고속 드릴 스핀들에 대한 자동화된 동적 해석

Systematic Drill Head는 주로 자동차 산업의 엔진 제조업체에 맞춤형 드릴 헤드 및 정밀 스핀들을 공급하는 세계적인 공급업체입니다. 이 회사는 응용 프로그램 특화 도구 설계를 가속화하기 위해 LUSAS 유한 요소 해석 소프트웨어를 구입하고, FEA Ltd의 엔지니어링 컨설팅 서비스 부서에 자동화된 진동 해석을 위한 맞춤형 사용자 인터페이스 개발을 지시하였습니다.

진동 성능은 드릴 스핀들의 가공 과정에서 매우 중요한 요소입니다. 심지어 매우 작은 진폭의 진동, 즉 “차터(chatter)”는 가공된 부품의 수용할 수 없는 표면 마감으로 이어질 수 있습니다. 극단적인 경우, 진동은 도구나 작업물의 고장을 초래할 수 있습니다. 따라서 공작 시스템 설계에서 공진 문제를 피하는 것이 중요합니다. 프로토타입 테스트는 개발 주기 내에 보통 불가능하므로, 진동 고려 사항은 설계 단계에서 해결해야 합니다.

예비 조사에 따르면 단순한 선 빔 모델이 수용 가능한 동적 솔루션을 제공할 수 있다고 합니다. 이 모델은 드릴 스핀들을 나타내는 3D 빔으로, 베어링은 스프링 지지로 나타냅니다. 고유치 및 모드 형태를 결정하기 위해 고유치 해석을 수행하며, 여기에는 평면 내 및 평면 외 굽힘, 축 방향 및 비틀림 효과가 포함됩니다. 인터랙티브 모드 동역학(Interactive Modal Dynamics, IMD) 절차를 사용하여 주파수 응답 함수를 계산하고, 이는 스핀들의 회전 속도와 그 조화에 비교됩니다. 전체 프로세스는 자동화되어 있어 사용자에게 샤프트 프로파일 및 베어링 배치만 설명하면 됩니다. 모든 메싱, 해석 및 후처리(동적 강제 응답 포함)는 최소한의 사용자 개입으로 프로그램에서 처리됩니다. 이 접근법은 분석 프로세스를 가속화할 뿐만 아니라 모델링 및 해석 작업의 일관성을 가져옵니다.

스핀들 모델이 상대적으로 간단하기 때문에, 모델 구축을 위한 “상향식(top down)” 접근 방식을 채택하였습니다. 사용자는 각 섹션의 외경, 내경 및 길이를 차례로 입력하며, 한쪽 끝에서 시작하여 샤프트 조립의 다른 쪽 끝으로 진행합니다. 구조적 해석에 사용될 선 빔 모델을 구성하는 것 외에도, 프로그램은 실제 입력된 기하학을 나타내기 위해 일련의 표면을 생성합니다. 또한, 후처리 중 시각화를 돕기 위해 구조적 모델에 비구조적 “가벼운 강성(light stiff)” 교차 빔이 섹션 변경 시 추가됩니다. (이들이 없으면 비틀림 모드를 식별하기 특히 어렵습니다.) 모든 기하학적 및 재료 속성은 프로그램이 진행됨에 따라 자동으로 계산되고 할당됩니다.

샤프트가 정의되면 베어링의 축 방향 위치 지정 및 프리로드가 입력됩니다. 선 빔 모델은 베어링 위치에서 자동으로 나누어지고 스프링이 추가됩니다. 베어링 강성의 데이터베이스가 검색되고, 선택된 베어링 명칭이 알 수 없는 경우 사용자의 강성 입력이 요청됩니다. 유한 요소 이상화가 완료되면, 사용자는 요구되는 모드 수를 입력하라는 메시지를 받고, LUSAS 결과 파일이 정적 및 고유치 해석을 위해 자동으로 생성됩니다. 자동화된 후처리 기능에는 정적 강성 출력, 애니메이션 모드 형상 디스플레이 및 주파수 응답 생성이 포함됩니다.

가능한 경우, 동적 해석 방법은 테스트 결과와 비교하여 검증해야 합니다. 이 경우, 일반적인 스핀들에 대한 동적 테스트가 수행되었으며, 벌크 샤프트 및 조립된 스핀들의 주파수 응답 측정이 포함되었습니다. 기계적 충격 해머와 가속도계가 함께 사용되었으며, “Data Physics” PC 기반 2채널 FFT 해석 장비를 통해 힘 및 응답 신호를 캡처하고 처리하였습니다. 이 테스트는 2,500 Hz 대역에서 고품질의 주파수 응답 측정을 제공하였습니다. 측정된 주파수 응답과 예측된 주파수 응답의 전형적인 비교가 동반 그래프에 나타나 있습니다.

FEA의 엔지니어링 컨설팅 서비스는 드릴 스핀들 조립체에 대한 신속한 자동화된 동적 해석을 수행하도록 LUSAS를 성공적으로 맞춤화하였습니다. 결과는 테스트 측정과 비교하여 검증되었으며, 수용 가능한 상관관계가 달성되었습니다. 제공된 솔루션은 최소한의 전문 지식으로 실무 디자인 엔지니어들이 효과적으로 사용할 수 있습니다.