In this paper, a preliminary design and analysis of a vertical lathe is illustrated and a systematic procedure is established for future work on similar structures of machine tools. For the purpose of static and dynamic finite element analysis, a simplified modeling of machine tool is carried out. The component interfacing in the slide way can only be modeled by a special purpose elements. MATRIX27 of the ANSYS is used for this purpose. Without extensive experimental results, the contact stiffness can not be well identified, and thus the values are assumed in the calculation. The static and dynamic characteristics of the simplified model are compared with those of a detail model. Some notable differences are found but in general the results are judged to be adequate for a preliminary design stage. They come from several differences in modeling the detail geometry and interface stiffness.
Deformation patterns of the vertical lathe for various tool positions and cutting force conditions are analyzed and worst case is identified. Contribution to total deformation of the tool tip by each component is also studied. Optimal design for the thickness of stiffeners is carried out. Two cases are considered either to minimize the deflection of the tool tip relative to the table maintaining the initial mass or to minimize mass of the machine tool maintaining the initial deflection. The concept of the Pareto solutions is illustrated with these two competing objective functions.
The whole procedure of detailed preliminary design including finite element modeling, loading and boundary conditions, and optimal design formulation is well illustrated by a practical problem of a vertical lathe. The results are shown to be very useful for evaluation and design improvement of an existing design of a machine tool structure.
본 논문에서는 수직선반의 예비설계단계에서의 유한요소 구조해석과 보강재 치수 최적화에 대한 내용을 다루었다. 유한요소법을 이용한 공작기계의 동해석과 정해석을 위해 단순화된 모델을 구축하였다. 부품들의 접촉이 일어나는 슬라이드면은 ANSYS의 MATRIX27요소를 사용하여 단순화하였다. 접촉 슬라이드면의 강성을 구하기 위해서는 많은 실험 자료가 필요하지만 데이타가 부족한 관계로 계산에 의한 값을 채용하였다. 단순화 모델의 정적특성과 동적특성은 상세 모델의 해석의 결과와 비교하여 이 모델을 예비설계단계에서 적용할 수 있음을 확인하였다. 수직선반의 공구위치 변화에 따른 해석과 절삭 조건의 변화에 따른 해석을 통해 여러가지 조건에서의 시스템 변형의 패턴을 확인하였고 변형량이 가장 큰 조건을 확인하였다. 공작기계의 각 부품들이 공구끝 부분의 총 변형량에 기여하는 정도에 대한 해석도 수행되었다. 최적화 문제는 초기질량을 유지하면서 테이블 상면에 대한 공구끝부분의 상대변형량을 최소화하는 경우와 초기 변형량을 유지하면서 시스템의 질량을 최소화하는 경우의 두 가지에 대해 고려되었다. 이 두 가지 경우에서 서로 경쟁하는 목적함수를 통해 Pareto 최적해를 다루었다. 유한요소 모델링, 하중과 경계조건, 그리고 최적설계 수식화를 이용한 세부적인 예비설계단계의 일련의 과정이 실제적인 수직선반의 해석을 통해 다루어졌다. 이 연구의 결과는 향후 공작기계의 구조 해석과 설계 개선에 많은 도움이 될 것이라 기대한다.
