Exploring the Versatility and Manufacturing Technology of Five-Axis Heavy-Duty Cutting Crossbeam Slides

크로스빔 슬라이드 시트는 복잡한 구조와 다양한 유형이 특징인 공작기계의 핵심 부품입니다. 대들보 슬라이드 시트의 각 인터페이스는 대들보 연결 지점과 직접적으로 일치합니다. 그러나 5축 범용 슬라이드에서 5축 중절삭 슬라이드로 전환할 때 가로보 슬라이드 시트, 가로보 및 가이드 레일 베이스에 동시에 변화가 발생합니다. 이전에는 시장 요구 사항을 충족하기 위해 대형 구성 요소를 재설계해야 했으며 이로 인해 리드 타임이 길고 비용이 높으며 호환성이 좋지 않았습니다.

이 문제를 해결하기 위해 새로운 크로스빔 슬라이드 시트 구조가 범용 인터페이스와 동일한 외부 인터페이스 크기를 유지하도록 설계되었습니다. 이를 통해 가로빔이나 기타 대형 구조 구성 요소를 변경할 필요 없이 5축 중형 절단 슬라이드를 설치할 수 있으며 강성 요구 사항도 충족할 수 있습니다. 또한, 가공기술의 향상으로 대들보 슬라이드 시트 제조의 정밀도가 향상되었습니다. 이러한 유형의 구조 최적화는 관련 처리 방법과 함께 업계 내 홍보 및 적용을 위해 권장됩니다.

1. 소개

동력과 토크의 크기가 5축 헤드의 설치 단면 형상에 영향을 미치는 것은 잘 알려져 있습니다. 범용 5축 슬라이드가 장착된 빔 슬라이드 시트는 선형 레일을 통해 범용 모듈형 빔에 연결할 수 있습니다. 그러나 고출력, 고토크 5축 중절삭 슬라이드의 설치 단면적은 기존 유니버설 슬라이드의 설치 단면적보다 30% 이상 더 큽니다.

따라서 빔 슬라이드 시트의 설계에 개선이 필요하다. 이번 재설계의 주요 혁신은 범용 5축 슬라이드의 빔 슬라이드 시트와 동일한 빔을 공유할 수 있는 기능입니다. 이 접근 방식은 모듈식 플랫폼 구축을 용이하게 합니다. 또한, 전체적인 강성을 어느 정도 향상시키고, 생산 주기를 단축하며, 제조 비용을 대폭 절감하고, 시장 변화에 더 잘 적응할 수 있게 해줍니다.

기존 배치식 빔 슬라이드 시트의 구조 소개

기존의 5축 시스템은 주로 작업대, 가이드 레일 시트, 빔, 빔 슬라이드 시트, 5축 슬라이드 등의 대형 부품으로 구성됩니다. 본 논의에서는 그림 1에 설명된 빔 슬라이드 시트의 기본 구조에 중점을 둡니다. 빔 슬라이드 시트의 두 세트는 대칭이며 상부, 중간, 하부 지지판으로 구성되며 총 8개의 구성 요소로 구성됩니다. 이러한 대칭형 빔 슬라이드 시트는 서로 마주보고 지지판을 함께 고정하여 수용 구조를 갖춘 "입" 모양의 빔 슬라이드 시트를 만듭니다(그림 1의 평면도 참조). 기본 보기에 표시된 치수는 빔의 이동 방향을 나타내는 반면, 왼쪽 보기의 치수는 빔 연결에 중요하며 특정 공차를 준수해야 합니다.

개별 빔 슬라이드 시트의 관점에서 볼 때 가공을 용이하게 하기 위해 상단이 넓고 중앙이 좁은 "I"형 접합부의 슬라이더 연결면의 상단 및 하단 6개 그룹이 단일 가공 표면에 집중되어 있습니다. 이러한 배열은 미세 가공을 통해 다양한 치수 및 기하학적 정확도를 달성할 수 있도록 보장합니다. 상부, 중간, 하부 지지판군은 구조적 지지 역할만 하여 심플하고 실용적입니다. 기존 엔벨로핑 구조로 설계된 5축 슬라이드의 단면 치수는 현재 420mm × 420mm입니다. 또한 5축 슬라이드의 가공 및 조립 과정에서 오류가 발생할 수 있습니다. 최종 조정을 수용하려면 상부, 중간, 하부 지지판이 닫힌 위치에서 간격을 유지해야 하며, 이후 사출 성형으로 채워져 강화된 폐쇄 루프 구조를 만듭니다. 이러한 조정으로 인해 특히 그림 1에 표시된 대로 포위 가로보 슬라이드 시트에서 오류가 발생할 수 있습니다. 1050mm와 750mm의 두 가지 특정 치수는 가로보와 연결하는 데 중요합니다.

모듈식 설계 원칙에 따르면 호환성을 유지하기 위해 이러한 치수를 변경할 수 없으며, 이는 크로스빔 슬라이드 시트의 확장 및 적응성을 간접적으로 제한합니다. 이 구성은 특정 시장의 고객 요구를 일시적으로 충족할 수 있지만 오늘날 빠르게 발전하는 시장 요구에 부합하지 않습니다.

혁신적인 구조와 가공기술의 장점

3.1 혁신적인 구조 소개

시장 적용의 촉진은 사람들에게 항공우주 가공에 대한 더 깊은 이해를 제공했습니다. 특정 가공 부품에서 높은 토크와 높은 출력에 대한 수요가 증가하면서 업계에 새로운 트렌드가 촉발되었습니다. 이러한 요구에 부응하여 5축 헤드와 함께 사용하도록 설계되고 단면적이 더 큰 새로운 크로스빔 슬라이드 시트가 개발되었습니다. 이 설계의 주요 목표는 높은 토크와 출력이 필요한 중절삭 공정과 관련된 문제를 해결하는 것입니다.

이 새로운 크로스빔 슬라이드 시트의 혁신적인 구조는 그림 2에 나와 있습니다. 이는 유니버설 슬라이드와 유사하게 분류되며 대칭형 크로스빔 슬라이드 시트 2세트와 상부, 중간, 하부 지지판 2세트로 구성되어 모두 포괄적인 포용형 구조.

새로운 디자인과 기존 모델의 주요 차이점은 크로스빔 슬라이드 시트와 지지 플레이트의 방향이 기존 디자인에 비해 90° 회전되었다는 점입니다. 전통적인 크로스빔 슬라이드 시트에서 지지판은 주로 지지 기능을 수행합니다. 그러나 새로운 구조는 가로보 슬라이드 시트의 상부 및 하부 지지판에 슬라이더 설치면을 통합하여 기존 모델과 달리 분할 구조를 만듭니다. 이 설계를 통해 상부 및 하부 슬라이더 연결 표면을 미세 조정하고 조정하여 대들보 슬라이드 시트의 슬라이더 연결 표면과 동일 평면에 있도록 할 수 있습니다.

이제 주요 구조는 대칭형 크로스빔 슬라이드 시트 2개 세트로 구성되며, 상부, 중간, 하부 지지판이 'T'자 형태로 배열되어 상부는 넓고 하부는 좁아졌습니다. 그림 2의 왼쪽에 있는 1160mm와 1200mm의 치수는 가로보 이동 방향으로 확장되는 반면, 주요 공유 치수인 1050mm와 750mm는 기존 가로보 슬라이드 시트의 치수와 동일하게 유지됩니다.

이 디자인을 통해 새로운 크로스빔 슬라이드 시트는 기존 버전과 동일한 개방형 크로스빔을 완전히 공유할 수 있습니다. 이 새로운 대들보 슬라이드 시트에 사용된 특허 공정은 사출 성형을 사용하여 지지판과 대들보 슬라이드 시트 사이의 틈을 채우고 경화하여 600mm x 600mm 5축 중절삭 슬라이드를 수용할 수 있는 일체형 수용 구조를 형성하는 과정을 포함합니다. .

그림 2의 왼쪽 그림과 같이 5축 중절삭 슬라이드를 고정하는 가로보 슬라이드 시트의 상하 슬라이더 연결면이 분할 구조를 이루고 있습니다. 잠재적인 처리 오류로 인해 슬라이더 위치 지정 표면과 기타 치수 및 기하학적 정확도 측면이 동일한 수평면에 있지 않아 처리가 복잡해질 수 있습니다. 이를 고려하여 이 분할 구조에 대한 적격한 조립 정확성을 보장하기 위해 적절한 프로세스 개선이 구현되었습니다.

3.2 동일 평면 연삭 공정 설명

단일 빔 슬라이드 시트의 준정삭은 정밀 밀링 머신으로 완료되며 정삭 여유만 남깁니다. 여기서는 설명이 필요한데, 마무리 연삭에 대해서만 자세히 설명합니다. 구체적인 분쇄 공정은 다음과 같습니다.

1) 두 개의 대칭형 빔 슬라이드 시트는 단일 부품 기준 연삭을 받습니다. 툴링은 그림 3에 설명되어 있습니다. 표면 A라고 하는 마감 표면은 위치 지정 표면 역할을 하며 가이드 레일 그라인더에 고정됩니다. 기준 베어링 표면 B와 프로세스 기준 표면 C는 치수 및 기하학적 정확도가 도면에 지정된 요구 사항을 충족하도록 연마되었습니다.

2) 위에서 언급한 구조에서 동일 평면이 아닌 오류를 처리하는 문제를 해결하기 위해 우리는 4개의 고정 지지 동일 높이 블록 도구와 2개의 하단 지지 동일 높이 블록 도구를 특별히 설계했습니다. 300mm 값은 동일한 높이 측정에 중요하며 균일한 높이를 보장하려면 도면에 제공된 사양에 따라 처리되어야 합니다. 이는 그림 4에 설명되어 있습니다.

3) 두 세트의 대칭형 빔 슬라이드 시트가 특수 공구를 사용하여 서로 마주보게 고정됩니다(그림 5 참조). 동일한 높이의 고정 지지 블록 4세트가 장착 구멍을 통해 빔 슬라이드 시트에 연결됩니다. 또한 동일한 높이의 두 세트의 바닥 지지 블록이 기준 베어링 표면 B 및 프로세스 기준 표면 C와 함께 교정 및 고정됩니다. 이 설정은 두 세트의 대칭 빔 슬라이드 시트가 기준 베어링 표면에 대해 동일한 높이에 위치하도록 보장합니다. 베어링 표면 B, 프로세스 기준 표면 C는 빔 슬라이드 시트가 올바르게 정렬되었는지 확인하는 데 사용됩니다.

동일 평면 처리가 완료되면 두 빔 슬라이드 시트 세트의 슬라이더 연결 표면이 동일 평면에 있게 됩니다. 이 처리는 치수 및 기하학적 정확성을 보장하기 위해 단일 패스로 수행됩니다.

다음으로, 어셈블리를 뒤집어 이전에 처리된 표면을 고정하고 위치를 지정하여 다른 슬라이더 연결 표면을 연삭할 수 있습니다. 연삭 공정 중에 툴링으로 고정된 전체 빔 슬라이드 시트가 단일 패스로 연삭됩니다. 이 접근 방식을 사용하면 각 슬라이더 연결 표면이 원하는 동일 평면 특성을 얻을 수 있습니다.

빔 슬라이드 시트의 정강성해석 데이터 비교 및 검증

4.1 평면 밀링력의 구분

금속절단에서는CNC 밀링 선반평면 밀링 중 힘은 공구에 작용하는 세 가지 접선 성분으로 나눌 수 있습니다. 이러한 구성력은 공작 기계의 절삭 강성을 평가하는 데 중요한 지표입니다. 이 이론적 데이터 검증은 정적 강성 테스트의 일반 원칙과 일치합니다. 가공 공구에 작용하는 힘을 분석하기 위해 유한 요소 분석 방법을 사용하여 실제 테스트를 이론적인 평가로 변환할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 빔 슬라이드 시트의 설계가 적절한지 여부를 평가하는 데 사용됩니다.

4.2 평면중절삭 파라메타 목록

커터 직경(d): 50mm
치아 수(z): 4
스핀들 속도(n): 1000rpm
이송 속도(vc): 1500mm/분
밀링 폭(ae): 50mm
밀링 백 절삭 깊이(ap): 5mm
회전당 이송(ar): 1.5mm
날당 이송(of): 0.38mm

접선 밀링력(fz)은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
\[ fz = 9.81 \times 825 \times ap^{1.0} \times af^{0.75} \times ae^{1.1} \times d^{-1.3} \times n^{-0.2} \times z^{ 60^{-0.2}} \]
결과적으로 \( fz = 3963.15 \, N \)의 힘이 발생합니다.

가공 공정 중 대칭 및 비대칭 밀링 요소를 고려하면 다음과 같은 힘이 있습니다.
- FPC(X축 방향의 힘): \( fpc = 0.9 \times fz = 3566.84 \, N \)
- FCF(Z축 방향의 힘): \( fcf = 0.8 \times fz = 3170.52 \, N \)
- FP(Y축 방향의 힘): \( fp = 0.9 \times fz = 3566.84 \, N \)

어디:
- FPC는 X축 방향의 힘이다.
- FCF는 Z축 방향의 힘
- FP는 Y축 방향의 힘입니다.

4.3 유한요소 정적해석

두 개의 절단 5축 슬라이드는 모듈식 구조가 필요하며 호환 가능한 개방 인터페이스와 동일한 빔을 공유해야 합니다. 따라서 빔 슬라이드 시트의 강성은 매우 중요합니다. 빔 슬라이드 시트가 과도한 변위를 겪지 않는 한 빔은 보편적이라고 추론할 수 있습니다. 정적 강성 요구 사항을 보장하기 위해 관련 절삭 데이터를 수집하여 빔 슬라이드 시트 변위에 대한 유한 요소 비교 분석을 수행합니다.

이 해석은 두 빔 슬라이드 시트 어셈블리 모두에 대해 유한 요소 정적 해석을 동시에 수행합니다. 이 문서는 원래 슬라이딩 시트 분석의 세부 사항을 생략하고 빔 슬라이드 시트의 새로운 구조에 대한 자세한 분석에 특히 중점을 둡니다. 범용 5축 기계는 중절삭을 처리할 수 없지만, 승인 테스트 중에 고정각 중절삭 검사와 "S" 부품에 대한 고속 절단 승인이 종종 수행된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이 경우의 절삭 토크와 절삭력은 중절삭과 비슷합니다.

다년간의 적용 경험과 실제 납품 조건을 바탕으로 저자는 범용 5축 기계의 다른 대형 부품이 중절삭 저항 요구 사항을 완벽하게 충족한다고 믿습니다. 따라서 비교 분석을 수행하는 것은 논리적이고 일상적인 일입니다. 처음에는 메쉬 분할에 영향을 줄 수 있는 나사 구멍, 반경, 모따기 및 작은 단계를 제거하거나 압축하여 각 구성 요소를 단순화합니다. 그런 다음 각 부품의 관련 재료 특성이 추가되고 정적 분석을 위해 모델을 시뮬레이션으로 가져옵니다.

해석을 위한 매개변수 설정에서는 질량, 힘 팔 등 필수 데이터만 유지됩니다. 일체형 빔 슬라이드 시트는 변형 해석에 포함되며, 공구, 5축 머시닝 헤드, 중절삭용 5축 슬라이드와 같은 기타 부품은 강체로 간주됩니다. 분석은 외부 힘에 따른 빔 슬라이드 시트의 상대적 변위에 중점을 둡니다. 외부 하중에는 중력이 포함되며 동시에 3차원 힘이 툴팁에 적용됩니다. 툴팁은 가공 중에 공구 길이를 복제하기 위한 힘 하중 표면으로 미리 정의되어야 하며, 최대 활용을 위해 슬라이드가 가공 축 끝에 위치하도록 보장하고 실제 가공 조건을 면밀히 시뮬레이션해야 합니다.

그만큼알루미늄 부품s는 “global contact (-joint-)” 방식으로 상호 연결되며, 선 분할을 통해 경계 조건이 설정됩니다. 빔 연결 영역은 그림 7에 표시되어 있으며 그리드 분할은 그림 8에 표시되어 있습니다. 최대 단위 크기는 50mm, 최소 단위 크기는 10mm로 총 185,485개 단위 및 367,989개 노드가 됩니다. 전체 변위 구름 다이어그램은 그림 9에 표시되어 있으며 X, Y 및 Z 방향의 세 가지 축 변위는 각각 그림 10~12에 표시되어 있습니다.

그만큼정밀 가공 부품“global contact (-joint-)” 방식으로 상호 연결되며 선분할을 통해 경계조건을 설정합니다. 빔 연결 영역은 그림 7에 표시되어 있으며 그리드 분할은 그림 8에 표시되어 있습니다. 최대 단위 크기는 50mm, 최소 단위 크기는 10mm로 총 185,485개 단위 및 367,989개 노드가 됩니다. 전체 변위 구름 다이어그램은 그림 9에 표시되어 있으며 X, Y 및 Z 방향의 세 가지 축 변위는 각각 그림 10~12에 표시되어 있습니다.

데이터를 분석한 후 클라우드 차트를 정리하여 Table 1에 비교하였습니다. 모든 값은 서로 0.01mm 이내입니다. 이 데이터와 이전 경험을 바탕으로 우리는 가로보가 뒤틀림이나 변형을 겪지 않아 생산 시 표준 가로보를 사용할 수 있다고 믿습니다. 기술 검토 후 이 구조는 생산 승인을 받았으며 강철 테스트 절단을 성공적으로 통과했습니다. "S" 시험편의 정밀도 테스트는 모두 필수 표준을 충족했습니다.