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문제 정의
- MR fluid jet polishing 시스템에서 전자석 모듈은 형성되는 자기장의 분포 및 세기에 따라 분사되는 MR fluid의 점도를 변화시켜 가공물의 연마형상에 영향을 줄 뿐만 아니라, 재료제거율 및 가공면 거칠기에도 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 노즐을 통과하는 MR fluid가 완전히 자장의 영향을 받고 토출부에 자기장이 집중적으로 형성하도록 하여 분사되는 MR fluid가 가공물에 도달할 때까지 일정한 유동형상을 유지할 수 있도록 설계하였다.
- 본 연구에서는 초정밀 경면연마를 위하여 MR fluid jet polishing 시스템을 개발하여 기초실험을 통해 타당성을 검증하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.
제안 방법
- (1) MR fluid와 연마재의 분사를 위해 직진노즐(straight bore nozzle)이 설계되었으며, 주어진 조건을 만족하기 위해 유동해석을 수행하여 노즐의 내외경, 직진부의 길이 등이 설계되었다.
- (2) 요구되는 자기장의 형성을 위해 전자석 모듈의 설계가 수행되었으며, 해석을 통하여 노즐 토출부에 자기장을 가장 집중시킬 수 있는 노즐의 위치와 형상을 계산하였다. 그 결과 토출부의 각도는 60°, 위치는 1/3 지점에서 가장 강하게 자기장이 집중되는 것을 확인하였다.
- (3) 제작된 시스템으로 기초연마 실험을 수행하여 타당성을 검토하였다. 자기장의 유무에 따라 분사되는 유체가 확산 및 집중되는 것을 확인하였고, 비접촉 3차원 형상측정기로 측정한 결과 대칭형으로 W 형태의 spot이 형성되는 것을 확인하였다.
- 가공시편으로 fused silica glass plate를 사용하였으며, 노즐과 시편 사이의 거리인 standoff distance는 30mm와 70mm로 설정하였다. MR fluid의 분사각도는 시편 표면에 수직으로 설정하였고, 자기장의 세기는 1500G로 인가하여 5분 동안 연마실험을 수행하였다. 연마된 시편은 비접촉 3차원 표면형상 측정기(Zygo, NV-6200)로 형상을 측정하였다.
- MR fluid의 분사속도가 20m/s 이상 도달하기 위해서 출구의 직경은 ∅1.66mm보다 작아야 하며, 본 연구에서는 출구의 직경을 ∅1.5mm로 설계하였다.
- 그러나 완만한 테이퍼 각도를 가질수록 노즐 내부 형상에 대한 가공성이 저하된다는 단점이 있어 본 연구에서는 대칭 형태의 안정적인 유동을 형성하면서 제작이 용이한 60°의 표준형 테이퍼 각도를 부여하여 노즐을 제작하였다.
- 다음으로 분사된 MR fluid에 의해 공작물에 형성되는 spot 형상의 분석을 위한 기초 연마실험을 수행하였다. 가공시편으로 fused silica glass plate를 사용하였으며, 노즐과 시편 사이의 거리인 standoff distance는 30mm와 70mm로 설정하였다.
- 다음으로 전자석 내에서 노즐의 적절한 위치를 결정하기 위하여 노즐의 위치에 따른 자기장 세기 변화에 대한 해석을 수행하였다. Fig.
- Venturi 노즐의 경우 출구에서 분사되는 유체가 확산되는 특성을 가지고 있어 넓은 면적을 연마하는 데는 유리하나, 불안정한 유동을 형성하여 균일한 연마 spot을 생성하는 데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 MR fluid가 분산되지 않고 가공물에 직선으로 분사되어 균일하고 일정한 연마 spot 생성이 가능도록 직진노즐을 선정하였다. 본 연구에서 제작된 연마용 분사노즐의 주요 설계변수를 Fig.
- 그러나 노즐의 길이가 길어질수록 벽면과의 마찰에 의한 수두손실과 연마재에 의한 마멸이 증가하며, 높은 진원도 및 진직도를 가지는 노즐의 제작이 어려운 문제점이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 안전율 및 자기장 형성을 고려하여 노즐의 길이를 입구 영역 길이의 2배 이상인 80mm의 길이로 설계하였다. Fig.
- 본 연구에서는 MR fluid jet polishing 시스템의 주요 구성요소인 고압 분사노즐, 전자석 모듈 및 분사 시스템에 대한 설계를 수행하였으며, 자기장 해석 및 유동해석을 통해 설계된 시스템에 대한 이론적인 검증을 수행하였다. 설계 및 해석자료를 바탕으로 MR fluid jet polishing 시스템을 제작하였고, 제작된 시스템의 연마특성을 검증하기 위한 기초실험을 수행하였다.
- 사용하는 펌프의 토출압력은 12bar이고 ∅3.5mm 관을 통과한 후 노즐의 입구에서 측정된 유체의 압력은 11bar이며, 펌프와 노즐 사이의 높이 차이는 1m로 설계하였다.
- 본 연구에서는 MR fluid jet polishing 시스템의 주요 구성요소인 고압 분사노즐, 전자석 모듈 및 분사 시스템에 대한 설계를 수행하였으며, 자기장 해석 및 유동해석을 통해 설계된 시스템에 대한 이론적인 검증을 수행하였다. 설계 및 해석자료를 바탕으로 MR fluid jet polishing 시스템을 제작하였고, 제작된 시스템의 연마특성을 검증하기 위한 기초실험을 수행하였다. 연마된 시편의 측정결과, standoff distance를 변화시켜도 균일하고 일정한 크기의 연마 spot을 얻을 수 있었으며, 자기장의 영향으로 노즐로부터 분사된 MR fluid의 응집성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
- 설계된 전자석을 이용하여 노즐에 형성되는 자기장에 대한 분석을 수행하였다. 자기장 해석을 위해 Ansys workbench V13을 이용하였고 코일의 권선수는 전자석 두께, 길이를 고려하여 1800회로 설계하였으며, 전자석의 코일 부분에 1.
- MR fluid의 분사각도는 시편 표면에 수직으로 설정하였고, 자기장의 세기는 1500G로 인가하여 5분 동안 연마실험을 수행하였다. 연마된 시편은 비접촉 3차원 표면형상 측정기(Zygo, NV-6200)로 형상을 측정하였다.
- 설계된 전자석을 이용하여 노즐에 형성되는 자기장에 대한 분석을 수행하였다. 자기장 해석을 위해 Ansys workbench V13을 이용하였고 코일의 권선수는 전자석 두께, 길이를 고려하여 1800회로 설계하였으며, 전자석의 코일 부분에 1.5A의 전류를 인가하였다. 이 때, MR fluid jet polishing 시스템에서 자기장 내의 노즐 토출부의 형상에 따라 자기장의 집중도가 달라지며, Fig.
- 전자석의 높이는 120mm이며 내경은 ∅21mm로 설계하여 전자석 내에 노즐의 삽입이 용이하도록 하였다.
- 제작된 시스템의 고압 노즐 및 전자석 모듈의 성능을 확인하기 위해 자기장의 인가 여부에 따른 MR fluid의 유동 흐름 분석을 위한 기초 실험을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 전자석의 코어는 앞에서 설계된 노즐이며, 재질은 투자율이 높은 탄소강인 SM45C로 총길이 100mm이고 외경 ∅20mm로 설계하였다.
데이터처리
- 5mm로 설계하였다. 설계를 바탕으로 Table 2의 조건으로 ANSYS Fluent 6.0을 이용하여 노즐의 유동해석을 수행하였다.
성능/효과
- (4) Standoff distance를 변화시키며 수행한 실험에서 거의 동일한 크기와 형상을 가지는 spot이 형성되는 것을 확인하여 MR fluid jet polishing 시스템이 적절하게 구축되었음을 확인하였다.
- 그 결과 토출부의 각도는 60°, 위치는 1/3 지점에서 가장 강하게 자기장이 집중되는 것을 확인하였다.
- 2mm)이 MR fluid의 유속변화가 최대가 되는 지점으로, MR fluid가 시편의 표면에 충돌한 후 유체의 방사방향 유동에 의해 가공표면에 전단응력이 작용하고 이로 인하여 이 지점에서 연마량이 최대가 되기 때문이다(6). 또한 standoff distance가 30mm와 70mm인 경우 연마 spot의 형상과 크기가 거의 동일한 것을 알 수 있으며, 이는 자기장에 의해 분사되는 유체가 퍼짐 없이 매우 양호하게 시편에 도달하고 있다는 것을 확인할 수 있다.
- 시편의 단면형상은 대칭형의 매끈한 W형상이 생성되었으며, 이는 전형적인 유체분사연마 결과와 일치하였다. 본 연구의 결과 개발된 시스템을 이용하여 고품위의 표면연마 공정이 안정적으로 가능함을 확인할 수 있었다.
- 설계 및 해석자료를 바탕으로 MR fluid jet polishing 시스템을 제작하였고, 제작된 시스템의 연마특성을 검증하기 위한 기초실험을 수행하였다. 연마된 시편의 측정결과, standoff distance를 변화시켜도 균일하고 일정한 크기의 연마 spot을 얻을 수 있었으며, 자기장의 영향으로 노즐로부터 분사된 MR fluid의 응집성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 시편의 단면형상은 대칭형의 매끈한 W형상이 생성되었으며, 이는 전형적인 유체분사연마 결과와 일치하였다.
- (3) 제작된 시스템으로 기초연마 실험을 수행하여 타당성을 검토하였다. 자기장의 유무에 따라 분사되는 유체가 확산 및 집중되는 것을 확인하였고, 비접촉 3차원 형상측정기로 측정한 결과 대칭형으로 W 형태의 spot이 형성되는 것을 확인하였다.
- 2의 ④영역). 해석결과 각도가 완만할수록 유동장이 완만하게 변화하고 노즐 내부의 유체 흐름은 안정된 속도분포를 가지는 것을 알 수 있다. 그러나 완만한 테이퍼 각도를 가질수록 노즐 내부 형상에 대한 가공성이 저하된다는 단점이 있어 본 연구에서는 대칭 형태의 안정적인 유동을 형성하면서 제작이 용이한 60°의 표준형 테이퍼 각도를 부여하여 노즐을 제작하였다.
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