Analysis of the machining accuracy considering the compliance and centrifugal expansion of the lapping wheel

Abstract

This paper is a study on the prediction of the machining accuracy according to the compliance of the lapping wheel and the effect of the wheel deformation due to rotation for the automation of lapping of large molds or 3D printed parts. Currently, most surface finishing processes rely on manual labor, which requires a long process time and a lot of cost. This has not changed in the automated process to be used in the smart factory, but it is difficult to overcome because it contains the problems of labor costs and quality manpower due to the labor-intensive industrial structure. Therefore, due to the negative effect of manual labor such as a shortage of professional manpower and industrial diseases, the automation of surface finishing processing is attracting attention worldwide. For this purpose, many studies are being conducted to automate the lapping machining, but the exact calculation of the machining amount has not been studied due to the compliance of the lapping wheel during lapping using the compliant wheel and the effect of the wheel deformation due to rotation. In addition, it is difficult to predict the actual lapping depth in the process of the lapping machining system, and accordingly, the machining width error tends to occur greatly in the actual machining area. In this study, a theoretical solution is presented to analyze the wheel characteristics by considering the two factors that have the greatest influence on the lapping process: compliance and rotational deformation. Also, based on this, a simulation model using the finite element method that can investigate the change trend of the actual lapping wheel is produced. In addition, the actual lapping depth is calculated through the results based on the simulation model, and the error between the actual machined area width through the experiment and the machined area width using the calculated machining depth is verified through the experiment. As a result, it was proved that the accuracy of lapping can be greatly improved when considering wheel compliance and wheel deformation due to rotational effect, and the physical parameters for establishing a simulation model that can predict the accuracy of lapping were successfully presented.|본 논문은 대면적 금형 또는 3d 프린트 부품의 후처리 래핑 가공의 자동화를 위한 래핑 휠의 컴플라이언스와 회전에 의한 휠 변형의 영향에 따른 가공정도 예측에 대한 연구이다. 현재 대부분의 표면 마무리 공정은 긴 공정 시간과 많은 비용이 요구되는 수작업에 의존되고 있다. 스마트 팩토리에 활용될 자동화 공정에서도 이는 바뀌지 않았는데, 노동집약적 산업구조로 인한 인건비와 양질의 인력 문제를 내포하고 있어 극복하기 어려운 실정이다. 따라서, 전문인력의 수급 부족과 산업 질병 등 수작업의 부정적인 영향으로 인해 표면 마무리 가공의 자동화는 세계적으로 주목 받고 있다. 이를 위하여 래핑 가공을 자동화 하려는 많은 연구들이 수행되고 있지만, 컴플라이언트 휠을 이용한 래핑 가공 중 래핑 휠의 컴플라이언스와 회전에 의한 휠의 변형의 영향으로 인해 정확한 가공량 산출은 아직 연구되지 않았다. 이와 더불어 이러한 영향으로 인해 래핑 가공 시스템의 공정은 실제 가공 깊이를 예측하기 어렵고 그에 따른 실제 가공 영역에서 가공 폭의 오차가 크게 발생하는 경향을 가지고 있다. 본 연구에서는 래핑 공정 산정에 가장 큰 영향을 주는 두가지 요소인 컴플라이언스와 회전에 의한 변형을 고려하여 휠의 특성을 분석하는 이론적인 해법을 제시하였다. 또한, 이를 기반으로 하여 실제 래핑 휠의 변화 경향을 파악할 수 있는 유한요소 기법을 활용한 시뮬레이션 모델을 제작하였다. 또한 제작된 시뮬레이션 모델을 기반으로 한 결과를 통해 실제 가공 깊이를 계산하였으며 실험을 통한 실제 가공 영역의 폭과 계산된 가공 깊이를 이용한 가공 영역의 폭의 오차를 실험을 통해 검증하였다. 결과적으로, 휠의 컴플라이언스와 회전 영향에 따른 휠 변형을 고려할 때 래핑 공정의 정밀도를 크게 향상시킬 수 있음을 증명하였으며, 래핑 가공 정도를 예측할 수 있는 시뮬레이션 모델을 확립하기 위한 물리적 파라미터들을 성공적으로 제시하였다.