한국정밀공학회 2013 년도 춘계학술대회논문집
1. 서론
고중량 롤 미세가공기는 디스플레이용 광학필름, 도광판 등의 직접 연속성형 공정에 활용되는 고중량 롤 금형에 수십 마이크론대의 미세 패턴을 연속적으로 가공하는 장비로, 장비의 정밀도가 롤 금형의 형상정밀도 및 미세 패턴의 정밀도를 지배하면서 최종적으로 성형되는 제품의 패턴 정밀도에 영향을 미치게 되므로 초정밀 수준의 정밀도가 요구되며 현재 롤 중량 3,000kg, 길이 2m 의 롤 금형에 대해 20±0.2 ㎛ 수준의 패턴 가공이 가능한 롤 금형 가공기를 본 연구팀에서 설계/제작하였다. 고중량 롤 미세가공기를 이용하여 실제 가공을 수행할 시 가공기가 설치될 장소의 지면진동이 가공기의 지지대를 경로로 전달되어 롤 표면과 공구 간의 상대거리 값에 변화를 주게 된다. 이러한 영향을 줄이기 위해서는 가공기의 베드, 베어링 및 테이블 등이 높은 강성, 고유진동수 및 댐핑을 갖는 것이 1 차적 해결법이나 1 차적 해결법을 수행하고 난 후 2 차적으로 외부의 진동이 전달되는 경로를 차단해 주는 것이 필요하다. 이렇게 외부의 지면 진동을 롤 가공기 내부로 전달되는 것을 차단하기 위한 장치가 방진시스템이다. 본 논문에서는 이러한 방진시스템의 설계/해석 및 성능 평가에 대하여 논하고자 한다.2. 방진시스템 설계 및 해석
방진시스템 설계를 위하여 롤가공기의 질량 분포 및 크기 데이터가 필요하므로Fig. 1 Large-size roll mold machining machine 롤가공기를 3 톤 롤을 포함하여 전체 질량, 질량 중심 위치 및 관성모멘트 값 등을 계산하여 산출하였다. 무게는 총 약 25 tons 이며 무게 중심의 위치는 전체 롤가공기 외형치수의 중심점 위치에 가까이 존재한다. 따라서, 4 개의 진동 절연장치를 그래나이트 베드 옆면에 배치하였으며 컨솔구조를 설계하여 진동절연장치와 그래나이트 베드를 직접 연결한 구조를 채용하였다. Fig. 2 에서 console(컨솔)구조의 설계를 위한 응력 및 처짐해석 결과를 보이고 있다. 응력의 집중은 옆면 고정 볼트체결 부위에서 발생하였으며 최대 응력 41.6 N/mm2 값을 가져 재료의 Von Mises 항복응력인 215 N/mm2 보다 훨씬 작게 설계 되었다. Console(컨솔, 브라킷) 구조에 의한 2 차적 공진모드의 간섭 여부 및 영향을 판단하기 위하여 전체 롤 가공기 무게에 의한 컨솔 구조 변형 모드 고유진동수를 FEM 해석을 통하여 계산하였고 29 Hz 의 결과를 얻었다. 이 고유진동수 값은 방진 시스템의 고유진동수 보다 크고 300 RPM(5 Hz)의 롤 회전에 의한 진동수보다 훨씬 크므로
초정밀
롤 금형 가공기용 진동절연 시스템 설계 및 해석
Vibration Isolator Design and Analysis
for Roll Machining Machine
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#심종엽
, 오정석, 박천홍
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#J.Y. Shim, J.S. Oh, C.H. Park
한국기계연구원 첨단생산장비 연구본부Key words : Vibration Isolator, Roll Machining Machine, Design, Analysis
한국정밀공학회 2013 년도 춘계학술대회논문집
Fig. 2 Stress analysis using FEM for console structure of vibration isolation system 컨솔의 설계는 검증되었다 할 수 있고 또한 이러한 진동모드는 컨솔의 처짐 강성과 롤가공기의 전체 무게로 야기된 진동 모드로서 컨솔과 방진대가 바로 연결되어 있다는 물리적 관계를 고려하면 컨솔의 강성은 방진대의 스프링 상수와 직렬 연결의 모델이 되어 방진대 스프링 상수가 지배하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 실험에서나 해석에서 29 Hz 의 진동모드는 보이지 않을 것이다. 설계된 방진시스템의 방진 모드 주파수를 Fig. 3 에서 보이고 있다.
3. 방진시스템 성능 실험 및 고찰
방진시스템의 특성 실험을 위하여 전달률을 측정하고자 하였다. 전달률 측정을 위하여 가속도계를 이용하였고 0.05 Hz ~ 500 Hz 까지 10 V/g 의 민감도로 진동측정이 가능한 Wilcoxon 사의 seismic accelerometer 를Fig. 3 Vibration isolator design results showing isolation frequencies
Fig. 4 Vibration isolator transmissibility evaluation experiment set-up on roll machining machine 사용하였다. Fig. 4 에서 방진시스템이 적용된 롤 가공기 시작품에 가속도계를 설치하여 전달률 측정 실험을 보이고 있다. 방진시스템의 대표적 성능지표인 수직방향 전달률을 측정하기 위하여 두 개의 정밀 가속도계를 사용하여 입력 가속도계는 바닥에 위치하고 출력 가속도계는 롤가공기 상에 장착하여 측정하였다. 측정결과로 2~6 Hz 에서 방진주파수가 관찰되었고 50 Hz 까지도 방진시스템에 의한 부차공진모드는 관찰되지 않았다.
