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고속 ATC 회전에 따른 공작기계 캠박스 구조 안정성 해석
김영준(Y. J. Kim),김성재(S. J. Kim),윤도환(D. H. Yoon) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
최근 공작기계산업에서 대형 공작물의 가공에 대한 수요가 증가함에 따라, 가공 시 머시닝센터에서 고속으로 대형 공작물을 안정적으로 가공하기 위해 BT50 급의 대형 공구 사용이 요구되고 있다. 대형 공구의 사용 시 공작물의 절삭과정에서 강점이 생기게 되지만, 비절삭 과정에서의 공구 중량의 증가는 자동공구교환장치(ATC)의 관성모멘트 증가, 강성 확보의 어려움 등의 문제점을 발생시켜 기계효율의 감소로 이어지게 된다. 일반적으로 ATC는 매거진, Change Arm, 캠박스로 구성되어 있다. 캠박스는 모터로부터 동력을 전달받아 캠박스의 Shaft 끝에 장착된 Change Arm 구동이 이루어지도록 하며, Change Arm은 공구가 보관된 매거진과 사용 공구가 장착된 주축사이에 위치하여 공구교체를 진행한다. 본 연구에서는 BT50 급의 대형 공구 적용을 위한 고속 ATC 동력부의 캠박스를 설계하고 구조해석을 통해 구조 안정성을 분석하였다. 해석 시 상용 소프트웨어인 Ansys Workbench를 이용하여 구조해석을 진행하였으며, 실제 구동부의 조건에 맞게 캠박스 모델링에서Contact 조건을 적용하고, 대형 공구가 장착된 Change arm의 하중과 실제 구동 시의 회전(2000rpm)에 따른 회전 토크를 고려하여 해석을 진행하였다. 구조해석 결과 최고 변형량은 21.8μm 로 Change Arm 이 장착되는 Shaft의 끝단에서 발생하였으며, 최고 응력은 15.9Mpa 로 Shaft 부에서 발생하였다. 외부 하중이 작용하는 Shaft 부에서 최고 변형량과 응력이 발생하였지만, 매우 작은 값을 가지므로, 캠박스의 구조 안정성에 문제가 없을 것으로 판단되어, 대형 공구 적용에 따른 고속 ATC 캠박스 구동에서는 문제가 없음을 확인하였다. Due to the recent increase in the demand for machining large-sized workpieces in the machine tool industry, the use of large-sized tools of BT50 class is required to reliably process large-sized workpieces at high speed at machining centers. When using large tools, the cutting process of the workpiece produces strength, but the increase in tool weight during the non-cutting process causes problems such as increased inertia moments of the automatic tool exchange (ATC) and difficulty in securing stiffness. ATC usually consists of a magazine, a change arm, and a cam box. The cam box receives power from the motor to operate the change arm mounted on the shaft end of the cam box. The change arm is located between the magazine where the tool is stored and the main spindle equipped with the tool for replacement. In this study, we design a cambox of ATC power units for application of BT50 class large tools and analyze their structural stability through structural analysis. Structural analysis was carried out using Ansys Workbench, a commercial software, and contact conditions were applied in the cambox modeling according to the conditions of the actual drive, and rotation torque according to the load of the change arm equipped with a large tool (2000 rpm). As a result of the structural analysis, the maximum deformation was 21.8 μm, which occurred at the end of the shaft equipped with the change arm, and the maximum stress was 15.9 Mpa, which occurred at the shaft. The maximum deformation and stress occurred at the shaft where the external load is applied, but the structural stability of the cambox was determined to be no problem, so it was confirmed that there was no problem with the high speed ATC cambox operation according to the large tool application.