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내륜 트랙 정밀연삭장비 지지구조물의 정 · 동강성 해석
한혜원(Hye Won Han),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.10
내륜 트랙 연삭기는 자동차용 등속조인트의 주요 부품 중 하나인 볼베어링 내륜 트랙을 정밀 연삭하는 전용 공작기계이다. 버필드 조인트 형태의 등속조인트에 적용되는 내륜 트랙은 볼베어링이 장착되는 6개 또는 8개의 홈을 갖고 있으며, 0.5㎛ 이내의 표면조도가 확보되어야 한다. 볼베어링 내륜 트랙연삭기는 주어진 표면조도의 확보는 물론 대량 생산을 위한 공작시간 등과 같은 요구조건을 만족해야 한다. 이러한 요구조건을 만족시키기 위하여 가공기구의 특성상 연삭축 및 조정차축으로 구성된 주축계의 정밀도는 물론 이를 지지하고 있는 베드의 강성이 확보되어야 한다. 정적 및 동적 구조해석을 통해 연삭기의 정강성 및 동강성을 초기 설계 단계에서 평가되어야 하며, 또한 지지구조물인 베드 내부의 리브 형상 최적화 등이 필요하다. 본 연구에서는 새로 개발되는 볼베어링 내륜 트랙 연삭기 베드의 구조강성을 평가하기 위해 정적 및 동적 구조해석을 수행하였으며, 정적 및 동적 컴플라이언스를 추정하였다. 모드해석과 조화가진해석을 통해 연삭기 스핀들 속도에서 가공 정밀도에 영향을 주는 진동 특성을 확인하였고, 정적 및 동적 컴플라이언스로 얻어진 정강성과 동강성을 해석적으로 평가하였다. An inner race ball track (IRBT) grinding machine is presented as a factory-specific equipment for the precision grinding of surfaces on the inner race ball tracks for continuous velocity joints. The inner race ball tracks consist of 6 or 8 grooves with a surface roughness of 0.5㎛, where ball bearings are mounted. The IRBT grinding machine must meet certain requirements to secure a given level of surface roughness and a manufacturing lead time for mass production, in which a machining accuracy of the spindle system and a stiffness of the supported structure must be secured. Static and dynamic stiffness must be evaluated in the early stage of the design process for the grinding machine, and shape optimization of the bed as a supported structure should be carried out. In this study, static and dynamic structural analyses were conducted to evaluate the structural stiffness of the supported structure for the IRBT grinding machine. Modal and dynamic analyses considering harmonic excitation provided vibration characteristics, and the authors investigated how these factors affect the machining accuracy of the IRBT grinding machine. Consequently, the static and dynamic stiffness were estimated analytically by using the static and dynamic compliances obtained by the dynamic analysis for external harmonic excitation at a given spindle speed.
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내륜 트랙 정밀 연삭 장비 지지 구조물의 구조 최적 설계
한혜원,한승호 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.3
The inner race ball track (IRBT) grinding machine, a factory-specific equipment for precision surface grinding on inner race ball tracks for continuous velocity joints, has become quicker, more precise, and increasingly lightweight due to industry demands for productivity and quality improvements. To satisfy these demands, the main spindle system must rotate quickly, and the lightweight and stiff supporting structure, referred to as the bed, must be secured. The lighter weight of the bed, however, can cause a decrease in stiffness, resulting in excessive deformations and vibrations. These are the main factors that reduce the precision of the IRBT grinding machine. To design a lightweight bed with greater stiffness, an optimal shape design should be utilized for weight and stiffness, which provides contradictory design goals. In the present study, the thicknesses of 17 ribs composed in a bed were taken into account as the design variables, and the design values were determined using the optimal shape design. The design of experiment (DOE) based on a response surface model (RSM) was performed; an orthogonal array table was used, and it was found that several candidates of optimal design values met the requirements of contradictive objectives (minimum weight and maximum stiffness). Although the decrease in weight of 32 kgf was insignificant compared to the initial model, the static and dynamic stiffness of the bed improved by 6.15 % and 48.07 %, respectively. 내륜 트랙 정밀 연삭 장비는 자동차용 등속 조인트의 내륜 트랙을 정밀 연삭하는 전용 공작 기계로서, 산업체의 생산성과 품질 향상 요구가 증가함에 따라 점차 고속화, 고정밀화 및 경량화되고 있다. 연삭 장비의 고속화를 위해서 연삭축 및 조정차축으로 구성된 주축계의 고속 회전이 가능해야 하며, 지지 구조물인 베드의 경우 경량화와 고강성화가 이루어져야 한다. 베드가 경량화되면 구조강성이 저하되어 변형과 진동이 과도하게 발생하게 되며, 이러한 진동과 변형은 연삭 장비의 가공 정밀도를 떨어뜨리는 주요한 요인이다. 따라서 고속, 고정밀화가 요구되는 연삭 장비의 지지 구조물의 경량 설계를 위해서는 서로 상충되는 설계 목표인 중량과 강성이 적절하게 절충되어 최적화되어야 한다. 본 연구에서는 내륜 트랙 정밀 연삭 장비 지지 구조물인 베드의 경량화 및 고강성화를 위하여, 베드 하부의 17개 리브의 두께를 형상 설계 변수로 선정하고 이를 최적화하였다. 직교 배열표를 이용한 실험 계획법과 반응 표면 모델을 이용한 설계 영역 탐색을 통해, 초기 모델 대비 중량 감소는 32kgf 수준이었으나, 정강성 및 동강성이 6.15% 및 48.07% 향상된 베드의 강성 확보가 이루어졌다.
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김우강(Woo-Kang Kim),김건희(Geon-Hee Kim) 한국기계가공학회 2011 한국기계가공학회지 Vol.10 No.6
The grinding is a popular process for studying constant velocity joint and process in automobile industry. In this study, The study gives the data of wheel type and grinding of inner race is developed. As a result I obtained the data of grinding conditions makes good surface roughness get a grinding conditions. The grinding characteristics and conditions of inner race were investigated with respect to grinding feed, cutting depth, grinding time. The results were suddenly increased and the detailed surfaces were extremely obtained. Grinding condition was big more affected by grinding time, grinding speed and grinding depth.
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