[논문]유정압베어링 이용 초정밀 롤 금형 가공기의 열적 특성 평가 및 분석

심종엽; 오정석; 송창규; 박천홍

문제 정의

이러한 정밀도 요구에 부합하기 위해서는 열과 온도에 대한 보상이 필수불가결 하다. 본 논문에서는 롤 금형 가공기의 열적 보상을 위한 기초 실험 및 분석 결과를 보인다.
본 논문에서는 롤 금형 가공기의 온도 변화에 따른 정밀도 보정에 관한 실험에 대하여 소개하였다. 가공기는 구동시 동적인 영향이 크게 나타나지 않는 것으로 판단되며 이것은 유정압베어링이 유효하게 설계되었음을 나타낸다.

제안 방법

롤 금형을 회전시키는 주축(C-axis)과 이와 동기화되어 롤의 길이방향으로 이송되는 Z-축이 있고 절삭깊이를 조절하기 위한 X-축, 공구의 회전을 가능하게 하는 B-축이 존재한다. 주축, 직선 운동계, 심압대에 모두 유정압베어링을 채용하여 고강성, 고감쇄 및 고정밀도의 특성을 구현한다. 또한 구동기에는 리니어모터 및 DD(Direct Drive) 모터를 채용하여 무마찰 고정밀도 구동을 구현하였다.
주축, 직선 운동계, 심압대에 모두 유정압베어링을 채용하여 고강성, 고감쇄 및 고정밀도의 특성을 구현한다. 또한 구동기에는 리니어모터 및 DD(Direct Drive) 모터를 채용하여 무마찰 고정밀도 구동을 구현하였다. 주축의 모터와 유정압베어링에는 냉각 재킷을 설치하여 구동 시 온도상승에 의한 열변형을 최소화하였으며 Z-축 리니어모터에도 냉각판을 채용하였다.
주축의 모터와 유정압베어링에는 냉각 재킷을 설치하여 구동 시 온도상승에 의한 열변형을 최소화하였으며 Z-축 리니어모터에도 냉각판을 채용하였다. 그림 2 에는 심압대 구조를 보이고 있고 저널 베어링과 스러스트 베어링에 모두 유정압베어링을 채용하였고 독특하게 스프링을 이용하여 롤 금형과 베어링부를 커플링 시켰다. 이 커플링 스프링 구조의 역할은 롤 금형의 길이가 길어질수록 크게 발생할 열팽창에 의한 롤 길이의 변화를 흡수하는 역할을 수행한다.
따라서, 주축대 및 심압대 그리고 대기온도에 따른 롤 금형 가공기의 열팽창 양상 분석과 그에 따른 직선축 이송계의 보정 방법에 대한 연구가 필요하다. 이러한 목표에 대한 사전 검토 단계로서 여러가지 물리량을 여러 위치에서 측정하여 분석하였다. 그림 3 에서는 롤 금형 가공기에 롤 금형을 장착하고 rpm 을 변화시키면서 회전 5주기 동안의 롤의 반경방향으로의 변동량을 비교한 결과이다.
여러 개의 capacitive sensor 및 eddy-current sensor 를 사용하였고 온도측정에는 T-형열전대를 사용하였다. Agilent 사의 인터페로미터를 사용하여 주축-심압대 간 거리를 측정하였고 대기 압력 및 온도를 측정하는 센서를 설치하여 인터페로미터 값의 파장 보정에 사용하도록 하였다. 롤 금형 가공기가 설치된 공간은 측정의 결과로서 4 시간 동안 약 1 도 이내로 대기온도 제어가 되었으며 베드의 온도는 0.
가공기는 구동시 동적인 영향이 크게 나타나지 않는 것으로 판단되며 이것은 유정압베어링이 유효하게 설계되었음을 나타낸다. 심압대측에 스프링을 이용한 열팽창 보상 구조를 채용하여 가공기의 롤 장착 동작시 온도상승에 대한 위치변화를 측정하였고 그 결과를 분석하였다.

대상 데이터

또한 구동기에는 리니어모터 및 DD(Direct Drive) 모터를 채용하여 무마찰 고정밀도 구동을 구현하였다. 주축의 모터와 유정압베어링에는 냉각 재킷을 설치하여 구동 시 온도상승에 의한 열변형을 최소화하였으며 Z-축 리니어모터에도 냉각판을 채용하였다. 그림 2 에는 심압대 구조를 보이고 있고 저널 베어링과 스러스트 베어링에 모두 유정압베어링을 채용하였고 독특하게 스프링을 이용하여 롤 금형과 베어링부를 커플링 시켰다.
그림 4 에는 롤 금형 가공기에서 데이터 취득을 위한 센서들의 배치를 보이고 있다. 여러 개의 capacitive sensor 및 eddy-current sensor 를 사용하였고 온도측정에는 T-형열전대를 사용하였다. Agilent 사의 인터페로미터를 사용하여 주축-심압대 간 거리를 측정하였고 대기 압력 및 온도를 측정하는 센서를 설치하여 인터페로미터 값의 파장 보정에 사용하도록 하였다.

후속연구

따라서, 주축대 및 심압대 그리고 대기온도에 따른 롤 금형 가공기의 열팽창 양상 분석과 그에 따른 직선축 이송계의 보정 방법에 대한 연구가 필요하다. 이러한 목표에 대한 사전 검토 단계로서 여러가지 물리량을 여러 위치에서 측정하여 분석하였다.
또한 주축/심압대의 온도 변화 뿐만이 아니라 대기온도의 변화를 보정하려면 대기 온도 변화에 따른 열팽창에서 롤 금형의 기준점을 찾아야 한다. 현재로서는 심압대 스프링구조의 정상동작 여부 및 기초 실험을 수행하였으나 새로운 지그 설계 및 측정 실험/분석을 통하여 열보상의 기준을 마련할 것이다.

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