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문제 정의
- 개선을 목적으로 레이저를 이용하여surface texturing에 대한 연구가 진행 중에 있다.2。본 연구에서는 레이저를 사용하여 금속 표면에 점선 패턴 가공하여 각각 다른 4개의 윤활 조건에서의 마찰특성을 분석하여, 마찰계수 저감효과를 확인하고, 내스커핑 특성이 가장 분명하게 나타나는 최적 윤활조건에 대하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 레이저를 이용하여 가공된 점선 패턴과 각기 다른 패턴 깊이 및 윤활 조건에서의 저마찰효과, 내스커핑성에 대한 실험적 연구를 진행하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 패턴 가공 후 dimple 주위에 발생한 burr는 시편 표면에 거칠기를 증가시켜 마찰계수를 증가시키므로 polishing 실시 후 마찰시험을 실시하였다. Laser texturing 효과를 확인할 수 있는 pin on plate 방식으로 마찰실험을 진행하기 위해, 상부 시편인 SM45C강의 접촉 면적이 직경 4mm를 갖도록 pin형태로 가공하였다.
- STD61 강 표면에 레이저를 이용하여 사각형 상의 패턴과 dimple을 가공하여 윤활조건에 따른 마찰 특성을 살펴보았다.
- 이때 반복 가공함에 나타나는 폭의 감소는 패턴의 측면부가 용융되어 다시 채워지는 현상으로 인해, 패턴 표면 부의 폭이 점차적으로 줄어드는 것으로 사료된다. 레이저 패턴 시편과 패턴처리되지 않은 시편인, base 시편간의 마찰특성과 각기 다른 윤활 조건에서 패턴의 가공깊이에 따른 마찰특성을 분석하였다. 윤활조건은 Table 3과 같다.
- 본 실험에 사용된 레이저장치는 single mode fiber laser source# 갖는 marking laser system을 사용하였다. 마찰 특성 분석을 위해 왕복형 마찰 마모 시험기(TE77)가 이용되었으며, 상부시편과 하부시편의 마찰시험은 레이저 패터닝 처리의 효과를 확인하기 위하여 면접촉 방식으로 하였다. Fig.
- 점선 패턴가공은 laser를 이용하여 두 가지 형상을 가공하였다. 왕복 마찰 시험 방향과 수평 방향을 갖는 점선과 수직방향을 갖는 점선을 가공하였고, 이때 점선 길이는 0.5mm, 점선 간의 가로, 세로간격 0.5mm이다. 가공 시 스캐너 이동속도는 예비시험을 통하여 패턴가공에 최적화된O.
- 4는 점선 패턴이 가공된 시편의 형상을 나타낸다. 점선 패턴가공은 laser를 이용하여 두 가지 형상을 가공하였다. 왕복 마찰 시험 방향과 수평 방향을 갖는 점선과 수직방향을 갖는 점선을 가공하였고, 이때 점선 길이는 0.
- 하부시편인STD61 강은 28mm x 38mm 크기에 SiC paper#2400로 연마한 후 표면에 레이저로 패턴 가공하였다. 패턴 가공 후 dimple 주위에 발생한 burr는 시편 표면에 거칠기를 증가시켜 마찰계수를 증가시키므로 polishing 실시 후 마찰시험을 실시하였다. Laser texturing 효과를 확인할 수 있는 pin on plate 방식으로 마찰실험을 진행하기 위해, 상부 시편인 SM45C강의 접촉 면적이 직경 4mm를 갖도록 pin형태로 가공하였다.
- 패턴 깊이에 따른 마찰 특성을 관찰하기 위하여 같은 패턴 형상에 대하여 반복적으로 레이저를 조사하여 깊이를 증가시켰다. 1회 가공했을 경우 가공된 점선의 깊이는 35/zm, 폭 55〃m이며, 20회 반복 가공했을 경우의 깊이는 348/zm, 폭 # 로 나타났다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 레이저장치는 single mode fiber laser source# 갖는 marking laser system을 사용하였다. 마찰 특성 분석을 위해 왕복형 마찰 마모 시험기(TE77)가 이용되었으며, 상부시편과 하부시편의 마찰시험은 레이저 패터닝 처리의 효과를 확인하기 위하여 면접촉 방식으로 하였다.
- 본 연구에서 사용된 시편은 금형 공구강인 STD61 강과 SM45C강을 사용하였다. 하부시편인STD61 강은 28mm x 38mm 크기에 SiC paper#2400로 연마한 후 표면에 레이저로 패턴 가공하였다.
- 강과 SM45C강을 사용하였다. 하부시편인STD61 강은 28mm x 38mm 크기에 SiC paper#2400로 연마한 후 표면에 레이저로 패턴 가공하였다. 패턴 가공 후 dimple 주위에 발생한 burr는 시편 표면에 거칠기를 증가시켜 마찰계수를 증가시키므로 polishing 실시 후 마찰시험을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 건식 마찰 실험에서는 레이저 패턴 가공에 대한 저마찰, 내스커핑성 효과는 나타나지 않았다.
- 2) 표면 오일을 제거한 윤활조건에서는 패턴 가공에 의한 마찰계수 감소 및 내스커핑성향상을 확실히 확인하였으며 패턴 깊이가 증가할수록 그 특성은 증가하였다.
- 3) 오일이 증가된 윤활조건에도 레이저 패턴 가공에 의한 저마찰효과를 확인하였다.
- 4) 레이저 점선 패턴 가공이 마찰특성 향상을 가져옴을 확인하였으며 패턴 내 오일 함유능력과 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다.
- 따라서 레이저를 이용한 점선 패턴가공에 의한 저마찰효과, 내스커 핑성 효과는 건식조건에서의 마찰실험을 제외한 모든 윤활조건에서 나타났으며, 윤활유 공급 조건 중 가장 극한 조건인 표면상의 오일을 제거하는 조건에서 저마찰효과, 내스핑성 효과는 패턴가공되지 않은 시편에 비해가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 11 로 나타나 수평 패턴 시편에서 가장 낮은 평균 마찰계수 및 높은 내스커핑성을 확인할 수 있었다. 또한 20회 반복가공된 348/zm 깊이의 시편에서는 900N까지 스커핑현상 없이 실험이 종료되었으며 패턴처리된 시편에서 모두 base시편보다 우수한 내스커핑성을 나타내었다. 이는 1회 가공된 시편과 다르게 실험결과 20회 반복 가공된 시편은 패턴의 가공깊이가 더 깊기 때문에 더 많은 오일을 담지함으로써 스커핑현상이 발생하지 않았으며, 왕복 마찰 시험시 패턴내의 오일을 보다 오래 함유함으로서 내스커핑이 향상된 것으로 사료된다.
- 이는 시편의 패턴 깊이에 의한 오일 담지량의 영향으로 판단되며, 실험 결과 패턴가공된 시편에서 base시편보다 낮은 마찰계수를 갖음으로서 저마찰효과를 확인할 수 있었으며, 8mg의 오일을 투여하는 윤활조건에서의 저마찰효과는 수평방향과, 수직방향 사이에 큰 차이를 보이지 않았지만 대체적으로 수직한 방향에 대하여 조금 더 낮은 평균마찰계수가 나타났다. 마찰시험종료 후 시편관찰결과 표면에 오일이 남아있었으며 표면과 패턴내 오일 함유 여부가 저마찰 특성을 갖는데 영향을 미치는 것으로 사료된다.
- 072로 평균마찰계수가 나타났으며, 패턴가공된 시편이 base시편보다 낮은 마찰계수를 나타내며, 저마찰효과를 확인할 수 있었으나 그 차이는 크지 않았다. 반면 20회 반복 가공된 수평 패턴 시편에서는 마찰슬라이드 방향과 동일한 방향의 패턴에 의한 영향으로 사료되는 0.054의 낮은 평균마찰계수가 나타났다.
- 6은 wiping 조건에서 실험한 결과이며, 1 회가 공한 35/zm 깊이 시편에서는 시간 및 load가 증가할수록 모든 시편에서 스커핑이 발생하였으다. 수평 패턴 시편에서 보다 높은 하중에서 스커핑이발생 하였으며 , 스커 핑 현상 직 전까지 의 평 균 마찰계수는 수평 패턴 시편이 0.097, 수직 패턴 시편이 0.11 로 나타나 수평 패턴 시편에서 가장 낮은 평균 마찰계수 및 높은 내스커핑성을 확인할 수 있었다. 또한 20회 반복가공된 348/zm 깊이의 시편에서는 900N까지 스커핑현상 없이 실험이 종료되었으며 패턴처리된 시편에서 모두 base시편보다 우수한 내스커핑성을 나타내었다.
- 8은 시편이 오일에 완전히 잠긴 상태에서의 마찰실험결과를 나타내고 있다. 시편모두 스커핑현상은 발생하지 않았으며, 1회 가공된 base 시편에서 0.076, 수평 패턴 시편에서 0.069, 수직 패턴 시편에서 0.072로 평균마찰계수가 나타났으며, 패턴가공된 시편이 base시편보다 낮은 마찰계수를 나타내며, 저마찰효과를 확인할 수 있었으나 그 차이는 크지 않았다. 반면 20회 반복 가공된 수평 패턴 시편에서는 마찰슬라이드 방향과 동일한 방향의 패턴에 의한 영향으로 사료되는 0.
- 윤활 특성 향상을 위한 접동부 표면의 미세가공은 수 년 전부터 사용되어 왔지만 비접촉 가공법인 레이저를 이용한 표면 가공은 CNC 가공과 같은 기계 가공법에 비해 정밀하고, 빠른 가공이 가능하여 사용의 편리성, 작업속도 및 가공성 면에서 다른 가공법보다 우수한 성능을 나타내었다. 특히 표면에 레이저를 조사했을 때 생성되는 고유한 미세 dimple 형상은 다른 어떤 가공법에서 얻을 수 없는 빠른 속도 및 원하는 형태로 가공이 가능하다:
- 윤활조건에 따른 마찰특성을 분석한 결과 패턴 가공되지 않은 base시편과 패턴가공된 시편에서 모두 윤활유의 양이 많아짐에 따라 마찰계수가 낮아지는 것이 확인되었다.
- Base 시편 보다 패턴 가공 시편에서 마찰계수가 낮게 형성되었으며 반복 가공 시편에서 보다 낮은 마찰계수를 보였다. 이는 시편의 패턴 깊이에 의한 오일 담지량의 영향으로 판단되며, 실험 결과 패턴가공된 시편에서 base시편보다 낮은 마찰계수를 갖음으로서 저마찰효과를 확인할 수 있었으며, 8mg의 오일을 투여하는 윤활조건에서의 저마찰효과는 수평방향과, 수직방향 사이에 큰 차이를 보이지 않았지만 대체적으로 수직한 방향에 대하여 조금 더 낮은 평균마찰계수가 나타났다. 마찰시험종료 후 시편관찰결과 표면에 오일이 남아있었으며 표면과 패턴내 오일 함유 여부가 저마찰 특성을 갖는데 영향을 미치는 것으로 사료된다.
- 5는 건식상태에서의 마찰실험결과이며, base 시편과 패턴 가공된 시편 모두에서 실험시작 2분 내에 초기 히중구간인 30N 이하구간에서 스커 핑 현상이 나타났다. 이를 통해 건식상태에서의 패턴처리로 인한 저마찰 효과나 내스커핑성 향상 효과는 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었으며 반복가공에 따른 깊이 변화와도 무관함을 알 수 있었다.
후속연구
- 5) 패턴 방향에 따른 마찰 특성은 윤활 조건에 따라 그 효과가 상이하게 나타났으며, 이들 관계에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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