제관 기계 구조물의 공차 누적(스택업)

기계 프레임은 공차의 사슬이며, 고객이 실제로 신경 쓰는 것, 즉 주축이 테이블에 직각인지, 레일이 동일 평면에 있는지, 볼스크루가 가이드웨이와 평행하게 움직이는지는 그 사슬의 끝에 있습니다. 모든 고리가 기여하지만, 기여도는 같지 않습니다.

과잉 사양으로 지정된 프레임의 대부분은 한 번도 해석하지 않은 공차 누적의 결과입니다. 설계자가 불안한 마음에 모든 것을 조였고, 결과에 거의 기여하지 않는 고리의 정밀도에 비용을 치른 것입니다.

용접 구조물에서 고리가 있는 곳

제관 기계 베이스의 공차 누적은 대략 다음과 같습니다.

1. 제철소에서 출하된 강판의 평면도와 두께 편차
2. 절단 정확도: 플라스마, 레이저, 톱 절단에서의 윤곽 위치와 직각도
3. 가접(피트업): 용접 전 조립 시의 틈새, 어긋남, 직각도
4. 용접 수축과 변형: 가장 크고 가장 예측하기 어려운 요인
5. 응력 제거 시의 이완: 열처리 사이클 중과 이후의 변위
6. 가공 셋업: 부품을 어떻게 지지하고 맞췄는가
7. 가공 정확도: 기계 자체의 위치 결정 오차와 기하 오차
8. 측정 불확도: 검사 과정 자체
9. 조립: 볼트 체결, 심 조정, 그리고 기계가 놓이는 기초

구조적으로 중요한 사실은, 가공되는 형체라면 고리 1–5가 대개 고리 7에 의해 제거된다는 점입니다. 면을 가공하면 데이텀 대비 그 면의 위치가 새로 정해지고, 상류의 제관 공차는 그 형체와 무관해집니다. 단, 가공 여유가 남아 있을 때의 이야기입니다.

이것이 용접 구조물의 핵심 통찰입니다. 가공하지 않는 형체의 공차와 가공하는 형체의 공차는 서로 다른 사슬에 있습니다. 이 둘을 하나의 해석에 섞으면 엉터리 결과가 나오고, 대개 아무것도 참조하지 않는 강판 모서리에 정밀도를 지정한 도면이 나옵니다.

최악 조건, 통계적 방법, 그리고 무엇을 쓸 것인가

최악 조건(산술) 누적은 모든 요인의 극한값을 더합니다. 형체 6개가 각각 ±0.1 mm라면 최악 조건은 ±0.6 mm입니다. 보수적인 결과가 보장되지만, 고리가 약 3개를 넘는 사슬에서는 심하게 과잉 설계가 됩니다. 모든 요인이 같은 방향으로 동시에 극한값에 놓일 확률은 매우 낮기 때문입니다.

통계적(RSS) 누적은 제곱합의 제곱근을 취합니다. 같은 형체 6개라면 약 ±0.245 mm로, 절반도 되지 않습니다. 요인들이 서로 독립이고 대략 정규 분포를 따른다고 가정하는데, 이는 가공 편차에는 합리적이지만 방향성이 강한 용접 변형에는 합리적이지 않습니다.

기계 프레임에서의 실무적 접근은 다음과 같습니다.

• 짧은 사슬, 안전에 중요한 틈새, 그리고 부품 하나가 공차를 벗어나면 조립 자체가 불가능해지는 모든 경우에는 최악 조건을 쓰십시오.
• 실제 공정 데이터가 있는, 서로 독립적인 가공 편차로 이루어진 긴 사슬에는 통계적 방법을 쓰십시오.
• 용접 변형에는 어느 쪽도 무작정 쓰지 마십시오. 변형은 0을 중심으로 한 확률 변수가 아닙니다. 주어진 용접 순서는 주어진 구조물을 일정한 방향으로 끌어당깁니다. 누적할 공차가 아니라 설계로 없애야 할 편향으로 다루십시오. 조절 수단은 대형 용접 구조물의 변형 관리(영문)에 있습니다.

가공 여유 문제: 용접 구조물의 진짜 공차 누적

제관 후 가공하는 프레임에서 가장 자주 발목을 잡는 공차 누적은 기하학적인 것이 전혀 아닙니다. 가공할 살이 충분히 남아 있느냐의 문제입니다.

사슬은 이렇습니다. 강판 두께 공차, 절단 편차, 가접 어긋남, 용접 변형, 응력 제거 시의 변위를 더한 값을 지정한 가공 여유와 비교합니다. 그 합이 면의 어느 한 곳에서라도 가공 여유를 넘으면 공구가 깎을 살이 없어지고 부품은 폐기됩니다.

중형 프레임에서는 3 mm 가공 여유가 흔한 기본값이며, 용접 순서를 제대로 잡은 용접 구조물이라면 충분합니다. 하지만 구속이 약한 긴 부재를 한쪽 면만 용접하는 경우에는 충분하지 않습니다. 이런 경우 4–5 mm의 휨은 얼마든지 생길 수 있습니다.

명시적으로 해 둘 가치가 있는 작업이 있습니다. 해당 형상에서 예상되는 변형을 추정하고, 제관 공차를 더한 뒤, 가공 여유가 충분한 마진을 두고 이를 감당하는지 확인하십시오. 추정치가 불안하다면 가공 여유를 늘리거나(저렴함), 용접 순서를 고치십시오(더 저렴함).

공차 예산을 잘 쓰는 방법

사슬 끝의 기능 요구 사항, 예를 들어 3미터에 걸친 레일 동일 평면도 0.05 mm가 주어졌다면, 문제는 이를 어떻게 배분하느냐입니다.

세 가지 원칙이 있습니다.

민감도가 가장 높은 곳에 쓰십시오. 모든 요인이 결과에 똑같이 영향을 주지는 않습니다. 높은 컬럼 아래쪽의 작은 각도 오차는 위쪽에서 큰 변위를 만들지만, 같은 오차가 위쪽에 있으면 거의 아무 영향도 없습니다. 영향력이 큰 고리를 찾아 그것을 조이고 나머지는 풀어 주십시오.

서로 관계되어야 하는 형체는 같은 셋업에서 가공하십시오. 한 기계에서 한 번의 셋업으로 가공한 패드 두 개는 그 거리에서 그 기계의 정확도만큼 동일 평면을 이룹니다. 같은 패드 두 개를 따로 셋업해 가공하면 셋업 간 오차를 고스란히 물려받습니다. 이것이 기계 프레임에서 쓸 수 있는 가장 효과적인 공차 예산 결정이며, 사양 결정이 아니라 형체 배치에 관한 설계 결정입니다.

개별 평면도와 위치 대신 동일 평면도를 쓰십시오. 패드 묶음을 동일 평면 그룹으로 관리하면 기계에 필요한 것을 그대로 표현하면서, 업체가 자신의 설비에 맞는 방식으로 달성할 자유를 줍니다. 각 패드의 높이를 개별로 관리하면 문제를 과잉 구속하게 되어, 기능적으로 더 나쁜 결과에 더 많은 비용이 듭니다. 관리 방법은 용접 구조물의 GD&T와 데이텀 전략(영문)에서 다룹니다.

공차 전략으로서의 조정

공차 누적을 해결하는 또 다른 방법은 조정 기능을 설계에 넣는 것입니다.

레일 안착면 아래의 심, 잭 스크루, 편심 마운트, 조절식 받침, 그라우팅한 기초는 모두 조립 시 누적 오차를 흡수합니다. 설치 시 심으로 평탄하게 맞추는 프레임은 같은 정밀도로 평탄하게 가공할 필요가 없으며, 대형 구조물에서는 심이 가공보다 훨씬 저렴합니다.

그래서 많은 초대형 공작기계는 제관 구조물에는 적당한 공차만 두고, 조정할 수 없는 형체에만 엄격한 공차를 둡니다. ASME Y14.5 방식 기능 해석의 일반 원칙이 여기에 적용됩니다. 조정할 수 없는 것은 관리하고, 관리할 필요가 없는 것은 조정하십시오.

이는 서비스 인건비와 제조 비용 사이의 거래입니다. 기계 한 대라면 대개 조정이 유리합니다. 50대라면 대당 한 시간의 정렬 작업을 없애 주는 가공 정밀도가 대개 유리합니다.

실무 순서

1. 사슬 끝의 기능 요구 사항을 숫자로 적으십시오.
2. 요인을 나열하되, 가공 사슬과 제관 사슬을 분리하십시오.
3. 각 요인에 대한 결과의 민감도를 추정하십시오.
4. 가공 여유를 제관 사슬과 따로 대조하십시오.
5. 상위 두세 개 요인을 조이고, 나머지는 모두 ISO 13920 B급 같은 일반 공차로 풀어 주십시오.
6. 제조에서 관리하는 대신 조립 시 조정할 수 있는 것이 무엇인지 물어보십시오.
7. 검사 방법으로 최종 요구 사항을 실제로 측정할 수 있는지 확인하십시오.

7단계에서 걸리는 도면이 놀라울 만큼 많습니다. 4미터에 걸친 동일 평면도 0.03 mm라는 요구 사항은, 사슬 안의 누구도 그것을 측정할 방법이 없다면 의미가 없습니다. 측정 불확도가 공차를 삼켜 버리기 때문입니다. 검사 문제는 대형 용접 구조물의 초품 검사(영문)에서 다룹니다.

견적에 내보내기 전에 프레임 도면의 가공 여유와 공차가 현실적인지 확인받고 싶으시다면 도면을 보내 주십시오. 검토 결과는 영업시간 기준 24시간 이내에 회신합니다.