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문제 정의
- 또한 MR fluid의 특성을 활용한 분사 연마 방법은 인가된 자기장의 영향으로 분사된 유체가 집중성을 유지하여 균일한 연마 spot의 생성이 가능하기 때문에 초정밀 연마에 적합한 것으로 평가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 MR fluid Jet polishing 시스템을 통하여 금형코어재료 중 디스플레이용 도광판 제작을 위한 금형재료인 비자성금속인 Brass와 강자성체 금속인 Nickel의 자기장 해석 및 초정밀연마를 통해 연마 특성을 분석하였다.
제안 방법
- (1) 제작된 시스템으로 기초실험을 수행하여 자기장의 인가여부에 따라 분사유체의 집중성 및 연마 spot 형상의 변화를 고찰하였으며, 안정적이고 균일한 spot이 형성되는 것을 확인하였다.
- (2) 분사시간을 변화시키며 실험을 수행하였으며, 자성 및 비자성 금속의 연마효과에 미치는 영향을 고찰하였다.
- Fig 4와 같이 분사유체가 노즐에서 가공물까지 수직으로 가공물 표면 중심부에 분사유체가 정확하게 분사되도록 모델링을 하였으며, 노즐은 실제 시스템에 사용되는 노즐의 크기와 동일하게 모델링을 하였다.
- MR fluid Jet polishing 시스템은 전자석 시스템, 고압분사노즐, 분사 유압시스템 총 3가지 part로 나누어 제작하였다. 첫 번째로 전자석 시스템은 노즐 토출부로부터 고속분사 및 일정량이 연속적으로 분사되는 MR fluid가 정확히 자기장의 영향을 받기 위한 설계가 되어야 한다.
- 6과 같이 Carbonyl iron 65wt%, DI-water 20wt%, stabilizer 2wt%(glycerin 1wt%, Na2CO3 1wt%)로 조성하였으며 연마슬러리로는 50nm의 입자 크기를 가지는 Nano ceria slurry 13wt%로 조성하였다. 가공 조건으로는 Table 3과 같이 분사 노즐의 직경 1.5mm, standoff(노즐과 재료의 간격) 30mm, 전자석의 자기장의 세기는 1500G로 인가하고 분사 압력은 10bar로 분사시간은 1분, 3분, 5분, 10분, 20분으로 변화를 주어 실험조건별로 3회씩 분사실험을 수행하였다.
- 5A 일 때 약 1500G의 자기장의 세기를 가진 전자석 시스템을 제작하였다. 두 번째로 고압 분사노즐의 설계를 수행하였다. 적용분야에 따라 여러 가지의 종류의 노즐이 있으며 그 특성에 맞는 노즐을 제작하여야 한다.
- MR fluid jet polishing 시스템에서는 MR fluid가 자기장의 영향에 따라 분사 시 노즐의 출구 부분에 직경 크기대로 분사되는 특징을 지니고 있어야 하며 환경적인 요소 및 노즐 내부의 직경의 차이에 따른 난류가 발생되지 않고 분사 유체의 형상 유지 및 직진성을 유지하기 위한 설계 및 제작이 필요하다. 따라서 본 분사 시스템에 노즐 내부에서의 난류가 발생하기 않고 노즐의 입구와 출구의 직경이 같은 스트레이트 노즐로 선정하여 설계 및 제작하였다. 노즐의 출구에 자기장의 세기 및 밀도를 집중시키기 위해서 탄소강 소재인 SM45C로 선정 φ1.
- 하지만 동일하게 자기장의 영향에 따라 연마특성이 변하는 MR fluid Jet polishing의 경우 지속적인 유체 분사를 통해 연마를 수행하는 방법이므로 강자성재료에도 적용이 가능하리라 예상할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 MR fluid Jet polishing 시스템으로 분사 시 자기장의 영향에 따른 비자성재료와 자성재료의 표면에 대한 자기력 특성에 대한 변화를 ANSYS Workbench의 전자기장 해석툴을 이용하여 분석하였다. Table 1은 nickel 과 brass의 물성치이다.
- 마지막으로 연마 공정을 위해 MR fluid를 일정압력을 유지하며 분사유체를 분출 할 수 있는 유압시스템을 구성하였다. 분사 유압시스템은 MR fluid의 정량분사 위하여 15bar이상인 diaphragm 펌프를 단일 및 병렬 연결하여 사용하였으며, 흡입부와 토출부의 직경의 차이에 의하여 고압을 발생되도록 설계하였다.
- 본 연구에서는 자기장의 인가에 의해 안정적이고 예측 가능한 연마 spot을 형성하여 미소부품의 초정밀 연마에 적용이 가능한 MR fluid jet polishing을 통하여 금형코어재료 중 비자성금속인 brass와 강자성금속인 nickel을 대상으로 분사시간을 변화시키며 표면거칠기의 변화를 고찰하였고 이를 simulation 결과와 비교하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 마지막으로 연마 공정을 위해 MR fluid를 일정압력을 유지하며 분사유체를 분출 할 수 있는 유압시스템을 구성하였다. 분사 유압시스템은 MR fluid의 정량분사 위하여 15bar이상인 diaphragm 펌프를 단일 및 병렬 연결하여 사용하였으며, 흡입부와 토출부의 직경의 차이에 의하여 고압을 발생되도록 설계하였다. 이 때 MR fluid의 분사노즐에서 최종적으로 분사될 때 자기장의 영향으로 점성이 높아지게 되는데 이로 인하여 노즐 내부의 압력이 높아지며 펌프에 과부화 및 맥동 현상이 일어나게 되며, 펌프의 진동으로 인하여 직선으로 분사가 이루어지지 않아 가공물 표면에 정확하게 분사가 안 되는 문제가 발생된다.
- 최종 분사시스템의 구성은 MR fluid를 정밀 이송스테이지에 장착된 고압노즐 전자석 모듈에서 Z-axis에 장착된 재료 chucking 모듈로 즉 아래서 위쪽 방향으로 분사하는 방식으로 선정하였다. 이는 시스템 하부에 정밀 이송 스테이지에 장착된 고압노즐 전자석 모듈이 분사할 때에는 재료의 단순 spot 가공을 수행하지만, 이송 스테이지에 의한 고압노즐 전자석 모듈을 이송을 하면서 재료의 대면적 및 분사 각도를 변화하여 연마를 진행하기 위해 설계하였고 노즐과 재료의 간격(stand-off)이 중요한 가공변수이므로 이를 쉽게 컨트롤하기 위해 아래에서 위로 분사하는 방식으로 시스템을 제작하였다. 설계되어 제작된 시스템의 사진은 Fig.
- 첫 번째로 전자석 시스템은 노즐 토출부로부터 고속분사 및 일정량이 연속적으로 분사되는 MR fluid가 정확히 자기장의 영향을 받기 위한 설계가 되어야 한다. 이를 위해 연속적인 MR fluid의 분사에 대한 자화시간을 고려하여 MR fluid의 형상유지와 장시간 자기장 변화에 따른 전자석의 발열을 줄이기 위해 본 시스템에서는 전자석의 코일을 1800회 정도로 구성하였으며 1.5A 일 때 약 1500G의 자기장의 세기를 가진 전자석 시스템을 제작하였다. 두 번째로 고압 분사노즐의 설계를 수행하였다.
- 자기장 해석 후 이를 바탕으로 MR fluid Jet Polishing을 이용하여 금형코어재료의 미세 연마 실험을 통한 연마특성 분석을 위해 연구를 수행하였다.
- 제작된 시스템을 통한 자기장의 인가 유무에 따른 차이점을 비교하기 위하여 Fig. 2에서처럼 분사되는 jet의 snap shot과 시편에 형성된 연마 spot을 비접촉식 3차원 표면형상 측정기(ZYGO NV6200)를 이용하여 측정한 후 그 결과를 비교한 것이다.
- 조성된 MR fluid는 Table 2와 Fig. 6과 같이 Carbonyl iron 65wt%, DI-water 20wt%, stabilizer 2wt%(glycerin 1wt%, Na2CO3 1wt%)로 조성하였으며 연마슬러리로는 50nm의 입자 크기를 가지는 Nano ceria slurry 13wt%로 조성하였다.
- 이때 사용되는 시스템으로 accumulator를 구성하여 압력에너지를 축적해 두었다가 펌프의 부하가 클 때 방출하는 에너지 보완 기기로 관로에 빠른 속도로 흐르는 MR fluid의 흐름이 멈추거나 감속함으로써 발생되는 압력 문제 해결과 동시에 펌프의 맥동현상 억제도 해결하였다. 최종 분사시스템의 구성은 MR fluid를 정밀 이송스테이지에 장착된 고압노즐 전자석 모듈에서 Z-axis에 장착된 재료 chucking 모듈로 즉 아래서 위쪽 방향으로 분사하는 방식으로 선정하였다. 이는 시스템 하부에 정밀 이송 스테이지에 장착된 고압노즐 전자석 모듈이 분사할 때에는 재료의 단순 spot 가공을 수행하지만, 이송 스테이지에 의한 고압노즐 전자석 모듈을 이송을 하면서 재료의 대면적 및 분사 각도를 변화하여 연마를 진행하기 위해 설계하였고 노즐과 재료의 간격(stand-off)이 중요한 가공변수이므로 이를 쉽게 컨트롤하기 위해 아래에서 위로 분사하는 방식으로 시스템을 제작하였다.
대상 데이터
- 노즐의 출구에 자기장의 세기 및 밀도를 집중시키기 위해서 탄소강 소재인 SM45C로 선정 φ1.5 크기의 내경을 가진 노즐을 설계하였다.
성능/효과
- (3) 실험 결과 제작된 시스템이 안정적이고 예측 가능한 초정밀 연마에 적용이 가능함을 확인하였다.
- 분사시간이 증가할수록 표면 거칠기가 급격히 향상되다 일정 분사시간 10분 이상부터는 표면 거칠기가 일정해지는 현상을 확인할 수 있다. 또한 brass와 nickel의 표면거칠기 결과를 비교해보면 brass의 표면거칠기가 더 향상이 됨을 확인할 수 있다. 이는 앞서 전자석 해석결과에서 보듯이 강자성체인 nickel의 물성인 비투자율이 brass보다 크기 때문에 자기장의 영향으로 nickel이 자화되는 현상으로 인하여 가공면에 MR fluid의 CI particle 입자들이 달라붙는 현상이 발생됨에 따라 표면거칠기가 차이가 있음으로 판단된다.
- Fig 8은 분사시간에 따른 각 재료의 표면거칠기의 변화를 그래프로 나타내었다. 분사시간이 증가할수록 표면 거칠기가 급격히 향상되다 일정 분사시간 10분 이상부터는 표면 거칠기가 일정해지는 현상을 확인할 수 있다. 또한 brass와 nickel의 표면거칠기 결과를 비교해보면 brass의 표면거칠기가 더 향상이 됨을 확인할 수 있다.
- 표면거칠기 측정 결과에서 가공조건인 분사시간 20분에서 연마를 수행하였을 때 Fig. 7 에서처럼 비자성 금속인 brass는 1.84nm 강자성 금속인 nickel은 2.31nm로 확인할 수 있었다.
후속연구
- 이는 nickel이 brass보다 비투자율이 100배에서 최대 600배까지 크기 때문에 전자석을 통해 분사되는 MR fluid내의 CI particle들이 집중되는 문제가 발생한다. 하지만 그 크기는 자기장의 세기의 영향보다 상당히 적으므로 분사를 통한 연마를 수행하는 MR fluid Jet polishing에서 강자성 금속인 nickel의 연마가 가능하리라 판단된다.
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