Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.13
no.5
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pp.38-48
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2004
Recently the use of high-speed equipment in machine-tool industry has greatly increased, which requires the development of prognostics and prediction methods on the design stage. Conversion of the test/experiments stage from real to virtual reality will not only significantly reduce the design and manufacturing cost, but will also increase design quality. This paper shows how it is possible to develop the automated system for the design calculations of the air-bearing spindles. First, the general calculation method is introduced. It contains several steps, namely, geometry identification, pressure calculation, stiffiness calculation, dynamics characteristics calculation. For geometry identification reducing spindle shaft to rings was proposed, which helps to automate the calculation process. For pressure calculation the Peshti method was implemented. For stiffiness calculation the analysis was made, which shown the necessity of correct calculation step selection. Then the system of ordinary differential equations containing influence coefficients was evolved, which is used for trjectories calculation. The graphical representation of the calculation results shows the dynamic behavior of the spindle unit concerning various working conditions. Finally, this automated system is illustrated by an example of the air-bearing spindle calculation.
Angular contact ball bearings are mainly used in the spindle, which requires high speed and stiffness. The heat generation is studied by experiments and simulations using a pair of angular contact ball bearings. The temperature variation of inner and outer races and the temperature increment distribution are measured by using thermocouples for the rotational speed, preload, viscosity of lubricant. The measured values from experiments are used to estimate the heat conduction rate. The method of oil-air lubrication is used for the experiment. The amount of conduction heat transfer to the test spindle and the convection heat transfer coefficients long the spindle are computed by using inverse method with temperature increment distribution. Total heat generation rate is estimated with the heat partition rate which is calculated from temperatures of inner and outer races. In addition, the empirical factor of oil-air lubrication method for Palmgren's heat generation model is suggested. The empirical friction coefficients, which are obtained from the experiments, depend on the preload condition, and can give us more accurate estimation of the heat generation in ball bearings.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.6
no.1
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pp.43-49
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2007
Multi-function and miniaturization of the medical equipment and tele-communication systems need small and high precision machined parts. For the economic machining of the small size workpiece it should be machined by small and high precision machine tools with high speed machining. The belt type driving system in turning lathe has a limitation of spindle speeds because of the vibrations from driving mechanism, built-in type of driving mechanism is used to reduce the vibration. However, the main spindle of the built-in motor is connected directly to the motor, so the heat generation of the motor and bearing makes bad influence of the accuracy of machine tools. In this study, the analysis of heat generation from motor and bearings supporting main spindle and experiment were carried out. The results of theoretical simulation of temperature and deformation of the main spindle are good agreement with those of measured.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.107-112
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2003
The recent machine tools are requested so high-quality processing and productivity increasing. Therefore, it is so necessary to develop technology for high-speed and high-precision. This thesis touches on the development of high speed and intellectual line center. At first, the line center is necessary that strong structure, compact structure and light weight design for high-speed processing and transfer. So, it is necessary that examination of new materials and structures for light-weight and control devices for precision processing. So, it is going to make mention of the process of 1st model production for the above-mentioned based on test model production and evaluation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.10
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pp.1997-2007
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2002
Composite air spindles are appropriate for the high-speed and the high-precision machining as small hole drilling of printed circuit board (PCB) or wafer cutting for manufacturing semiconductors because of the low rotational inertia, the high damping ratio and the high fundamental natural frequency of composite shaft. The axial load and stiffness of composite air spindles fur drilling operation are determined by the thrust ben ring composed of the air supply part mounted on the housing and the rotating part mounted on the rotating shaft. At high-speed rotation, the rotating part of the thrust bearing should be designed considering the stresses induced by centrifugal force as well as the axial stiffness and the natural frequency of the rotating shaft to void the shaft from failure due to the centrifugal force and resonant vibration. In this work, the air supply part of the thrust bearing was designed considering the bending stiffness of the bearing and the applied load. The rotating part of the thrust bearing was designed through finite element analysis considering the cutting forces during manufacturing as well as the static and dynamic characteristics under both the axial and con trifugal forces during high-speed rotation.
In this paper, the critical vibration limits of a spindle unit for a high speed ball pen tip processing machine are studied. The vibration of the spindle is measured by FFT, and the influence of the vibration amplitude due to unbalance, bearing deflect, bite, and timing belts tension is analyzed. The critical vibration limits of the spindle is determined by the X, and Z directional vibrations of the spindle. Both FET and RMS values can be used to analyze the vibration characteristics of the spindle. From experimental results the limit line can be drawn for the spindle. The RMS value for the vibration limit is 3 G.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1997.10a
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pp.52-55
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1997
In this paper, the case study of reducing rotational errors is done for a grinding spindle with an active magnetic bearing system. The rotational errors acting on the magnetic bearing spindle are due to mass unbalance of rotor, runout, grinding excitation and unmodeled nonlinear dynamics of electromagnets. For the most case, the electrical runout of sensor target is big even in well-finished surface; this runout can cause a rotation error amplified by feedback control system. The adaptive feedforward method based on LMS algorithm is discussed to compensate this kind of runout effects, and investigated its effectiveness by numerical simulation and experimental analysis. The rotor orbit size in both bearings is reduced about to 5 pin due to lX rejection by feedforward control up to 50, 000 rpm.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers B
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v.54
no.5
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pp.253-259
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2005
Magnetic encoder with relatively low pulse per rotation is generally used for detecting speed of the high-speed rotating machine. It is due to the fact of the mechanical problems of vibration and bearing stiffness and also the limit of maximum output pulse of the mounted encoder. The magnetic encoder is divided into two types, that is, toothed gear-wheel method and magnetic wheel method according to the shape of the rotation disk. In case of detecting speed by the tooth gear-wheel, the encoder itself can be acted as the additional inertia where the number of tooth determining the output pulse and the width of the wheel detecting the change of the magnetic flux density are relatively enough large considering the volume of the rotating machine. While the magnetic wheel method has the limit of the magnetizing number of the ring magnet, there is relatively few, if nv, the influence of inertia on the machine. In this paper, it is proposed a simple magnetic wheel encoder suited for the high speed rotating machine and the method of signal processing and the output characteristics are examined through the V/F operation of max 48,000(rpm) and 2.4(KW) spindle motor.
This paper has been presented the hydrodynamic effect by the journal speed, eccentricity and source positions in order to overcome the defects of air bearing such as low stiffness and damping coefficient. Choosing the two row source position of air bearing is different from existed investigations in the side of pressure distribution of air film because of the high speed of journal and the wedge effects by the eccentricity. These optimal chooses of the two row source positions enable us to improve the performance of the film reaction force and loading force as making the high speed spindle. In this paper, The pressure behavior in theory of air film according to the eccentricity of journal and the source positions analyzed. The results of investigated characteristics may be applied to precision devices like ultra-precision grinding machine and ultra high speed milling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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