초록 ▼

- Hard Turning은 열처리한 고경도강(HRC 50-68)을 단인공구를 사용하는 선삭공정으로 가공하는 것으로, 연삭 공정을 대체할 수 있음(그림 1 참조). 일반적으로 기계 재료는 열처리가 반드시 필요한 경우가 많은데, 이 경우 종래에는 높은 표면경도와 부품정도 때문에 선삭이 불가능하여 연삭 공정에 의하여 정삭 가공이 이루어졌으나, 별도로 개발된 고강성고정도 CNC 선반과 CBN 등 특수단인공구로 생산단가가 상대적으로 저렴하며 생산성이 높은 Hard Turning 선삭 공정으로 대체가 가능해졌음. 현재 Hard Turning

- Hard Turning은 열처리한 고경도강(HRC 50-68)을 단인공구를 사용하는 선삭공정으로 가공하는 것으로, 연삭 공정을 대체할 수 있음(그림 1 참조). 일반적으로 기계 재료는 열처리가 반드시 필요한 경우가 많은데, 이 경우 종래에는 높은 표면경도와 부품정도 때문에 선삭이 불가능하여 연삭 공정에 의하여 정삭 가공이 이루어졌으나, 별도로 개발된 고강성고정도 CNC 선반과 CBN 등 특수단인공구로 생산단가가 상대적으로 저렴하며 생산성이 높은 Hard Turning 선삭 공정으로 대체가 가능해졌음. 현재 Hard Turning은 대량생산공정뿐만 아니라 다품종소량생산에도 많이 응용이 되는 미래 지향적인 공정이라고 할 수 있음.
- 연구개발의 목적 : 본 과제의 목적은 상기에 기술한 바와 같은 특성을 가진 Hard Turning공정을 용이하게 수행할 수 있는 고정밀급 CNC 선반의 개발임. 1단계 연구에서는 고경도 소재(HRC60-62)를 CBN공구로 선삭하여 IT5급 가공치수를 보증하는 고정밀 선반의 개발 및 주변 자동화 및 계측장비를 Integration 하였음. 2단계에서는 치수정도가 한 단계 높아진 ″폐루프 공정제어 시스템이 내장된 IT4급 정도를 보증하는 고정밀 선반의 개발″임.
- Hard Turning은 열처리한 고경도강 (HRC50-68)을 선삭 공정으로 가공하는 혁시 기술임. 재료는 열처리가 필요한 경우가 많은데, 이 경우 표면조도, 치수정도, 형상정도 때문에 연삭 공정에 의하여 정삭이 이루어졌으나, 고정도 절삭으로 대체함. (그림1 (a) 참조.)
- 1단계 연구결과 IT 5급 정도를 달성하였으나 정도 요구수준은 지속적으로 상승하여 IT 4급이 요구되며, 정보통신, 광학 등 IT 산업용 일부 부품은 1 ㎛ 내외의 초정밀 가공정도를 요구하고 있음.
- Hard Turning 공정에 따른 1단계 연구결과에 따르면, 비절삭 저항이 크고 절삭점에서 고온이 발생하여 공정의 변이성(變異性, variability)이 문제시 되고 있어 이의 저감을 위한 기계 내장형 폐루프 공정 제어 시스템 개발이 중요시 됨. 이것은 공정 모델과 실시간 모니터링을 통한 지능형 공정제어가 되어야 함을 의미함.
- Hard Turning 하드웨어와 IT 기술을 응용한 공정제어 소프트웨어를 통해 총생사원가를 낮추게 하며 동시에 생산성을 높게 하고자 하며, Hard Turning이라는 혁신기술에 바탕을 두고 최종 가공부품에 요구되는 속성을 생산공정의 각종 정보를 기계 내에서 처리할 수 있는 차세대 생산장비 개발이 필요함.
- 제품개발에 따라 관련된 공정개발이 뒤따르는 과거와는 달리, 공정개발이 제품개발을 이끄는 뚜렷한 경향을 현재 보여주고 있으며, 반도체 제조공정의 발달이 MEMS, Nanotechnology 등으로의 제품개발을 이끌어 주고 있은 것이 일례임.
- 이는 최신의 공정 혁신기술들은 미래지향적인 고부가가치 제품개발에 직접적인 촉매가 됨을 의미하며, 또한 공정에 대한 고도의 이해능력에 바탕을 둔 공정정보 처리능력이 생산성과 직결됨을 단편적으로 나타내줌.
- Hard Turning 가공은 극한의 정도가 필요한 초정밀 가공과 일반적인 정밀가공 사이에 그 범위가 놓여 있음.(그림 2. 참조)
- 초정밀 가공의 경우 사용장비는 각 유닛(주축, 이송계 등)이 독립적으로 극한의 정도를 유지하도록 설계되어 정도는 매우 우수하나 강성등에 문제가 있어 Hard Turning용으로는 적함하지 않으며 설혹 가능하더라도 고가의 장비 특성상 경제성이 희박함. 또한, 일반 공작기계와는 설계 개념이 상이하여 본 과제의 가공기 개발에는 그 기술개발 결과를 응용하기가 어려움. 즉 일반적으로 사용되는 보편적인 CNC선반에서 출발하여 고정도 고강성화를 이룩하는 것이 경제성이 있음.
- 고경도재의 선삭 가공시 비절삭력은 열처리전 소재가공시보다 2배로 증가됨. 또한 주기적인 절층생성 현상에 기인하는 고주파진동이 발생하기도 하여 표면 품위 및 공구 수명에 악영향을 미침. 이에 따라 고강성 공작기계 요소기술 개발에 대한 연구가 바탕이 되어야 함.
- 또한 연삭가공을 대체하기 위한 부품의 고정도 가공을 위해, Hard Turning공정에서 문제시 되는 비절삭 저항이 크고 절삭점에서 고온이 발생하여 생기는 공정의 변이성(變異性, variability) 저감을 위한 기계 내장형 폐루프 공정 제어 시스템 개발이 수행되어야 함.공작기계 각 유닛의 상대적인 고정밀화에 대한 연구가 뒤따라야 하며, 장시간에 걸친 연속가공 정도악화 요인에 대한 분석 및 저감 기술에 대한 연구가 중점적으로 이루어져야 함.

Abstract ▼

Hard Turning is an alternative to grinding. As such, its finishing process with emphasis on dimensional accuracy and surface finish quality. Like some grinding operations, hard turning is used to finish a workpiece that has been heat-treated at a range of 50∼62HRC. This implies that machines for har

Hard Turning is an alternative to grinding. As such, its finishing process with emphasis on dimensional accuracy and surface finish quality. Like some grinding operations, hard turning is used to finish a workpiece that has been heat-treated at a range of 50∼62HRC. This implies that machines for hard turning should be accurate and show low vibrations. Recent technological trends in Turning Centers are also focused on high accuracy and high reliability. Every-increasing demands for tight tolerances can only be satisfied by the mechanical accuracy of machines, and this is maintained by the high reliability.
Taking automotive turning parts as an example, we can easily identify that the tolerance range falls into within 10 micrometers in diameter. In order to hold such a tolerance range, the machine used should not deviated that much but keep its deviation down to 5 micrometers as minimum if we consider errors from cutting process. The current research status shows a deviation of 2 micrometers by careful considerations on the spindle and ball screw cooling configurations and bed structure and so on.
The Hardened material that has been machined by grinding process becomes possible to be machined by turning process for finishing works called ′Hard Turning′. The reason the hard turning process is rather applied than the grinding process for the finishing works of hardened material is the 1/3 of initial cost comparing to grinding process, and cost saving from decreasing of machining time through high speed machining comparing to grinding process.Also, the all machining process is finished with only one procedure, and the higher surface quality could be achieved not generating burning phenomenon in surface as grinding process.
For the hard turning machine, many advanced countries are executing enthusiastic investigation and research. But in Korea, the core techniques have not been accumulated yet. For main technologies for the hard turning process, not only the designing technology of the hardware by achieving high precision and high stiffness of basic elements but also all the know-how about the hard-turning machining technology for manipulators to use with no problem, and the dynamic measurements as chatter, cutting force and cutting temperature that are necessary for designing should be accumulated.
Therefore, in case of the hard turning machine, the achievement of international competitiveness by establishing the hardened material machining technology could be considered as the most important point to increase exportation and to decrease importation in machinery industry in near future.
Therefore, the research is scheduled with three-division-year for the stage one and the stage two is followed after with two division-year.
Finally, in this research of stage two, the prediction algorithm for surface roughness and the control algorithm of surface roughness of hardened material machining which is demanded in finishing process is studied. Also, the system for control of surface roughness of hardened material machining is proposed.

목차 Contents

• 세부과제 Ⅰ. Hard Turning 대응형 고정밀 선반개발...27
• 제 1 장 서론...44
• 1. 연구개발 목적...44
• 2. 연구개발 필요성...45
• 3. 연구개발의 범위...46
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...48
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과...50
• 1. 연구개발 최종목표 대비 달성실적 요약...50
• 2. 가공기 설계 기본개념...55
• 3. 베드 구조물의 상세설계...58
• 4. 주축의 상세 설계...65
• 5. 이송계의 상세 설계...79
• 6. 온도 보정을 이용한 공작물 자동 치수 보정장치...82
• 7. 고경도 강재의 고정도 가공을 위한 가공기술 평가...89
• 7.1 연구 개발의 필요성...89
• 7.2 연구개발 목표 및 내용...89
• 7.3 국내외 기술개발 현황...90
• 7.3.1 연구개발내용의 세계적 수준 및 연구개발 실적...90
• 7.4 현 기술상태의 취약성 및 전망...91
• 7.5 연구 개발수행 내용 및 결과...91
• 7.5.1 고경도 강재 가공의 절삭력과 표면 품위에 관한 연구...91
• 7.6 고경도 강재 가공의 고정도 표면조도 구현에 관한 연구...104
• 7.6.1 고경도 강재 가공의 표면 조도 예측 알고리즘...104
• 7.6.2 고경도 강재 가공의 표면 조도 제어 알고리즘...105
• 7.6.3 시스템의 구성...107
• 제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 대외 기여도...111
• 1. 연도별 연구개발 목표 달성도...111
• 1.1 1차년도 연구개발 목표 달성도...111
• 1.2 차년도 연구개발 목표 달성도...112
• 2. 대외 기여도...113
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용계획...114
• 1. 추가 연구 필요성...114
• 2. 타 연구에의 응용...115
• 3. 기업화 추진방향...115
• 제 6 장 참고문헌...116
• 특정연구개발사업 연구결과 활용계획서...118
• 세부과제 Ⅱ. 고강성 복합구조물의 요소설계 기술개발...129
• 제 1 장 서론...144
• 제 1 절 연구개발의 필요성...144
• 제 2 절 연구개발 최종목표...147
• 제 3 절 연차별 연구개발 내용 및 목표...148
• 제 2 장 고강성 Hard Turning 미신 구조물의 해석...149
• 제 1 절 고강성 Hard Turning 머신의 기본구조 검토와 절삭력 전달경로 분석...149
• 제 2 절 볼스크류의 열 발생 계산...151
• 제 3 절 고강성 주축 베어링 Span 최적화...152
• 제 4 절 고강성 이송계의 정적 강성 및 고유진동수 예측...157
• 제 5 절 주축 구조물의 유한요소법을 이용한 정적 구조 해석...163
• 제 6 절 주축 구조물의 열전달 경로 및 열변형 해석...168
• 제 7 절 고강성 주축의 동특성 및 절삭력 응답 해석...175
• 제 3 장 고강성 구조물의 열적 특성 연구...179
• 제 1 절 오일 냉각기용 온도센서의 동적 온도 민감도에 관한 연구...179
• 제 2 절 정밀 오일냉각기의 오일온도 제어오차에 관한 연구...189
• 제 3 절 주축의 온도제어를 위한 능동 냉각기법에 관한 연구...198
• 제 4 절 하드터닝에서 CBN 공구홀더의 열변형이 가공정밀도에 미치는 영향...206
• 제 4 장 고강성 하드터닝 머신 구조물의 성능 평가...218
• 제 1 절 주축과 베드의 정강성 평가...218
• 제 2 절 하드터닝 머신 구조불의 진동 모우드 해석...224
• 제 3 절 하드터닝 머신의 열적 성능 평가...231
• 제 5 장 결론...241
• 제 6 장 목표 달성도...244
• 제 7 장 연구개발 결과의 활용 계획...245
• 제 8 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술 정보...246
• 제 9 장 참고문헌...247
• 특정연 Ⅲ. 고 정밀 냉각 시스템 개발...263
• 제 1 장 서론...277
• 1 절. 연구개발의 과학기술, 사회경제적 중요성...277
• 1. 기술적 측면...277
• 2. 경제ㆍ산업적 측면...277
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...278
• 1 절. 지금까지의 연구개발 실적...278
• 2 절. 현기술상태의 취약성...278
• 3 절 앞으로의 전망...279
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과...279
• 1 절. 오일쿨러에 관한 기초이론...279
• 1. 오일쿨러 시스템의 특징...279
• 2. 오일쿨러 시스템의 용량조절...281
• 2 절. 오일쿨러 성능실험...282
• 1. 개요...282
• 2. 실험대상 및 장치의 구성...284
• 3 절. 연구 내용...289
• 1. 오일 냉각기 구조 설계 및 제작...289
• 2. 제어기 설계 및 제작...293
• 3. 제어알고리즘의 개발...296
• 4 절. 연구결과...320
• 1. 오일냉각기 냉각능력...320
• 2. 제어 알고리즘 실험 결과...322
• 3. 결과 분석...325
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 대외기여도...326
• 1 절. 연구개발목표 달성도...326
• 2 절. 대외 기여도...327
• 1. 기술적 측면...327
• 2. 경제ㆍ산업적 측면...327
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용방안...328
• 1 절. 추가연구의 필요성...328
• 2 절. 기업화 추진방안...328
• 제 6 장 참고문헌...329
• 특정연구개발사업 연구결과 활용계획서...332