[논문]습식 워터 젯 정밀 절삭 가공용 다이아몬드 오리피스 제조 및 응용

김연철; 박희동; 조재한; 강석중

doi:10.4150/kpmi.2008.15.6.509

습식 워터 젯 정밀 절삭 가공용 다이아몬드 오리피스 제조 및 응용
Manufacture and Application of Diamond Orifices in Abrasive Suspension Jet for Micro Machining 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.15 no.6, 2008년, pp.509 - 513

김연철 (이화다이아몬드공업(주) 기술연구소) , 박희동 (이화다이아몬드공업(주) 기술연구소) , 조재한 (이화다이아몬드공업(주) 기술연구소) , 강석중 (한국과학기술원 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

High-pressure abrasive entrained jet have rapidly become important machining technology over the last two decades. However, suspension jet by high-pressure has been recently developed for packaging sawing. Ideally, diamond materials should be used for components in abrasive water-jet systems that are subject to high erosive conditions. Using the diamond orifices improve maintenance and extend wear part life. This paper gives insights to using an abrasive suspension jet with diamond orifice. The influences of orifice material and orifice design are evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고압의 물과 연마재가 혼합된 습식 워터 젯(Abrasive supension jet) 시스템에서 내마모성이 우수한 다이아몬드 오리피스의 적용가능성을 확인하였다. 천연다이아몬드를 이용하여 250±5 μm 이내의 다이아몬드 오리피스가 가능하였다.
노즐 설계에 필요한 입구부 형상과, 노즐 내부의 각도, 다이아몬드 두께에 따른 최대유속과 직진성을 시뮬레이션을 통해 해석하고, 해석된 노즐 구조를 바탕으로 PCD(Poly crystal diamond)와 천연다이아몬드 노즐을 재료로 다이아몬드 노즐의 특성을 비교하였다. 본 연구를 통하여 습식 워터 젯 시스템에서 두 재료의 내마모성 차이를 비교하고 습식 워터 젯에 다이아몬드 노즐의 적용성을 검토하였다.

제안 방법

노즐 내부의 유동 해석 변수로는 오리피스의 입구 형상, 오리피스 각도, 오리피스의 두께로 선정하였다. 각 변수에 따라 최대 유속과 직진성의 변화를 예측하였다.
연구에서는 Flunt 3D 유동 해석을 이용하여 노즐 설계에 필요한 내부 구조를 예측하였다. 노즐 설계에 필요한 입구부 형상과, 노즐 내부의 각도, 다이아몬드 두께에 따른 최대유속과 직진성을 시뮬레이션을 통해 해석하고, 해석된 노즐 구조를 바탕으로 PCD(Poly crystal diamond)와 천연다이아몬드 노즐을 재료로 다이아몬드 노즐의 특성을 비교하였다. 본 연구를 통하여 습식 워터 젯 시스템에서 두 재료의 내마모성 차이를 비교하고 습식 워터 젯에 다이아몬드 노즐의 적용성을 검토하였다.
5 mm로 했을 경우 입구부로부터 가장 좋은 직진성을 유지하는 것을 알 수 있었다. 노즐 유동 해석을 바탕으로 노즐 구조에 따른 최대 유속과 직진성을 갖는 TYPE 2와, 각도 60도, 두께 1.5 mm로 노즐을 설계하고 절단 시험을 위한 시료를 제작하였다. 유동 해석 결과가 실제로 부합하는지에 대한 결과는 본 연구에서는 다루지 않았다.
다이아몬드 노즐 제조 공정과 유동 해석 결과를 바탕으로 PCD[5]와 천연 다이아몬드의 2종류의 다이아몬드 노즐을 제작하였고, 습식 워터 젯 장비를 이용하여 절단 시험을 실시하였다.
다이아몬드 노즐 제조에 내부 설계를 결정하기 위해서 Fluent3D 유체해석 프로그램을 이용하여 순수 water상태에서 입구부 형상, 오리피스 각도, 오리피스 두께를 변수로 해석하였다. 분석 영역을 만 개의 영역으로 분할하여 노즐 입구부에서 출구부의 50 mm 범위에 대하여 최대 유속과 속도 분포를 구하였다.
다이아몬드 오리피스가 있는 부위에서 단차가 존재하는 구조와 단차없이 노즐 내부에서 오리피스까지 연결되는 구조로 구분된다.또한, 단차가 있는 경우는 직각형태이거나 미세한 R 형태로 구분하였다. 단차가 존재하지 않는 경우에는 곡선형태와 직선 형태의 두 종류로 구분하여 각각의 조건별로 최대유속을 도출하였다.
다이아몬드 노즐 제조에 내부 설계를 결정하기 위해서 Fluent3D 유체해석 프로그램을 이용하여 순수 water상태에서 입구부 형상, 오리피스 각도, 오리피스 두께를 변수로 해석하였다. 분석 영역을 만 개의 영역으로 분할하여 노즐 입구부에서 출구부의 50 mm 범위에 대하여 최대 유속과 속도 분포를 구하였다. 유체해석 결과를 바탕으로 각 설계변수에 따른 직진성과 최대 유속을 분석하여 노즐 구조 설계의 최적 조건을 도출한 후, 절단 시험을 위한 다이아몬드 노즐을 최적조건에 맞추어 제작하였다.
소결 후, 저출력 Nd-YAG 레이저로 직경 150 μm으로 가공한 후, 랩핑과 정밀 연마를 이용하여 250 μm으로 확대하였다.
노즐의 홀 가공을 위한 공정 흐름을 그림 2에 나타내었다. 소결공정은 다이아몬드와 스테인레스 304 재질의 몰드를 사용하여 고주파 소결방식으로 1050℃에서 3 분간 소결을 실시하였다. 소결 후, 저출력 Nd-YAG 레이저로 직경 150 μm으로 가공한 후, 랩핑과 정밀 연마를 이용하여 250 μm으로 확대하였다.
연구에서는 Flunt 3D 유동 해석을 이용하여 노즐 설계에 필요한 내부 구조를 예측하였다. 노즐 설계에 필요한 입구부 형상과, 노즐 내부의 각도, 다이아몬드 두께에 따른 최대유속과 직진성을 시뮬레이션을 통해 해석하고, 해석된 노즐 구조를 바탕으로 PCD(Poly crystal diamond)와 천연다이아몬드 노즐을 재료로 다이아몬드 노즐의 특성을 비교하였다.
분석 영역을 만 개의 영역으로 분할하여 노즐 입구부에서 출구부의 50 mm 범위에 대하여 최대 유속과 속도 분포를 구하였다. 유체해석 결과를 바탕으로 각 설계변수에 따른 직진성과 최대 유속을 분석하여 노즐 구조 설계의 최적 조건을 도출한 후, 절단 시험을 위한 다이아몬드 노즐을 최적조건에 맞추어 제작하였다.
표 1에 습식 워터 젯 장비의 세부 절단 시험 조건을 설명하였다. 절단 후 피삭재 표면 상태를 확인하기 위하여 Kosaka 모델명 SE1200 측정 장비를 이용하여 표면 조도를 측정하였고, 절단 시험 후 사용된 노즐은 SEM(Scanning electron microscopy)을 이용하여 노즐 단면을 분석하였다.
제작된 노즐은 쿠스코엘비이社의 습식 워터 젯 장비를 이용하여 절단 시험을 실시하였다. 피삭재로는 내부에 칩을 포함하지 않는 두께 1.

대상 데이터

PCD는 다이아몬드 grain size 10 μm, 다이아몬드 함량 92%, 모델명 CM PCD를 사용하였으며, 천연 다이아몬드는 E6社의 직경 2 mm, 두께 1.5 mm 크기의 제품을 사용하였다.
따라서 노즐 내부의 구조에 따라 노즐의 직진성과 최대 유속은 영향을 받게 된다[3-4]. 노즐 내부의 유동 해석 변수로는 오리피스의 입구 형상, 오리피스 각도, 오리피스의 두께로 선정하였다. 각 변수에 따라 최대 유속과 직진성의 변화를 예측하였다.
습식 워터 젯 시스템에 적용할 노즐 재료로는 일진다이아몬드社의 PCD제품을 사용하였다. PCD는 다이아몬드 grain size 10 μm, 다이아몬드 함량 92%, 모델명 CM PCD를 사용하였으며, 천연 다이아몬드는 E6社의 직경 2 mm, 두께 1.
제작된 노즐은 쿠스코엘비이社의 습식 워터 젯 장비를 이용하여 절단 시험을 실시하였다. 피삭재로는 내부에 칩을 포함하지 않는 두께 1.5 mm의 더미 패키지(Dummy package)를 이용하였다. 표 1에 습식 워터 젯 장비의 세부 절단 시험 조건을 설명하였다.

성능/효과

두께가 증가할수록 최대유속은 약간 감소하는 경향을 보였다. 그러나 유체의 직진성을 고려하면 오리피스 두께를 1.5 mm로 했을 경우 입구부로부터 가장 좋은 직진성을 유지하는 것을 알 수 있었다. 노즐 유동 해석을 바탕으로 노즐 구조에 따른 최대 유속과 직진성을 갖는 TYPE 2와, 각도 60도, 두께 1.
습식 워터 젯 시스템을 이용하여 패키지 절단 시험을 실시한 결과, 표면 조도는 다이아몬드 블레이드, 습식 워터 젯, 레이저 순으로 우수하였다. 향후 건식 워터 젯 방식뿐만 아니라, 습식 워터 젯 장비에서 장비의 유지보수와 사용 수명 향상을 위해 내마모 용도로의 다이아몬드 사용이 커질 것으로 예상한다.
천연다이아몬드는 고압에서 10시간 사용 후 직경이 초기보다 37 μm 정도 증가했으며, PCD 오리피스의 경우, 기지 조직의 Co, W 바인더의 마모로 인해 노즐 직경이 1 mm 이상 증가하여 내마모성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.

후속연구

습식 워터 젯 시스템을 이용하여 패키지 절단 시험을 실시한 결과, 표면 조도는 다이아몬드 블레이드, 습식 워터 젯, 레이저 순으로 우수하였다. 향후 건식 워터 젯 방식뿐만 아니라, 습식 워터 젯 장비에서 장비의 유지보수와 사용 수명 향상을 위해 내마모 용도로의 다이아몬드 사용이 커질 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	워터 젯 시스템은 어디에 많이 사용되는가?	물과 연마재를 이용한 워터 젯 시스템은 1983년 이후에 두께 5~100 mm 범위의 알루미늄과 스틸 판재를 절단하는데 널리 사용되고 있다. 워터 젯 시스템의 장점은 다른 일반적인 가공에 비해 물을 사용하므로 저렴하고 피삭재 적용 범위가 넓고, 가공 후 열영향부가 없는 것이라 할 수 있다.
	워터 젯 시스템의 장점은?	물과 연마재를 이용한 워터 젯 시스템은 1983년 이후에 두께 5~100 mm 범위의 알루미늄과 스틸 판재를 절단하는데 널리 사용되고 있다. 워터 젯 시스템의 장점은 다른 일반적인 가공에 비해 물을 사용하므로 저렴하고 피삭재 적용 범위가 넓고, 가공 후 열영향부가 없는 것이라 할 수 있다.
	SiC 연마재와 물의 혼합액을 이용한 워터 젯을 천연다이아몬드 오리피스에 사용한 결과는?	그림 7는 SiC 연마재와 물의 혼합액을 700 bar에서 분사한 후 사용된 노즐의 SEM 사진이다. 천연다이아몬드를 사용한 오리피스는 10 시간 사용 후 초기 직경 250 μm보다 직경이 37 μm커졌다. PCD 노즐과 비교하면 동일한 절단 조건에서 입구홀의 크기가 1 mm까지 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 천연다이아몬드는 단결정 형태로 다이아몬드 고유의 우수한 내마모특성 때문인 것으로 사료된다. PCD 노즐의 경우는 내부 성분이 92%의 미세한 다이아몬드와 Co 바인더 입자로 구성되어 고속 분사시 SiC 연마재에 의해 바인더 입자가 급격히 마모된 것으로 사료된다.

참고문헌 (5)

KMT Waterjet Systems, www.kmtwaterjet.com
A. M. Hoogstrate: The use of Diamond Orifice in Industrial Abrasive Entrainment Waterjet cutting Systems. Diamondatwork Conference 2008
Kyung Am Park: The Korea Society of Mechanical Engineers, 18 (1994) 701
Yoon Suk Choi: Korean Society of Computational Fluids Engineering, 12 (2007) 8
Seung Moon Yang: Korea Patent No. 2003-0023948

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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