KR100902863B1 - 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법 - Google Patents

임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 5축 동시가공에 의한 황삭가공에서 가공전략 수립에 소요되는 시간을 단축하고 가공시간을 단축하고, 가공품질을 보장하기 위한 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법에 관한 것이다.
상세하게는 가공영역 분할 대안(UMR)들을 사용 가능한 공구조합으로 표현할 수 있고, 3축가공공구와 5축가공공구의 공구조합에 따른 단위가공영역을 일정한 바닥 면적을 가지는 육면체 소재로 환산하여 가공시간을 계산 및 비교하여 가공전략을 수립함으로써 종래의 5축 동시가공에 의한 황삭 가공전략 수립 및 가공시간에 비하여 대폭 단축되어 생산성을 매우 향상시킬 수 있는 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법에 관한 것이다.
임펠러, 5축 가공, 황삭 가공전략, 가공영역

Description

임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법{A ROUGH MACHINING STRATEGY METHOD FOR PROCESSING IMPELLER}
본 발명은 종래의 5축 동시가공에 의한 황삭가공에서 가공전략 수립에 소요되는 시간을 단축하고 가공시간을 단축하고, 가공품질을 보장하기 위한 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법에 관한 것이다.
임펠러는 고속회전체로서 유체를 압축시키거나 이송시키는 기능으로 사용되는데, 보통 고속 고압에서 운전되고 경우에 따라서 고온에서도 사용된다. 이와 같은 임펠러(10)의 형상은 도 1과 같이 허브(110)와 다수의 블레이드(130)로 구성된다. 상기 블레이드(130)를 구성하는 면으로는 압축면(111), 흡입면(112), 리딩 에지(Leading edge)(113), 트레일링 에지(Trailing edge)(114)로 구성되고, 압축면(111) 및 흡입면(112)은 허브곡선(116)과 쉬라우드곡선(115)을 따라 룰드면으로 구성된다.
일반적인 임펠러 5축 가공 단계는 황삭 가공, 선단 가공, 블레이드 가공, 허 브면 가공 및 잔삭으로 구성되어 진다. 대부분의 가공시간은 불필요한 소제의 빠른 제거를 목적으로 하는 황삭 단계에서 소요되며 생산성 향상을 위해서는 황삭 단계의 가공시간 단축이 필수적이다.
이 중 임펠러 황삭 가공은 블레이드의 개수 및 특성에 따라서 다수 개의 단위가공영역(UMR: unit machining region)으로 분할하여 가공하며 각 가공영역에 따른 적절한 절삭조건 및 공구선정을 하게 된다. 임펠러 특성상 몸체(Hub)와 블레이드가 일체형이 되도록 일괄 가공하여야 하며 이러한 특성으로 인하여 효과적인 공구선정 및 가공영역분할은 생산성과 직결된다 할 수 있다.
5축 임펠러 가공에 대한 연구는 그 수요의 증가와 함께 많은 연구가 수행 되어지고 있으며 가공데이터 생성관련 연구와 함께 5축 공구자세 선정 문제 및 공구간섭검사 방법 등에 대한 연구가 수행되어 졌다. 황삭 가공과 관련하여 최적 공구를 사용한 효율적 황삭 경로에 대한 연구가 수행되어졌고, 3축을 이용한 황삭 가공영역 분할 및 공구 자세 제어에 관한 연구가 수행되었다. 일반적으로 황삭 가공영역 분할 및 공구선정은 과거 가공사례를 기반으로 비슷한 형상의 임펠러 가공사례를 참조하여 가공전략을 수립하고 있다.
과거사례를 참조한 경우와 그렇지 않은 경우 가공전략 수립업무 프로세스 시간은 1.5~2배 정도의 차이가 나며 또한, 임펠러의 형상 특징을 이용할 경우 40%이상의 시간을 단축시킬 수 있다. 일반적으로 가공시간 단축을 위하여 가능한 큰 공구를 사용하며 공구경로 패턴선정을 통하여 가공하기도 하지만 매 공구 접촉점(CL-point)마다 공구자세변경을 변경해야 하는 기존의 5축 임펠러 황삭 가공전략수립 및 가공은 생산시간의 단축에 한계가 있다.
이와 같은 종래의 5축 임펠러 황삭 가공전략수립의 한계를 극복하기 위하여 본 발명은 황삭단계의 가공시간을 단축시키고, 가공 후 형상의 정도를 높일 수 있는 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 허브와 다수의 블레이드로 구성되는 임펠러의 가공을 위한 황삭 가공전략 수립방법에 있어서,
a) 임펠러 가공시 사용가능한 공구(T)로부터 2축의 변경없이 3축을 이용하여 가공하는 3축가공공구(T3)와, 5축을 이용하여 가공하는 5축가공공구(T5)의 공구조합(T3, T5)을 모두 구하는 단계와;
b) 상기 공구조합(T3, T5)에 따라 3축가공영역(UMR3)과 5축가공영역(UMR5)으로 분할하는 단계와;
c) 상기 3축가공영역(UMR3)과 상기 5축가공영역(UMR5)을 각각 단위가공영역(UMR3i, UMR5i)으로 분할하는 단계와;
d) 상기 단위가공영역(UMR3i, UMR5i)을 동일한 부피의 육면체로 변환하는 단계와;
e) 상기 공구(T)의 절삭폭 및 절삭깊이의 조건을 기초로 상기 육면체의 가공경로를 생성한 후 상기 공구(T)의 이송속도로 나누어 상기 단위가공영역(UMR3i, UMR5i)의 가공시간을 계산하는 단계와;
f) 상기 단위가공영역(UMR3i, UMR5i)의 가공시간을 기초로 상기 모든 공구조합(T3, T5)의 총 가공시간을 공구조합별로 계산한 후 대비하여 가장 짧은 가공시간을 가지는 공구조합을 선정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임펠러 가공을 위한 황삭 가공전락 수립방법을 제공한다.
본 발명은 가공영역 분할 대안(UMR)들을 사용 가능한 공구조합으로 표현할 수 있고, 3축가공공구와 5축가공공구의 공구조합에 따른 단위가공영역을 일정한 바닥 면적을 가지는 육면체 소재로 환산하여 가공시간을 계산 및 비교하여 가공전략을 수립함으로써 종래의 5축 동시가공에 의한 황삭 가공전략 수립 및 가공시간에 비하여 대폭 단축되어 생산성이 매우 향상된 효과가 있다.
이하, 본 발명의 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법을 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 5축 가공기의 두축(rotating and tilting)을 고정하여 빠르게 황삭 가공을 수행하도록 하는 동시에 5축 가공을 통하여 가공면의 품질을 보장하는 방법이다.
사용되는 공구에 따라서 전체 황삭 가공시간이 달라지는 바, 공구가 클수록 빠른 시간에 가공이 이루어지는 반면, 가공이 이루어지지 않는 영역이 존재하게 되는 바, 본 발명에서는 가공시간의 단축 및 가공 후 품질을 보장하기 위한 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법을 순차적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법은 먼저 사용가능한 공구로부터 3축가공공구 및 5축가공공구의 공구조합을 구한다(S1).
상기 3축가공공구란 2축을 고정하고 3축만으로 가공할 수 있는 공구를 일컫고, 5축가공공구란 5축을 모두 사용하여 가공하는 공구를 일컫는다.
사용가능한 공구로부터 공구조합을 구하는 예를 들면, 사용가능한 공구로 12φ, 10φ, 8φ의 볼 엔드밀과 6φ, 4φ의 테이퍼 볼 엔드밀을 사용가능 공구로 가정할 경우, 가능한 공구조합은 다음과 같다. [{3축 가공공구(T3)}, {5축 가공공구(T5)}]는 ①[{12φ}, {4φ, 6φ, 8φ, 10φ}], ②[{10φ, 12φ}, {4φ, 6φ, 8φ }], ③[{8φ, 10φ, 12φ}, {4φ, 6φ}], ④[{4φ, 8φ, 10φ, 12φ}, {6φ}]의 4개의 조합이 가능하다.
도 3은 3축가공영역과 5축가공영역을 분할한 상태를 나타내는 도면이다.
다음으로 상기 공구조합(T3, T5)에 따라 3축가공영역(UMR3)과 5축가공영역(UMR5)으로 분할한다(S2).
상기 공구조합의 공구크기에 따라 절삭가능한 깊이가 다르기 때문에, 상기 공구조합 중 3축가공공구(T3)에 의해 최대로 절삭 가능한 영역을 3축가공영역(UMR3)이라 하고, 나머지 가공영역을 5축가공영역(UMR5)이라 하여 구분한다.
도 3의 510은 3축 가공을 위한 선단 쪽 절삭깊이, 310은 5축 가공을 위한 선단 쪽 절삭깊이, 110은 허브면, 130은 블레이드, 40은 3축가공영역과 5축가공영역의 경계를 나타낸다.
도 4는 3축가공영역 및 5축가공영역을 각 단위가공영역으로 분할한 상태를 나타내는 도면이다.
그리고 상기 3축가공영역(UMR3)과 5축가공영역(UMR5)을 각각 단위가공영역(UMR3i)(UMR5i)으로 분할한다(S3).
먼저, 3축가공영역(UMR3)을 단위가공영역(UMR3i)으로 분할하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
ⅰ) 상기 공구조합(T3, T5)의 상기 3축가공공구(T3) 중 작은 공구를 먼저 선정하고 Leading edge(113)에서부터 가공가능한 영역을 설정한다.
상기 Leading edge(113)에서부터 가공가능한 영역을 설정하는 이유는 공구의 경우 Trailing edge(114)에서 Leading edge(113)방향으로 갈수록, 쉬라우드 곡선(115)에서 허브면(110) 방향으로 갈수록 제한됨에 따라 블레이드(130) 간 간격(WL)이 가장 좁은 Leading edge(113)를 기준으로 공구를 선정하는 것이 좋다.
ⅱ) 선정된 공구(T3)의 자세를 변경하지 않고 가공할 수 있는 영역을 탐색하여 단위가공영역(UMR3i)을 결정한다. 이때 선정된 공구(T3)와 블레이드(130) 간의 간섭 및 충돌이 없어야 한다. 공구(T3)와 블레이드(130) 간의 간섭은 가공하고자 하는 임펠러의 허브곡선(116), 쉬라우드 곡선(115) 및 블레이드의 룰링벡터와 공구(T3)의 크기를 근거로 판단하고, 그 판단방법은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
ⅲ) 선정된 공구(T3)와 임펠러의 블레이드(130)간에 간섭이 발생하면 새로운 영역으로 설정하고 가공 가능한 최대크기의 공구를 선정하고, 상기 ⅱ) 단계를 반복하여 모든 단위가공영역(UMR3i)을 결정한다.
그리고 상기 5축가공영역(UMR5)을 단위가공영역(UMR5i)으로 분할하는 방법은 다음과 같다.
ⅰ) 먼저 상기 공구조합(T3, T5)의 5축가공공구(T5)를 공구의 크기가 큰 공구의 순으로 나열하고, 이 중 가장 크기가 큰 공구를 선정한다.
ⅱ) 선정된 공구(T5)로 Leading edge(113)쪽에서부터 진입가능한 절삭깊이를 결정하고, 각 룰링 라인에서 등간격으로 영역을 설정한다. 임펠러의 허브면(110)에 가까울수록 절삭깊이가 깊어져 가공성이 떨어지기 때문에 임펠러의 블레이드(130) 날개가 깊은 경우 테이퍼 공구를 사용하는 것이 좋다.
ⅲ) Trailing edge(114)쪽으로 내려가면서 영역분할하여 단위가공영역(UMR5i)을 설정한다. 이때 만약 허브면 사이의 최단거리(WL)가 βDt(β는 상수이고, Dt는 공구의 직경임)보다 크다면 새로운 가공영역으로 분할한다.
ⅳ) 그리고 다음 크기의 공구를 선정하여 상기 ⅱ) 및 ⅲ) 단계를 반복하여 모든 단위가공영역(UMR5i)을 결정한다.
도 5는 3축가공영역의 단위가공영역을 각각 동일한 부피의 육면체로 변환한 상태를 나타내는 도면이다.
다음으로, 상기 3축가공영역(UMR3) 및 상기 5축가공영역(UMR5)의 단위가공영 역(UMR3i)(UMR5i)을 동일한 부피의 육면체(60)로 변환(S4)한 후, 공구의 절삭폭, 절삭깊이 등의 절삭조건을 기초로 상기 육면체(60)의 가공경로를 생성한 후 상기 공구의 이송속도로 나누어 상기 단위가공영역의 가공시간을 계산한다(S5).
가공시간과 가공 후 형상의 정도를 구하기 위해 모든 단위가공영역에 대하여 가공경로를 생성하고 가공 시뮬레이션을 활용하기에는 현실적으로 매우 어렵기 때문에 상기 단위가공영역을 동일한 부피의 육면체로 변환하여 이를 가공할 때 필요한 가공길이를 계산하여 가공시간을 계산한다.
마지막으로 상기 단위가공영역의 가공시간을 기초로 상기 모든 공구조합의 총 가공시간을 공구조합별로 계산(S7)한 후 대비하여 가장 짧은 가공시간을 가지는 공구조합을 선정하여 가공전략을 수립한다(S8).
도 1은 다수의 블레이드와 몸체로 구성된 임펠러를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 3축가공영역과 5축가공영역을 분할한 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 3축가공영역 및 5축가공영역을 각 단위가공영역으로 분할한 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 3축가공영역의 단위가공영역을 각각 동일한 부피의 육면체로 변환한 상태를 나타내는 도면이다.

Claims (1)

  1. 허브와 다수의 블레이드로 구성되는 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법에 있어서,
    a) 임펠러 가공시 사용가능한 공구로부터 2축의 변경없이 3축을 이용하여 가공하는 3축가공공구(T3)와, 5축을 이용하여 가공하는 5축가공공구(T5)의 공구조합(T3, T5)을 모두 구하는 단계와;
    b) 상기 공구조합(T3, T5)에 따라 3축가공영역(UMR3)과 5축가공영역(UMR5)으로 분할하는 단계와;
    c) 상기 3축가공영역(UMR3)과 상기 5축가공영역(UMR5)을 각각 단위가공영역(UMR3i, UMR5i)으로 분할하는 단계와;
    s) 상기 단위가공영역(UMR3i)(UMR5i)을 동일한 부피의 육면체로 변환하는 단계와;
    e) 상기 공구(T3)(T5)의 절삭폭 및 절삭깊이의 조건을 기초로 상기 육면체의 가공경로를 생성한 후 상기 공구(T3)(T5)의 이송속도로 나누어 상기 단위가공영역(UMR3i)(UMR5i)의 가공시간을 계산하는 단계와;
    f) 상기 단위가공영역(UMR3i)(UMR5i)의 가공시간을 기초로 상기 모든 공구조합(T3, T5)의 총 가공시간을 공구조합별로 계산한 후 대비하여 가장 짧은 가공시간을 가지는 공구조합을 선정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임펠러의 황삭가공을 위한 공구조합 선정방법.
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