[논문]볼기어캠의 4-축 가공에 관한 연구

조현덕; 신용범

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.9.081

볼기어캠의 4-축 가공에 관한 연구
Study of 4-Axis Machining for Ball Gear Cam 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.9, 2019년, pp.81 - 87

조현덕 (경일대학교 기계자동차학부) , 신용범 (대영코어텍(주) 우수기술연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The automatic tool changer of a machining center consists of a tool magazine and a cam box, and the core components of the cam box are a roller gear cam and a turret. Recently, the roller gear cam of a cam box has been replaced by a ball gear cam. In this study, the design and machining method of ball gear cam for an automatic tool changer was studied. Additionally, an algorithm for a 4-axis post processing method was established from an instrumental formula by designing a ball gear cam, thus preventing machining at the bottom of ball end mill and enabling the ball on the turret to be driven at the entrance and exit of a curve without collision due to machining errors. In conclusion, machining using only the 4-axis method including the C-axis on a BC -Type 5-axis machine produced the desired ball gear cam.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

볼기어캠 곡선의 시작과 끝부분에서 볼이 진출 및 퇴출하는 순간에 충돌이 생기는데, 이는 볼을 터렛에 고정할 수가 없기 때문에 캠 곡선과 만나기 직전에는 반드시 발생하는 문제이다. 본 연구는 볼기어캠 곡선의 시작 위치와 끝나는 위치에서 볼이 곡선에 충돌되는 현상을 완화하기 위해 2중 곡선을 적용하여 그 구간을 기존 곡선과 완만하게 접하도록 설계하였으며, 이를 적용한 볼기어캠의 4-축 가공방법을 개발하였다. 본 연구의 볼기어캠의 4-축가공은 BC-타입 5-축 가공기에서 C-축만을 사용하여 가공할 수 있는 원리를 볼기어캠의 설계절차와 연속하여 설명하면 다음과 같다.

제안 방법

1. 볼기어캠의 설계과정을 수식적으로 전개하고 4-축 가공을 위한 포스트프로세스와 연결하였으며, 캠의 회전방향의 접선벡터와 공구축이 일정한 각도를 유지도록 하여 볼엔드밀 공구의 끝단이 가공에 부정적인 영향을 미치지 못하도록 하였다.
2. 캠곡선의 입출구 영역에서 2중 곡선을 적용하여 볼과의 충돌현상을 최소화할 수 있는 볼기어캠 4-축 가공방법을 개발하였다.
3. 2중 곡선을 적용했을 때와 하지 않았을 때의 캠곡선의 공구경로 차이를 확인하였다.
4. 본 연구의 이론적 내용을 바탕으로 NC-code를 생성할 수 있는 전용 소프트웨어를 개발하였고, 그 결과를 활용하여 BC-타입 5-축 가공기의 C-축을 사용하여 볼기어캠의 4-축 가공을 실현하였다.
(8단계) 볼기어캠의 가공은 볼엔드밀 공구를 사용하여 가공하는데 볼의 끝부분에서 공구의 회전에 대한 반경이 영(zero)이므로 원주속도가 영(zero)이 되어 절삭이 일어나지 않기 때문에 가공 면이 나쁘게 된다. 그래서 본 연구에서는 공구의 끝점이 가공에 참여하지 않도록 공작물을 일정 각도 추가 회전시켜 가공하는 원리를 적용하였다. 즉, 공구축의 방향이 공작물의 가공위치에서 C-축회전의 접선방향과 항상 일정 각도를 유지하도록 하였는데, Fig.
본 연구는 Table 1과 같은 절삭조건으로 마작 복합가공기(Mazak Integrex-200IV), AL재료, Φ13 초경 볼엔드밀을 사용하여 볼기어캠을 4-축 가공하였다.
본 연구는 정숙한 캠운전을 위해 볼기어캠 곡선의 입구와 출구의 일정구간에서 2중 곡선을 적용하여 설계^[2]하는 알고리즘을 개발하였고, 이를 적용하여 볼엔드밀 공구로 볼기어캠을 4-축 가공방법을 제시한다. 볼기어캠을 4-축 가공하는 방법으로, 첫 번째 방법은 일반적인 가공방법인 공구축 방향을 터렛과 기구적으로 맞닿는 위치(position)에서 캠 곡선을 4-축으로 가공하는 것이고, 두 번째 방법은 공구축 방향을 볼엔드밀 공구의 중심 끝점에서의 절삭을 피하기 위해 캠의 회전 방향으로의 접선방향과 일정한 각도가 유지되도록 기울어 4-축 가공하는 방법이다.
본 연구에서 볼기어캠의 설계절차를 적용하고 (4)식과 (8)식을 적용한 볼기어캠의 일반적인 4-축가공과 (6)식과 (8)식을 적용한 캠선도의 시작과 끝지점에서 2중 곡선을 적용하는 4-축 가공을 하기 위해서 Visual BASIC 프로그램언어로 Fig. 11과 같이 전용 SW를 개발하여 NC파트프로그램을 생성하였다. Fig.
본 연구의 볼기어캠 설계의 절차와 4-축 가공 포스트프로세싱 절차를 AC타입, AB타입, BC타입 5-축 가공기에 적용할 수 있도록 전용 CAM 소프트웨어를 개발하였으며, BC-타입 5-축 복합가공기^[3,4]로 볼기어캠을 4-축 가공하여 확인하였다.
본 연구는 Table 1과 같은 절삭조건으로 마작 복합가공기(Mazak Integrex-200IV), AL재료, Φ13 초경 볼엔드밀을 사용하여 볼기어캠을 4-축 가공하였다. 볼기어캠 가공은 Table 1과 같이 황삭, 중삭, 정삭의 3개 공정으로 나누어 가공하였으며, 황삭의 경우 가공깊이 1.5mm씩 증가시켜 3회 가공으로 완성하였으며, 중삭과 정삭은 각각 1회 실시 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	머시닝센터의 자동공구교환장치의 구성요소는 무엇인가	머시닝센터의 자동공구교환장치는 공구 매거진(tool magazine)과 캠박스(cam box)로 구성되며, 캠박스의 주요 핵심부품은 롤러기어캠(roller gear cam)과 롤러가 방사형으로 부착된 터렛(turret)이 있다[1-3]. 최근 롤러기어캠의 가공시간 단축과 컴팩트한 캠박스를 용이하게 설계할 수 있는 볼기어캠(ball gear cam)이 개발되고 있다[1].
	볼기어캠을 4-축 가공하는 방법 두가지를 설명하라	본 연구는 정숙한 캠운전을 위해 볼기어캠 곡선의 입구와 출구의 일정구간에서 2중 곡선을 적용하여 설계[2]하는 알고리즘을 개발하였고, 이를 적용하여 볼엔드밀 공구로 볼기어캠을 4-축 가공 방법을 제시한다. 볼기어캠을 4-축 가공하는 방법으로, 첫 번째 방법은 일반적인 가공방법인 공구축 방향을 터렛과 기구적으로 맞닿는 위치 (position)에서 캠 곡선을 4-축으로 가공하는 것이고, 두 번째 방법은 공구축 방향을 볼엔드밀 공구의 중심 끝점에서의 절삭을 피하기 위해 캠의 회전 방향으로의 접선방향과 일정한 각도가 유지되도록 기울어 4-축 가공하는 방법이다.
	볼기어캠에 SCM415를 사용하여 침탄열처리 후 마무리 가공을 하여야 하는 이유는 무엇인가	또한 롤러기어캠 기구의 캠플로어는 니들베어링 으로 지지되어 자체적으로 강성이 약한 단점이 있으나, 볼기어캠 기구의 볼은 하나의 강체이며 터렛에 구면으로 접촉하는 미끄럼 베어링의 원리이므로 큰 힘을 전달할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캠에 접촉하는 부분에서 캠플로어는 외경에 캠곡면과 곡선으로 접촉하여 캠플로어 높이 방향으로 일정한 힘이 걸리지만 볼은 짧은 원호에 대하여 힘이 경사방향으로 걸리므로 최 외곽부위에 더 큰 집중력이 걸려 캠의 표면경도를 높일 필요가 있다. 그래서 롤러기어 캠은 SCM440을 사용하여 질화표면경화처리로 마무리할 수 있으나 볼기어캠은 SCM415를 사용하여 침탄열처리 후 마무리 가공을 하여야 한다.

참고문헌 (6)

Cho, H. D., Park, J. B., Shin, Y. B., Lee, Y. C., Lee, G. S., "A Study on 4-Axis Machining of Ball Gear Cam", Proceeding of the KSMPE Autumn Conference, pp. 46-46, 2018.
Cho, H. D., Yoon, M. C. and Kim, K. J. "5-Axis CNC Machining of Roller Gear Cam", Transaction of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 19, No. 6, pp. 739-745, 2010.
Cho, H. D., Park, J. B., Shin, Y. B., Lee, K. S., "A Study on 5-Axis Machining of Roller Gear Cam for Rotary Table", Journal of the Korean Society of Manu facturing Process Engineers, Vol. 16, No. 4 pp.127-134, 2017.

원문보기 상세보기
Yan, H. S., Chen, H. H., "Geometry design and machi ning of roller gear cams with cylindrical rollers", Mec hanism and Machine Theory, Vol. 29, Issue 6, pp.803-812, 1994.

상세보기
Kim, J. S., Kang, S. K. and Lee, D. S., "A Study on the Machining Characteristics of Prototype of Roll er Gear Cam", Journal of the Korean Society of Manu facturing Process Engineers, Vol. 11, No. 5, pp.60-67, 2012.
Jung, Y. H., Lee, D. W., Kim, J. S., Mok, H. S., "NC post-processor for 5-axis milling machine of table-rot ating/tilting type", Journal of Materials Processing Technology, Vol. 130, No. 20, pp.641-646, 2002.

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