◆ 특집 ◆ 직선·회전모터 구동 이송·회전체 연구 Ⅵ
토글 조인트장치를 이용한 가변예압장치 개발을 위한 기초 연구
A Fundamental Study on the Development of a Variable Preload Device Using Toggle Joint Mechanism
최치혁1, 차나현2, 이춘만2,
Chi Hyuk Choi1, Na Hyeon Cha2, and Choon Man Lee2,
1 창원대학교 R&D 클러스터사업단 (R&D Cluster, Changwon National Univ.) 2 창원대학교 기계설계공학과 (Department of Mechanical Design & Manufacturing Engineering, Changwon National Univ.)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-213-3622 Manuscript received: 2013.1.11 / Accepted: 2013.1.15
To increase the machine accuracy by improving the stiffness of spindle bearings, preload was applied to the spindle bearings. The methods of fixed position preload, convertible preload, constant pressure preload, and variable preload are used to apply the preload to the spindle bearing. The previous studies performed by the author of this study were variable preload methods using rubber pressure and centrifugal force based on mechanical systems. This study proposed a toggle joint mechanism that could be applied to variable preload method using centrifugal force and rubber pressure to increase the preload. Also, a finite element analysis was conducted to predict the deformation of the rubber and change of the preload. And the analysis results showed that the preload by the device using rubber pressure only was increased by the toggle joint mechanism using rubber pressure.
Key Words: Variable Preload (가변예압), Toggle Joint Mechanism (토글 조인트), Rubber Force (고무압), Machine Tools (공작기계), Spindle (스핀들), Bearing (베어링)
1. 서론
고속 스핀들의 핵심 요소기술 중 하나인 스핀 들 베어링 예압 기술은 고속가공기에서 중절삭과 경절삭의 실현을 위해 지속적인 연구가 이루어지 고 있다. 예압 적용은 베어링 공차(tolerance)의 조 절을 통한 저속 가공에서 중절삭의 강성 확보와 고속가공에서 베어링 발열을 저하시켜 고속회전이 가능하도록 하는데 있다. 현재 적용되는 스핀들 예압기술은 정위치예압(fixed position preload), 정압 예압(constant pressure preload), 변환예압(convertible preload) 등의 방법이 적용되고 있다. 예압 방법들은
가격적인 측면이나, 공간적인 문제 때문에 상용 화 적용이 어려워 극히 일부에 적용되고 있는 실 정이다. 기존 방법의 단점을 보완할 수 있는 가 변예압 기술 연구가 지속적으로 이루어지고 있 다.1-6 기존 연구에서 원심력과 기계적인 방법 연 구,7,8 원심력과 고무를 이용한 방법,9 원심력과 액 압을 이용한 방법10에 대해 연구하였다. 또한, 원심 력과 고무를 이용한 방법에서 고무 적용에 대한 해석을 통한 저진동, 저소음, 장치의 원활한 작동 등을 목적으로 이용되고 있으며 고도의 해석 및 설계기술 연구가 이루어지고 있다.11-14 하지만 이 방법들의 문제점은 원심력이라는 질량과 작용거리
에 비례하는 한정적인 조건으로 힘 발생에 제한적 이었다.
본 연구에서는 기존의 고무를 이용한 가변예압 기술의 실용화를 위해 토글 조인트장치(toggle joint mechanism)를 이용한 가변예압장치를 새로 제안하 고, 기존의 고무압을 이용한 가변예압장치 9에 비 해 예압을 증가시킬 수 있음을 확인하고자 한다.
2. 토글 조인트장치를 이용한 예압장치의 적용 2.1 토글 조인트장치의 개념
기존 원심력을 이용한 가변예압방법의 예압을 증가시키기 위해서 두 가지 방법을 제안하였다. 첫 번째 방법은 식(1)에서 질량을 크게 하기 위해서 현재 일반 산업시장에서 사용되고 있는 재질 중 가장 큰 밀도를 가지는 재질을 선정하였다. 선정 된 재질은 이리듐(Ir)이며 밀도가 22.56 g/㎤로 철의 3 배 정도 수준이다. 두번째 방법은 배력장치를 적 용하여 가변예압 장치를 구상하였다. 일반적으로 배력 장치는 작은 조작력으로 큰 힘을 얻는데 사 용되는 기구로서 Fig. 1 에 배력장치의 일반적인 구 조를 보여주고 있다. A 점을 이동하여 두개의 링크 가 직선에 가까워졌을 때 D 점의 속도는 느려지고 힘이 최대가 되는 구조이다.
ω2
mr
F = (1) 여기서, m 은 질량, r 은 반지름, ω 는 각속도를 나타 낸다.
2.2 구상설계
Fig. 2 는 고무압을 이용한 가변예압장치에 토글 조인트 장치를 적용하여 베어링 예압을 주는 원리 를 나타내었다. 스핀들의 회전력과 배력장치의 원 리, 밀도가 높은 소재의 원심력 증가, 고무의 초탄 성 대변형을 통한 플랜지(flange)의 이동에 의해 베어링 예압을 발생시키는 구조이다.
Fig. 1 Adjustment principle of the toggle mechanism
기존의 방법은 정해진 질량체에 의한 단독적인 원심력 발생이었지만, 제안된 방법은 질량을 무겁 게 하고, 배력 구조를 적용하여 원심력 발생을 증 가시키는 구조이다. 원심력 배력 구조부와 스핀들 회전에 의해 발생되는 증가된 원심력으로 반경방 향 힘을 발생시키고, 축 방향 힘으로 전환되기 위 한 매개체로 고무압을 이용하여 플랜지를 이동시켜 베어링에 예압을 적용하는 구조이다.
토글 조인트장치를 스핀들 예압장치 구조에 적 용시키기 위해서 스핀들 조립 부위와 베어링 위치 에 대한 정보를 이용하여 모델링을 하였다. Fig. 3 은 제안된 예압장치의 토글 조인트장치를 보여주
Fig. 2 Adjustment method of the variable preload (a) before rotation (b) after rotation
Fig. 3 Modeling of the toggle joint mechanism
고 있다. 배력 구조부와 선정된 재질의 질량체와 질량체의 이탈을 방지하기 위한 가이드 구조부로 구상되었다.
배력 구조부는 질량체를 반경방향으로 밀어주 기 위한 구조로 설계되었으며, 질량체는 제작의 용이성을 위하여 대칭방향으로 4 개 원형으로 설 계, 가이드부는 질량체의 원활한 축방향 이동을 돕기 위하여 설계되었다.
Fig. 3은 가변예압장치의 일부분을 나타내고 있 으며, 실제 스핀들에 적용하기 위한 예압장치를 구성하기 위해서 축 방향으로 힘을 전달하는 구조 가 추가되어야 한다.
구상설계를 기본구조로 실제 스핀들에 장착할 수 있는 방법으로 모델링을 실시하였다. 기본 구조 에서 스핀들의 회전을 고려하여 실제 적용이 가능 한 구조로 변경하여 상세 모델링을 실시하였다.
토글 조인트장치에 의해 증가된 원심력과 스핀 들 회전력을 고무에 전달하기 위하여 토글 조인트 장치를 통하여 원심력을 고무에 전달하고 고무의 변형을 통하여 플랜지(flange)가 축방향으로 이동하 는 형태로 상세 설계를 하였다. 플랜지는 부쉬 (bush)를 이용하여 미끄럼마찰로 이동이 쉬운 형 태로 설계하였다. 하우징(housing)은 고무를 보호 하고 스핀들과 구조체의 직접적인 연결체로 구성 되어있다.
Fig. 4 Modeling of the variable preload device using toggle joint mechanism
Fig. 4 에서는 제안된 방법에 의한 스핀들 적용 3D CAD 모델링을 보여주고 있다. 모델링파일은 구조해석을 위한 기본적인 사항으로 실제 회전의 조건으로 간섭체크 및 어셈블리를 실시하였다.
3. 원심력 배력장치를 이용한 예압장치의 구조 해석
3.1 유한요소 모델링
2 장에서 구상된 형상을 바탕으로 유한요소해 석을 실시하였다. 해석범위는 힘을 발생시키는 토글 조인트장치와 힘을 예압으로 변환하는 고무와 힘 전달체인 플랜지 부분을 선정하였다. 또한, 예압 발생력을 확인하기 위해서 베어링 내륜(inner race of bearing) 모델링을 추가 하였다. 유한요소해석은 ANSYS Workbench 를 이용하여 실시하였으며, 요소 망(mesh)은 전체 형상이 균일한 점을 고려하여 Hex Dominant 방법을 사용하였으며 요소 수는 82,545개, 절점수는 231,838 개로 구성하였다. Fig. 5 는 유한요소 모델링에 요소망 생성 결과를 보여 주고 있다.
Fig. 6 은 해석을 위한 구속조건 및 힘 조건을 보여주고 있다. 스핀들 회전수별 조건은 3,000, 5,000, 7,000, 10,000, 15,000, 20,000의 6 가지 조건 에 대하여 결과를 확인하였으며, 토글 조인트장치
Fig. 5 Finite element analysis model
에 대한 힘은 0.1 N 의 힘을 적용하였다. 구조체간 에 대한 구속 조건은 장치의 작동원리에 맞게 접 촉조건을 선정하였다. 추가적으로 하우징부는 잠 금너트에 의한 고정부위로 고정 구속조건, 플랜지 부위는 하우징에 대하여 부쉬의 마찰 특성과 유사 하게 미끄럼마찰 특성을 주었고 원심력에 의해 발 생된 고무압으로 베어링에 하중을 가할 수 있도록 움직일 수 있는 조건을 선정하였다. 고무와 하우 징, 칼라의 접촉조건은 하우징 방향으로 구속조건 을 주었으며, 토글 조인트장치 부위는 일반 접촉 조건을 주었다.
Fig. 6 Boundary condition for the analysis model
Fig. 7 Detailed distribution of deformation
3.2 유한요소 구조해석
제안된 구조체의 원활한 작동을 확인하기 위 하여 배력장치와 힘의 변화에 따른 변형량 발생 을 확인하여 제안된 방법의 가능성을 확인하였다.
Fig. 7 은 유한요소 해석을 통하여 변형량 해석으 로 구조체의 작동여부를 확인하였다. 회전에 따른 원심력 발생과 고무의 힘 방향 전환을 통하여 플 랜지의 이동을 확인하였다. 그리고, 본 연구에서는 제안된 배력장치를 통하여 스핀들 회전에 따른 원 심력으로 베어링 내륜에 주어지는 반력 검토를 통 한 예압을 확인하였다. 기본적인 질량체를 통한 고무압의 예압량을 확인하였던 기존 연구와 예압 량을 비교하여 상용화 가능성을 확인하였다. 회 전수에 대한 예압을 확인하기 위해서 칼라 및 배 력장치에 6 가지 조건으로 회전수를 주었으며, 배 력장치에 임의적인 0.1 N 의 힘으로 배력조건을 선정하였다. 본 연구에서는 스핀들의 회전에 의 한 원심력의 발생을 가정하여 각 회전수별 해석 을 실시하였다. Fig. 8 은 발생 반력의 결과를 보여 주고 있는데 이 반력이 예압이 된다. 예압은 3,000 rpm, 5,000, 7,000, 10,000, 15,000, 20,000에서 각각 8.39 N, 23.24 N, 45.51 N, 92.85 N, 208.72 N, 371.18 N 의 예압이 발생하는 것을 해석 결과로 확인하였다.
본 연구의 해석 결과 토글 조인트장치와 고무 를 이용한 방법으로 스핀들 회전수 조건별 반력 발생을 비교하였다. 가변예압 장치의 개발에 원심 력 토글 조인트장치와 고무재질을 이용한 방법의 상용화가 가능하다는 것을 확인하였다.
Fig. 8 Preload by the FEM analysis
3.3 결과 비교 분석
Fig. 9 는 회전수별 예압 발생 특성을 확인하기 위하여 해석 결과를 그래프로 나타내었다.
일반 질량체를 적용하여 고무압만을 이용한 가 변예압장치에서는 해석 조건별 증가에 따라 증가하 는 경향을 확인하였다. 발생되는 예압이 실제 스핀 들에 적용하기에 충분하지 못한 적은 예압 수준이 었다. 하지만, 토글 조인트장치를 이용한 가변예압 장치에서는 일반 질량체의 발생 예압의 약 2~3 배 정도 수준임을 확인할 수 있다. 그리고, 가변예압장 치에서 요구되는 저속에서의 강성유지와 고속에서 의 큰 예압 발생의 조건과 유사한 결과를 확인할 수 있다. 일반 질량체를 이용한 가변예압 장치는 회전수 변화에 크게 변화하지 않는 직선에 가까운 그래프 결과가 나왔지만 본 연구에서 제안된 토글 조인트장치를 이용한 가변예압장치에서는 고속으 로 갈수록 더욱 큰 힘을 발생시키는 그래프 결과 를 확인하였다.
본 연구에서 제안된 원심력 토글 조인트장치를 이용한 가변예압장치의 예압 발생이 공작기계 스핀 들 가변예압장치에 적용 가능성을 확인하였다.
4. 결론
본 연구에서는 공작기계 스핀들의 가변예압 장 치 개발 상용화를 위한 기초 연구에 초점을 맞추 고 있다. 기존 연구에서 발생된 문제점을 보완하 여 보다 현실적인 예압을 실현화시키기 위한 방법 을 제안하고 실험을 하기 이전 유한요소해석을 통 하여 가능성을 확인하였다. 제안된 방법은 현재 기 존에 연구된 방법들에 비해 저렴하고 설치가 쉬운
Fig. 9 The comparison of the results between the rubber device and toggle joint mechanism
장점이 있다. 그리고, 고무압을 이용한 가변예압장 치에서 적게 발생하는 예압을 증대시키기 위해 토 글 조인트장치를 이용한 방법을 제안하여 상용화 를 위한 예압량을 확인하였다. 예압은 3,000 rpm, 5,000, 7,000, 10,000, 15,000, 20,000에서 각각 8.39 N, 23.24 N, 45.51 N, 92.85 N, 208.72 N, 371.18 N이 발생 하는 것으로 확인하였다. 스핀들의 회전수가 증가 할수록 저속에 비해 큰 예압량을 발생시키고 증 가율이 커지는 것을 확인하였다.
이는 현재까지 상용화에 적용되고 있는 가변 예압 방법에 비해 비용절감, 설치의 용이성, 진동 감소 등의 이점을 얻을 수 있을 것이다. 본 연구 에서 제안된 방법을 근거로 실험을 실시하여 실제 스핀들 적용에 문제점 여부를 검토하고 예압 적용 에 따른 저속에서의 강성과 고속에서의 열 발생에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.
후 기
이 논문은 2012 년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2012-0007981).
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