KR100730811B1 - 열변형 보정기능을 갖는 공작기계의 헤드바디 프레임 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도구배가 심한 부분과 그렇지 않는 부분을 구분하여 각각 열팽창계수가 상이한 이종의 재질을 사용하므로써 구조적, 제어적으로 간단한 수동적인 바이메탈 효과를 이용하는 열변형 보정기능을 갖는 공작기계의 헤드바디 프레임에 관한 것이다.

이에 따른 본 발명은, 헤드바디 프레임(10)을 구성함에 있어서,

열팽창요소에 의해 온도구배가 심한 헤드바디 프레임(10)의 측면 주공을 경계로 그 상부에 C(2.0~2.2%), Si(1.0~1.5%), Mn(0.3~0.5%), P(0.045%이하), S(0.02%이하), Ni(34~36%), Mo(1.0~1.2%), Mg(0.025~0.035%)의 함량을 갖는 저열팽창소재(20)를 그 하부의 주물소재(21)와 일체로 구성하였다.

Description

열변형 보정기능을 갖는 공작기계의 헤드바디 프레임{Head body frame of a machine tool}

도 1 은 머시닝센터의 헤드구조를 도시한 측단면도.

도 2 는 도 1 에서 헤드바디 프레임만을 발췌한 측단면도.

도 3 은 이종(異種)재질의 구조를 보인 도면.

도 4 는 헤드바디 프레임의 온도 분포 도면.

도 5 는 헤드바디 프레임의 열굽힘 해석 도면.

도 6 은 동종재질의 헤드바디 프레임의 열굽힘 해석 도면(온도차 10도).

도 7 은 이종재질의 헤드바디 프레임의 열굽힘 해석 도면(온도차 10도).

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 헤드바디 프레임, 11; 주축모터,

12: 기어박스, 13a, 13b: 모터풀리,

14: 벨트, 15: 주축,

16: 쿨링자켓, 17: 주축베어링,

20: 저열팽창소재, 21: 주물소재,

A: 저열팽창소재를 적용할 부분, B: 일반주물용소재를 적용할 부분,

본 발명은 공작기계의 헤드바디 프레임에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도구배가 심한 부분과 그렇지 않는 부분을 구분하여 각각 열팽창계수가 상이한 이종의 재질을 사용하므로써 바이메탈 효과를 이용하는 열변형 보정기능을 갖는 공작기계의 헤드바디 프레임에 관한 것이다.

도 1 의 기어박스를 사용한 머시닝센터의 헤드구조를 보면, 헤드바디 프레임(10) 상부의 주축모터(11)의 회전에 의해 주축모터(11)와 연결되어 있는 기어박스(12)에서 원하는 회전수로 감속하여 모터풀리(13a)(13b)에 의해 벨트(14)로써 구동시킨다. 회전시 베어링의 발열로 인한 주축(15)의 온도 상승을 억제하기 위해 쿨링 자켓(16)이 설치되어 있다.

주축의 회전시, 시간이 경과함에 따라 헤드바디 프레임의 온도가 상승하게 되는데, 도 1 에 도시된 바와 같이 온도 상승의 열원이 될 수 있는 부분이 헤드바디 프레임(10) 상부의 주축모터(11)와 기어박스(12) 부분과 하부의 주축 베어링(17) 부분이다. 하부의 주축 베어링(17) 부분은 쿨링자켓으로 온도 상승이 억제되고 있는 반면 상부는 모터와 기어박스로 인한 발열로 온도 분포가 불균일하게 된다.

대부분의 수직형 머시닝센터의 헤드바디는 돌출된 외팔보 형상으로 되어 있 어, 헤드부 발열의 불균일성에 기인한 헤드바디부 지지 프레임의 굽힘현상이 문제시되고 있다. 이러한 문제가 클 경우 열변위 보정장치에 의해 해결하고 있지만(관련특허; 미국특허번호(5,303,458): Method and apparatus for detecting and compensating thermal growth in machine tools, 미국특허번호(5,795,112): Method for compensating a component of a machine tool for displacement caused by heat, 미국특허번호(5,833,407): Method for estimating heat included displacement in a machine tool), 하드웨어 및 소프트웨어 설치에 따른 비용이 클 뿐만 아니라 제어적으로 복잡한 문제가 있으며, 특히 온도 구배에 의한 열굽힘 현상은 보정하기 힘들다(관련논문: Thermal deformation compensation for a MC and a CMM based on internal mornitering using a neural network with a genetic algorithm, Mamouru MITSUISHI 외 4명. Ⅶ Workshop on Supervising and Diagnostics of Machining System, Thermal Behavior, intelligent Diagnotics and Supervising of machining System)

본 발명은 상기와 같은 제반문제를 해결하기 위해 창출된 것으로서, 그 목적은 온도구배가 심한 부분과 그렇지 않는 부분을 구분하여 각각 열팽창계수가 상이한 이종의 재질을 사용하므로써 바이메탈 효과를 이용하여 열에 의한 변형을 억제하는 열변형 보정기능을 갖는 공작기계의 헤드바디 프레임을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 헤드바디 프레임을 구성함에 있어서,

열팽창요소에 의해 온도구배가 심한 헤드바디 프레임의 측면 주공을 경계로 그 상부에는 C(2.0~2.2%), Si(1.0~1.5%), Mn(0.3~0.5%), P(0.045%이하), S(0.02%이하), Ni(34~36%), Mo(1.0~1.2%), Mg(0.025~0.035%)의 함량을 갖는 저열팽창소재를 사용하고, 그 하부에는 상기 저열팽창소재와 면접되게 주물소재를 사용하여 일체로 구성하여 된 특징을 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 단일재질 사용시 온도구배에 의한 단순지지보의 굽힘 열변형량을 살펴보면 아래식과 같다.

δ = 0.5αh(T_u -T_d ) ------- ①

여기서, α는 열팽창계수, h는 높이, Tu와 Td는 각각 상부온도와 하부온도이다.

상부와 하부 온도 구배(ΔT=Tu-Td)에 의한 thermal strain과 탄성보이론을 적용하면 아래와 같다.

------- ②

굽힘에 의한 모멘트식은

이다. -------- ③

여기서. ε, y, ρ, h, E, I, M은 각각 strain, 보의 중립면에서 임의지점까지의 높이, 밀도, 단면의 높이, 종탄성계수, 단면2차모멘트, 굽힘모멘트 이다.

보의 굽힘 열변형량은 위 식에 의해서 외팔보의 끝단에서 모멘트가 작용할 때 그 중간 지점의 처짐에 해당된다. (참조 : Slocum, Precision machine design, Prentice-Hall, PP.98~100)

상기 ②,③식을 ①식에 대입하면 굽힘열변형량( δ)은 다음과 같이 된다.

------- ④

위 식에서 알 수 있듯이 열변형량은 온도구배에 비례한다.

1x1x0.3m 주물 평판의 상부와 하부의 온도구배가 1/3 °C일 경우, 열굽힘 변위가 δ=1.5μm발생하게 된다. 따라서 정밀한 공작기계를 설계하기 위해서는 이러한 열변형량을 줄이기 위해 온도 구배를 제어해야 하며, 재질의 선택 또한 신중해야 함을 알 수 있다.

본 발명에서 이용한 바이메탈 효과는 온도구배가 없는 경우 서로 다른 열팽창계수를 가진 재질을 사용하여 인위적으로 굽힘 열변위를 발생시키는 것을 말하며, 본 발명은 상기 단일재질의 온도구배에 의한 열굽힘과 바이메탈 효과를 공작기계의 굽힘열변위를 최소화하기 위하여 발전적인 방향으로 이용하였다. 즉 온도 구배가 없는 경우 열팽창계수를 달리 하여 열굽힘을 발생시키는 것을 본 발명은 온도 구배가 생기는 부분에 열팽창계수가 다른 재질을 사용하여 열굽힘을 최소화하는데 이용하였다.

즉 상대적으로 열이 많이 발생하는 부위는 열팽창계수가 적은 저열팽창소재를 사용하고, 열이 상대적으로 적게 발생하는 부위는 일반주물소재(FC30)를 사용하 였다.

도 3 의 이종재질에 온도구배가 있는 경우의 굽힘열변형량을 살펴보면 아래와 같다.

각각의 재질의 온도 변화는 균일하다고 가정하며, 힘의 평형방정식을 적용하면,

이고,

이종재질사이의 기하학적인 적합조건식을 적용하면,

이 된다.

여기서, P는 단면에 수직으로 작용하는 힘이다.

위 두식을 정리하여 곡률반경에 관한 식으로 정리하면,

와 같이 되며,

보의 탄성 이론식을 적용하면, 굽힘 열변위는 아래와 같이 유도된다.

------- ⑤

여기서 ΔT_1, t_1, E_1, I_1, A_1, α_1은 재질1의 온도구배, 두께, 종탄성계수, 단면2차모멘트, 열팽창계수, ΔT_2, t_2, E_2, I_2, A_2, α_2는 재질2의 온도구배, 두께, 종탄성계수, 단면2차모멘트, 열팽창계수이며 각각 재질의 온도변화는 균일하다고 가정하였다.

상기 ⑤식을 근거로 본 발명의 바이메탈 효과를 이용한 자동보정 기능을 내 장한 이종금속을 제작된 헤드바디 프레임의 효용성을 컴퓨터를 이용한 유한요소법(FCM)으로 그 타당성을 다음과 같이 검증하였다.

1x1x0.3m의 평판에서 1) 평판전체를 주물구조로 하며 상부(1x1x0.15m)의 온도증가 20도, 하부(1x1x0.15m)의 온도증가가 10도로 가정하여 즉 전체적인 온도구배가 10도일 경우 굽힘열변위를 해석하였고, 2) 평판전체 중 온도증가가 20도인 상부(1x1x0.15m)에 저열팽창소재(20)를, 온도증가가 10도인 하부(1x1x0.15m)에 일반주물(21)을 사용한 이종재질 평판을 굽힘열변위 해석하였다. 각각의 기계적 성질은 동일하다고 하여 해석한 결과, 1)의 경우 30μm, 2)의 경우 5μm의 굽힘 열변위가 발생하였으며, 본 발명의 타당성 검증할 수 있었다.

본 발명은 공작기계중 수직형 머시닝 센터의 경우에 관한 것으로, 특히 대부분의 수직형 머시닝 센터 헤드바디가 전방으로 돌출된 외팔보 형상으로 되어 있어, 이는 수직형 머시닝센터의 헤드부 발열의 불균일성에 기인한 헤드바디부 지지 프레임(10)의 굽힘현상을 해결하기 위한 유용한 수단이기 때문이다. 도 6 과 도 7 은 일반주물소재를 적용한 경우와 이종소재를 적용한 경우의 해석결과이다.

도 7 에서의 온도분포에서 나타나듯이 이종금속의 배열은 다음과 같다. 즉 상부의 온도구배가 큰 부분(A)을 기계적 성질은 주물과 동일하며 열팽창계수가 적은(6μm/m/°C) 저열팽창소재(20)(니켈이 30%이상 함유)를 사용하고, 하부의 온도구배가 작은 부분(11)은 주물(21)(열팽창계수:11μm/m/°C)로 하는 이종재질의 헤드바디 프레임으로 구성하였다.

저열팽창소재의 성분은 각각 C(2.0~2.2%), Si(1.0~1.5%), Mn(0.3~0.5%), P(0.045%이하), S(0.02%이하), Ni(34~36%), Mo(1.0~1.2%), Mg(0.025~0.035%)의 함량을 가졌으며, 제품의 물성치는 인장강도:328~335MPa, 항복강도:278~288MPa, 연신율:4~5%, 경도(HB):141~151로 기계적 성질은 일반주물과 거의 동일하다. 도 1, 도 2 의 헤드바디 프레임에 도시되어 있듯이 헤드바디 프레임(10) 상부 측면의 주공이 있는 곳을 경계로 하여 그 위 부분, 즉 "A"부분을 저열팽창소재(20)를 적용한 부분이며 아래 부분인 "B"부분이 일반주물 소재(21), 예컨데 FC30을 적용한 부분이다.

또한, 헤드바디 프레임(10)에서 약 150mm 아래, 즉 공구끝단에서 10μm미만의 열변위 정도를 원할 시에 헤드바디 프레임 전체를 저열팽창소재를 적용하며, 10~30μm의 열변위 정도는 본 발명에서 제시한 이종소재(측면 주공을 경계로 상부는 저열팽창소재 하부는 일반주물 적용)를 적용하며, 30μm이상의 정도 요구 시에는 일반주물소재를 사용하여 열변위 요구정도에 따라 이종소재의 범위를 달리 적용할 수 있다.

도 6 과 도 7 은 일반주물소재를 적용한 경우와 이종소재를 적용한 경우의 해석결과이며, 해석조건은 온도차가 10℃로 동일한 조건에서 행했으며 결과는 도 6 과 도 7 에서 알 수 있듯이, 최대굽힘변형이 108μm에서 55μm으로 약 50% 줄어드는 결과를 볼 수 있어 본 발명의 타당성을 검증할 수 있었다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서와 같은 본 발명은 발열의 불균일성에 기인한 헤드바디부 지지 프레임의 열굽힘현상을 하드웨어 및 소프트웨어 설치에 따른 비용 그리고 제어적으로 복잡한 문제가 있는 열변위 보정장치에 의해 해결하지 않고, 온도구배가 심한부분과 그렇지 않는 부분에 열팽창계수가 상이한 이종의 재질을 사용하여 구조적, 제어적으로 간단한 수동적인 바이메탈 효과를 이용하는 자동보정 기능을 내장하여 프레임의 열굽힘변형을 최소화함으로서, 공작기계의 수명증대, 기계정밀도의 증대, 가공제품의 품질향상의 효과를 얻게 된다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 공작기계의 헤드바디 프레임(10)에 있어서, 발열량이 많아 온도구배가 심한 부위에는 저열팽창소재(20)를 사용하고, 발열량이 상대적으로 적은 부위에는 일반주물(21)을 사용하여 일체로 구성하고;

   상기 저열팽창소재는,

   C(2.0~2.2%), Si(1.0~1.5%), Mn(0.3~0.5%), P(0.045%이하), S(0.02%이하), Ni(34~36%), Mo(1.0~1.2%), Mg(0.025~0.035%)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열변형 보정기능을 갖는 공작기계의 헤드바디 프레임.

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