KR20130069643A - 기계가공 공정의 적응 제어방법 - Google Patents

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에릭 지 문트
리차드 에프 주니어 쿨버트
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더 글리슨 웍스
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Abstract

워크피스에 대한 공구의 상대 위치의 함수로 원하는 출력 레벨(P)을 결정하여, 중실체로부터의 베벨 기어 연삭과 같은 기계가공에 대해서 이전에는 활용할 수 없었던 적응 제어 장점을 활용할 수 있게 하는 방법을 제공한다. 바람직하게는, 출력 설정값이 창성 기어에 대한 비출력(P', P") 및 롤 위치(Q)의 함수 또는 비창성 기어(즉, 포메이트(Formate) 절삭법에 의해 만들어진 기어)에 대한 비출력 및 플런지 위치의 함수로 표현된다. 비출력은 한정되어 있고 바람직하게는 기계가공하는 동안 공정 조건이 변경될 때에도 기계가공하는 동안 한정된 대로 유지된다.

Description

기계가공 공정의 적응 제어방법{ADAPTIVE CONTROL OF A MACHINING PROCESS}
본 발명은 금속 제거 공정을 수행하는 기계 공구에서 워크피스에 대한 공구의 상대 위치의 함수로 가변 적응 제어 설정값을 결정하는 방법에 관한 것이다.
적응 제어는 일반적으로 시간에 따라 변경되는 또는 불안정한 역학관계를 가지고 있는 물리적 시스템을 보다 잘 조절하기 위해서 알고리즘을 수정할 수 있는 특별한 유형의 제어 시스템을 지칭한다. 이러한 시스템은 대체로 고등 비선형 피드백(advanced nonlinear feedback) 또는 피드포워드(feed-forward) 방식을 이용하며, 통상적으로 일종의 학습 기법을 수반하여, 제어장치가 집단 피드백(collective feedback)을 분석하고 시간이 경과함에 따라 시스템 성능을 향상시킨다.
그러나, 기계 공구 산업 분야에서, 적응 제어는 기계 제어장치가 일정한 부하를 유지하기 위해서 공구 스핀들 피드백(통상적으로, 예를 들면, 대용량 출력, 토크 또는 전류)에 따라 기계가공 이송률을 조정하는 비교적 간단한 제어방식을 지칭한다. 적응 제어는, 공정이 진행되는 동안 출력 레벨을 관찰하고 원하는 출력 레벨을 유지하기 위해서 이송률 오버라이드 세팅(feed rate override setting)을 상하로 조정하는 작업자에 상당하는 자동화된 제어 시스템이다. 물론 적응 제어 시스템은 인간보다 더 빠른 반응 시간으로 이러한 기능을 보다 확실하게 수행한다.
적응 제어 시스템은 수 십년 전부터 기계 공구 분야에 알려져 있다. 현재, 적응 제어는 대부분의 주요 컴퓨터수치제어(CNC) 제작사 및 소위 제3자인 다른 많은 공급업자를 통하여 상업적으로 이용가능하다. 기계 공구 사용자에 대한 잇점은 워크피스 재료, 공구 조건, 또는 다른 공정 조건이 시간이 경과함에 따라 변경되는 경우에서의 보다 높은 공정 안정성, 공구의 위험성과 워크피스 손상의 감소, 사람의 개입에 대한 요건의 감소, 그리고 설치 및 공정 최적화 노력의 감소를 포함한다.
적응 제어 시스템은 통상적으로 기계가공 공정 동안 작동이 되거나 작동이 중단될 수 있고, 자동 공구 교환기를 가진 복합 가공기(universal machining center)에 유리할 수 있는 것 같이, 대체로 사용자가 한 싸이클 내에서의 상이한 공구 또는 기계가공 작업을 위해 상이한 설정값을 설정할 수 있게 해 준다. 기계가공 공정 동안 워크피스와 접촉상태로 있는 공구의 접촉 길이 또는 면적, 냉각수 사용 등과 같은 주요 공정 조건이 비교적 일정하다면, 대용량 공구 스핀들 출력이 상당한 정도의 공정 건전성을 초래한다. 이러한 경우에는, 현재의 적응 제어 시스템이 상기한 잇점을 제공한다.
전형적인 적응 제어 시스템을 나타내는 블록도가 도 1에 도시되어 있다. 출력 설정값은 공정을 거쳐서 측정된 출력과 비교되는 입력된 주요 명령이다. 필요한 경우에 명령과 피드백 출력 사이의 차이가 산출되고, 필터링되어, 적응 제어 블록으로 보내진다. 적응 제어 시스템의 출력은, 실제 기계가공 공정 출력이 프로그램된 설정값에 가능한 한 근접하게 조절되도록 실시간으로 파트 프로그램의 기계가공 이송률을 수정하는데 사용되는 이송률 오버라이드(feed rate override) 값이다.
도 2는 도 1의 "적응 제어" 블록 내에서 실행될 수 있는 단순화된 적응 제어 함수를 나타내고 있다. 이 함수는 기계가공 싸이클의 적어도 하나의 공구 또는 작업에 적용된다. 이 다이아그램에서, 상기 시스템에 의해 측정된 대용량 출력(bulk power)은 수평축을 따라서 표시되어 있다. 이송률 오버라이드 출력은 수직축을 따라서 표시되어 있다. 프로그램된 설정값(P0)에서, 이송률 오버라이드 값은 100%이다. 예를 들어 워크피스 재료에서의 경점(hard spot)이나 공구 날카로움의 감소로 인해서, 공정 출력이 커짐에 따라, 상기 시스템은 이송률을 감소시킨다. 측정된 출력이 작아짐에 따라, 상기 시스템은 오버라이드 백분율을 증가시킨다. 도 2에 도시된 적응 제어 함수는 선형 함수이지만, 반드시 선형 함수일 필요는 없다. 전형적인 적응 제어 시스템은 사용자가, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은, 이송률 오버라이드 상한과 하한을 특정할 수 있게 해 준다.
적응 제어는 베벨 기어 연삭, 베벨 기어 절삭, 그리고 스틱 블레이드(stick blade) 연삭과 같은 기어 제작 공정에 널리 받아들여지지 않고 있다. 그 주된 이유는 공구의 워크피스와의 접촉 정도가 베벨 기어 제작 공정에서 계속해서 변하기 때문이다. 대용량 출력을 일정한 레벨로 제어하는 것은 연삭 휠에서의 그릿(grit)당 부하(또는 절삭 공구에서의 단위 절삭날 길이당 부하)를 급격하게 변경시키는 반면에, 공정 최적화는 그릿당 최고의 일정한 부하(또는 절삭 공구에서의 단위 절삭날 길이당 최고의 일정한 부하)를 얻기를 추구한다. 따라서, 공구 스핀들 출력을 측정하는 적응 제어 시스템이 부가적으로 공구 접촉에 대해서 알고 있을 것을 요하는 것이 효과적이다. 그러나, 기존의 적응 제어 시스템은 이러한 부가적인 정보를 직접 측정하고 처리할 수 없으며, 베벨 적용예(bevel application)에서 통상적으로 예상되는 잇점을 제공할 수도 없다.
베벨 제작 적용예에서 기존의 적응 제어 시스템의 제한사항을 피하며 작업하는 한 가지 방법은 기계가공 싸이클을 상이한 적응 제어 설정값을 가지는 작은 부분으로 나누는 것이다. 이 방법은 베벨 기어에 대해서는 효과적일 수 있지만, 상이한 설정값을 계산하는 것은 시행착오 외에는 알려진 방법이 없다. 따라서 적응 제어 시스템은 모든 상이한 부분의 기하학적 구조에 대해 시간이 많이 걸리고 지루한 세부 조정을 요하며, 고도의 작업자의 전문 지식을 필요로 하므로, 적응 제어의 목적을 무산시킬 수 있다.
공구 부하를 안정화시키기 위해서 공구 경로를 최적화하는 시뮬레이션 소프트웨어 시스템도 당해 기술분야에 알려져 있다. 이러한 시스템은 공구와 워크피스의 접촉을 알고 있으므로, 일정한 부하를 유지하기 위해서 이송률 조정뿐만 아니라 공구 경로(절삭의 깊이 및 각도) 조정이 기계가공 파트 프로그램에서 이루어질 수 있다. 이러한 시뮬레이션 시스템의 제한사항은 상기 시뮬레이션 시스템이 실시간으로 작업을 하지 않으므로, 공구 마모, 공구 또는 워크피스의 재료 및 기하학적 구조의 변화, 인적인 변화로 인한 기계 구성 변경과 같은 전형적인 제작 환경 변화를 보상할 수 없다는 것이다. 다른 문제점은, 기존의 시뮬레이션 시스템은 단지 정해진 절삭날을 가진 공구를 이용하는 공정에 대해서만 공구 경로를 최적화할 수 있다는 것, 다시 말해서, 소프트웨어가, 연삭과 같은, 정해지지 않은 공구 날에 의한 재료 제거 공정을 처리하는 능력이 부족하다는 것이다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 금속 제거 공정을 수행하는 기계 공구에서 워크피스에 대한 공구의 상대 위치의 함수로 가변 적응 제어 설정값을 결정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 워크피스에 대한 공구의 상대 위치의 함수로 원하는 출력 레벨을 결정하여, 중실체로부터의 베벨 기어 연삭과 같은 기계가공에 대해서 이전에는 활용할 수 없었던 적응 제어 장점을 활용할 수 있게 하는 것에 관한 것이다. 바람직하게는, 출력 설정값이 창성 기어(generated gear)에 대한 비출력 및 롤 위치의 함수 또는 비창성 기어(non-generated gear)(즉, 포메이트(Formate) 절삭법에 의해 만들어진 기어)에 대한 비출력 및 플런지 위치(plunge position)의 함수로 표현된다. 비출력은 한정되어 있고 바람직하게는 기계가공하는 동안 공정 조건이 변경될 때에도 기계가공하는 동안 한정된 대로 유지된다.
도 1은 종래의 적응 제어 시스템을 나타내고 있다.
도 2는 전형적인 적응 제어 함수를 도시하고 있다.
도 3은 미리 절삭된(pre-cut) 베벨 기어의 하드 피니시 연삭(hard-finish grinding)에 대한 롤 속도 프로파일의 예를 나타내고 있다.
도 4는 베벨 기어의 중실체로부터의 연삭(grinding-from-solid)에 대한 롤 속도 프로파일의 예를 나타내고 있다.
도 5는 베벨 기어의 중실체로부터의 연삭에 있어서 워크피스의 전방 단부(toe-end)에서의 초기의 공구-워크피스 접촉상태(engagement)를 나타내고 있다.
도 6은 베벨 기어의 중실체로부터의 연삭에 있어서 롤 경로의 약 30% 완료 지점에서의 공구-워크피스 접촉상태를 나타내고 있다.
도 7은 베벨 기어의 중실체로부터의 연삭에 있어서 롤 경로의 약 60% 완료 지점에서의 공구-워크피스 접촉상태를 나타내고 있다.
도 8은 베벨 기어의 중실체로부터의 연삭에 있어서 롤 경로의 약 90% 완료 지점에서의 공구-워크피스 접촉상태를 나타내고 있다.
도 9는 본 발명에 따른 적응 제어 시스템을 나타내고 있다.
도 10은 비출력(P'), 비금속제거율(Z'), 그리고 공정 조건 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 공구 접촉 폭 계산을 나타내는 그래프이다.
도 12는 출력 설정값 계산을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 임의의 특징과 적어도 하나의 구성을 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 아래의 설명에 개시되어 있고 첨부된 도면에 도시되어 있는 구성요소들의 구성 및 배치상태의 상세한 내용으로 제한되는 것이 아니라는 점을 알아야 한다. 본 발명은 다른 구성으로 될 수 있으며 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 표현 및 용어는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 사실을 알아야 한다.
통상적으로 베벨 기어는 US 6,669,415호 또는 US 6,712,566호에 개시되어 있는 것과 같은 컴퓨터 제어식 기계로 수행된 비창성(non-generating) 및/또는 창성(generating) 기계가공 공정에 의해 제조된다. 비창성 공정(예를 들면, 원형의 정면 밀링 절삭 공구 또는 컵형상의 연삭 휠을 이용하는 공정)에서는, 회전하는 공구를 소정의 깊이만큼 워크피스속으로 이송하는 단계, 상기 공구를 후퇴시키는 단계, 그리고 워크피스를 다른(통상적으로 다음) 톱니 슬롯 위치로 인덱싱(indexing: 피공작물을 정확한 간격으로 회전하여 고정시키는 것)시키는 단계에 의해서 톱니 슬롯이 형성된다. 모든 톱니 슬롯이 형성될 때까지 공구를 워크피스속으로 이송하는 단계, 상기 공구를 후퇴시키는 단계, 그리고 워크피스를 인덱싱시키는 단계가 반복된다. 워크피스에 형성된 톱니의 프로파일 형상은 공구의 프로파일 형상으로부터 직접 만들어진다.
창성 공정(generating process)은, 일단 공구(예를 들면, 원형의 정면 밀링 공구 또는 컵형상의 연삭 휠)를 소정의 깊이만큼 이송한 다음, 워크피스가 이론적인 창성 기어와 맞물려서 회전하는 것처럼, 공구와 워크피스를 창성 롤(generating roll) 또는 크래들 롤(cradle roll)로 알려져 있는 소정의 상대 롤링 운동으로 함께 회전시키고, 공구의 재료 제거면에 의해 이론적인 창성 기어의 톱니가 형성되는 것으로 수행될 수 있다. 톱니의 프로파일 형상은 창성 롤이 행해지는 동안 공구와 워크피스의 상대 운동에 의해 형성된다. 모든 톱니 슬롯이 형성될 때까지 각각의 톱니 슬롯에 대해 공구를 소정의 깊이만큼 이송하는 단계, 공구와 워크피스를 롤링 운동시키는 단계, 공구를 후퇴시키는 단계, 그리고 워크피스를 인덱싱시키는 단계가 반복된다.
중실체로부터 베벨 기어를 연삭하는 것이 점점 인기를 얻고 있다. 작은 배치 사이즈(batch size)의 생산에 대해서는, 셋업 타임(setup time)이 제작 경제면에서 중요하다. 종래의 원형 베벨 기어 절삭 공구와 달리, 연삭 휠은 짧은 리드 타임(lead time)으로 쉽게 이용할 수 있고, 필요한 기하학적 구조로 신속하게 프로파일될 수 있다. 따라서, 연삭은 셋업 경제면에서 매우 유리하다. 연마재 기술에 있어서의 최근의 진보로 인해, 절삭에 근접하는 재료 제거율이 연삭으로 가능하게 되었다. 이러한 두 가지 요인의 순 효과(net effect)는, 점차적으로 많은 경우에 있어서 중실체로부터의 연삭이 종래의 절삭 공정보다 더 경제적으로 될 수 있다는 것이다.
짧은 운행 공정 경제면에 부가하여, 작은 양의 연삭가공된 기어 세트를 생산하고자 하는 많은 기어 제조업자는 절삭 기계와 연삭 기계 양자 모두를 소유하는 것이 엄청나게 비용이 많이 든다는 사실을 알고 있다. 이러한 기어 제조업자에 대해서, 중실체로부터의 연삭은, 많은 금전적인 투자를 하지않고도, 세미 피니싱(semi-finishing) 작업과 하드 피니싱(hard-finishing) 작업을 수행하는 바람직한 수단을 제공할 수 있다.
중실체로부터 베벨 기어를 연삭하는 동안은, 경화처리된 기어의 마감 연삭에 대해서 보다 훨씬 더 공구 접촉 상태가 급격하게 변한다. 이와 관련하여 공구 접촉 상태는 공구 회전 방향으로의 공구-워크피스 접촉 길이뿐만 아니라 워크피스와 접촉된 공구 단면 프로파일의 부분을 의미한다. 이러한 이유 때문에, 공구 마모, 버닝(burning), 또는 다른 문제점을 일으키지 않고서, 가장 적극적으로 재료를 제거할 수 있도록 공정 조건을 설정하는 것은 어렵다. 창성 기어에 대한 최첨단의 중실체로부터의 연삭 싸이클은 대체로 2순환 또는 3순환으로 마련되어 있고, 각각의 순환에 있어서, 비표준(non-standard) 크래들 롤 속도 대 크래들 롤 위치 프로파일로 슬롯이 연삭된다. 공구 접촉 상태가 급격하게 변하는 것을 처리하기 위해서, 이송률 프로파일이 통상적으로 몇 개의 경사면(ramp) 부분을 포함한다. 이송률 프로파일은 각각의 순환에 대해서 대체로 상이하다.
본 발명에 있어서, 워크피스의 "순환"은 특정량의 재료가 각각의 톱니 슬롯으로부터 제거되었을 때 이루어진다는 것을 알아야 한다. 예를 들면, 제1 순환의 연삭은 각각의 톱니 슬롯으로부터 원하는 재료의 80%를 제거할 수 있고, 이어지는 제2 순환의 연삭은 각각의 톱니 슬롯으로부터 원하는 재료의 나머지 20%를 제거할 수 있다. 3순환 연삭 싸이클은, 예를 들면, 모든 톱니 슬롯으로부터 연이어서 각각 재료의 60%, 30% 그리고 10%를 제거할 수 있다.
도 3에서의 점선은 창성 기어를 하드 피니싱하기에 적절할 수 있는 전형적인 이송률 프로파일의 예를 나타내고 있다. 1과 3으로 표시된 가속 부분과 감속 부분은, 실제 기계가공하는 동안에는 발생하지 않아야 한다. 연삭 휠이 워크피스와 접촉하고 있는 동안, 크래들 롤 속도 프로파일은 2부분의 상수 함수이다. 톱니 플랭크에 대한 크래들 롤 위치의 관계를 보여주기 위해서 대표적인 톱니 플랭크가 도 3에 도시되어 있다.
상대적인 복잡성을 나타내기 위해서, 도 4는 도 3에 도시된 것과 동일한 기어에 대해서 중실체로부터의 연삭 싸이클의 하나의 순환에 대한 전형적인 롤 속도 프로파일의 예를 도시하고 있다. 중실체로부터의 연삭의 경우에서는(적어도 제1 순환에서는) 세미 피니싱처리된 톱니 슬롯이 존재하지 않는 것으로 인해서, 중실체로부터의 연삭 공정에서 공구-워크피스 접촉이 보다 빨리 이루어지기 때문에 부가적인 크래들 롤 이동이 요구된다. 이것이, 중실체로부터의 연삭의 예(도 4) 대 하드 피니싱의 예(도 3)에 대해서 전방 단부 롤이 약 20도 더 있는 것에 대한 이유가 된다. 가속 부분과 감속 부분은 각각 1과 5로 표시되어 있다. 베벨 기어 슬롯을 2 부분 내지 4 부분에 형성하기 위해서 재료가 기계가공된다. 이들 부분은 연삭 휠의 그릿당 상당히 일정한 부하를 생성하도록 경사져 있다.
현재에는, 상당히 만족스러운 크래들 롤 속력 프로파일을 결정하는 것과 같은 것에 의해서 중실체로부터의 연삭 적용예를 어느 정도 최적화할 수 있다. 그러나, 최적화를 위한 공정은 수동 공정이고, 작업자의 지식에 크게 의존하며 시간이 매우 많이 소요된다. 싸이클 조건은 더욱 더 작업에 의존하므로, 실제로는, 각각의 상이한 기어의 기하학적 구조에 대해 긴 최적화 공정이 실행될 것을 필요로 한다. 번거로운 초기 셋업에 부가하여, 제작 환경 변화는 보다 이른 시간에 최적화되었던 싸이클을 재조정할 것을 요할 수 있다. 이러한 모든 요인은 작은 배치 사이즈(batch size)와 매우 다양한 작업을 가진 생산 환경 - 정확히는 중실체로부터의 연삭이 여러가지 장점을 제공하는 기어 제조업자에게 특히 문제가 된다.
적응 제어의 직접적인 적용은, 위에서 설명한 바와 같이, 중실체로부터 베벨 기어를 연삭하는 상황을 개선시키지 않을 수 있다. 그 이유는 적응 제어가 급격하게 변하는 공구 접촉 상태를 알지 못하기 때문이다. 보다 튼튼하고, 덜 작업자 지식 집약적인 셋업, 최적화, 그리고 모니터닝 방법이 중실체로부터의 연삭 공정에 매우 바람직할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은, 워크피스에 대한 공구의 상대 위치의 함수로 원하는 출력 레벨을 결정하여, 중실체로부터의 베벨 기어 연삭과 같은 기계가공에 대해서 이전에는 활용할 수 없었던 적응 제어 장점을 활용할 수 있게 하는 것에 관한 것이다. 바람직하게는, 출력 설정값이 창성 기어에 대한 롤 위치의 함수 또는 비창성 기어(즉, 포메이트(Formate) 절삭법에 의해 만들어진 기어)에 대한 플런지 위치(plunge position)의 함수로 표현된다. 이 함수는, 종래의 중실체로부터의 연삭 공정이 무엇보다도
- 보다 간단하고 보다 신속한 공정 최적화
- 보다 짧은 셋업 타임
- 작업자 지식을 덜 필요로 하는 것
- 사람의 개입을 덜 필요로 하는 것
- 매우 다양한 작업을 수반하는 작은 배치 사이즈의 생산에 특히 도움이 되는 견고함 및/또는 안정성
을 제공하게 개선될 수 있도록 적응 제어 시스템과 함께 사용될 수 있다.
중실체로부터의 연삭에 있어서, 슬롯이 기계가공됨에 따라 공구의 워크피스와의 접촉의 정도가 변한다. 이러한 접촉 변화는 접촉 폭 변화의 측면에서 정량화될 수 있고, 이 경우에 접촉 폭은, 일정 시간 동안 주어진 지점에서 베벨 기어 슬롯 표면과 접촉하고 있는 공구 단면의 유효 폭으로 정의된다.
도 5 내지 도 8은 톱니 슬롯이 톱니 슬롯의 전방 단부(toe end)로부터 톱니 슬롯의 후방 단부(heel end)까지 연삭될 때의 전형적인 중실체로부터의 연삭 시나리오에 있어서의 공구 접촉 변화를 나타내고 있다. 기계 크래들 롤 운동의 시작 즈음에 워크피스에 대한 컵형상의 휠의 상대 위치가 도 5에 도시되어 있다. 명료함을 기하기 위해서, 도 6 내지 도 8의 연속적인 롤 위치에서는 상기 휠이 도시되어 있지 않다. 각각의 도면에는 해당 시점에 워크피스와 접촉된 공구 프로파일의 유효 부분을 보여주는 형태로 공구 프로파일의 단면도가 도시되어 있다. 상기 단면도상에서의 공구 프로파일 접촉의 길이는 접촉 폭으로 여겨진다. 비록 공구 축 둘레로 변하는 위치에서 공구와 공작물 사이의 순간적인 접촉이 일어나지만, 이 접촉이 하나의 단면 평면에서 일어나는 것처럼 취급될 수 있다. 일반적으로 이것은 물리적인 의미를 손상하지 않는 단순화(simplification)로 받아들여진다.
상기 접촉 폭은 워크피스에 대한 공구의 상대 위치의 함수로 산출될 수 있다. 창성 베벨 기어의 경우에는, 공구/공작물 상대 위치가 크래들 롤 위치와 대등하다. 따라서, 상기 함수는 대체로 아래의 식:
W = f1(Q) (1)
상기 식에서, W = 유효 접촉 폭
Q = 크래들 롤 위치
으로 표현될 수 있다
실제로, 상기와 같은 함수는 베벨 기어 기계 설정값을 계산하는 동일하거나 유사한 프로그램에 의해서 도출될 수 있으며, 상기 프로그램은 당해 기술분야의 전문가에게 알려져 있으며 용이하게 이용할 수 있다.
본 발명의 주된 목적은 공구에 대한 정규화된 부하(normalized load)가 일정한 최대 레벨로 유지될 수 있도록 적응 제어 출력 설정값을 워크피스에 대한 공구의 상대 위치의 함수로 결정하는 것이다. 다른 목적은 복잡한 다변수 공정 모델에 의존하지 않고서 확실한 연삭 공정 개선을 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연삭 공정 건전성을 평가하거나 공정을 최적화하는데 종종 사용되는 연삭 특성인 비출력(specific power)을 이용하는 것을 선호한다.
P'로 표시된 비출력은 워크피스 접촉 폭에 대한 연삭 휠에 의해 정규화된 출력으로 정의되어 있다. 비출력은 연삭 공정 성능의 척도이며, 열적인 손상 또는 과도한 휠 마모와 같은 문제점을 회피하면서 가능한 한 과감하게 재료를 제거하도록 연삭 공정을 구성하기 위해서 사용될 수 있다. 비출력에 대한 출력의 관계는 아래의 식:
P = f2(P', W) (2)
으로 표현될 수 있다.
고성능 연삭 공정을 얻기 위하여 비출력 값(P')을 선택할 수 있고, 접촉 폭은 크래들 롤 위치의 함수로 결정될 수 있다. 이러한 사실을 조합하면 롤 위치의 함수로 원하는 출력 레벨을 만드는 함수를 도출할 수 있다. 다시 말해서, P = f2(P', W) 이고, W = f1(Q) 이므로,
P = f2(P', f1(Q)) = f2(P', Q) (3)
이다.
도 9는 중실체로부터의 연삭에 대한 효과적인 해결책을 제공하기 위해서 상기 함수가 적응 제어 시스템과 어떻게 결합될 수 있는 지를 나타내고 있다. 도 10은 중실체로부터의 연삭 공정에 대해 목표 비출력 값이 어떻게 선택될 수 있는지를 나타내고 있다. 도 10에는, 비출력 값 P'0, P'1, P'2 이, 상이한 공정 조건(예를 들면, 연삭 휠, 휠 속력, 드레싱 파라미터(dressing parameter), 공구-워크피스 접촉 길이, 공구-워크피스 접촉 폭, 공구-워크피스 접촉 면적, 등가 칩 두께(equivalent chip thickness), 다른 공구-워크피스 접촉 상태, 냉각수 사용 조건 등)을 나타내는 특성화 곡선(A, B, C)과 함께, 비금속제거율(specific metal removal rate) Z'에 대해서 표시되어 있고, 이러한 공정 조건은 당해 기술분야의 전문가에게는 자명한 것이다. P'0 는 강력한 중실체로부터의 연삭 공정을 유지하기 위한 특정 목표값 P'을 나타내고, 비출력 레벨 P'1 의 상부 구역은 과도한 휠 마모를 나타내고 비출력 레벨 P'2 의 상부 구역은 연삭 휠 및/또는 연삭되는 부분에 대한 열적인 손상을 나타낸다. 공정 조건이 변경됨에 따라(다시 말해서, A로부터 B 내지 C까지), 비금속제거율 Z'은, 원하는 비출력 값 P'0을 유지하면서 증가할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 11은 특정 기어에 대해서 계산된 접촉 폭 함수의 예를 나타내고 있다. 도 12는 적응 제어를 제공하는데 사용될 수 있는 합성 출력 함수(resultant power function)의 예를 나타내고 있다. 도 12는 또한 본 발명의 방법으로부터 얻어지는 실제 출력 곡선의 예를 나타내고 있다. Pactual은 적응 제어와 함수 P= f2(P'0, Q)에 의해 중실체로부터의 연삭 동안에 유지된 실제 출력을 나타낸다.
상기한 본 발명의 방법은 최적화된 적응 제어 시스템을 제공하기 위해서 비출력 및 접촉 폭을 이용하지만, 대체 형태로서 비출력 미터값(metric)이 접촉 면적에 의해 정규화될 수 있다. 이 경우에, 접촉 면적에 의해 정규화된 비출력 미터값은 P"로 표시되고, 접촉 면적은 A이다. 출력 함수는 접촉 폭에 따라 결정된 앞에서 논의한 출력 함수와 유사한 방식으로 결정된다. 따라서, 상기한 중실체로부터의 창성 연삭의 예에서, 식 (1), 식 (2), 그리고 식 (3)은 각각:
A = f3(Q) (4)
P = f4(P",A) (5)
P = f4(P",f3(Q)) = f(P",Q) (6)
으로 된다.
접촉 면적에 의해 정규화된 출력 미터값은 유효 접촉 길이의 고려사항을 포함하고 있으므로, 몇 가지 사용처에 장점을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 내용은 출력 계산 함수에 사용하기 위해 하나의 P' 또는 P" 값이 선택되는 방법을 제안한다. 비록 이것은 많은 사용처에서 실용적이며 충분할 수 있지만, 본 발명은 또한 공구 경로에 걸쳐서 목표 비출력을 변경시킬 가능성을 포함하고 있다. 이것은, 예를 들면 냉각수 사용의 효율성이 창성 롤 위치의 함수와 같이 현저하게 다른 어려운 창성 기어 연삭의 경우에 장점을 가질 수 있다.
상기 내용은 총형 연삭 기어(form ground gear)(비 창성 기어)에도 적용될 수 있다. 총형 연삭 경우(도 3 내지 도 4 및 도 11 내지 도 12 참고)에서는 플런지 속도(plunge rate) 및 플런지 깊이 위치가 크래들 롤 속도 및 롤 위치(크래들 각도)를 대신한다. 비록 플런지 속도 프로파일은 하드 피니싱과 중실체로부터의 연삭의 경우에 대해서 대응하는 롤 속도 프로파일과 다른 형상을 가지고 있지만, 동일한 원칙의 변경되는 공정 조건이 적용된다.
본 발명의 바람직한 적용예는 중실체로부터 베벨 기어를 연삭하는 것이다. 베벨 기어라는 용어는, 나선형 베벨 설계형태, 하이포이드 설계형태, 제로 각도 나선형 베벨(예를 들면, 제롤(Zerol)) 설계형태 그리고 직선 베벨 설계형태를 포함하는, 평행하지 않은 축을 가로질러서 회전 에너지를 전달하는 알려진 모든 종류의 피니언 및 기어를 포함하는 것이다. 중실체로부터의 연삭은 연삭을 통하여 연질의 기어 블랭크에 슬롯 전체가 형성되는 공정을 지칭한다. 가장 일반적으로 중실체로부터의 연삭은 열처리 전에 세미 피니싱 공정으로서 수행된다. 작은 배치 사이즈를 포함하는 경우, 또는 절삭 공구 및/또는 절삭 기계를 용이하게 이용할 수 없는 경우에는, 중실체로부터의 연삭이 종래의 절삭 공정보다 더 경제적으로 될 수 있다.
중실체(다시 말해서, 기어 블랭크)로부터의 연삭이 본 발명에 대한 바람직한 적용예이지만, 미리 슬롯이 형성된, 경화처리된 기어를 연삭하는 것도 본 발명에 의해서 실행될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 절삭날 및 절삭날 블랭크(예를 들면, 스틱 블레이드 연삭) 그리고 베벨 기어 절삭과 같은, 다른 기어 관련 공정에 적용될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 기술되어 있지만, 본 발명은 상기 바람직한 실시예의 상세한 내용으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 첨부된 청구항의 기술사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 주 대상과 관련된 기술 분야의 전문가에게 자명한 변경사항을 포함한다.

Claims (13)

  1. 공구로 기계가공함으로써 워크피스로부터 재료를 제거하는 방법으로서,
    상기 방법에 대한 비출력을 한정하는 단계;
    상기 워크피스와 상기 공구를 접촉시키는 단계;
    상기 워크피스로부터 재료를 제거하는 단계;
    를 포함하여, 상기 기계가공하는 동안 기계가공 공정 조건이 변경되더라도, 상기 비출력이 상기 기계가공하는 동안 한정된 대로 본질적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 변경되는 기계가공 공정 조건이 워크피스에 대한 공구의 접촉 폭인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 변경되는 기계가공 공정 조건이 워크피스에 대한 공구의 접촉 면적인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 워크피스는 기어 블랭크 또는 미리 슬롯이 형성된 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기계가공 방법은 창성 방법인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기계가공 방법은 비창성 방법인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기계가공 방법은 연삭을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기계가공 방법은 절삭을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 비출력이 상기 기계가공하는 동안 일정한 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 비출력이 상기 기계가공하는 동안 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 워크피스는 절삭날 또는 절삭날 블랭크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제5항에 있어서, 창성 기계가공 방법에 대해서, 상기 기계가공을 위한 출력 레벨(P)이 아래의 식:
    P = f(P', W) = f(P', Q)

    상기 식에서, P' = 비출력
    W = 접촉 폭
    Q = 크래들 롤 위치

    으로 한정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제5항에 있어서, 창성식 기계가공 방법에 대해서, 상기 기계가공을 위한 출력 레벨(P)이 아래의 식:
    P = f(P", A) = f(P", Q)

    상기 식에서, P" = 비출력
    A = 접촉 면적
    Q = 크래들 롤 위치

    으로 한정되는 것을 특징으로 하는 방법.
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