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문제 정의
- 최근 Al6061은 기계적 성질이 우수하여 산업 현장에서 가장 널리 사용되고 있다. 이렇게 산업 현장에서 가장 많이 사용하는 재료를 선정함으로써 이 연구에 얻어진 결과를 현장에 적용할 수 있게 하기 위함이다. 실험 조건을 Table 2에 나타내었다.
제안 방법
- 이 연구에서는 다구찌법을 이용하여 분사압력, 절단속도, 오리피스 직경, 이격거리, 연마제 혼합비의 인자들을 가공변수로 하고, 중심선 평균거칠기(Ra)와 테이퍼 값을 반응 값으로 하여 실험계획법을 적용하였다. 측정된 데이터의 S/N비를 분산분석을 통하여 실험인자들이 절단 표면에 미치는 영향력을 분석하였다.
- 이 연구에서는 다구찌법을 이용하여 분사압력, 절단속도, 오리피스 직경, 이격거리, 연마제 혼합비의 인자들을 가공변수로 하고, 중심선 평균거칠기(Ra)와 테이퍼 값을 반응 값으로 하여 실험계획법을 적용하였다. 측정된 데이터의 S/N비를 분산분석을 통하여 실험인자들이 절단 표면에 미치는 영향력을 분석하였다. 분산분석을 통해 얻어진 유의인자를 토대로 2차 실험을 하였으며, 반응표면분석법을 적용하여 각각의 유의인자들의 2차 회귀곡선식을 구하여 표면거칠기와 테이퍼 값의 예측에 적용하였다5).
- 커팅 헤드는 고압의 물을 오리피스를 통하여 분사하여 혼합실에서 연삭입자와 혼합하여 분사할 때 음속의 2~3배 정도의 속도에너지를 가질 수 있도록 설계되었다. 이송 기구부는 서보모터(servo moter)를 이용한 볼 스크류(ball screw) 방식으로 X축, Y축은 동시 구동방식이며, Z축은 독립형 이송방식이다.
- 이 연구에서는 연마제 워터제트의 절단공정에서 주어진 조건 이내에서 최적화하기 위해 절단면의 표면조도와 테이퍼값을 반응값으로 선택하였다. 인자들이 너무 많으면 실험의 정밀도가 낮아지므로 제안된 영역 안에서 최적의 인자를 선택해야 한다.
- 인자들의 수준도 최적의 수로 결정해야 한다. 연마제 워터제트의 최적 절단 조건을 위해 고압수 압력(A), 노즐 이송속도(B), 오리피스 직경(C), 연마제 혼합비(D) 그리고 이격거리(E)를 인자로 선택 하였다. 5개의 인자 모두 3수준으로 나누었고, 다구찌 법을 사용하기 위해 직교배열표를 작성하였다.
- 연마제 워터제트의 최적 절단 조건을 위해 고압수 압력(A), 노즐 이송속도(B), 오리피스 직경(C), 연마제 혼합비(D) 그리고 이격거리(E)를 인자로 선택 하였다. 5개의 인자 모두 3수준으로 나누었고, 다구찌 법을 사용하기 위해 직교배열표를 작성하였다. 이러한 직교배열표는 선택된 인자들의 수준을 조합하고 실험 순서 및 실험 횟수를 결정하기 위함이다.
- 시편의 표면거칠기의 상부는 연마제 입자 크기에 의해서 결정되는 부분으로 중심선 평균거칠기(Ra)가 3~4 μm로 균일하게 나타났고, 하단부에서 절단에너지의 감소로 물결무늬 현상이 뚜렷하게 발생하여 표면 조도가 거칠게 나타났다. 따라서 하단부에서 3 mm 부분의 표면거칠기(SE-1200, mitutoyo)를 측정하였고, 시편의 테이퍼값은 (주)덕인 MBH-101008C 3차원 측정기를 이용하여 측정하였다.
- 이 연구에서 워터제트 가공에서 주어진 조건이내에서 최적화하기 위해 다구찌 법과 같은 표면거칠기와 테이퍼 값을 반응 값으로 선택하였다. 제어인자들의 수준 수도 최적의 수로 결정해야 한다.
- 제어인자들의 수준 수도 최적의 수로 결정해야 한다. 절단실험은 다구찌법에서 유의하다고 분석된 분사압력(A), 이송속도(B), 연마제혼합비(C)를 제어인자로 선택하였다. 3가지의 인자 모두 5수준으로 나누었고 α값을 2로 하여 반응표면분석법을 수행하였다.
- 절단실험은 다구찌법에서 유의하다고 분석된 분사압력(A), 이송속도(B), 연마제혼합비(C)를 제어인자로 선택하였다. 3가지의 인자 모두 5수준으로 나누었고 α값을 2로 하여 반응표면분석법을 수행하였다. 결정된 인자들과 수준들은 Table 3에 나타내었다.
- 반응표면분석법 중에 중심합성계획법을 사용하기 위해 직교배열표를 작성하였고, 이러한 직교배열표는 선택된 인자들의 수준을 조합하고 실험 순서 및 실험 횟수를 결정하기 위한 것이다. 워터제트 가공실험을 직교배열표에 따라 20번 절단가공을 수행하였다.
- 반응표면분석법 중에 중심합성계획법을 사용하기 위해 직교배열표를 작성하였고, 이러한 직교배열표는 선택된 인자들의 수준을 조합하고 실험 순서 및 실험 횟수를 결정하기 위한 것이다. 워터제트 가공실험을 직교배열표에 따라 20번 절단가공을 수행하였다. 표면거칠기 측정을 하여 중심선 평균거칠기 (Ra) 값과 3차원측정기를 이용한 테이퍼값을 반응값으로 하여 분석에 사용하였다.
- 워터제트 가공실험을 직교배열표에 따라 20번 절단가공을 수행하였다. 표면거칠기 측정을 하여 중심선 평균거칠기 (Ra) 값과 3차원측정기를 이용한 테이퍼값을 반응값으로 하여 분석에 사용하였다.
- 이 연구는 연마제 워터제트 가공상의 특성들 중에 표면거칠기와 테이퍼값의 품위 향상을 위한 공정조건은 실험계획법을 이용하여 최적화하였다.
대상 데이터
- 오리피스는 보통 사파이어, 루비, 다이아몬드 등의 재료로 만들어지며 나사 조합과 운송로에 의해 분사 운송파이프 끝에 조립된다. 이 연구에서는 직경이 0.25 mm, 0.3 mm, 0.33 mm 인 사파이어 오리피스을 채택하였다. 다이아몬드 오리피스의 수명은 약 800~2000 시간 정도이나 가격이 비싸다.
- 일반적으로 연마제 입자는 고밀도, 예리한 모서리, 고인성을 요하며 연마제 입자의 크기는 # 50, #80, #120등이 사용된다. 이 연구에 사용된 연마제는 입자의 크기가 #80 (180 μm)의 천연 Garnet이다.
- 이 연구에 사용된 시편은 연마제 워터제트 가공에서 가장 많이 사용되고 있는 Al6061판을 사용하였고, 시편의 두께는 25 mm를 선정 하였다. 연마제는 천연 Garnet으로 입도는 # 80을 사용하였다.
- 이 연구에 사용된 시편은 연마제 워터제트 가공에서 가장 많이 사용되고 있는 Al6061판을 사용하였고, 시편의 두께는 25 mm를 선정 하였다. 연마제는 천연 Garnet으로 입도는 # 80을 사용하였다. 최근 Al6061은 기계적 성질이 우수하여 산업 현장에서 가장 널리 사용되고 있다.
데이터처리
- 측정된 데이터의 S/N비를 분산분석을 통하여 실험인자들이 절단 표면에 미치는 영향력을 분석하였다. 분산분석을 통해 얻어진 유의인자를 토대로 2차 실험을 하였으며, 반응표면분석법을 적용하여 각각의 유의인자들의 2차 회귀곡선식을 구하여 표면거칠기와 테이퍼 값의 예측에 적용하였다5).
- 그 결과 각 인자들 분사압력(A), 이속속도(B), 연마제 혼합비(C)의 최적값은 각각 300MPa, 60mm/min, 8g/sec를 도출 할 수 있었다. 최적인자 값을 시험 인자로 사용하여 실험을 3번 실시하여 표면거칠기와 테이퍼값의 평균을 측정하였고, Table 4에 나타내었다. 반응표면분석법에 의해서 만들어진 이차회귀방정식에 의한 결과와 실험에서 얻어진 결과값이 유사함을 알 수 있다.
이론/모형
- 워터제트 절단가공에서 목적하는 표면거칠기가 작을수록 좋으며, 테이퍼 값 또한 작을수록 정밀한 가공에 유의하다. 이와 같은 목적을 만족하기 위해 각 인자 수준 변화에 따라 실험을 하고 반응표면분석법을 이용하였다.
성능/효과
- 이러한 직교배열표는 선택된 인자들의 수준을 조합하고 실험 순서 및 실험 횟수를 결정하기 위함이다. 시편의 표면거칠기의 상부는 연마제 입자 크기에 의해서 결정되는 부분으로 중심선 평균거칠기(Ra)가 3~4 μm로 균일하게 나타났고, 하단부에서 절단에너지의 감소로 물결무늬 현상이 뚜렷하게 발생하여 표면 조도가 거칠게 나타났다. 따라서 하단부에서 3 mm 부분의 표면거칠기(SE-1200, mitutoyo)를 측정하였고, 시편의 테이퍼값은 (주)덕인 MBH-101008C 3차원 측정기를 이용하여 측정하였다.
- 반응표면분석법은 독립변수와 종속변수간의 함수 관계를 데이터로 부터 추정하여 독립변수의 변화에 따른 반응량을 예측하는 것이고, 독립변수의 어떤 값에서 최적화가 될 것인가를 찾아내고 데이터 분석을 통하여 적합한 반응표면의 성질을 규명하는 것이다. 워터제트 절단가공에서 목적하는 표면거칠기가 작을수록 좋으며, 테이퍼 값 또한 작을수록 정밀한 가공에 유의하다. 이와 같은 목적을 만족하기 위해 각 인자 수준 변화에 따라 실험을 하고 반응표면분석법을 이용하였다.
- 4에서 각 인자가 최고 일 때의 수준이 선택 인자의 값이 되었다. 선택된 인자의 고압수 압력이 330 MPa, 노즐 이송속도가 50 mm/min, 오리피스 직경이 0.33 mm, 연마제 혼합비가 10 g/sec 그리고 이격거리는 2 mm 수준으로 이때 얻어진 표면거칠기 (Ra) 가 최적의 조건으로 도출되었다. 또한 S/N 비 그래프에서 인자분포가 클수록 큰 영향을 주는 인자로 A, B, D 인자가 유효한 인자임을 알 수 있었다.
- 33 mm, 연마제 혼합비가 10 g/sec 그리고 이격거리는 2 mm 수준으로 이때 얻어진 표면거칠기 (Ra) 가 최적의 조건으로 도출되었다. 또한 S/N 비 그래프에서 인자분포가 클수록 큰 영향을 주는 인자로 A, B, D 인자가 유효한 인자임을 알 수 있었다.
- 5에서각 인자의 최고일 때의 수준이 선택 인자의 값이 되었다. 선택된 인자는 각각 고압수 압력이 270 MPa, 노즐 이송속도가 70 mm/min, 오리피스 직경이 0.25mm, 연마제 혼합비가 6 g/sec 그리고 이격거리는 4mm 수준으로 이때 얻어진 테이퍼값이 최적의 조건으로 도출되었다. 또한 S/N 비 그래프에서 인자분포가 클수록 큰 영향을 주는 인자로 A, B, E 인자가 유효한 인자임을 알 수 있었다.
- 25mm, 연마제 혼합비가 6 g/sec 그리고 이격거리는 4mm 수준으로 이때 얻어진 테이퍼값이 최적의 조건으로 도출되었다. 또한 S/N 비 그래프에서 인자분포가 클수록 큰 영향을 주는 인자로 A, B, E 인자가 유효한 인자임을 알 수 있었다.
- 6과 같이 제어인자 사이의 최적 값과 예측 값들이 나타내고 있다. 그 결과 각 인자들 분사압력(A), 이속속도(B), 연마제 혼합비(C)의 최적값은 각각 300MPa, 60mm/min, 8g/sec를 도출 할 수 있었다. 최적인자 값을 시험 인자로 사용하여 실험을 3번 실시하여 표면거칠기와 테이퍼값의 평균을 측정하였고, Table 4에 나타내었다.
- (1) 표면거칠기에는 분사압력, 절단속도, 연마제혼합비, 오리피스직경, 이격거리의 순으로 영향을 주었으며, 표면거칠기를 최소화하기 위한 최적값으로 분사 압력이 330 MPa, 절단속도가 50 mm/min, 오리피스 직경이 0.33 mm, 연마제 혼합비가 10 g/sec 그리고 이격거리는 2 mm였다.
- (2) 테이퍼값에 절단속도, 분사압력, 이격거리, 연마제혼합비, 오리피스직경 순으로 테이퍼 값에 영향을 주었으며, 테이퍼 값을 최소화하기 위한 최적값으로 분사 압력이 270 MPa, 절단속도가 70 mm/min, 오리피스 직경이 0.25 mm, 연마제 혼합비가 6 g/sec 그리고 이격거리는 4 mm였다.
- (3) 반응표면분석법을 이용하여 표면거칠기 및 테이퍼값 두 가지 반응값을 고려한 실험에서 최적의 인자는 분사압력(A)은 303.94 MPa, 절단속도(B)은 49.74 mm/min, 연마제혼합비(C)은 7.95 g/sec이었고 최적조건하에서 실험을 수행한 결과 표면거칠기(Ra)는 4.455μm였으며 테이퍼값은 0.0255 mm로 표면거칠기(Ra) 예측치 4.3461 μm와 테이퍼값의 예측치 0.0204 mm와 큰 차이가 없었다.
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