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문제 정의
- 본 연구에서는 CNC 자동선반의 베드에 대한 고강성설계를 위해서 상용 유한 요소 해석 툴인 ANSYS를 활용하여 응력과 중량 감소를 위한 최적설계를 연구하였다.
- 본 연구에서는 기존의 다기능 자동선반 베드를 최적설계하기 위해 구조해석을 수행하였다. 초기모델의 결과로 최대변형량 23.
제안 방법
- 1) 과설계가 된 베드의 최적화 구조해석을 위하여 베드의 주요 형상을 개선하여 구조해석을 실기하였다. 베드의 구성 기둥 중 주요 기둥의 형상과 치수를 변경하였고, 최대변형량 15.
- 다기능 CNC 자동선반 베드의 구조해석을 위해 Fig. 2 와 같이 가공 유닛들이 체결되는 상부에 각각의 하중을 적용하였고, 베드의 자중응력을 확인하기 위해 중력가속도를 적용하였다. 베드의 하면에 받침 연결부에 Fixed Support 경계조건을 적용하였다.
- 다기능 CNC 자동선반의 구조 특성을 분석하기 위해 SolidWorks 프로그램을 활용하여 3D CAD 모델링을 수행하였고, 간략화 된 모델을 유한요소해석을 위해 ANSYS Workbench R16.2[6]를 이용하여 CNC 자동선반 베드의 Mesh 생성을 수행하였고, 구성은 Element 562,217 개, Node 866,078 개, 중량은 3,593 kg으로 Table 1과 같다.
- 최대 변형량이 베드의 항복강도보다 낮아 초기 모델이 과설계가 되어있음을 확인하였다. 베드의 주요 변수 설정과 최대변형량 20 ㎛ 이하, 슬라이드 중량 최소화를 목표 변수로 최적화를 수행하여 다음과 같은 주요한 결과를 얻었다.
- 베드의 하면에 받침 연결부에 Fixed Support 경계조건을 적용하였다. 베드의 주응력 및 변형량, 그리고 취약점 도출을 위해 원점을 기준으로 X축 10 mm, Y축 10 mm, Z축 10mm 간격으로 단면(Section Plane)을 만들어 주응력과 평균 변위를 확인하였다.
- 설계 개선안 모델에서 베드의 주응력 및 변형량, 그리고 취약점 도출을 위해 원점을 기준으로 X축 10 mm, Y축 10 mm, Z축 10mm 간격으로 단면(Section Plane)을 만들어 주응력과 평균 변위를 확인하였다. 최종 모델 해석을 통한 베드의 중량은 1,531 kg 으로 현재 모델의 중량 3,593 kg 보다 42.
- 4%가량 감소하였다. 설계 변경으로 베드의 강성이 강화되었다는 것을 검증하기 위해 설계 개선안에 대해 구조해석을 수행하여 비교해 보았다.
- 앞서 수행한 베드 구조해석의 결과를 참고하여 초기설계안 모델에서 X, Y, Z 평면에서 발생한 응력과 변형량을 참고하여 베드의 설계 개선안을 도출하였다. 큰 중점으로는 베드의 중량을 감소하는 방향으로 설계 변경안을 제시하였다.
- 다기능 자동선반 베드는 주조 작업을 통해 만들기 때문에 회주철(Gray Cast Iron)인 GC300으로 구조해석을 위한 재료의 물성은 Table 2와 같이 적용하였다. 유한요소해석을 수행하기 위해서는 유한요소 모델의 실제와 유사한 물성치를 부여하는 작업을 수행하였다.
- 큰 중점으로는 베드의 중량을 감소하는 방향으로 설계 변경안을 제시하였다. 이는 초기설계안의 낮은 강성은 상부에 불필요하게 집중된 과도한 무게 때문에 나타난다고 판단하여 개선안을 도출하였다.
- 앞서 수행한 베드 구조해석의 결과를 참고하여 초기설계안 모델에서 X, Y, Z 평면에서 발생한 응력과 변형량을 참고하여 베드의 설계 개선안을 도출하였다. 큰 중점으로는 베드의 중량을 감소하는 방향으로 설계 변경안을 제시하였다. 이는 초기설계안의 낮은 강성은 상부에 불필요하게 집중된 과도한 무게 때문에 나타난다고 판단하여 개선안을 도출하였다.
대상 데이터
- 다기능 자동선반 베드는 주조 작업을 통해 만들기 때문에 회주철(Gray Cast Iron)인 GC300으로 구조해석을 위한 재료의 물성은 Table 2와 같이 적용하였다. 유한요소해석을 수행하기 위해서는 유한요소 모델의 실제와 유사한 물성치를 부여하는 작업을 수행하였다.
성능/효과
- 2) 최종 최적설계 조건을 적용하였을 때, 중량은 1,531 kg 으로 현재 모델의 중량 3,593 kg 보다 57.4% 중량 절감이 되었다.
- 각각의 축 방향별로 최대 변형량이 된 것을 확인하였다. X평면에 대해서 최대 변형량이 14.2% 감소하였고, Y평면에서는 베드의 중간 플레이트에서 발생한 최대 변형량이 7.6658 ㎛에서 2.6615 ㎛로 65.3% 감소되었다. 그리고 Z평면에서는 베드의 대폭적인 중량 감소로 변형량이 23.
- 1) 과설계가 된 베드의 최적화 구조해석을 위하여 베드의 주요 형상을 개선하여 구조해석을 실기하였다. 베드의 구성 기둥 중 주요 기둥의 형상과 치수를 변경하였고, 최대변형량 15.006 ㎛ 이하, 최대응력 15.936 MPa 이하로 도출되었다. 변형률은 36.
- 936 MPa 이하로 도출되었다. 변형률은 36.4% 감소, 최대응력은 45.0% 감소되었다.
- Table 4는 초기설계안과 설계 개선안의 무게 및 치수을 보여주고 있다. 설계 변경 결과 무게가 3,593 kg에서 1,531 kg으로 약 57.4%가량 감소하였다. 설계 변경으로 베드의 강성이 강화되었다는 것을 검증하기 위해 설계 개선안에 대해 구조해석을 수행하여 비교해 보았다.
- 본 연구에서는 기존의 다기능 자동선반 베드를 최적설계하기 위해 구조해석을 수행하였다. 초기모델의 결과로 최대변형량 23.603 ㎛, 최대응력 28.955 MPa이 발생하는 것을 확인하였다. 최대 변형량이 베드의 항복강도보다 낮아 초기 모델이 과설계가 되어있음을 확인하였다.
- 초기설계안과 설계개선안의 구조해석 결과인 응력과 변형량 데이터를 비교하여 설계개선안 모델이 응력과 변형량 감소를 확인하였다. 각각의 축 방향별로 최대 변형량이 된 것을 확인하였다.
- 955 MPa이 발생하는 것을 확인하였다. 최대 변형량이 베드의 항복강도보다 낮아 초기 모델이 과설계가 되어있음을 확인하였다. 베드의 주요 변수 설정과 최대변형량 20 ㎛ 이하, 슬라이드 중량 최소화를 목표 변수로 최적화를 수행하여 다음과 같은 주요한 결과를 얻었다.
- 설계 개선안 모델에서 베드의 주응력 및 변형량, 그리고 취약점 도출을 위해 원점을 기준으로 X축 10 mm, Y축 10 mm, Z축 10mm 간격으로 단면(Section Plane)을 만들어 주응력과 평균 변위를 확인하였다. 최종 모델 해석을 통한 베드의 중량은 1,531 kg 으로 현재 모델의 중량 3,593 kg 보다 42.6% 수준의 중량 절감이 되었다.
- 하중에 의해서 발생하는 전체 변형을 보여주고 있다. 특히, 메인 스핀들 지지부분 끝에서 변형이 발생하였으며, 최대 15.006㎛의 변형이 메인 스핀들 지지부 면에서 발생할 것으로 예측되었다.
후속연구
- 이상과 같은 연구로 도출된 설계개선안을 CNC 자동선반 베드에 적용함으로써 설계조건에 맞는 적합한 설계를 통해 구조물의 중량감소는 물론 공작기계 운용 시에 안전성을 높일 수 있을 것이라 기대된다. 또한 더 많은 베드의 기둥과 벽 형상에 대해 설계 개선안을 적용하면 추가로 개선된 구조설계를 할 수 있을 것이라 기대된다.
- 이상과 같은 연구로 도출된 설계개선안을 CNC 자동선반 베드에 적용함으로써 설계조건에 맞는 적합한 설계를 통해 구조물의 중량감소는 물론 공작기계 운용 시에 안전성을 높일 수 있을 것이라 기대된다. 또한 더 많은 베드의 기둥과 벽 형상에 대해 설계 개선안을 적용하면 추가로 개선된 구조설계를 할 수 있을 것이라 기대된다.
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