[논문]공작기계의 4차 산업혁명에서 5축 절삭가공기 교육 중 AC축을 제어하는 2NC 헤드 가공상의 유한요소 해석으로 응력 및 변형에 관한 연구

이지웅

doi:10.14702/jpee.2021.327

공작기계의 4차 산업혁명에서 5축 절삭가공기 교육 중 AC축을 제어하는 2NC 헤드 가공상의 유한요소 해석으로 응력 및 변형에 관한 연구
A Study on Stress and Deformation through Finite Element Analysis of 2NC Head Processing Controlling AC Axis during 5-Axis Cutting Machine Training in the 4th Industrial Revolution of Machine Tool System 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.13 no.2, 2021년, pp.327 - 332

이지웅 (영남이공대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

교육용으로 사용되는 피삭재(소재)는 SM20C, Al6061, 아크릴 등의 소재를 사용한다. SM20C 소재는 탄소강으로서 자격증 시험 및 기능경기대회에서 많이 사용되지만 산업현장에서도 많이 사용된다. Al6061 소재는 탄소강에 비하여 경도가 낮아지고 전성(연성)이 강한 소재이기에 공구의 구성인선이 많이 발생하는 소재 라고 한다. 아크릴 소재를 이용하여 학생들에게 실습지도 하면 어느 부분에서 과다 절삭으로 인하여 진동이 발생하고 공구의 파손이 발생하는 소재이다. 이러한 과정에서 5축장비인 2NC헤드에게 가해지는 충격이 정밀도 제어에는 어느정도 영향을 줄 수 있는지 알아본다. 5축장비의 가장 취약한 부분은 AC축을 제어하는 헤드가 가장 약한 부분이라 할 수 있다. 이 부분의 정밀도 및 누적 공차가 발생할 경우 모든 제품의 정밀도가 떨어지는 현상이 발생한다. 따라서 2NC헤드의 핵심적인 부분, 스핀들 하우징은 Al7075 T6(미국 알코아사) 소재를 사용하고 전체 바디는 FCD450 (구상흑연주철) 사용하여 진행하였다. 이 두가지 소재에서 작용되는 진동 및 절삭 과정에서 힘을 극한조건에서 유한요소 해석으로 적용되는 값을 밝혀 내고자 해석을 진행하였다. 이러한 해석 데이터를 활용하여 학생들이 5축절삭 보다 5축 가공기의 구조를 보고 이해하는데 도움이 되기를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Materials used for education include SM20C, Al6061, and acrylic. SM20C materials are used a lot in certification tests and functional competitions as carbon steel, but they are also used in industrial sites. Al6061 is said to be a material that produces a lot of tools because it has lower hardness than carbon steel and is highly flexible. When practical guidance is given to students using acrylic materials, it is a material that causes vibration and tool damage due to excessive cutting. In this process, we examine how impact on the 5-axis equipment 2NC head can affect precision control. The weakest part of a five-axis equipment is the head that controls the AC axis. In the event of precision and cumulative tolerances in this area, the precision of all products is reduced. Thus, a key part of the 2NC head, the spindle housing was carried out using Al7075 T6 (U.S. Alcoasa) material and the entire body using FCD450 (spherical graphite cast iron). In the vibration and cutting process acting on these two materials, the analysis was carried out to determine the value of applying the force as a finite element analysis under extreme conditions. We hope that using these analytical data will help students see and understand the structure of 5-axis machining rather than 5-axis cutting.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 5축 절삭가공기의 2NC헤드의 전체적인 구조 Fig. 1. Overall structure of the 2NC head of a 5-axis cutting machine.
그림 그림 2. 2NC헤드를 유한요소해석 하기 위하여 불필요한 부분을 제 거 후 스핀들 축 회전조건, 모터회전조건을 부여한 경우 Fig. 2. In case the spindle shaft rotation condition and motor rotation condition are given after removing unnecessary parts for the finite element analysis of the 2NC head.
그림 그림 3. 유한요소해석을 위한 메쉬 설정 Fig. 3. Mesh settings for finite element analysis.
표 표 1. 2NC헤드 사양표 Table 1. 2NC head specification table
표 표 2. 유한요소해석에 대한 고려사항 Table 2. Considerations for finite element analysis
그림 그림 4. 스핀들 하우징 및 전체 바디 설정 Fig. 4. Spindle housing and full body settings.
그림 그림 5. AC축의 회전, 각도 조건 및 구속조건 Fig. 5. Rotation, angular conditions, and constraints of the AC axis.
표 표 3. 소재별로 적용되는 하중조건 Table 3. Load conditions applied by material.
그림 그림 6. 변형 분석 결과 Fig. 6. Case 2 variant analysis results.
그림 그림 7. 응력 해석 결과 Fig. 7. Case 2 stress analysis results.

참고문헌 (11)

N. H. Kim, "Selection of the optimal machining condition for a high-hardness resin using the 5-axis machine," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 11, no. 5, pp. 29-34, 2012.
S. H. Kim, "Machining precision of 5-axis and 3-axis with rotating table machining center," Master's thesis, Graduate School of Engineering, Incheon National University: Mechanical Engineering, February 2021.
S. G. Kim, "Design optimization of the rib structure of a 5-axis multi-tasking functional machine tool considering the static stiffness," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, vol. 25, no. 5, pp. 313-320, 2016.

원문보기 상세보기
J. S. Kim, "A study on design optimization of 5-axis multi-tasking machine tools considering static and dynamic stiffness," Master's thesis, Graduate School of Mechanical Engineering, Mechanical and Automotive Engineering, Daegu University, August 2021.
S. K. Kim, "A study on the static and dynamic stiffness prediction of a 5-axis multi-functional machining center with the finite element analysis," Master's thesis, Daegu University: Mechanical Engineering, Mechanical and Automotive Engineering, 2015.
J. P. Hong, B. C. Gong, S. D. Choi, H. J. Choi, and D. S. Lee, "Study on structure design of high-stiffness for 5-axis machining center," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 10, no. 5, pp. 7-12, 2011.
H. J. Choi, C. W. Park, E. S. Jang, C. H. Kim, and S. D. Choi, "Design of high speed spindle for 5-axis machining equipment equipped with piezo-electric load sensoring," The Korean Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 10, no. 5 , pp. 20-25, 2011.
K. I. Lee, "Sphericity evaluation and measurement of the geometric errors for a five-axis machine tool," Doctor dissertation, Graduate School of Mechanical Engineering, Kyungpook National University, 2013.
J. B. Park, "A study on the structure design and geometric error calibration of a large gantry type 5-axis machine tool," Master's thesis, Graduate School of Chung buk-do University: Mechanical Engineering (Hospital), August 2013.
J. S. Park, "A study on the geometric error correction of rotating shaft of 5-axis machine tool using cross-shaped calibrator," Master's thesis, Graduate School of Dankook University: Mechanical Engineering, Production and Control, February 2020.
H. C. Lee, "Integrated analysis and design of interlocking control system for 5-axis CNC machine tools," Master's thesis, Graduate School of Dankook University: Mechanical Engineering and Mechanical Engineering, February 2008.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format