열-구조 해석을 통한 초대형 헤드유니트의 열오차 예측

Abstract

공작기계의 구성요소들에서 발생하는 열은 공작기계의 열변형을 야기하고 가공 정밀도를 저하시킨다. 이러한 열변형은 공작기계의 규모가 클수록 크게 발생하며, 공작기계의 열변형을 최소화하기 위해서는 열변형의 해석 및 예측은 필수이다. 종래에는 중소형 스핀들 (spindle)에 대한 유한요소해석 (finite element analysis, FEA)이 많이 연구되어 왔으며, 본 논문에서는 초대형 헤드유니트의 FEA를 통해 스핀들의 열오차를 예측한다. 의미 있는 FEA 결과를 얻기 위해서는 정확한 열경계조건이 요구되며, 해석에서 환경온도, 스핀들의 베어링, 외장형 모터 및 냉각시스템과 같은 주요 열원의 발열을 고려한다. 또한, 초대형 헤드유니트에서 조인트 요소에서 열전도가 발생하면 접촉부에서 온도강하가 발생하므로 열접촉저항 (thermal contact resistance, TCR)이 고려된다. 강제 및 자연대류 열전달계수는 실시간으로 측정된 환경온도를 고려하여 기존에 연구된 실험식을 통하여 계산한다. 열해석을 통해 예측된 헤드유니트의 온도분포는 헤드유니트의 열변형 예측을 위한 열-구조 해석에서 부하 조건으로 사용된다. 이 열-구조 해석을 통해 예측된 헤드유니트의 열변형은 베어링의 예압 변화와 베어링의 강성 변화를 야기하고 이러한 베어링의 예압과 강성 변화는 베어링의 열변형에 영향을 미친다. 열-구조 해석에서 이러한 효과가 고려되며, 이를 이용하여 스핀들의 축방향 열오차를 예측한다. 실험 결과와의 비교 검증을 통해 제안된 FEA 모델의 타당성을 입증한다.