[논문]항공기 주익 조립 장비의 드릴링 성능에 관한 연구

홍성민; 박대훈; 한성길; 송철기

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.1.008

항공기 주익 조립 장비의 드릴링 성능에 관한 연구
A Study on the Drilling Performance of the Assembly Machine for the an Aircraft's Main Wings 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.1, 2018년, pp.8 - 15

홍성민 (경상대학교 대학원 기계융합공학과) , 박대훈 (경상대학교 대학원 기계항공공학과) , 한성길 (경상대학교 대학원 기계항공공학과) , 송철기 (경상대학교 기계공학부, 공학연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the manufacturing market for low-cost airlines has led to an increase in aircraft demand. Most processes in the production of these aircrafts are manual such as drilling, sealing, and swaging. A drilling and riveting machine is a numerical-control based equipment that automatically performs drilling, sealing, and swaging operations. The accuracy of the drilled holes and the exit burr length has a significant impact on the quality of the aircraft wing during assembly. This study was conducted to identify the conditions necessary to maintain a uniform quality by controlling the rotation speed of the spindle, which directly affects the hole diameter and the quality of the exit burr.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

드릴링 성능 시험을 위한 테스트 벤치는 Fig. 3과 같이 드릴 작업을 위한 스핀들과 락 볼트의 나사산에 따라 칼라를 가공하는 스웨이징 시스템을 실제와 유사하게 구성하여 시험 결과의 정확도를 향상시키고자 하였다.
customary units)를 사용하고 있다. 따라서 본 논문에서는 드릴 직경을 나타내기 위하여 SI 단위계 대신 미국 단위계를 사용하고자 하며 공기 주익 조립과정에서 가장 많이 사용되는 1/4 inch 및 5/16 inch 직경에 대하여 DRM 드릴링 시스템의 성능을 평가하고자 한다.
본 논문에서는 DRM과 동일한 구성의 테스트 벤치에서 2가지 드릴 비트에 대하여 스핀들의 회전수에 따른 홀 직경의 정밀도와 출구 버 생성에 대한 분석을 하였으며, 연구수행 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
본 논문에서는 Fig. 2의 괴링 드릴비트와 발터 드릴비트를 이용하여 드릴 작업을 수행하였을 때, 스,핀들의 회전수에 따른 드릴 직경의 정밀도와 출구 버의 길이에 대한 공정능력 평가를 수행하고자 한다.
본 연구에서는 괴링(Guhring Inc.)과 발터(Walter tools) 드릴비트에 대하여 스핀들(spindle)의 회전수에 따른 홀 직경과 출구 버의 길이를 측정하고 공정능력(process capability) 분석을 통해 공정이 충분한 능력을 갖추고 있는 지 확인하고자 한다.

제안 방법

두 가지의 스텝 드릴 비트에 대하여 드릴 작업을 수행한 후, 홀 직경과 출구 버의 길이를 측정하고 공정능력분석을 수행하고자 한다. 홀 직경과 출구 버의 길이의 공정기준은 Table 3과 같다.
스핀들은 서보 모터를 이용하여 정밀하게 위치제어를 하게 되며, 볼 스크류(ball screw), LM 가이드 (linear motion guide)로 구성된 이송 조립체(transfer assembly)에 의하여 홀 중심 축 방향으로 이동이 가능하게 하였다.
스핀들의 상세한 사양은 Table 2와 같다. 스핀들의 회전 수는 드릴 작업을 위한 최소 토크가 발생하는 6,000 RPM부터 정격 회전수 9,000 RPM까지 1,000RPM 간격으로 정하였다.
스핀들의 회전수는 드릴 작업을 수행할 때와 카운터 싱크 작업을 수행할 때에 대하여 각각 다르게 적용하였다. 먼저 스핀들이 초기 위치에서 작업 위치까지 다가가는 과정에서 스핀들의 회전수가 증가하게 되며, 회전수가 목표치에 도달하게 되면 드릴 작업을 수행하게 된다.
항공기 주익의 스킨(skin)과 스트링거(stringer)의 접촉면을 구현하기 위하여 2장의 알루미늄 판재(AL 2027-T351)를 C-클램프로 시편 지그(coupon jig)에 고정하여 최대한 밀착시켰다.

대상 데이터

드릴링 성능 시험을 위한 테스트 벤치에 사용된 스핀들은 최대 토크 12.7 N·m, 최대 출력 11.2 kW 이다.

성능/효과

1. 드릴링 시험을 한 결과, 두 드릴 비트 모두 스핀들의 회전수가 높아질수록 홀 직경의 정밀도가 향상되었으며, 출구 버의 길이는 공정중심에 다가가는 것을 확인할 수 있었다.
1/4 inch 드릴 비트에 대한 드릴링 시험 결과, Fig. 4와 같이 스핀들의 회전수가 증가함에 따라 괴링 드릴비트의 평균은 규격 상한으로 접근하였으며, 발터 드릴비트의 평균은 규격 하한으로 접근하는 것을 확인할 수 있다. 괴링 드릴비트와 발터 드릴비트 모두 스핀들의 회전수가 낮을 경우 홀 직경 의 편차가 크며, 일부는 공정범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있다.
2. 괴링 드릴비트는 공정평균이 규격상한으로 치우쳐 있기 때문에 추가적인 연마가공을 통해 홀 직경의 정밀도를 높일 수 있으나 발터 드릴비트는 규격하한으로 치우쳐 있기 때문에 동일한 방법으로 홀 직경의 정밀도를 향상시키기는 어려울 것으로 판단된다.
5/16 inch 드릴링 성능시험 결과, Fig. 5와 같이 홀 직경 측정값의 평균은 스핀들의 회전수가 증가함에 따라 발터 드릴비트는 1/4 inch 직경과 유사하게 규격 하한 값으로 접근하지만 괴링 드릴비트는 0.3087 inch로 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
5/16 inch 드릴비트는 괴링 드릴비트의 경우 최소 2σ 수준을 확보하였으며, 8,000 RPM 이상일 경우 Cpk 값이 1.57로 항공기 자동화 공정의 기준인 5σ에 근접하는 것을 확인할 수 있다.
Table 5에서 1/4 inch와 5/16 inch 괴링 드릴비트는 스핀들의 회전수가 증가함에 따라 홀 직경의 정밀도가 향상되었으나 발터 드릴비트는 1/4 inch는 홀 직경의 정밀도가 증가한 반면에 50/16 inch는 7,000 RPM에서 오히려 정밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
4와 같이 스핀들의 회전수가 증가함에 따라 괴링 드릴비트의 평균은 규격 상한으로 접근하였으며, 발터 드릴비트의 평균은 규격 하한으로 접근하는 것을 확인할 수 있다. 괴링 드릴비트와 발터 드릴비트 모두 스핀들의 회전수가 낮을 경우 홀 직경 의 편차가 크며, 일부는 공정범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있다.
출구 버의 길이는 스핀들의 회전수가 증가함에 따라 괴링 드릴비트는 감소하며, 발터 드릴비트는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 스핀들 회전수가 9,000 RPM 일 때 괴링과 발터 드릴비트가 발생시키는 출구 버 길이의 공정평균이 규격 중심 값으로 유사해지는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

1과 같이 항공기 주익에 드릴 작업과 락 볼트(lock bolt) 체결작업을 자동으로 수행하는 장비이다. DRM을 이용하여 주익을 조립할 경우, 수작업 공정과 비교하여 높은 수준의 정밀도 및 품질의 제품을 생산하고 가격 경쟁력 확보할 수 있을 것으로 예상된다.
따라서 Cpk 값을 향상시켜 위해서는 드릴 직경의 수정이 필요하며, 특히 괴링 드릴비트는 추가적인 연마가공을 통하여 드릴비트의 직경을 수정하면 1/4 inch 드릴비트는 9,000 RPM에서 5/16 inch 드릴 비트는 8,000 RPM에서도 충분히 5σ 기준을 만족할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디버링(deburring) 작업의 단점은?	기존 수작업 공정에서는 작은 직경의 드릴 비트를 이용하여 중심을 잡은 후 드릴 비트의 직경을 키워가면서 홀의 직경을 확장시킨 후 카운터 싱크 가공과 버를 제거하는 디버링(deburring) 작업을 하게 된다[14] . 이는 작업 목적에 따라 드릴 비트를 교환해야 되기 때문에 조립 과정에 필요한 시간이 증가하게 된다.
	공정능력이란?	공정능력이란 원하는 제품을 설계대로 생산할 수 있는 능력을 의미하며, 공정능력지수 Cp, Cpk는 공정능력을 평가하기 위한 대표적인 지표이다[9] . 이러한 공정능력지수는 무차원으로 공정의 성능을 정량화 하는데 도움을 주며, 공정의 변동을 설명하는데 있어서 많이 사용되고 있다[10].
	6σ 방법론은 무엇이 있는가?	일반 산업현장에서 제품의 품질수준을 확인하고 품질개선을 하여 6σ(six-sigma)를 많이 사용하고 있다. 6σ 방법론으로 DMAIC(an acronym for define, measure, analyze, improve and control)와 DMADOV(an acronym for define, measure, analyze, design, optimize and verify)의 두 가지 유형이 있다. DMAIC는 현존하는 공정이나 제품의 결함을 개선하기 위한 방법론이며, DMADOV는 새로운 공정을 처음부터 6σ 수준으로 설계하기 위한 방법론이다[8].

참고문헌 (14)

Boeing, Orders & Deliveries, 2015.
Airbus, Airbus Annual Report, 2015.
Rou, H. J., "A Study on the Optimization of Drilling Operations(II) : Optimization Drilling Sequence Selection for Producing a Hole," IE interface, Vol. 12, No. 2, pp. 346-353, 1999.
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Kim, G. S., "A Study on the Quality Management Performance through the 6-sigma Program," Journal of the Korean Society for Quality Management, Vol. 27, No. 4, pp. 266-279, 1999.
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Lee, K. K., Park, C. K., Kim, G. Y., Lee, K. H., Han, S. W. and Han, S. H., "Solving Probability Constraint in Robust Optimization by Minimizing Percent Defective," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 37, No. 8, pp. 975-981, 2013.

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Bae, J. G. Park, H. Y. Kwon, B. C. and Ko, S. L., "Determination of Cutting Conditions for an Efficient Deburring Process Using a New Deburring Tool," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 4, pp. 109-117, 2016.

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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