[논문]볼스크류 가공용 선회형 스핀들의 발열 특성에 관한 연구

문홍만; 김상원; 정호인; 이춘만

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.10.044

[국내논문] 볼스크류 가공용 선회형 스핀들의 발열 특성에 관한 연구
Heat Generation Characteristics of Whirling Spindle for Ball Screw Machining 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.10, 2020년, pp.44 - 51

문홍만 (덕흥(주) 연구개발팀) , 김상원 (덕흥(주) 연구개발팀) , 정호인 (창원대학교 기계공학부) , 이춘만 (창원대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We studied the heating characteristics of a whirling spindle. This spindle is an important component of a whirling machine for turning a ball screw shaft. In the manufacturing process for a conventional ball screw shaft, a single tool is used to form a spiral in a lathe machine tool. Thereafter, a high-frequency heat treatment process is performed. Recently, a whirling-type cutting method has emerged. This method can perform hard turning in the rotating direction of the spiral portion of the ball screw shaft by rotating and mounting multiple tools. The whirling method can be applied to the heat-treated material. In this study, an experimental apparatus was constructed to analyze the whirling spindle. The experiment proceeded in four steps. The rotating speed of the whirling spindle was set to ISO random and sequential rising conditions. Cooling and non-cooling modes in the cooling jacket were tested. As a result of the above experiment, the heating characteristics of the whirling spindle were derived.

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문제 정의

본 연구의 목적은 볼스크류 샤프트의 리드 부를 가공하기 위한 선회형 가공장비를 개발하는 것이다 . 선행 연구를 통하여 선회형 가공 공법으로 제작된 볼스크류가 소음 및 변형량 측면에서 우수한 품질을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다.
선행 연구를 통하여 선회형 가공 공법으로 제작된 볼스크류가 소음 및 변형량 측면에서 우수한 품질을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다. 선회형절삭 가공장비 개발 이전에 선회형 스핀들에 관하여 본 연구를 진행하였다.
따라서 선회형 절삭가공 방법이 기존 공법 대비하여 우수한 공법임을 확인하였다 . 본 연구는 Lee^[5]등이 선회형 스핀들에 관하여 구조해석을 수행한 연구결과를 참조하였으며 , 추가 적으로 스핀들의 회전수를 3, 000 rpm 까지 증속시켜 해석하고 실험에 의한 발열효과와 냉각효과를 분석한 연구이다.
8 ㎛ 로 측정되었다 . 개발 목표인 7.0 ㎛ 이하로 만족하여 발열실험이 진행되었다.
본 연구는 볼스크류 샤프트 선회 가공을 위한 3, 000 rpm 급 선회형 스핀들에 관한 구조 해석과 실증 평가를 수행하여 발열과 냉각효과를 검증한 연구이다 . 선회형 스핀들의 성능을 증가시켜 평가한 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

또한 , 스핀들의 외곽 하우징에 냉각을 적용 할 경우 발열이 저감되는 현상을 분석하기 위하여 공작기계용 고속 스핀들의 도면을 참조하였다.
본 연구에서는 하드터닝이 가능한 3, 000 rpm 급선회형 스핀들의 발열에 관한 구조해석을 진행 하였고 , 그 결과를 바탕으로 냉각 자켓 (jacket) 이 접목된 선회형 스핀들의 설계 및 제작이 진행되었다 . 또한 베어링 발열에 대한 저감장치의 필요성을 실험적으로 검증하기 위하여 성능평가용 테스트 벤치 (test bench) 를 제작하였다 .
선회형 스핀들의 설계 및 제작이 진행되었다 . 또한 베어링 발열에 대한 저감장치의 필요성을 실험적으로 검증하기 위하여 성능평가용 테스트 벤치 (test bench) 를 제작하였다 .
테스트 벤치를 활용하여 선회형 스핀들의 정밀도 수준을 파악하였고 구간별 회전수 순차상승 조건 , 회전수 가변형 조건 , 베어링 냉각의 적용 및 베어링 냉각의 미 적용 조건으로 분류하여 4 차에 걸친 실험을 진행하여 결과를 도출하였다 . 회전수순차 상승 조건에 대해서는 발열해석 결과와 실험 결과에 대해서 수렴치를 도출하였다.
회전수순차 상승 조건에 대해서는 발열해석 결과와 실험 결과에 대해서 수렴치를 도출하였다.
선회형 절삭 가공법이 기존 공법 대비하여 우수한 공법임을 확인하기 위하여 실험을 통하여 볼스크류 샤프트의 휨 변형량과 소음을 측정하였다.
3과 같이 유한요소 모델을 설정하였다 . 발열이 발생하는 부위의 베어링과 선회형 모듈 부분은 정확한 해석을 위해 매시 (mesh) 의 크기를 5 mm 로 설정하여 해석하였다 . 하우징 (housing) 부분의 매시는 10 mm, 매시 매소드 (method) 는 Hex Dominant 를 적용하였다 .
하우징 (housing) 부분의 매시는 10 mm, 매시 매소드 (method) 는 Hex Dominant 를 적용하였다 . 절점 (nodes) 은 523, 619 개로 구성되며 요소 (elements) 는 249, 793 개를 사용하여 스핀들 회전속도는 500 rpm 부터 3, 000 rpm 까지 500 rpm 의 일정한 상승조건으로 증가시켜 해석을 진행하였다. 선회형 링 (whirling ring) 에 1, 000 N 의 절삭 부하를 부여하고 3, 000 rpm 회전 시의 구조해석 결과는 절삭부하를 부여한 선회형 링에서 최대변위가 5.
4 ㎛ , 최대응력은 25 MPa 이 발생되었다 . 선회형링은 SCM415 재질의 항복 강도가 350 Mpa 이므로 항복강도 이내의 구조적인 안정성을 확인하였다.
실험을 위하여 선회형 스핀들을 설계 및 제작하였다. 3, 000 rpm 급 선회형 스핀들은 Fig.
선회형 스핀들이 저속에서 최대 3, 000 rpm 회전 시에 나타나는 발열특성과 발열변위를 파악하기 위하여 Table 3과 같이 4 차의 실험 계획을 수립하였다 . 1 차와 2 차 실험 조건은 선회형 스핀들의 냉각 및 미 냉각 조건을 부여하였으며 구간별 회전수를 500 rpm 씩 30 min 간 구동하여 실험을 진행하였다 . 3 차와 4 차 실험 조건은 공작기계 열변형 시험 방법인 KS B ISO 230-3 의 규격을 참고하여 회전수 가변형 조건으로 실험을 진행하였다 .
8과 같으며 100% 범위에서 분할하여 회전수가 가속 및 감속이 되어진다 . 고 분해능 변위센서를 X 축과 Z 축 방향으로 설치하여 발열변위를 측정하였다 . 발열 측정용 온도 센서는 베어링 외곽부의 하우징에 설치하였다 .
선회형 스핀들 대상으로 회전수 3, 000 rpm 까지 500 rpm 씩 순차 상승시키면서 스핀들 내부의 냉각 자켓에 미 냉각 및 냉각조건을 부여하여 발열 실험을 진행하였다 . 1 차 실험 결과는 순차 상승 (Fig.
스핀들의 회전수가 100%(3, 000 rpm) 기준에서 Fig. 8 과 같이 회전수를 가변하면서 스핀들 내부의 냉각자켓에 미냉각 및 냉각조건을 부여하여 발열 실험을 진행하였다 . 3 차 실험 결과는 회전수 가변(Fig.
3. 선회형 스핀들이 2,500 rpm 에서 3,000 rpm 구간에서 발열 변위가 상승되는 현상을 확인하였으며 , 선회형 스핀들에 냉각자켓의 적용 필요성이 대두되어 3, 000 rpm 급 선회형 스핀들에 냉각장치를 추가 적용 및 개선 개발하였다.

대상 데이터

2와 같은 선회형 공법으로 가공하여 측정한 결과 43 ㎛ 로 측정되어 휨 변형량의 정밀도는 약 10 배가 향상되었다 . 소음측정은 상기 볼스크류의 완제품을 적용하였으며 KS I ISO 11201 규격 기준으로 측정하였다 . 볼스크류의 소음 측정 결과는 기존 공법으로 절삭 가공을 적용한 샘플이 74.

이론/모형

발열특성을 연구하였다. Chen^[12]등이 제시한 스핀들의 발열량 산출에 관한 이론식을 참조하여 구조해석을 실시하였다.
발열이 발생하는 부위의 베어링과 선회형 모듈 부분은 정확한 해석을 위해 매시 (mesh) 의 크기를 5 mm 로 설정하여 해석하였다 . 하우징 (housing) 부분의 매시는 10 mm, 매시 매소드 (method) 는 Hex Dominant 를 적용하였다 . 절점 (nodes) 은 523, 619 개로 구성되며 요소 (elements) 는 249, 793 개를 사용하여 스핀들 회전속도는 500 rpm 부터 3, 000 rpm 까지 500 rpm 의 일정한 상승조건으로 증가시켜 해석을 진행하였다.
스핀들 회전오차 측정은 KS B ISO 230-1 규격을 참고하였다 . 측정 결과 , 축 방향 6.
1 차와 2 차 실험 조건은 선회형 스핀들의 냉각 및 미 냉각 조건을 부여하였으며 구간별 회전수를 500 rpm 씩 30 min 간 구동하여 실험을 진행하였다 . 3 차와 4 차 실험 조건은 공작기계 열변형 시험 방법인 KS B ISO 230-3 의 규격을 참고하여 회전수 가변형 조건으로 실험을 진행하였다 . 회전 수가변형 조건의 회전수 설정과 회전 시간의 관계는 Fig.

성능/효과

소음측정은 상기 볼스크류의 완제품을 적용하였으며 KS I ISO 11201 규격 기준으로 측정하였다 . 볼스크류의 소음 측정 결과는 기존 공법으로 절삭 가공을 적용한 샘플이 74.5 dB, 선회형 절삭가공을 적용한 샘플이 65.0 dB 로 측정되어 12.8% 가 개선되었다 . 따라서 선회형 절삭가공 방법이 기존 공법 대비하여 우수한 공법임을 확인하였다 .
8% 가 개선되었다 . 따라서 선회형 절삭가공 방법이 기존 공법 대비하여 우수한 공법임을 확인하였다 . 본 연구는 Lee^[5]등이 선회형 스핀들에 관하여 구조해석을 수행한 연구결과를 참조하였으며 , 추가 적으로 스핀들의 회전수를 3, 000 rpm 까지 증속시켜 해석하고 실험에 의한 발열효과와 냉각효과를 분석한 연구이다.
Table 2는 Table 1에서 제시한 실험조건 대비 냉각 조건의 결과이다 . 해석 결과 선회형 스핀들이 미 냉각 조건에서 최대 발열온도는 31.0 ℃이며 최대 발열변위는 19.6 ㎛로 발생되었다.
참고하였다 . 측정 결과 , 축 방향 6.2 ㎛ , 축 직각 방향 5.8 ㎛ 로 측정되었다 . 개발 목표인 7.
진행하였다 . 1 차 실험 결과는 순차 상승 (Fig. 9 ) 및 미 냉각조건 (Fig. 10) 이며 3, 000 rpm 구간에서 베어링부의 최대발열(t_b) 은 34.29 ℃ , 최대변위는 스핀들의 X 축 방향으로 27.23 ㎛ 로 발생됨을 확인하였다 . 2 차 실험 결과는 순차상승 (Fig.
8 과 같이 회전수를 가변하면서 스핀들 내부의 냉각자켓에 미냉각 및 냉각조건을 부여하여 발열 실험을 진행하였다 . 3 차 실험 결과는 회전수 가변(Fig. 13 ) 및 미 냉각조건 (Fig. 14) 이며 40 min 구간에서 3, 000 rpm 회전 시 베어링부의 최대발열 (t_b) 은 31.31 ℃ , 최대변위는 스핀들의 X 축 방향으로 20.61 ㎛ 로 발생됨을 확인하였다 . 4 차 실험 결과는 회전수 가변(Fig.
26 % 의 수렴율이 도출되었다 . 발열 변위는 실험 시 12.54 ㎛ 가 저감되고 해석 시 12.10 ㎛ 가 저감되어 97.13% 의 수렴율이 도출되었다 .
1. 발열실험 결과 대비하여 발열해석 결과를 분석하면 발열온도는 64.26%, 발열변위는 97.13% 의 수치로 수렴하는 것을 확인하였다.
2. 회전수 순차 상승 및 가변 조건에서 스핀들을 냉각 시 발열온도 차이는 0.33 ℃ , 발열변위 차이는 2.57 ㎛ 로 미소한 결과이다 . 선회형 가공 시 급격한 회전 운전 조건에도 가공정밀도 오차범위 이내로 확인되므로 안정적으로 판단된다.

후속연구

. 선행 연구를 통하여 선회형 가공 공법으로 제작된 볼스크류가 소음 및 변형량 측면에서 우수한 품질을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다. 선회형절삭 가공장비 개발 이전에 선회형 스핀들에 관하여 본 연구를 진행하였다.

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