진동 댐핑을 위한 스틸 용접 구조물 대 광물 주조 기계 베이스

PFT, 심천

추상

기계 베이스 설계는 진동을 제어함으로써 가공 정밀도를 안정화하는 데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 진동 감쇠 효율 측면에서 강판 용접 구조와 미네랄 캐스트 베이스를 비교하였다. 유한 요소 모델을 개발하고, 모달 테스트를 수행하여 가상 절삭 하중 조건에서 고유 진동수, 감쇠비 및 변위 응답을 평가하였다. 결과적으로 미네랄 캐스트 베이스는 특히 200–500Hz 주파수 대역에서 강판 용접 구조에 비해 18–25% 높은 감쇠 성능을 보였다. 그러나 강판 용접 구조는 구조 강성과 초기 비용 측면에서 우위를 차지하였다. 본 연구 결과는 성능 우선순위에 따라 기계 베이스 재료를 선택할 수 있는 정량적 근거를 제공한다.

1 소개

공작기계 베이스는 전체 시스템 안정성에 있어 핵심적인 역할을 한다. 고속 가공 중에 발생하는 진동은 치수 정확도, 공구 마모, 표면 품질에 직접적인 영향을 미친다. 베이스 구조에 사용되는 재료 선택은 강성과 감쇠 능력의 두 가지 측면을 결정한다. 제작이 용이하다는 이유로 용접 구조의 강재가 널리 사용되어 왔으나, 광물질 캐스트(Mineral Cast) 베이스는 우수한 감쇠 성능으로 주목받고 있다. 본 논문은 동일한 실험 조건 하에서 두 가지 재료 간의 정량적 차이를 분석한다.

2 연구 방법

2.1 설계 접근법

동일한 형상의 두 가지 프로토타입 베이스를 제작하였다. 하나는 용접된 강판으로, 다른 하나는 광물질 캐스트 복합소재로 제작하였다. 두 설계 모두 표준 공작기계 베이스 치수(1.2m × 0.8m × 0.6m)를 따랐다.

2.2 데이터 출처

• 재료 특성은 제조사의 데이터시트를 기반으로 하되, 인장 및 압축 강도 시험을 통해 검증하였다.

• 진동 시험 데이터는 2025년 5월부터 7월까지 자체적으로 수행된 실험에서 수집되었습니다.

2.3 실험 도구 및 모델

• 유한 요소 분석(FEA): ANSYS 2024를 사용하여 모드 주파수와 응력 분포를 모델링했습니다.

• 모달 테스트: 계측 해머 및 가속도계(PCB Piezotronics, 모델 352C)를 사용하여 동적 응답을 기록했습니다.

• 신호 처리: 주파수 응답 함수는 MATLAB R2024b를 사용하여 감쇠비를 추출하기 위해 분석되었습니다.

모든 절차는 재현성을 확보하기 위해 세 번 반복되었습니다.

3 결과 및 분석

3.1 고유 주파수

표 1은 처음 세 개의 고유 주파수를 요약합니다. 강철 용접 구조는 더 높은 강성을 가지므로 약간 더 높은 값을 보였습니다.

표 1 강철 대 광물 주조 베이스의 고유 진동수

3.2 감쇠비

그림 1은 감쇠비 비교를 보여줍니다. 광물 주조는 최대 0.042에 달하는 반면, 강철은 0.034 이하로 유지되었습니다.

그림 1 강철 및 광물 주조 베이스의 감쇠비 (200–500 Hz 범위에서 측정)

3.3 변위 응답

동일한 가진력(300 N) 조건에서 광물 주조 베이스는 최대 변위 진폭을 평균적으로 21% 감소시켰습니다.

3.4 비교 분석

기존 연구[1–2]에서는 광물 주조 재료의 감쇠 성능이 15–20% 향상된 것으로 보고되었습니다. 본 연구 결과는 기존의 수치를 확인하고 직접적인 구조 프로토타입을 통해 그 결과를 확장한 것으로, 중간 주파수 영역에서의 일관된 성능 우위를 보여줍니다.

4 논의

광물 주조의 우수한 감쇠 특성은 주로 그 복합 미세구조에 기인하는데, 여기서 폴리머로 결합된 골재들이 내부 마찰을 통해 진동 에너지를 소산시킨다. 용접 강재는 감쇠 성능은 다소 낮지만 구조 강성이 높아 중량이 큰 하중이 적용되는 분야에 유리하다.

제한 사항:

• 본 연구에서는 열적 영향은 고려되지 않았으나, 장기적인 안정성에는 영향을 줄 수 있다.

• 하나의 기하학적 구성만이 테스트되었기 때문에 다른 기계 설계로의 일반화에는 한계가 있다.

실제 적용 분야:

• 광물 주조 재질은 진동 감쇠가 공구 수명과 표면 마감 품질을 직접적으로 향상시키는 고속 가공 센터에 추천된다.

• 용접 강재는 중절삭 하중이 적용되며 비용에 민감한 응용 분야에 적합하다.

5 결론

정량적 시험이 입증한 바에 따르면, 미네랄 캐스트 베이스는 특히 200–500Hz 범위에서 강철 용접 구조에 비해 18–25% 우수한 진동 감쇠 특성을 제공합니다. 강철 용접 구조는 강성 및 낮은 제조 비용 측면에서 장점을 유지합니다. 향후 연구에는 열 순환 시험과 두 재료의 장점을 결합하기 위한 하이브리드 베이스 구조가 포함되어야 합니다.