The high speed operation of a machine tool is important for productivity improvement. Although the cutting speed has been increased due to newly developed cutting tool materials such as ceramic, CBN, diamond and so on, productivity is still restricted by the low transfer speed of massive moving bodies which are usually made of steel. Therefore, one of the primary reasons for low productivity is large mass of the moving parts of machine tools, which cannot afford high acceleration and deceleration encountered during operation.
Moreover, the vibration of machine-tool-parts is another obstacle to the high speed operation. Modern machine tools are usually equipped with high speed spindle systems rotating up to 50,000 rpm and moving frames operating up to the acceleration and deceleration of $10~30m/s^2$. At these high speed operation, machine tool structures are vulnerable to vibration if the structures were made of conventional metallic materials with inferior damping characteristics.
Machine tool structures with high specific stiffness and high damping are required not only to improve the accuracy of a machine tool but also to obtain enhanced productivity. The high specific stiffness and good damping of machine tool structures are contradictory requirements if conventional metallic materials are employed because conventional metals have almost same low specific stiffness(E/ρ) with low damping characteristics. Therefore, the functional requirements can hardly be realized if conventional metallic materials with low specific stiffness and inferior damping characteristics.
The requirement of high specific stiffness with high damping for high-speed-machine-tool-moving-parts can be satisfied by employing fiber reinforced polymer composite materials. Moreover, sandwich structures whose face structures are made of fiber reinforced composite materials and whose core materials are made of honeycomb or foam structures maximize their advantages when they are applied to the structures resisting bending moment.
This work presents the use of composite sandwich structures for high speed moving bodies of high speed precision machine tools. To this ends, the vertical and horizontal slides of a horizontal CNC milling machine were manufactured by joining high-modulus carbon-fiber epoxy composite sandwiches to welded steel structures using adhesives and bolts. For the design of composite machine tool structures, static and dynamic characteristics of hybrid structures were estimated both by FE-analysis and by experiments. In addition, the thermal characteristics of composite materials and sandwich structures for machine tool moving bodies were investigated experimentally in this work. Also, the characteristics of the adhesive joint employed for joining the composite sandwich structure to the steel base were tested with respect to the surface treatment and surface contamination due to surface coated oily materials. Then the thermal deformation and stress in the horizontal slide of the CNC milling machine were estimated using the obtained experimental results, from which the reliability of the adhesive joint parts in the hybrid structure was assessed.
A machine tool bed, basic structure of a machine tool, is also required to have the high stiffness and high damping. As the operation speeds of machine tools are increased, the vibration problem has become a major constraint on manufacturing of precision products. The two important functional requirements of machine tool bed for precision machine tools are high structural stiffness and high damping, which cannot be satisfied simultaneously if conventional metallic materials are used for the bed structure because conventional high stiffness metals have low damping and vice versa. Although the stiffness of machine tool bed structures can be increased by either employing higher stiffness materials or increasing the sectional modulus of structures, the damping and stiffness of metallic structures cannot be increased simultaneously because metals have low damping capacity. The best way to satisfy both high damping and high structural stiffness is to employ sandwich structures composed of high stiffness faces and high damping cores such as polymer concrete. Polymer concretes are high potential materials for machine tool bed structures due to their high damping characteristics with moderate stiffness and low cost.
This study also presents the application of hybrid polymer concrete for precision machine tool beds. The hybrid polymer concrete bed composed of welded steel base and polymer concrete core was designed and manufactured for a high-speed gantry-type milling machine through static and dynamic analyses using finite element method. In this work, the static and dynamic analyses of the hybrid polymer concrete bed were performed after the basic properties of polymer concrete were measured.
CNC 공작기계는 전자, 자동차, 항공 등 다양한 분야에서 부품, 금형 등의 제작에 널리 활용되고 있다. 공작기계는 생산성 향상을 위해 고속 구동이 요구되는데 세라믹, CBN, 다이아몬드 등 새로운 공구재료의 개발로 절삭 속도는 과거에 비해 크게 향상되었으나, 총 가공시간 중 많은 부분을 차지하는 이송시간은 금속 재질로 만들어진 이송계의 큰 관성으로 인해 크게 향상되지 못하여 생산성 향상에 걸림돌이 되고 있다. 최근 공작기계는 50,000 rpm 급의 고속 스핀들이 적용되고 10~30 m/s의 고속 이송 등 가혹 조건으로 구동되므로 진동에 의한 제품 표면조도 및 정밀도 저하 문제가 야기되고 있다. 이러한 공작기계 구조는 비강성 및 진동 감쇠 특성이 나쁜 기존의 금속 구조물로는 더 이상의 성능 향상을 기대하기 어려운 실정이다.
본 논문은 공작기계의 구조물의 성능 향상을 위하여 공리설계 (Axiomatic Design) 적용을 통하여 복합재료 샌드위치 구조를 설계 변수 (Design Parameters)로 설정하고 기능적 요구조건 (Functional Requirements)으로 높은 비강성, 높은 진동 감쇠 특성을 가지는 공작기계 구조물을 구현함을 목적으로 하였다.
고강성ㆍ고감쇠 공작기계 이송부 구조물은 공작기계의 정밀도 향상 뿐만 아니라 생산성 향상을 위하여도 필수적이다. 고강성 특성과 고감쇠 특성은 기존의 금속 재료에서는 상반되는 특성으로 동시에 만족 시키기 어렵다. 기존의 금속재료는 대부분 낮은 비강성 (E/ρ)을 가지며 진동 감쇠 특성이 취약하다. 이러한 고강성ㆍ고감쇠 특성은 섬유강화 복합재료의 적용을 통해 구현 될 수 있다. 특히 심재에 하니콤이나 폼을 사용한 샌드위치 구조를 설계에 응용하면 이러한 특성을 더욱 향상 시킬 수 있다. 본 논문에서는 초고속 공작기계용 이송부인 X-slide와 Y-slide에 복합재료 샌드위치 구조물 적용을 위한 재료 특성 시험, 하이브리드 구조물의 설계 및 제작, 열 특성 및 진동 특성을 다루었다. 또한 복합재료와 강철로 이루어진 하이브리드 구조의 접합에 사용된 Epoxy Adhesive 접합부의 표면 처리 방법과 응력 해석을 통한 구조물의 안정성도 기술 하였다. 제작된 X-slide와 Y-slide는 기존의 강철 X-slide, Y-slide와 동등한 강성을 가지면서도 각각 26 %, 34 %의 경량화를 실현하였으며, 진동 감쇠 계수 (Damping Factor, η)도 1.5 ~ 5.7 배 향상되었다. 열변형, 열응력 등 특성도 열특성도 안정적인 것으로 나타났으며, 컨트롤러의 튜닝을 통해 고속 구동 중 ±5 ㎛/300mm의 높은 위치 정밀도를 얻었다.
공작기계 베드는 공작기계의 하부에 위치하는 기초 구조물로서 기존에는 강철이나 주물로 주로 제작 되었으나, 최근 공작기계의 스핀들 속도, 이송계의 구동 속도가 빨라짐에 따라 더욱 향상된 강성 및 진동 감쇠 특성이 요구되고 있다. 또한 진동 문제는 공작기계를 이용한 가공품의 정밀도에 지배적인 영향을 미치는 요인이므로 공작기계 구조물의 높은 감쇠 특성이 매우 중요하다. 따라서 설계 최적화나 단면 설계를 통한 강성 향상, 추가적인 진동 감쇠 장치들이 적용되기도 하나, 그 효과나 제작에 여러가지 제약 조건이 따르므로 보다 넓은 진동수 범위에서 보다 향상된 진동 감쇠 특성을 얻기 위하여 재료적 측면의 대안이 요구되고 있다. 폴리머 콘크리트는 주철과 동등한 비강성과 높은 진동 감쇠 특성을 갖는 일종의 복합재료로서 공작기계 베드에 적용하기에 적합한 재료이다. 본 논문은 폴리머 콘크리트의 물성시험, 강철과 폴리머 콘크리트를 이용한 하이브리드 베드의 설계와 제작 및 충격응답시험을 통한 진동 감쇠 효과 규명을 다루었다. 하이브리드 구조는 강철 면재와 폴리머 콘크리트 심재로 이루어 졌으며 유한요소해석을 통하여 최적의 설계를 얻었고, 제작 된 하이브리드 폴리머 콘크리트 베드는 겐트리 형 (Gantry Type) 초고속ㆍ고정밀 공작기계에 적용하였다. 시험 결과 하이브리드 폴리머 콘크리트 베드는 넓은 주파수 범위에서 감쇠 계수 (Damping Factor, η) 2.93 ~ 5.69% 정도의 높은 진동 감쇠 효과를 보였으며, 이는 기존의 강철 베드 구조물의 감쇠 계수가 0.2 ~ 0.3% 정도임을 고려할 때 매우 크게 향상된 특성이다.
