Recently, the polishing process using magnetorheological fluids(MR fluids) has been focused as a new ultra-precision polishing technology for micro and optical parts such as aspheric lenses, etc. This method uses MR fluid as a polishing media which contains required micro abrasives. In the MR polish...
Recently, the polishing process using magnetorheological fluids(MR fluids) has been focused as a new ultra-precision polishing technology for micro and optical parts such as aspheric lenses, etc. This method uses MR fluid as a polishing media which contains required micro abrasives. In the MR polishing process, the surface roughness and material removal rate of a workpiece are affected by the process parameters, such as the properties of used nonmagnetic abrasives(particle material, size, aspect ratio and density, etc.), rotating wheel speed, imposed magnetic flux density and feed rate, etc. The objective of this research is to predict MRR according to the polishing conditions based on the multiple regression analysis. Three polishing parameters such as wheel speed, feed rates and current value were optimized. For experimental works, an orthogonal array L27(313) was used based on DOE(Design of Experiments), and ANOVA(Analysis of Variance) was carried out. Finally, it was possible to recognize that the sequence of the factors affecting MRR correspond to feed rate, current and wheel speed, and to determine a combination of optimal polishing conditions.
Recently, the polishing process using magnetorheological fluids(MR fluids) has been focused as a new ultra-precision polishing technology for micro and optical parts such as aspheric lenses, etc. This method uses MR fluid as a polishing media which contains required micro abrasives. In the MR polishing process, the surface roughness and material removal rate of a workpiece are affected by the process parameters, such as the properties of used nonmagnetic abrasives(particle material, size, aspect ratio and density, etc.), rotating wheel speed, imposed magnetic flux density and feed rate, etc. The objective of this research is to predict MRR according to the polishing conditions based on the multiple regression analysis. Three polishing parameters such as wheel speed, feed rates and current value were optimized. For experimental works, an orthogonal array L27(313) was used based on DOE(Design of Experiments), and ANOVA(Analysis of Variance) was carried out. Finally, it was possible to recognize that the sequence of the factors affecting MRR correspond to feed rate, current and wheel speed, and to determine a combination of optimal polishing conditions.
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문제 정의
따라서 본 연구는 BK7 글래스에 대한 MR polishing 공정에서 가공인자와 수준의 변화에 따른 재료제거율을 통계적인 기법을 이용하여 정량적 분석을 수행하여 그 결과를 고찰하는 것을 목적으로 하고 있다.
제안 방법
4에는 Ceria 연마입자의 입도분석 결과를 각각 나타내었다. MR 유체를 이용한 연마공정에 적용되는 표준 슬러리는 자성 입자, 연마입자, 그리고 운반유체인 DI-water로 구성되어 있으며, 여기에 분산 안정제와 재료제거율을 높이기 위해 Cerium Oxide, Diamond powder, A12O3 입자 같은 비자성 연마제를 첨가한다.
연마를 위한 전자석 휠은 테이블 위에 고정되어 있으며, 진공 척에 고정된 공작물은 3축 운동이 가능하도록 제작되었다. 공작물의 정확한 고정과 setup의 정밀도는 연마공정의 효율성을 좌우하게 되며, 본 시스템은 고수준의 분해능을 가지는 레이저 센서를 사용하여 가공물의 고정 중에 발생하는 tilting을 측정하여 보정할 수 있도록 하였다. MR Polishing 실험에 사용된 MR 유체와 연마 슬러리는 Table 1과 같이 조성하였다.
데 있다. 본 논문에서는 BK7 글래스의 재료제거를 종속변수로 설정하고 종속변수에 영향을 미치는 독립변수를 가공변수로 설정하여 회귀분석을 수행하였다.
본 연구는 MR 유체를 이용한 연마 공정에서 실험계획법을 이용하여 휠 속도, 인가전류 및 공작물의 이송속도를 인자로 하고 다중회귀분석을 통하여 재료제거에 영향을 미치는 변수를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. (1) MR 유체를 이용한 연마가공 원리를 이용하여 연마 시스템을 구축하였고, 여러 실험을 통하여 얻은 결과로부터BK7 글래스의 MR polishing 특성에 대한 고찰이 가능하였다.
연마 조건 실험은 각 요인의 주 효과를 이용하여 가공 결과에 미치는 영향을 파악하고 회귀분석에 의한 근사 함수의 추정을 위한 데이터 확보를 위하여 실험계획법을 통하여 실험을 수행하였다. 반응변수인 연마제거량에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 휠의 속E, 인가전류 및 이송속도로 하여 3수준의 레벨로 선정하였으며, 이에 대한 자세한 실험 조건을 Table 2에 나타내었다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 연마 시스템은 0.04-0.1 Pa-s(shear rate 800s-l의 경우 40에서 100 cps)의 점성을 갖는 유체 가약 100-250 rpm의 속도로 회전하는 휠 표면 위에 공급된다. 이 휠은 직경이 120 mm 정도이며 MR 유체가 자기징의 영향을 받는 휠의 면에 공급이 되면서 유체의 점성은 수 밀리 초 동안에 수 단위 이상 증가하여 Bingham plastic 유체가 된다.
본 연구에서 실험에 사용된 MR polishing 시스템은 Fig. 2와 같이 구성되어 있다. 연마를 위한 전자석 휠은 테이블 위에 고정되어 있으며, 진공 척에 고정된 공작물은 3축 운동이 가능하도록 제작되었다.
1에 그 원리를 간단히 나타내었다. 사용되는 MR 유체는 자기장의 세기에 따라 유동특성이 실시간으로 제어되는 스마트 재료중 하나이며(6) MR 유체에 사용되는 자성 입자들의 직경은 수 μm정도이고 30-40% 정도의 부피 비율로 포함되어 있다. MR 유체가 자기장에 노출되면 이 현탁액의 점성과 항복응력은 빠르게 증가하며, 이 유체에 연마 입자를 첨가하여 가공물의 표면을 연마하는 작용을 하게 된다.
데이터처리
또한, 각 독립함수에 대한 추정값을 바탕으로 회귀분석에 의한 회귀선의 유의성 검증을 분산분석에 의하여 할 수 있으며, 이러한 회귀방정식 정도를 측정하기 위하여 결정계수(Coefficient of determination: R, )를 사용한다. 그러나 이러한 1차 다항회귀모델은 교호작용 등을 나타낼 수 없기 때문에, 교호작용이 유의한 경우에는 독립변수가 k개인 2차 모델을 사용하여야 한다.
앞에서 언급한 회귀분석 이론을 기반으로 Table 3에 나타낸 결과값을 이용하여 가공경향의 파악 및 가공결과 예측을 위한 회귀분석을 수행하였다. 분석에 사용된 회귀식은 2차 식으로서 각 인자들의 교호작용을 반영을 할 수 있는 교호작용효과계수(#)까지 포함한 예측식이며, 도출된 회귀 분석 식은 아래와 같다.
이론/모형
반응변수인 연마제거량에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 휠의 속E, 인가전류 및 이송속도로 하여 3수준의 레벨로 선정하였으며, 이에 대한 자세한 실험 조건을 Table 2에 나타내었다. 공작물은 BK7 글래스를 사용하고 Raster 방식으로 평탄화 연마공정을 수행하였고, 그 결과를 비접촉식 3차원형상측정 시스템(ZYGO-NW6200)을 이용하여 본 연구의 평가항목인 표면 거칠기와 가공깊이를 측정 .분석하였다.
성능/효과
있었다. (1) MR 유체를 이용한 연마가공 원리를 이용하여 연마 시스템을 구축하였고, 여러 실험을 통하여 얻은 결과로부터BK7 글래스의 MR polishing 특성에 대한 고찰이 가능하였다.
(2) MR 유체를 이용한 연마에 있어 이송속도가 낮을 수록전류 상승에 따른 자장의 세기가 커지면 재료 제거율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
(3) 회전속도가 300 rpm의 경우가 200 rpm의 경우보다 재료제거량이 저하되는 결과를 보였으며, 이는 일정 속도 이상에서는 MR 유체의 유량이 안정되지 못하고 감소하는 현상에 기인한 것으로 판단된다.
(4) 교호작용이 있는 경우 단순 중회귀분석에 의한 1차 추정 식보다 2차 다항회귀모형에 의한 분석을 하는 것이 더욱 정도 높은 예측을 가능하게 하며, 가공 조건에 대한 재료 제거의 예측과 가공조건의 선정에 이용할 수 있는 회귀방정식을 도출하였다.
6에 나타내었다. 각 그림은 인자의 수준이 가공결과인 가공깊이에 미치는 영향의 정도를 나타내는 것으로 가장 큰 값을 가질 때의 조건이 높은 재료제거율을 나타내며, 회전속도 200rpm, 인가전류 2A, 이송속도 O.lm/min에서 가장 높은 재료제거율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
이는 높은 회전속도의 경우 인가된 전자장에 의해 휠에 부착된 MR 유체가 공작물과 접촉 시 일종의 병목현상처럼 공작물의 입구에 쌓이는 현상을 보이는데 기인한 것이다. 따라서 휠과 공작물 사이에 투입되는 MR 유체의 유량이 낮은 속도의 경우보다 감소하는 현상이 발생하며, 결국 접촉 면적의 감소로 인하여 제거율이 저하되는 것으로 판단된다. 따라서 높은 속도에서의 연마 문제를 해결하기 위해서는 휠과 공작물의 간극, MR 유체의 농인가전류의 적절한 선택으로 연마 유체의 양에 대한 적정한 조절이 필요하다.
것을 의미한다. 본 연구에서 추정한 회귀분석식의 결정계수는 0.963으로 높은 수준이므로 이 회귀분석식은 유의 (significant)하다고 말할 수가 있으며, F-value 값 역시 99%이상에서 유의하다는 것을 알 수가 있다. Fig.
일반적인 연마원리에 의하면 회전속도가 높을수록 재료 제거율이 높아지지만 본 실험의 경우에서는 오히려 회전 속도가 300ipm에서 가공깊이가 저하되는 결과를 나타내었다. 이는 높은 회전속도의 경우 인가된 전자장에 의해 휠에 부착된 MR 유체가 공작물과 접촉 시 일종의 병목현상처럼 공작물의 입구에 쌓이는 현상을 보이는데 기인한 것이다.
8고} 9에 실험계획법을 통해 도출된 재료제거량의 반응 표면을 예측한 3D proiile과 Contour 그래프를 나타내었으며, 주효과 분석에서 가장 적은 영향을 미치는 변수로 도출된 회전속도를 고정변수(200rpm)로 놓고, 다른 2개 인자를 변화시키며 그래프로 표시한 것이다. 추정된 가공량도 실제 가공 결과와 같이 휠 속도를 제외한 각 인자의 최고 레벨로 가공할 경우에 가장 높은 값을 보여주는 것을 알 수 있다. 인가된 자장세기가 증가할수록 연마 패드 역할을 하는 MR 유체의 점성이 증가하여 가공물에 대한 압력과 전단력이 상승하며, 이로 인해 재료제거율이 증가하는 효과를 보인다.
후속연구
(5) 향후 지속적인 실험과 고찰을 통하여 MR 유체와 연마 슬러리의 최적조건 검출과 연마 시스템의 성능 향상이 가능하리라 예상된다.
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