Z-형 밸런스 엘보우의 불규칙한 편심구조와 큰 사이즈, 높은 정밀도, 체결불량으로 인한 가공의 어려움에 대한 공정분석을 실시하였습니다. 표준화된 가공 방식이 제안되었습니다. Z-형 밸런스 엘보의 가공 난이도가 높고 품질이 불안정하며 가공 효율이 낮은 문제를 해결하여 여러 모델 및 대량 제품 배치에 적합한 특수 선반 고정구가 설계되었습니다.
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소개
밸런스 엘보는 추적형 특수 차량의 서스펜션 시스템의 핵심 구성요소입니다. 이는 토션 샤프트 및 충격 흡수 장치와 같은 탄성 요소와 함께 작동하여 차체와 로드 휠에 탄성 지지력을 제공합니다[1]. 밸런스 엘보는 로드 휠의 상하- 및- 움직임에 의해 발생하는 많은 양의 충격 에너지를 토션 샤프트로 전달하고, 진동 에너지를 완충 및 흡수하며, 차체에 가해지는 충격력을 줄이고, 승객의 편안함을 향상시키며, 부품 손상을 줄이고, 거친 도로 주행 시 차량의 안정성과 기동성을 보장할 수 있습니다[2]. 일반 밸런스 엘보 어셈블리에는 스플라인 샤프트, 밸런스 엘보 및 로드 휠 샤프트가 포함됩니다. Z- 모양의 밸런스 엘보는 세 가지 구성 요소를 모두 결합한 통합 밸런스 엘보입니다. 통합 밸런스 엘보는 높은 기동성, 높은 신뢰성 및 경량의 특성을 가지며 현대 특수 차량에 널리 사용됩니다 [3]. 02
Z-형 밸런스 엘보의 구조 및 가공 과제 분석
그림 1에 표시된 Z-형 밸런스 엘보 구조는 불규칙한 모양의 편심 구조입니다. 크기가 크고 무게가 무거워서 높은 재료 제거율, 높은 치수 및 위치 정확도, 수많은 공정을 통한 긴 가공 사이클이 필요합니다. 여기에는 수평 보링 머신, CNC 선반, 머시닝 센터, 브로칭 머신, 와이어 EDM 머신 등 다양한 장비와 거래가 포함됩니다. 이전 생산에서는 샤프트 외부 원의 공차 치수를 벗어난--문제, 스플라인 구멍과 외부 원 사이의 정렬 불량, 큰 샤프트(스플라인 샤프트)와 작은 샤프트(로드휠 샤프트) 축의 비-비평행성, 표준 이하의 표면 거칠기, 불균형한 공정 사이클 시간, 낮은 가공 효율성 등 수많은 문제가 각 공정 단계에서 노출되어 제품 품질과 납기 일정에 심각한 영향을 미쳤습니다.
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프로세스 계획
Z-형 밸런스 엘보우 가공 공정: 단면 및 내부 구멍 황삭 보링 → 대형 샤프트 황삭 터닝 → 소형 샤프트 황삭 터닝 → 단면 및 내부 홀 정삭 보링 → 대형 샤프트 정삭 터닝 → 소형 샤프트 정삭 터닝 → 외형 밀링 및 드릴링 → 브로칭(와이어 EDM 스플라인). 제품 블랭크는 단조품입니다. 크고 작은 샤프트를 황삭 및 정삭할 때 균형추가 있는 특수 선반 고정 장치가 필요합니다. 이 치구는 공작물 회전 중에 발생하는 원심력의 균형을 유지함으로써 진동을 줄이고 스핀들 속도를 높여 제품 가공 정확도와 절삭 속도를 효과적으로 향상시킵니다.
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가공 공정
(1) 단면 및 내부 구멍의 황삭 보링: CNC 수평 보링 머신이 사용됩니다. 양쪽 끝면과 내부 구멍에 대해 각 측면에 2mm 여유가 남습니다. 이 공정의 주요 기능은 대량의 재료를 신속하게 제거하고 크고 작은 샤프트의 거친-가공 외경을 위한 공정 중심 구멍을 만드는 것입니다. CNC 수평 보링 머신에는 360도 회전하는 작업대가 있어 한 번의 설정으로 XOY 평면에서 범용 가공이 가능합니다. 4개의 단면과 내부 구멍을 한 번에 가공할 수 있어 크고 작은 샤프트의 양쪽 끝의 가공 중심 구멍이 동축이 되고 크고 작은 샤프트의 중심선이 평행하도록 보장됩니다. 끝면과 내부 구멍의 황삭 보링은 그림 2에 표시되어 있으며, 여기서 두꺼운 실선은 가공된 표면을 나타냅니다.
그림 2. 단면과 내부 구멍의 황삭 보링
(2) 대형 샤프트의 황삭 터닝: CNC 선반에서 외경의 각 측면에 1.5mm의 여유를 두고 가공합니다. 이 공정의 주요 기능은 대량의 소재를 신속하게 제거하고 단면 및 내부 구멍의 정삭 보링을 위한 공정 기준을 생성하는 것입니다. Z- 모양의 밸런스 엘보의 무게 중심은 선삭 중에 회전 중심에서 이동하기 때문에 원심력의 균형을 맞추고 진동을 줄이며 스핀들 속도를 높이려면 균형추가 있는 특수 선반 고정 장치가 필요합니다. 대형 샤프트의 대략적인 회전은 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3. 대형 샤프트의 거친 회전
(3) 소축의 황삭가공 : CNC선반으로 외경과 단면의 각 변에 1.5mm의 여유를 두고 가공한다. 이 공정의 주요 기능은 다량의 재료를 신속하게 제거하고 가공 응력을 해제하는 것입니다. 작은 샤프트의 황삭 가공은 그림 4에 나와 있습니다. 황삭 가공 후 크고 작은 샤프트의 외경은 규칙적입니다. 정삭 보링 시 보다 안정적인 정삭을 위해 AV- 형태의 클램프를 사용합니다.
그림 4. 작은 샤프트의 거친 회전
(4) 단면 및 내부 구멍 정삭 보링: CNC 수평 보링 머신을 사용하여 대형 샤프트의 외경을 황삭 가공하는 작업을 공정 기준점과 클램핑 기준점으로 합니다. 이 공정의 주요 기능은 제품의 4개 단면과 내부 구멍을 완성된 크기로 가공하여 치수 정밀도와 표면 거칠기를 보장하는 동시에 크고 작은 샤프트의 외경 마무리 선삭을 위한 모따기를 생성하는 것입니다. 끝면과 내부 구멍의 정삭 보링은 그림 5에 표시되어 있으며, 여기서 두꺼운 실선은 이 공정에서 가공된 표면을 나타냅니다.
그림 5. 단면 및 내부 구멍 보링 마무리
(5) 대형 샤프트 마무리 터닝: CNC 선반을 사용하여 외경을 마무리 크기로 가공하여 치수 정확성, 기하학적 정확성 및 표면 거칠기를 보장합니다. 내공 정삭 보링 시 생성된 챔퍼를 클램핑 데이텀으로 사용하여 대형 샤프트의 외경과 내공의 동축성을 확보하는 공정입니다. 대형 샤프트의 마무리 선삭은 그림 6에 나와 있습니다.
그림 6. 메인 샤프트의 정밀 터닝
(6) 작은 축의 정밀 터닝 : CNC 선반을 사용하여 외경을 최종 크기로 가공하여 치수 정확도, 기하학적 정확도 및 표면 거칠기를 보장합니다. 이 공정에서는 내부 구멍의 정밀 보링 시 만들어진 챔퍼를 클램핑 및 위치 결정 기준으로 사용하여 작은 샤프트와 내부 구멍의 외경의 동축성 및 작은 샤프트와 주축의 중심선의 평행성을 보장합니다. 작은 샤프트의 정밀 선삭은 그림 7에 나와 있습니다.
그림 7. 소형 샤프트의 정밀 터닝
(7) 외형 밀링 및 드릴링 : 수직형 머시닝센터를 이용하여 제품의 외형을 원하는 위치로 가공하고 맞춤핀 구멍을 뚫는다. 외부 형상의 밀링과 드릴링은 그림 8에 표시되어 있으며, 여기서 두꺼운 실선은 이 공정에서 가공된 표면을 나타냅니다.
그림 8. 외형 밀링 및 드릴링
(8) 스플라인 브로칭(와이어 EDM 스플라인): 제품 배치가 큰 경우 일반적으로 이 프로세스는 브로칭 도구가 있는 브로칭 기계를 사용하여 수행되므로 생산 효율성과 스플라인 구멍 치수의 일관성이 보장됩니다. 브로치를 사용할 수 없고 배치 크기가 작은 경우 와이어 EDM 기계를 사용하여 이 프로세스를 수행할 수 있습니다. 메인 샤프트의 외경은 클램핑 및 위치 결정 기준 역할을 하여 스플라인 구멍과 메인 샤프트의 외경의 동축성을 보장합니다. 브로치 스플라인(와이어-EDM 스플라인)은 그림 9에 표시되어 있으며, 여기서 두꺼운 실선은 이 공정에서 가공된 표면을 나타냅니다.
그림 9: 브로치 스플라인(와이어-EDM 스플라인)
이 시점에서 Z-형 밸런스 엘보우 제품은 모든 가공 공정을 완료했습니다. 후속 공정에는 결함 탐지 및 표면 처리가 포함됩니다.
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전용 선반 고정구
전용 선반 고정 장치에는 플랜지, 섀시, 지지체, 센터, 균형추 및 고정 볼트와 같은 구성 요소가 포함됩니다 [4, 5].
플랜지는 선반과 고정 장치 사이의 연결 구성 요소 역할을 합니다. 일반적으로 표준 플랜지가 사용됩니다. 한쪽 끝은 테이퍼 구멍을 통해 CNC 선반 스핀들에 연결되고 다른 쪽 끝은 위치 지정 보스를 통해 섀시에 연결되어 선반 고정 장치의 회전 중심이 선반 스핀들과 정렬되도록 합니다.
선반 고정 장치의 베이스 역할을 하는 섀시에는 길쭉한 원형 홈이 있습니다. 지지체와 2개의 평형추가 부착되어 있으며, 이 3점 질량 분포는 가공 중 공작물 회전을 더욱 원활하게 하여 진동을 줄이고 제품의 외부 원통형 정확성과 표면 품질을 향상시킵니다.
섀시에 용접된 지지체에는 섀시 홈과 크기가 일치하는 길쭉한 원형 홈이 있습니다. 이 홈은 두 가지 목적으로 사용됩니다. 선반 고정 장치의 전체 무게를 줄이고 Z-형 밸런스 엘보우의 비-가공 축과 선반 고정 장치 사이의 간섭을 방지하는 것입니다. Z-형 밸런스 엘보의 비-가공 축을 고정하기 위해 여러 세트의 고정 볼트가 홈의 양쪽 끝에 위치합니다. 길쭉한 원형 홈 디자인 덕분에 이 선반 고정 장치를 사용하여 다양한 크기와 모델의 Z-형 밸런스 엘보를 가공할 수 있어 다목적 기능을 달성할 수 있습니다.
중앙과 지지체의 위치 결정 장치가 함께 장착되어 지지체에 용접됩니다. 가공 중에 센터와 선반 심압대 센터는 각각 Z-형 밸런스 엘보 가공 축의 두 끝을 지지하여 이중- 센터 클램핑 구성을 달성합니다. 센터의 포지셔닝 콘 표면이 선반 스핀들과 동축이 되도록 하려면 선반 고정 장치를 함께 용접한 후 센터의 포지셔닝 콘 표면을 선반에서 정밀하게 가공해야 합니다-. 균형추는 여러 개의 팬- 모양의 균형추 플레이트로 구성됩니다. Z-형 밸런스 엘보의 다양한 모델을 가공하는 동안 생성되는 원심력의 균형을 맞추기 위해 균형추 플레이트의 수를 조정할 수 있습니다. 두 개의 균형추는 지지대의 무게 중심에 대해 120도 균등하게 분산되어 제품 가공 중 동적 균형을 더 잘 보장합니다.
다양한 크기의 Z-형 밸런스 엘보 가공을 수용하기 위해 지지체의 긴 타원형 홈 양쪽에 여러 세트의 고정 볼트가 설치됩니다. 고정 볼트의 클램핑 위치는 그림 10에 나와 있습니다. 각 고정 볼트 세트의 중심선은 Z-형 밸런스 엘보의 가공되지 않은 축의 외부 원 중심 사이의 거리 H보다 높습니다. 이 클램핑 방법은 Z-형 밸런스 엘보에 있는 고정 볼트의 클램핑력이 원심력과 반대가 되도록 하여 공작물이 회전할 때 발생하는 원심력을 효과적으로 감소시킵니다. 작은 샤프트와 큰 샤프트를 가공하기 위한 클램핑 상태는 각각 그림 11과 12에 나와 있습니다.
그림 10. 고정 볼트 클램핑 위치의 개략도
그림 11. 소축 가공시 클램핑 상태
그림 12. 대형 샤프트 가공시 클램핑 상태
06
가공 결과 검증
현재 이 Z-형 밸런스 엘보우 가공 공정과 전용 선반 고정구가 생산 라인에 적용된 지 1년이 넘었습니다. Z-형 밸런스 엘보우 제품의 여러 모델과 대규모 배치가 이 공정을 통해 가공되므로 안정적이고 신뢰할 수 있는 제품 품질이 보장되고 가공 효율성이 크게 향상됩니다. 이는 프로세스와 전용 선반 고정 장치의 타당성과 효율성을 완전히 검증합니다. Z- 모양의 밸런스 엘보우의 일부 가공 단계 사진이 그림 13에 나와 있습니다.
a) 단면과 내부 홀의 황삭 보링
b) 주축의 거친 회전
c) 단면 및 내부 구멍의 보링 마무리
그림 13: Z-형 밸런스 엘보 가공 공정의 실제 사진
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결론
본 논문에서 제안하는 Z-형 밸런스 엘보의 가공공정과 특수선반 고정구는 제품 재질이나 블랭크 종류에 관계없이 Z-형 밸런스 엘보 제품의 다양한 모델의 가공에 적용 가능하다. 이는 이러한 유형의 제품에 대한 완전한 프로세스 및 클램핑 접근 방식을 제공하여 Z-형 밸런스 엘보의 불규칙한 편심 구조, 큰 크기, 무거운 무게 및 고정밀 요구 사항으로 인해 발생하는 높은 가공 난이도, 클램핑 불가능, 불안정한 제품 품질 및 낮은 가공 효율성 문제를 해결합니다. 현장 검증에 따르면 이 가공 프로세스는 Z-형 밸런스 엘보 제품이 설계 정확도 요구 사항을 충족하고 가공 난이도를 줄이며 제품 품질 일관성 및 가공 효율성을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
