[논문]김치생산용 알타리무 전처리가공시스템 개발(II) - 평면형 삭피칼날의 최적형상 -

민영봉; 김성태; 강동현

doi:10.5307/jbe.2005.30.3.161

문제 정의

, 2003)에서는 알타리무를 뿌리의 원주방향과 길이방향으로 홈 형으로 삭피할 수 있는 칼날의 최적형상을 구명한 바 있으나, 실제 알타리무의 삭피작업은 평면형 삭피방식이며, 뿌리의 길이방향으로 삭피하는 것으로 선행연구의 결과를 그대로 실용화 삭피장치 개발에 응용하기에는 미흡하였다. 따라서 본 연구는 알타리무의 길이방향 평면형 삭피장치를 제작? 시험 하여 삭피기계의 실용화에 적합한 평면형 삭피용 칼날의 최적형상을 구명하고자 수행하였다.
, 2003)에서는 알타리무를 뿌리의 원주방향과 길이방향으로 홈 형으로 삭피할 수 있는 칼날의 최적형상을 구명한 바 있으나, 실제 알타리무의 삭피작업은 평면형 삭피방식이며, 뿌리의 길이방향으로 삭피하는 것으로 선행연구의 결과를 그대로 실용화 삭피장치 개발에 응용하기에는 미흡하였다. 따라서 본 연구는 알타리무의 길이방향 평면형 삭피장치를 제작? 시험 하여 삭피기계의 실용화에 적합한 평면형 삭피용 칼날의 최적형상을 구명하고자 수행하였다.

제안 방법

1 m/s 간격으로 하였다. 각 시험은 3회씩 실시하였으며 칩과 삭피면을 육안으로 확인하여 유동형 칩의 형성 상태를 확인하였다.
6 m/s 이상으로 빠른 경우에는 칼날이 튀어오르면서 진동충격운동을 하여 연속삭피작업이 이루어지지 않았다. 따라서 본 삭피시험에서는 스프링을 이용한 예비실험을 수행하여 얻어진 결과에서 칼날에 가해지는 수직력을 13 N으로 일정하게 조정하였으며, 삭피속도는 칼날이 튀지 않고 연속 작업이 가능한 범위로 한정하였다.
5 mm의 부드러운 와이어로 연결하고 베어링롤러를 이용하여 수평력인 삭피저항을 수직력2로 전달되게 하였다. 무 삭 피시 로드셀에 전달되는 삭피저항은 로드셀과 연결한 스트레 인증폭기(DPM-700B, Kyowa co., Japan)에 의한 스트레인 값으로 측정되게 하였다. 삭피저항 대응값을 디지털화하기 위하 여 스트레인증폭기의 아날로그출력을 데이터 계측장치 (System 10K7, Daytronic co.
칼날이 알타리무 껍질을 삭피할 때의 삭피저항이 로드셀에 손실 없이 전달되게 하고 삭피칼날부의 지지를 위하여 행정길이 300 mm의 LM guide(이하 직선운동장치)를 설치하였다. 삭 피칼날부의 칼날이 전진하는 알타리무의 곡면 형태에 따라 상하로 자유로이 움직일 수 있도록 칼날부착부가 삭피장치의 수직골조와 연결되는 부분을 힌지 형식으로 만들고, 중간부 분인 삭피장치 상단 수평골조에 선경 1.5 mm, 스프링상수2.3 N/mm의 압축스프링을 설치하였다. 압축스프링의 축은 중간에 스프링 받침을 설치한 숫나사로서 상부프레임에 결합되어 이 축의 조임에 의해 삭피칼날에 압력을 가하여 알타리 무의 이송시 무 껍질부에 칼날이 파고들게 하였다.
, Japan)에 의한 스트레인 값으로 측정되게 하였다. 삭피저항 대응값을 디지털화하기 위하 여 스트레인증폭기의 아날로그출력을 데이터 계측장치 (System 10K7, Daytronic co., U.S.A)에 입력시켜 디지털값으로 변화시키고 RS232C 통신을 통해 컴퓨터로 데이터를 처리하였다. 데이터처리 프로그램은 Quick Basic을 이용하였다.
삭피저항 측정을 위한 시험구 배치는 표 1과 같으며, 칼날이 튀지 않고 절입되는 삭피 속도 3종류, 칼날각과 경사각 각각 14종류 등 총 42종류의 시험을 각각 5회 반복하여 시험을 실 시하였다.
압축스프링의 축은 중간에 스프링 받침을 설치한 숫나사로서 상부프레임에 결합되어 이 축의 조임에 의해 삭피칼날에 압력을 가하여 알타리 무의 이송시 무 껍질부에 칼날이 파고들게 하였다. 알타리무고정대는 바이스형태의 고정부와 지지판으로 구성하여 알타리무를 고정하였다. 또한 알타리무의 직선운동을 원활히 하기 위해 직선운동장치 상단에 고정대를 설치하였다.
0 kgf/cm2)에 의하였다. 알타리무를 삭피할 때의 삭피저항을 측정하기 위하여, 직선운동장치의 슬라이드 위에 설치한 삭피칼날부 프레임과 수직력 측정용 로드셀을 직경1.5 mm의 부드러운 와이어로 연결하고 베어링롤러를 이용하여 수평력인 삭피저항을 수직력2로 전달되게 하였다. 무 삭 피시 로드셀에 전달되는 삭피저항은 로드셀과 연결한 스트레 인증폭기(DPM-700B, Kyowa co.
3 N/mm의 압축스프링을 설치하였다. 압축스프링의 축은 중간에 스프링 받침을 설치한 숫나사로서 상부프레임에 결합되어 이 축의 조임에 의해 삭피칼날에 압력을 가하여 알타리 무의 이송시 무 껍질부에 칼날이 파고들게 하였다. 알타리무고정대는 바이스형태의 고정부와 지지판으로 구성하여 알타리무를 고정하였다.
유동형 칩으로 결정하는 조건은 절삭칩이 파단되지 않고 연결되며, 육안으로 관찰한 절삭면은 거친 부분이 없고 매끈한 것일 때로 하였으므로 이것을 알타리무의 삭피가 가능한 경사각으로 판단하였다. 시험방법에서 제시한 조건 내의 삭피 속도와 칼날 각 그리고 경사각을 변화시키면서 절삭칩의 모 양을 조사한 결과, 전단형 칩과 유동형 칩의 경계인 유동형 칩으로 형성되는 경사각은 45。이며, 삭피속도와 칼날각의 영향은 없는 것으로 나타났다.
알타리무 김치의 소재 전처리 가공 작업 중 삭피작업의 기계화를 위한 삭피형태는 칼날의 폭이 삭피된 칩의 폭보다 큰 것을 사용하는 평면형 삭피방식이다. 이 평면형 삭피방식에 적용할 칼날의 최적형상을 구명하기 위하여 두께 2 mm, 폭 50 mm인 칼날로 절삭속도 경사각 및 칼날각을 변화시켜 삭피 시험을 실시하고, 절삭칩의 형태와 삭피저항을 조사하였다. 그 결과 알타리무의 삭피표면이 매끈하게 절삭되는 칼날의 경사각은 45° 이상인 것으로 나타났고, 삭피저항이 최소로 되는 칼날각은 20°, 경사각은 60。인 것으로 나타났다.
칼날은 고탄소강(S45C) 재질로서 두께 2 mm, 폭 50 mm로 제작하여 사용하였는데, 예비시험 결과 칼날의 두께가 1 mm 이하로 얇은 경우 칼날이 휘는 경향을 보였고, 3 mm 이상으로 두꺼운 경우에는 불필요한 저항이 나타났다. 칼날의 가공은 숫돌을 이용하여 가공한 후, 300번 사포를 이용하여 삭피용 칼날의 날을 세웠다.
장치는 칼날 부착장치와 알타리무의 고정 및 이송장치 그리고 측정장치로 구성하였다. 칼날이 알타리무 껍질을 삭피할 때의 삭피저항이 로드셀에 손실 없이 전달되게 하고 삭피칼날부의 지지를 위하여 행정길이 300 mm의 LM guide(이하 직선운동장치)를 설치하였다. 삭 피칼날부의 칼날이 전진하는 알타리무의 곡면 형태에 따라 상하로 자유로이 움직일 수 있도록 칼날부착부가 삭피장치의 수직골조와 연결되는 부분을 힌지 형식으로 만들고, 중간부 분인 삭피장치 상단 수평골조에 선경 1.

대상 데이터

본 연구에 사용된 알타리무의 시료는 7월 중순부터 8월 말 사이에 수확된 알타리무를 구입하여 사용하였다. 각 삭피시험시마다 25개를 임의 추출하여 측정한 알타리무의 평균 길이는 94.
또한 알타리무의 직선운동을 원활히 하기 위해 직선운동장치 상단에 고정대를 설치하였다. 알타리 무의 직선운동은 실린더 내경 25 mm, 행정길이 250 mm의 공압실린더를 이용하였으며, 삭피 속도는 공압실린더의 공압 조정(0.5 - 5.0 kgf/cm2)에 의하였다. 알타리무를 삭피할 때의 삭피저항을 측정하기 위하여, 직선운동장치의 슬라이드 위에 설치한 삭피칼날부 프레임과 수직력 측정용 로드셀을 직경1.
그림 1은 알타리무의 길이 방향 삭피시 삭피저항을 측정하기 위해 구성한 장치이며, 선행연구(Min et al, 2003)의 시험 장치와 구조 및 원리가 같다. 장치는 칼날 부착장치와 알타리무의 고정 및 이송장치 그리고 측정장치로 구성하였다. 칼날이 알타리무 껍질을 삭피할 때의 삭피저항이 로드셀에 손실 없이 전달되게 하고 삭피칼날부의 지지를 위하여 행정길이 300 mm의 LM guide(이하 직선운동장치)를 설치하였다.
로 사'용하였으며, 여유각(clearance angle, Y)은 참고용이다. 칼날은 고탄소강(S45C) 재질로서 두께 2 mm, 폭 50 mm로 제작하여 사용하였는데, 예비시험 결과 칼날의 두께가 1 mm 이하로 얇은 경우 칼날이 휘는 경향을 보였고, 3 mm 이상으로 두꺼운 경우에는 불필요한 저항이 나타났다. 칼날의 가공은 숫돌을 이용하여 가공한 후, 300번 사포를 이용하여 삭피용 칼날의 날을 세웠다.

성능/효과

본 연구에 사용된 알타리무의 시료는 7월 중순부터 8월 말 사이에 수확된 알타리무를 구입하여 사용하였다. 각 삭피시험시마다 25개를 임의 추출하여 측정한 알타리무의 평균 길이는 94.3 mm, 머리부분의 평균 직경은 33.2 mm이었으며, 최단 직경의 평균은 29.9 mm, 최장직경의 평균은 48.2 mm로 조사되었다.
극단적인 경우로서 칼날의 경사각이 0。로써 절삭하는 경우는 칼날의 전면이 절삭면(무 표면)과 수직으로 절삭하는 것으로서 긁는 형태의 절삭이며, 칼날의 경사각이 60。로써 절삭하는 경우는 칼날의 전면이 무표면의 절삭면과 30。로 절삭하는 것으로서 깎기형 태의 절삭인 것으로 나타났다. 긁기 형태의 절삭에서 깎기형 태의 절삭으로 갈수록 즉, 경사각이 커질수록 전단형 칩에서 유동형 칩으로 변화되는 것으로 나타났다.
그림 5는 칼날각과 경사각의 변화에 따른 삭피저항의 변화를 나타낸 것이다. 전체적으로 삭피속도가 빠를수록 삭피저항이 증가하는 경향으로 나타났다 금속의 절식'이론에서 단단하고 취성인 재료는 경사각이 작은 것이, 연하고 인성인 재료는 경사각이 큰 것이 절삭저항이 작게 되는 것이 일반적이 며, 재료에 따라 절삭저항이 가장 작게 되는 칼날각과 경사각이 정해지는데, 다만 절삭속도가 빠를수록 경사각이 크게 되는 경향이 있다고 알려져 있다. 알타리무의 삭피는 금속의 절삭과 동일한 역학적 기구로 가정한다면, 알타리무의 껍질는 매우 연하면서도 질긴(인성) 재질에 속하므로 금속의 최적 경사각인 5。〜20。보다 훨씬 클 것으로 예상된다.

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