질이 향상되어 가공 품질 및 생산성 향상 효과가 기대된다.
여섯째, 설계변경안 #1, 2, 3을 조합한 최종 설계안의 경우 장비 전체의 1차 고유진동수를 약 16% 증가시켜 공진을 회피해 기존 대비 진동 크기가 22.6 μm에서 2 μm로 91.3% 감소하였다.
첫째, 실험과 시뮬레이션 결과를 바탕으로 분석한 결과 최대 10%의 오차를 가지고 실험과 시뮬레이션을 통한 분석은 타당성이 있음을 확인하였다.

후속연구

일곱째, 본 논문의 설계 개선방법을 활용하면 절단기 외에도 Chamfering 장비 등 파이프 가공 공정의 기타 공정장비에도 적용되어 동일한 효과를 기대할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원형 톱을 이용해 파이프 절단했을 때 발생할 수 있는 문제는 무엇이 있는가?	파이프 제품들은 다품종 소량 생산되며 대부분 원형의 톱을 이용하여 가공된다. 이러한 원형 톱을 이용하면 파이프 절단 시 가공부에 Scratch, 버(Burr) 등의 표면결함 혹은 잔류응력이 발생되어 누출, 폭발 등 결함의 주요한 원인이 된다. 이러한 현상들은 장비의 진동으로 가공에 필요한 전단응력 외에 수직응력이 가공면에 가해지면서 발생한다.
	파이프 제품 생산의 특징은 무엇인가?	다양한 길이와 형태로 가공되는 파이프의 특성상 절단 작업은 자동차, 조선, 항공 부품산업 등 다양한 분야의 파이프 생산 라인에서 가장 중요한 가공 공정 중 하나이다. 파이프 제품들은 다품종 소량 생산되며 대부분 원형의 톱을 이용하여 가공된다. 이러한 원형 톱을 이용하면 파이프 절단 시 가공부에 Scratch, 버(Burr) 등의 표면결함 혹은 잔류응력이 발생되어 누출, 폭발 등 결함의 주요한 원인이 된다.
	표면결함 혹은 잔류응력은 어떤 원인으로 인해 발생하는가?	이러한 원형 톱을 이용하면 파이프 절단 시 가공부에 Scratch, 버(Burr) 등의 표면결함 혹은 잔류응력이 발생되어 누출, 폭발 등 결함의 주요한 원인이 된다. 이러한 현상들은 장비의 진동으로 가공에 필요한 전단응력 외에 수직응력이 가공면에 가해지면서 발생한다. 장비 진동 크기가 커지면 그에 비례하여 결함이 더 많이 발생하여 파이프의 가공 정밀도와 품질에 악영향을 미치게 됨은 물론, 2차 가공의 비중도 증가하게 된다.

참고문헌 (6)

Ro S. H., "Mechanical Vibrations with Applications", Chaosbook, pp. 22-58, 2013.
Ro S. H. and Lee J. H., "Design Alteration of A Lathe Structure for the Improved Dynamic Stability", J. Korean Society of Industrial Application, Vol 12, pp. 91-99, 2009.
Raialingham C., Bhat R. B. and Xistris G. D., "Vibration of Rectangular Plates using Plate Characteristic Functions as Shape Functions in the Rayleigh-Ritz Method", Journal of Sound and Vibration, Vol. 193, pp. 497-509, 1996.

상세보기
Yi, I. H., and Ro, S. H., "Structural Design of an Ingot Grower of the Semiconductor Wafer for the Stability Improvement", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, pp. 14-39, 2017.
Cho, H. J., and Ro, S. H., "Effect of Design Parameters on the Variation of Natural Frequencies of the Uniform and the Nonuniform Cantilever Beams," Transactions of the KSME, Vol. 23, pp. 697-708, 1999.
Shin, H. B., and Ro, S. H., "Design Alterations of a Squaring & Grinding Machine for the Solar Cell Wafer to Suppress Vibrations", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, No. 3, pp. 25-30, 2017.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증