Design and Analysis of Carbon Composite in a High-Speed Motorised Spindle

Abstract

A machine tool spindle has been increasingly used in robots together with the development of the robot industry. While the mobility of machines has been improved, a heavy spindle is a burdening factor for machine design. This limits the range of spindle application. Besides that, carbon composite has long been used in some weight-sensitive industries, but it has not been actively used in the machine tool field. Carbon composite has superior material properties in terms of weight and thermal characteristics. With the adoption of carbon composite in a conventional spindle, this study attempted weight lightening and improvement of shaft thermal behaviour. The purpose of this study is to see how carbon composite can be applied in a high-speed spindle and how it differs from conventional spindle design. A carbon composite-steel hybrid motorised spindle was manufactured, which has added carbon composite based on conventional spindle structure. The hybrid spindle was measured and compared with an equivalent specification conventional steel spindle, in terms of weight and shaft displacement under the same conditions. Its general performance was also tested. The results revealed that carbon composite made the spindle lighter by 23.7 to 32.1%, and shaft thermal stabilisation time significantly reduced by 41.3% as well as shaft displacement amount by 24.5%. This result implies that the use of carbon composite in high-speed spindle design enables weight saving, which delivers less load on machines and brings wider usage of the spindle.

스핀들은 기존 CNC 장비의 주축으로 사용되어 왔으나, 최근 로봇산업의 발전에 따라 스핀들 역시 로봇에 직접 사용이 늘어나고 있다. 장비의 이동성이 커지는 반면 스핀들의 무게는 장비의 설계에 부담이 되는 요소로 스핀들의 적용범위를 제한하는 부분이다. 탄소복합재의 경우 경량화가 중요한 여러 산업에서 오랫동안 사용되어 왔으나 공작기계 분야에서는 비교적 활발히 사용되지 않았다. 특히 다른 부품과 접촉이 많은 구조를 가진 일반 스핀들의 경우 매우 적은 연구만 이루어져 있다. 탄소복합재는 기존 소재보다 무게와 열 측면에서 우수한 재료적 성질을 가지고 있다. 따라서, 기존 스핀들에 탄소복합재의 적용을 통해 스핀들의 경량화와 샤프트 열 특성 개선을 시도하고자 하였다. 본 연구는 탄소복합재가 고속 스핀들에 어떻게 적용될 수 있는지 알아보고, 그것이 기존의 스핀들과 어떤 다른 특성을 만드는지를 알아보고자 한다. 탄소복합재-스틸 하이브리드 모터 스핀들이 기존 스핀들의 구조에 탄소복합재를 더하여 설계, 제작되었다. 탄소복합재-스틸 하이브리드 스핀들은 여러 테스트를 거치고 동급 성능의 기존 스틸 스핀들과 무게, 샤프트 변이의 측면에서 동일 조건하에 비교되었다. 실험결과는 탄소복합재가 스핀들을 약 23.7-32.1% 가량 가볍게 만들었으며, 샤프트 변이량의 24.5% 감소와 더불어 샤프트 열 변이 안정화 시간이 41.3% 가량 현저히 줄은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 고속 스핀들 설계에서 탄소복합재의 사용이 스핀들의 경량화를 가능케 함으로써 장비에 비교적 적은 부하를 주고 스핀들의 적용범위를 넓혀 줄 수 있음을 의미한다.