In the recent fourth industrial revolution, the demand for additive processes has emerged rapidly in many mechanical industries, including the aircraft and automobile industries. Additive processes, in contrast to subtractive processes, can be used to produce complex-shaped products, such as three-d...
In the recent fourth industrial revolution, the demand for additive processes has emerged rapidly in many mechanical industries, including the aircraft and automobile industries. Additive processes, in contrast to subtractive processes, can be used to produce complex-shaped products, such as three-dimensional cooling systems and aircraft parts that are difficult to produce using conventional production technologies. However, the limitations of additive processes include nonuniform surface quality, which necessitates the use of post-processing techniques such as subtractive methods and grinding. This has led to the need for hybrid machines that combine additive and subtractive processes. A hybrid machine uses additional additive and subtractive modules, so product deformation, for instance, deflection, is likely to occur. Therefore, structural analysis and design optimization of hybrid machines are essential because these defects cause multiple problems, such as reduced workpiece precision during processing. In this study, structural analysis was conducted before the development of an additive/subtractive hybrid processing machine. In addition, structural optimization was performed to improve the stability of the hybrid machine.
In the recent fourth industrial revolution, the demand for additive processes has emerged rapidly in many mechanical industries, including the aircraft and automobile industries. Additive processes, in contrast to subtractive processes, can be used to produce complex-shaped products, such as three-dimensional cooling systems and aircraft parts that are difficult to produce using conventional production technologies. However, the limitations of additive processes include nonuniform surface quality, which necessitates the use of post-processing techniques such as subtractive methods and grinding. This has led to the need for hybrid machines that combine additive and subtractive processes. A hybrid machine uses additional additive and subtractive modules, so product deformation, for instance, deflection, is likely to occur. Therefore, structural analysis and design optimization of hybrid machines are essential because these defects cause multiple problems, such as reduced workpiece precision during processing. In this study, structural analysis was conducted before the development of an additive/subtractive hybrid processing machine. In addition, structural optimization was performed to improve the stability of the hybrid machine.
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문제 정의
. 따라서 적층 절삭 하이브리드 가공기 구조물 전체의 안정성 증대를 위하여 C 자형 지지부의 최적 두께를 산출하기 위하여 치수 최적화를 진행하였다.[10~14]
본 연구에서는 적층/ 절삭 하이브리드 (Additive/ subtractive hybrid machine) 공작기계의 구조 안정성 분석을 위해 구조해석을 수행하였고 , Z’ 축 이송 부의 독립적인 거동을 위한 C- 형 지지부의 구조 안정화를 위하여 수치 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 하이브리드 가공기 설계를 위한 하이브리드 가공 공정의 구조안정성을 확인하기 위하여 구조해석을 실시하였으며 , 적층 헤드의 X 축 방향 이송을 담당하는 C- 형 지지부의 수치 최적화를 수행하였다 . 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
제안 방법
3D 적층 절삭 하이브리드 가공기에 대한 구조해석은 제안된 공작기계의 X 축 이송계와 Z 축 이송계의 안정성을 평가하기 위하여 최대 처짐이 발생할 것으로 예상되는 Z’ 축 이송계와 주변 장치를 중심으로 진행하였다 . 구조해석 결과 , 최대 응력은 C- 형 지지부와 스핀들 지지부의 연결점에서 31.
하단 6 개의 지지부에 하단지지부 (Fixed support) 조건을 적용하였고 , 구조물 전체에 대하여 중력조건 (Standard Earth gravity) 을 적용하였다 . 격자구조 (Mesh) 는 스윕 메쉬 (Sweep method) 와 헥사 메쉬 (Hex dominant method) 를 사용하였고 , 기본 메쉬크기 (default size) 는 50 mm 로 설정하였으며 크기가 작은 구조물에는 메쉬 크기 (mesh size) 10 mm 를 적용하였다 . 구조해석은 상용 프로그램 ANSYS Workbench 를 사용하여 수행하였으며 사용된 유한요소 모델은 104, 298 개의 요소 (Elements) 와 511, 499 개의 절점 (Nodes) 으로 구성되어 있다.
이는 자중에 의한 처짐이나 파손을 야기할 수 있으며, 처짐이나 파손이 발생할 시 적층 및 절삭 작업의 정확도와 표면 개질에 치명적인 결함을 발생시킬 수 있다. 따라서 유한요소해석을 통해 적층/ 절삭 가공기의 정적 안정성을 평가하기 위한 구조해석을 수행하였다 . 해석하기에 앞서 구조해석의 오차 및 해석 시간 단축을 위하여 Fig.
C- 형 지지부는 X 축 이송 계를 부착하여 적층 헤드의 거동을 돕는다 . 또한 테이블은 X 축과 Y 축으로 이동하며 공작물을 이송할 수 있도록 하였다 . Fig.
본 연구에서 제안된 적층 절삭 하이브리드 가공 가는 적층과 동시에 절삭공정을 수행하는 장치로, 기존 스핀들만 부착하여 사용하였던 절삭 가공기와 달리 적층을 위한 적층 모듈 및 부가장치를 추가로 부착하여 사용하기 때문에 기존 절삭 가공기보다 가공부에서 더 많은 하중을 받게 된다. .
본 연구에서 제안된 적층/ 절삭 하이브리드 가공기는 베드와 바디 , 절삭가공을 위한 스핀들을 부착한 기존 절삭가공기에 추가로 Z’ 축 이송계와 적층 헤드를 부착하여 적층 공정과 동시에 절삭 공정을 수행할 수 있게 설계되었다 . 스핀들 지지부에 X 축 이송계와 Z’ 축 이송계를 부착하여 스핀들을 움직이지 않아도 적층 모듈을 X 축 , Z 축 방향으로 움직일 수 있게 하였다 .
수행할 수 있게 설계되었다 . 스핀들 지지부에 X 축 이송계와 Z’ 축 이송계를 부착하여 스핀들을 움직이지 않아도 적층 모듈을 X 축 , Z 축 방향으로 움직일 수 있게 하였다 . X 축 이송계와 Z’ 축 이송 계는 C- 형 지지부에 부착되어 적층헤드를 이송하는 역할을 수행한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 적층 공정과 절삭 공정을 동시에 수행할 수 있는 금속 분말 3D 적층 기반 하이브리드 공작기계를 제작하였다 이. 로써 기존 절삭 가공 공정의 단점이었던 형상 자유도의 한계를 극복할 수 있고 , 소재 낭비율을 절감할 수 있음과 동시에 적층 공정에 필수적인 표면 개질 또한 수행할 수 있다.
를 사용하여 수행하였다 . 적층 절삭 하이브리드 가공기의 구조 안정화를 위해 최대 변형이 나타난 부분인 적층모듈 이송을 위한 Z’ 축 이송 계가 부착된 C- 형 지지부의 두께를 설계 변수로 설정하여 초기 두께 20.5 mm 에서 1 mm 씩 두께를 줄여가면서 구조해석을 진행하였다 . Fig.
적층 절삭가공기의 주요 구조물 중 X 축 이송계및 Z’ 축 이송계 , 적층모듈을 구조해석의 오차 및 해석 시간 단축을 위하여 단순화 하였다 . 적층 절삭 가공기를 구성하는 부품 중 베드와 지지부, Z 축 이송계에는 SM45C 를 사용하였고 , 스핀들 지지부와 C- 형 지지부 , 적층 모듈 및 Z’ 축 이송계에는 FC300 을 사용하였다 .
스핀들을 구성하는 소재는 SS400 을 사용하였다 . 하단 6 개의 지지부에 하단지지부 (Fixed support) 조건을 적용하였고 , 구조물 전체에 대하여 중력조건 (Standard Earth gravity) 을 적용하였다 . 격자구조 (Mesh) 는 스윕 메쉬 (Sweep method) 와 헥사 메쉬 (Hex dominant method) 를 사용하였고 , 기본 메쉬크기 (default size) 는 50 mm 로 설정하였으며 크기가 작은 구조물에는 메쉬 크기 (mesh size) 10 mm 를 적용하였다 .
따라서 유한요소해석을 통해 적층/ 절삭 가공기의 정적 안정성을 평가하기 위한 구조해석을 수행하였다 . 해석하기에 앞서 구조해석의 오차 및 해석 시간 단축을 위하여 Fig. 3 과 같이 실제 모델을 단순화하여 구조해석을 진행하였다.
대상 데이터
격자구조 (Mesh) 는 스윕 메쉬 (Sweep method) 와 헥사 메쉬 (Hex dominant method) 를 사용하였고 , 기본 메쉬크기 (default size) 는 50 mm 로 설정하였으며 크기가 작은 구조물에는 메쉬 크기 (mesh size) 10 mm 를 적용하였다 . 구조해석은 상용 프로그램 ANSYS Workbench 를 사용하여 수행하였으며 사용된 유한요소 모델은 104, 298 개의 요소 (Elements) 와 511, 499 개의 절점 (Nodes) 으로 구성되어 있다. Table.
적층 절삭 가공기를 구성하는 부품 중 베드와 지지부, Z 축 이송계에는 SM45C 를 사용하였고 , 스핀들 지지부와 C- 형 지지부 , 적층 모듈 및 Z’ 축 이송계에는 FC300 을 사용하였다 . 스핀들을 구성하는 소재는 SS400 을 사용하였다 . 하단 6 개의 지지부에 하단지지부 (Fixed support) 조건을 적용하였고 , 구조물 전체에 대하여 중력조건 (Standard Earth gravity) 을 적용하였다 .
시간 단축을 위하여 단순화 하였다 . 적층 절삭 가공기를 구성하는 부품 중 베드와 지지부, Z 축 이송계에는 SM45C 를 사용하였고 , 스핀들 지지부와 C- 형 지지부 , 적층 모듈 및 Z’ 축 이송계에는 FC300 을 사용하였다 . 스핀들을 구성하는 소재는 SS400 을 사용하였다 .
데이터처리
C- 형 지지부의 최적화 설계는 상용 프로그램 ANSYS 를 사용하여 수행하였다 . 적층 절삭 하이브리드 가공기의 구조 안정화를 위해 최대 변형이 나타난 부분인 적층모듈 이송을 위한 Z’ 축 이송 계가 부착된 C- 형 지지부의 두께를 설계 변수로 설정하여 초기 두께 20.
성능/효과
1. 두 개의 Z 축 이송계로 구성되는 가공부를 가진 적층/ 절삭 하이브리드 가공기 조립품 전체에 대한 구조해석 결과 , 모든 구조물에서 제한 조건인 최대변형 0.116 mm 를 초과하지 않는 것으로 나타나 구조물 전체에 대한 구조 안 정성을 검증하였다.
5 mm 에서 제한조건보다 높은 수치의 변형량이 나타났고 , 두께가 감소할수록 처짐량이 커지는 것을 확인하였다. 12.5 mm 부터 16.5 mm 까지의 범위에서 변형량 제한조건 0.116 mm 를 넘지 않았기 때문에 , C- 형 지지부의 최적 두께는 가해지는 최대 응력이 가장 작은 15.5 mm 임을 확인하였다 . 이 경우 C- 형 지지 부의 구조 안전율은 C- 형 지지부를 구성하는 소재인 FC300 의 항복강도 (Yield stength) 가 195 MPa 인 것을 고려하였을 때 , 8.
2. 적층 절삭 가공기의 C- 형 지지부 수치 최적화를 위한 구조해석 결과 , C- 형 지지부의 두께가 얇아질수록 가해지는 응력은 임계점을 지나기 전에 감소하는 것을 확인하였다 . C- 형 지지부의 두께가 임계점을 지나면 최대 응력은 증가하는 것을 확인하였다.
3. C- 형 지지부의 두께 감소에 따른 최대 변형의 변화는 두께가 감소할수록 증가하는 것을 확인하였다 . 또한 두께 감소가 임계점을 지나게 되 면변형이 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.
4. C- 형 지지부의 수치 최적화에서 최적 두께는 제한 범위 내에서 최대 응력이 가장 낮은 15.5 mm 임을 검증하였다 . 이 경우 중량은 18.
74kg 를감소시킬 수 있다. C 형 지지부의 안전율은 8.4 이고 , 최대 응력 및 최대 변형은 제한 조건보다 낮은 수치로 최적화 설계의 구조 안정성을 검증하였다.
C- 형 지지부의 두께 11.5 mm 에서 제한조건보다 높은 수치의 변형량이 나타났고 , 두께가 감소할수록 처짐량이 커지는 것을 확인하였다. 12.
진행하였다 . 구조해석 결과 , 최대 응력은 C- 형 지지부와 스핀들 지지부의 연결점에서 31.7 MPa 로 나타났고 , 최대 변형은 Z’ 축 이송계 끝단에서 0.087 mm 로 나타났다 . Fig.
2 는 두께 감소에 따른 C- 형 지지부의 최대 응력 및 최대 변형을 나타낸다 . 두께 감소에 따른 최대 응력은 C- 형 지지부의 두께가 얇아질수록 감소하는 것을 확인할 수 있다 . 최대 처짐은 두께가 감소할 수록 증가하는 것으로 나타났다 .
C- 형 지지부의 두께 감소에 따른 최대 변형의 변화는 두께가 감소할수록 증가하는 것을 확인하였다 . 또한 두께 감소가 임계점을 지나게 되 면변형이 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.
이는 두께가 감소할수록 가해지는 하중도 감소하여 걸리는 응력이 감소하지만 , 임계점에 도달하면 걸리는 하중에 비해 두께가 너무 얇기 때문인 것으로 판단된다 . 또한 두께가 감소할수록 최대 변형은 증가하게 되고 , 임계점을 넘게 되면 처짐량이 급격히 증가함을 확인할 수 있다. 따라서 C- 형지지부의 최적 두께 수치는 11.
이. 로써 기존 절삭 가공 공정의 단점이었던 형상 자유도의 한계를 극복할 수 있고 , 소재 낭비율을 절감할 수 있음과 동시에 적층 공정에 필수적인 표면 개질 또한 수행할 수 있다. 또한 스핀들의 움직임을 제어하는 Z 축 이송부와 별개로 , 적층 모듈의 움직임만을 제어할 수 있는 Z’ 축 이송부를 추가로 부착하여 스핀들과 적층 모듈간의 독립적인 움직임을 가능케 하였다.
두께 감소에 따른 최대 응력은 C- 형 지지부의 두께가 얇아질수록 감소하는 것을 확인할 수 있다 . 최대 처짐은 두께가 감소할 수록 증가하는 것으로 나타났다 . 해석 결과 , 최대 응력은 12.
최대 처짐은 두께가 감소할 수록 증가하는 것으로 나타났다 . 해석 결과 , 최대 응력은 12.5 mm 에서 32.4 MPa 로 나타났고 , 최대 변형은 11.5 mm 에서 제한조건 0.116 mm 보다 높은 수치인 0.14 mm 로 나타났다 . C- 형 지지부의 두께가 감소할수록 최대 응력은 감소하다가 임계점에 도달하면 두께를 얇게 할수록 다시 증가하고 있다.
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