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문제 정의
- 본 논문은 유압프레스의 작업정밀도와 생산성 향상을 목표로 유한요소 해석법을 활용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 최적 설계안을 도출하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 아래와 같다.
- 본 연구에서는 산업현장에서 보편적으로 활용되는 C형5ton 유압프레스를 모델로 유한요소해석을 통해 제품의 불량 및 손실을 일으킬 수 있는 구성요소의 특성을 파악하고 프레임의 변형을 최소화하기 위해 구조를 최적 설계 하였다.
제안 방법
- 2) 시뮬레이션 모델을 이용한 해석을 통해 압입 하중에 의한 프레스의 변형량을 분석하였다. 또한 실제 변형량 0.
- 각 설계변수들의 변화를 통하여 압입 하중에 의한 변형량 억제와 장비 중량이 늘어나는 것을 최소화시킬 수 있도록 도출된 최적 설계안을 바탕으로 진동해석을 진행하여 동적 안정성을 분석하였다.
- 구조물의 특성을 분석하기 위하여 구조물 전체 및 각 부위 요소들을 장비 도면을 이용하여 컴퓨터에 구현하여 해석을 진행한다. 해석을 통하여 얻어진 시뮬레이션 결과를 확장하여 기계구조물 전체와 내부 요소들의 안정성을 분석한다.
- 시뮬레이션 모델의 재질은 구조용 강(Young’s Modulus : 200GPa, Poisson’s ratio : 0.3, Density : 7870 kg/m3)으로 하였으며 각 부분별 접촉조건은 Fig. 3과 같이 볼트 체결부위는 연결점을 공유하는 것과 유사한 조건인 Bonded로 하였고 로드와 가이드부 및 베이스와 스탠드의 접촉조건은 접촉면 방향으로 슬라이딩이 가능한 No separation으로 하였다.
- 압입 하중에 의한 프레임의 변형량을 최소화 하면서 장비 중량의 증가를 최소화 시킬 수 있도록 설계 변수로 사용된 베이스 두께, 베이스 높이, 스탠드의 두께를Table 1의 Optimum Design과 같이 결정하였다.
- 유압프레스 작동시의 유압용 모터 작동속도와 구조물 고유진동수 간의 공진 여부를 파악하여 구조물의 큰 진동의 원인을 분석하였다.
- 유압프레스는 압입 공정 시 5 ton의 하중이 작용하므로 압입 하중에 의한 구조물의 안정성을 조사하였다. Fig.
- 구조물의 특성을 분석하기 위하여 구조물 전체 및 각 부위 요소들을 장비 도면을 이용하여 컴퓨터에 구현하여 해석을 진행한다. 해석을 통하여 얻어진 시뮬레이션 결과를 확장하여 기계구조물 전체와 내부 요소들의 안정성을 분석한다.
대상 데이터
- 본 논문의 대상인 유압프레스는 모터 작동 시 작동속도 1750 rpm(29.16 Hz)에서 공진의 위험성이 없는 구조물로 판단된다.
- 이러한 분석결과를 바탕으로 개선안을 도출하여 시뮬레이션 모델에 적용하고 그 결과를 확인하는 과정을 반복하여 제작이 용이하고 효과가 큰 최적설계 개선안을 도출할 수 있다. 본 연구의 대상인 유압프레스의 시뮬레이션 모델은 아래의 Fig. 2와 같다.
데이터처리
- 구현된 시뮬레이션 모델의 특성을 분석하기 위해 유한 요소해석 프로그램[ANSYS 14]을 사용하여 5 ton 유압프레스의 압입 공정 시 압입 하중에 의한 프레임의 변형량에 대하여 해석하였으며 그 결과는 아래 Fig. 5와 같다.
성능/효과
- 1) 장비의 정적 안정성을 분석한 결과 압입 하중에 의한 모멘트보다 체결 볼트가 견딜 수 있는 모멘트가 높으므로 압입 하중에 의해 스탠드 프레임의 볼트가 파손되어 전복될 가능성은 없는 것으로 분석되었다.[본문 2.
- 3) 압입 하중에 의한 프레임의 변형 최소화를 위해 스탠드 프레임 두께, 베이스 립 두께, 스텐드 Fillet를 설계변수로 설정하여 진행한 결과 장비의 중량에 큰 변화 없이 프레임의 변형량을 0.231 mm로 최소화시켜 기존대비 35%의 변형량 억제 효과를 보았다. [본문3.
- 4) 유압 프레스의 동적 안정성을 분석한 결과 기존 프레스의 고유진동수는 126.4, 148.2, 318.9 Hz이고 설계안을 적용한 프레스의 고유진동수는 126.9, 150.2, 320.1Hz로 고유진동수의 변화는 미미하였다. 또한 모터 작동속도인 1750 rpm(29.
- 결과적으로 위의 부등식을 만족하므로 압입 하중에 의해 스탠드 프레임의 볼트가 파손되어 전복될 가능성은 없는 것으로 분석되었다.
- 고유진동수의 변화는 없으나 프레임의 강성 설계로 Fig. 11에서와 같이 전체적으로 약 40%의 진동이 소멸되었음을 확인할 수 있다.
- 따라서 하중에 따른 프레임의 변형을 최소화하기 위한 설계를 진행하였으며 베이스 보강대 두께, 스탠드 프레임 Fillet 및 두께[Fig. 8]를 ±30% 범위 내에서 반복적으로 변경, 조합하여 최적 설계안을 도출하였다.
- 1Hz로 고유진동수의 변화는 미미하였다. 또한 모터 작동속도인 1750 rpm(29.16 Hz)에 비해 장비 고유진동수가 매우 높아 프레스와 모터의 작동속도 간의 공진은 없는 것으로 분석되었으며 설계 개선으로 장비 강성이 강화되어 개선 후 진동의 40%가 감소되었다. [본문3.
- 2) 시뮬레이션 모델을 이용한 해석을 통해 압입 하중에 의한 프레스의 변형량을 분석하였다. 또한 실제 변형량 0.34 mm와 시뮬레이션 결과인 0.3566 mm가 오차 2.2%로 잘 일치하므로 시뮬레이션 모델이 잘 구현되었다고 할 수 있다.[본문 2.
- 시뮬레이션 결과 압입 하중에 의한 프레임의 최대 변형은 Fig. 5에서와 같이 프레임 전면부 상단에서 발생 하였으며 최대 변형량은 0.3566 mm로 분석되었다. 이는 실제장비에서 변형량을 측정한 결과인 0.
- 압입 하중에 의한 프레임의 변형량을 최소화시키기 위해 설계 변경을 통한 최적설계를 진행한 결과 기존 구조물의 변형량 0.3566 mm에서 0.231 mm로 기존대비 약 35%의 변형이 감소하였다.
- 이러한 분석결과를 바탕으로 개선안을 도출하여 시뮬레이션 모델에 적용하고 그 결과를 확인하는 과정을 반복하여 제작이 용이하고 효과가 큰 최적설계 개선안을 도출할 수 있다. 본 연구의 대상인 유압프레스의 시뮬레이션 모델은 아래의 Fig.
- 최적설계 결과 기존 구조물의 변형량 0.3566 mm에서 최적설계 후 0.231 mm로 기존 대비 약 35.2%의 변형량이 억제됨을 알 수 있다.
후속연구
- 5) 프레스의 안정성 분석과 최적설계에 사용된 설계 변수와 추가적인 변수들이 프레스에 미치는 영향에 대해 지속적인 연구를 진행할 경우 대형 유압 프레스의 개발에 데이터베이스로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
- 6) 본 논문에서 도출된 최적설계안을 적용하여 장비를 제작하게 되면 작업정밀도의 향상을 통해 제품의 질적 우위를 차지하여 국내·외 업체와의 경쟁에서 우위를 차지할 것으로 예상된다.
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