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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 마찰재 제조시 결합제로 사용된 페놀수지의 경화특성을 분석하였으며, 통계적 분석 방법의 하나인 다구찌 실험계획법(Taguchi robust experimental design)을 이용하여 최소한의 실험을 통하여 특성치에 가장 영향을 주는 주요인자를 밝혀내고 이들로부터 최적의 결과를 도출하고자 하였다. 특히, 다구찌 실험계획의 파라미터 설계(parameter design)를 이용하여 제어인자(controllable factor)에 대한 손실함 수(loss function) 와 S/N비 (signal-to-noise ratio) 를 계 산하여 마찰재의 마찰 및 마모특성에 영향을 주는 주요인자를 분석하였다.
제안 방법
- 1에 볼 수 있듯이 페놀과 aralkyletherg- 축합중합시킨 열경화성 수지로서 높은 교차결합밀도로 인해 우수한 고온특성을 나타내어 마찰재의 결합제로 사용되고 있다[7, 10]. 결합제의 경화온도는 열분석을 통해 예측가능하므로 Xylok™ 수지의 시차열중량분석 (thermogravimetry)을 실시하였다 (Fig. 2). 그림에서 볼 수 있듯이 130-200℃ 온도범위 에서 나타난 반응은 페놀수지에 첨가되는 경화제 (HEXA)와 수지와의 반응을 나타낸 것으로서 경화온도 의 범위를 평가할 수 있다.
- 페놀수지의 경화온도는 경화제의 종류와 함량에 따라 다르게 나타내므로 반드시 열분석을 통해 마찰재의 열성형 온도를 설정해야 한다. 따라서 본 연구에서는 시편의 두께와 열손실을 고려하여 150-225-C의 온도에서 실험조건을 설정하였다. 열성형에 소요되는 결합제의 경화시간은 B단계(rubbery stage)로부터 완전히 경화되는 C단계(cured stage)까지 소요되는 시간으로서 gel 시간과 B단계 변성시간을 고려하여 마찰재의 열성형 시간을 6-12분으로 결정하였으며 열성형 가압력은 마찰재 제조조건을 참고하여 25-35 MPa의 면압범위를 설정하였다.
- CITT 시험은 일정한 초기온도 에서 열이력에 따른 마찰계수의 변화를 평가하기 위한 방법이며 CIOT 시험은 일정시간 간그으로 연속적으로 마찰시험을 수행함으로써 온도 상승에 따른 마찰계수의 변화를 고찰하기 위한 방법이다. 마찰계수의 안정 성은 반복시험시 마찰계수의 변화에 따른 표준편차를 환산하여 망소특성으로 평가하였으며 마모특성도 적을 수록 우수한 특성이므로 망소특성을 적용하였다(Table7).
- 본 연구에서 마찰 및 마모시험은 pad-on-disk 형태의 정속 마찰시험기를 이용하였으며 시험기의 개략도는 앞서 발표한 바 있다[3]. 마찰시험은 CITT(constant initial temp test) 시험과 QNT(cons'ant interval test) 시험을 통해 마찰계수의 변화량을 고찰하였으며, 구처적인 시험조건은 Table 4에 나타내었다. 마찰재의 마모량은 CITT 마찰시험 전후의 체적마모량(mnD과 작용하중(N) 및 미끄럼거리 (m)를 계산한 후 비마모율 (specific wear rate, mmVNm)을 환산하여 비교 분석하였다.
- 마찰시험은 CITT(constant initial temp test) 시험과 QNT(cons'ant interval test) 시험을 통해 마찰계수의 변화량을 고찰하였으며, 구처적인 시험조건은 Table 4에 나타내었다. 마찰재의 마모량은 CITT 마찰시험 전후의 체적마모량(mnD과 작용하중(N) 및 미끄럼거리 (m)를 계산한 후 비마모율 (specific wear rate, mmVNm)을 환산하여 비교 분석하였다.
- 마찰재의 마찰특성은 OTT와 CINt 시험을 통해 각 10회의 반복시험을 수행하여 마찰계수의 안정성 (friction stability)을 고찰하였다. CITT 시험은 일정한 초기온도 에서 열이력에 따른 마찰계수의 변화를 평가하기 위한 방법이며 CIOT 시험은 일정시간 간그으로 연속적으로 마찰시험을 수행함으로써 온도 상승에 따른 마찰계수의 변화를 고찰하기 위한 방법이다.
- 본 실험에서 사용된 마찰재는 비석면 유기질(non-asbestos organic) 재료로서 결합제, 강화섬유, 고체윤활 제, 연마제, 충전재 및 마찰조절제 등을 혼합하여 제조 하였다(Table 3). 마찰재의 제조공정은 혼합과 예비성형후 직교배열표의 설계에 따라 본성형과 열처리 조건을 변화시켜 총 16가지의 마찰재를 제작하였다. 마찰재의 물성평가는 경도(surface hardness)와 기공률 (porosity)을 대상으로 하였다.
- 마찰재의 물성평가는 경도(surface hardness)와 기공률 (porosity)을 대상으로 하였다. 마찰재의 표면경도는 Rockwell 경도기 (Akashi® Rockwell, ARK-600)의 S 규격으로 측정하였으며, 기공률은 수은 기공측정기 (AutoPore U 9220 V3.03)를 이용하여 345 MPa의 앝력까지 측정하였다.
- 다구찌 실험계획은 주로 직교배열표(table of orthogonal arrays)를 작성하여 인자(factor)들의 실험횟수를 최소화하고 각 인자간의 교호작용(interaction)을 검출 할 수 있도록 설계되어 있다[8, 9]. 본 연구에서는 마찰재의 성형조건이 마찰 및 마모특성에 미치는 영향을 고찰하기 위해 본성형과 열처리 조건을 대상으로 5인 자와 4수준(level)으로 설정하였으며 (Table 1), 각 인자 간의 교호작용이 미소하였으므로 #배열을 적용하여 16회 실험횟수를 설계하였다(Table 2). 각 인자에서의 4수준은 결합제의 경화특성에 따라 제조조건의 범위를 설정하였다.
- 마찰재의 열처리 (post-curing) 작업은 결합제의 경화정도를 균일하게 하고 예기치 않은 열팽창(swell)을 감소시키기 위해 페놀 수지의 유리전이온도(&, glass transition temperature) 이하에서 6시간이상 수행된다. 본 연구에서는 열처리 조건에 따른 효과를 비교하고자 4-10시간으로 175- 250℃의 열처리 온도구간을 설정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 시편의 두께와 열손실을 고려하여 150-225-C의 온도에서 실험조건을 설정하였다. 열성형에 소요되는 결합제의 경화시간은 B단계(rubbery stage)로부터 완전히 경화되는 C단계(cured stage)까지 소요되는 시간으로서 gel 시간과 B단계 변성시간을 고려하여 마찰재의 열성형 시간을 6-12분으로 결정하였으며 열성형 가압력은 마찰재 제조조건을 참고하여 25-35 MPa의 면압범위를 설정하였다. 마찰재의 열처리 (post-curing) 작업은 결합제의 경화정도를 균일하게 하고 예기치 않은 열팽창(swell)을 감소시키기 위해 페놀 수지의 유리전이온도(&, glass transition temperature) 이하에서 6시간이상 수행된다.
- 따라서 본 연구에서는 마찰재 제조시 결합제로 사용된 페놀수지의 경화특성을 분석하였으며, 통계적 분석 방법의 하나인 다구찌 실험계획법(Taguchi robust experimental design)을 이용하여 최소한의 실험을 통하여 특성치에 가장 영향을 주는 주요인자를 밝혀내고 이들로부터 최적의 결과를 도출하고자 하였다. 특히, 다구찌 실험계획의 파라미터 설계(parameter design)를 이용하여 제어인자(controllable factor)에 대한 손실함 수(loss function) 와 S/N비 (signal-to-noise ratio) 를 계 산하여 마찰재의 마찰 및 마모특성에 영향을 주는 주요인자를 분석하였다.
대상 데이터
- 마찰재의 제조공정은 혼합과 예비성형후 직교배열표의 설계에 따라 본성형과 열처리 조건을 변화시켜 총 16가지의 마찰재를 제작하였다. 마찰재의 물성평가는 경도(surface hardness)와 기공률 (porosity)을 대상으로 하였다. 마찰재의 표면경도는 Rockwell 경도기 (Akashi® Rockwell, ARK-600)의 S 규격으로 측정하였으며, 기공률은 수은 기공측정기 (AutoPore U 9220 V3.
- 본 실험에서 사용된 마찰재는 비석면 유기질(non-asbestos organic) 재료로서 결합제, 강화섬유, 고체윤활 제, 연마제, 충전재 및 마찰조절제 등을 혼합하여 제조 하였다(Table 3). 마찰재의 제조공정은 혼합과 예비성형후 직교배열표의 설계에 따라 본성형과 열처리 조건을 변화시켜 총 16가지의 마찰재를 제작하였다.
데이터처리
- 마찰재의 마찰 및 마모특성에 대한 통계분석을 적용하기 전에 마찰재가 자동차의 제동에 적합한지를 고찰하기 위해 평균마찰계수를 측정하였다(Fig. 3). 직교배 열표에 따라 제조된 16가지의 마찰재는 0.
- 각 인자에서의 4수준은 결합제의 경화특성에 따라 제조조건의 범위를 설정하였다. 특히, 실험결과의 특성을 고려하여 망소 (smaller-the-better) 및 망대 (larger-the-better)특성을 다르게 정의하였으며, 손실함수로부터 최대의 S/N비와 분산분석법 (analysis of variance, ANOVA)을 이용하여 지배적 인자와 최적조건을 분석하였다.
이론/모형
- 따라서 S/A비의 산출결과로부터 분산분석법을 적용하여 실험결과에 따른 지배적 인자를 검출할 수 있다.Table 6에 제곱합(sum of squares)을 이용하여 각 특성치의 인자에 따른 기여도(contribution)를 나타내었다.
- 마찰재의 물성 및 마찰특성에 영향을 미치는 성형조 건의 주요인자를 고찰하기 위해 다구찌 실험계획법을 이용하였으며 분산분석법을 적용하여 다음과 같은 결 론을 얻었다.
- 본 연구에서 마찰 및 마모시험은 pad-on-disk 형태의 정속 마찰시험기를 이용하였으며 시험기의 개략도는 앞서 발표한 바 있다[3]. 마찰시험은 CITT(constant initial temp test) 시험과 QNT(cons'ant interval test) 시험을 통해 마찰계수의 변화량을 고찰하였으며, 구처적인 시험조건은 Table 4에 나타내었다.
성능/효과
- 1. 마찰재의 성형조건은 결합제로 사용되는 페놀수 지의 열적특성인 경화시간과 경화온도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 2. 마찰재의 경도와 기공률에 영향을 미치는 성형조 건은 열성형 조건에 민감하게 나타났으며, 특히 경도 에 영향을 주는 지배적 인자는 열성형 가압력이며 기공률은 열성형 온도가 주요인자로 작용하였다.
- 3. 마찰재의 마찰계수의 안정성에 기여하는 주요인자는 열처리 과정이 크게 영향을 미치는 것으로 나타 났으며 마모특성은 열성형 시간이 지배적 인자임을 일 수 있었다.
- 5 MPa의 열성형 가압력과 12분의 열성형 시간을 도출할 수 있었다. 기공률은 결합제의 흐름도에 크게 좌우됨으로써 열성형 온도에 의해 크게 영향을 받은 것으로 사료되며 이때 최적의 온도는 2수준의 175℃로 나타났다.
- 마찰재의 마모특성은 마찰재에 첨가되는 원료의 열 분해(pyrolysis) 특성과 열에 의해 크게 변성된 마찰층 의 내구성 등에 영향을 받으며, 특히 마찰막의 거동과 밀접한 관계를 가지고 있다[3, 10]. 본 연구에서는 마모 특성에 영향을 미치는 성형조건중 열성형 시간에 크게 영향을 받았으며 최적수준은 8분으로 나타났다(Table9). 이는 결합제의 열적특성에 따라 최적의 경화시간이 존재함을 나타내며 과경화시 오히려 마모특성을 저해 하는 것으로 평가된다.
- 표에서 볼 수 있듯이 마찰특성에 기여하는 주요인자는 마찰시험방법과 무관하게 모두 열처리 조건에 민감하며, 특히 열처리 온도에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 열처리 온도의 경우 S/7V비의 분석결과는 Fig. 4와 같이 두 가지 마찰시험에서 유사한 경향을 나타냈으며, 2수 준(200℃)에서 최적의 조건을 제시하였다.
- 특히, 경도특성에 영향을 주는 주요인자는 열성형 가압력과 열성형 시간이며, 기공률은 열성형 온도가 가장 지배적 인자로 나타났다. 이러한 결과를 통해 경도특성의 최대 S/N비를 나타내는 최적의 조합은29.5 MPa의 열성형 가압력과 12분의 열성형 시간을 도출할 수 있었다. 기공률은 결합제의 흐름도에 크게 좌우됨으로써 열성형 온도에 의해 크게 영향을 받은 것으로 사료되며 이때 최적의 온도는 2수준의 175℃로 나타났다.
- 3). 직교배 열표에 따라 제조된 16가지의 마찰재는 0.3-0.4의 마찰 계수의 분포를 나타내었으며 이는 SAE J866 규격 [12] 에 의거하여 코드 E와 F의 범위에 포함되는 수준임을 확인하였다.
- 표에 나타난 바와 같이 물성특성에 영향을 미치는 성형인자는 열처리 조건보다는 열성형 조건에 민감함을 알 수 있다. 특히, 경도특성에 영향을 주는 주요인자는 열성형 가압력과 열성형 시간이며, 기공률은 열성형 온도가 가장 지배적 인자로 나타났다. 이러한 결과를 통해 경도특성의 최대 S/N비를 나타내는 최적의 조합은29.
- Table 8은 마찰시험결과에 따른 분산분석표로서 마찰계수의 안정성에 영향을 미치는 성형인자의 기여도 를 나타내었다. 표에서 볼 수 있듯이 마찰특성에 기여하는 주요인자는 마찰시험방법과 무관하게 모두 열처리 조건에 민감하며, 특히 열처리 온도에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 열처리 온도의 경우 S/7V비의 분석결과는 Fig.
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