초정밀 CNC 스핀들의 발열 특성 분석에 관한 연구

Abstract

산업체 현장에서 결함 검사시스템은 매우 중요한 부분을 차지하고 있으며 그 검사 방법에 있어서 비접촉 검사방법 부분은 상당한 발전을 거듭하고 있다. 그 중하나로서 적외선 열화상 카메라를 사용하는데, 이 검사 방법은 사용이 빠르고 비교적 정확한 데이터를 사용자로 하여금 쉽게 검사를 할 수 있는 환경을 제공하고 있다. CNC 공작기계에서 고속화와 고능률화 가공은 언제나 요구되어 온 과제이며 이 고속화를 연구하는데 있어서 정확한 열적 데이터를 얻는 것은 매우 중요한 일이다. 현재까지의 열 변형 오차 보정 경향은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째 방법은 절삭 가공 시에 고속으로 회전하는 주축계의 경우 열 변형이 일어나게 되고 이러한 열 변형 오차는 공작기계 주위온도와의 비선형적인 온도 특성에 의해 주로 발생하기 때문에 열 변형 오차를 최소화하기 위해 주축계에 유(油)냉각을 시켜 가공 시 발생하는 온도 변화를 줄이는 것이다. 그러나 이 방법을 사용하더라도 장시간 반복 작업과 고속회전으로 인한 온도 변화는 불가피하다. 두 번째 방법은 볼 스크류의 지지방식이 양쪽 고정단 형태로 되어 있고, 절삭 가공 시 발생하는 반복적인 이송과 너트의 마찰열에 의한 온도변화로 볼 스크류에 열팽창이 발생할 때, 조립 시에 예압을 주어서 열팽창을 보정하는 방법이 있으나 이 방법 역시 공작기계의 반복적인 이송으로 인한 온도 변화는 불가피하다. 또한 베어링이 고속으로 회전할수록 미끄럼 마찰로 인한 발열이 급격하게 증가하여 심각한 문제들을 유발시킨다. 따라서 이러한 마찰에 의한 볼베어링의 자체 발열을 분석 계산하여 분석용 소프트웨어를 통해 그 열 해석을 하였으며 특히 CNC공작기계에서 주축 스핀들 부분에서의 열변위 측정을 위한 열해석과 열측정 기술은 그 의미가 크다고 볼 수 있다. 이러한 공작기계에서의 열변위에 큰 작용을 하고 있는 고속 스핀들 열측정 기술은 고난이도를 요구하고 있다. 본 논문에서는 적외선 열화상 카메라를 이용한 기술을 CNC 가공기 스핀들의 열 발열 분석에 적용시키고자 그 가능성과 측정 기술을 연구하였다.