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문제 정의
- 본 논문에서는 티타늄 합금의 선삭가공에서 액체질소 제트분사의 균일화가 냉각 균일성의 향상에 미치는 영향을 실험적으로 확인하였다. 액체질소 기화가 분사압력에 미치는 영향을 감소시키기 위해 상 분리기를 적용하여 상 분리기 적용 여부에 따른 압력변화와 공구온도를 비교하였다.
제안 방법
- 노즐을 사용한 액체질소 제트분사 시 압력의 변화가 냉각 균일성에 미치는 영향을 분석하기 위해 상 분리기 적용여부에 따른 공구온도를 측정하였다. 분사압력 4 bar의 조건에서 동일한 절삭조건으로 외경 황삭 가공 중 실시간으로 분사압력과 공구온도를 측정하였다.
- 노즐을 사용한 액체질소 제트분사 시 압력의 변화가 냉각 균일성에 미치는 영향을 분석하기 위해 상 분리기 적용여부에 따른 공구온도를 측정하였다. 분사압력 4 bar의 조건에서 동일한 절삭조건으로 외경 황삭 가공 중 실시간으로 분사압력과 공구온도를 측정하였다.
- 분사압력 및 절삭온도 측정을 위한 가공실험을 수행하였으며,절삭속도 40, 60 m/min, 절삭깊이 2.0 mm, 이송량 0.25, 0.32 mm/rev를 사용하였다.12
- 이는 액체 질소 제트분사 중 간헐적으로 발생하는 기체 상태의 분사에 의해 질소의 열전달 계수와 냉각량이 변화하기 때문으로 판단한다. 분사압력과 공구온도의 변화가 가공물 표면 품위에 미치는 영향을 분석하기 위해, 압력이 안정적인 경우와 강하하는 순간의 표면형상을 광학현미경과 백색광간섭계로 비교하였다. 상 분리기를 적용한 경우 기화에 의한 분사압력의 변화를 감소시켜 가공 중 절삭특성을 균일하게 함으로써 가공표면 품위의 향상을 기대할 수 있다.
- 분사압력의 변화가 가공 중 공구의 냉각성에 미치는 영향을 분석하기 위해 가공 중 경사면의 온도를 공구에 삽입된 열전대를 사용하여 측정하였다. 상 분리기가 없는 경우 발생하는 액체질소 제트의 압력변화는 공구온도의 변화로 나타나며, 비슷한 주기를 가지며 변화한다.
- 상 분리기가 없는 경우 액체질소의 기화에 의한 압력의 변화가 공구온도의 변화에 미치는 영향 분석을 위해 각각의 주기를 비교하였다. Fig.
- 본 논문에서는 티타늄 합금의 선삭가공에서 액체질소 제트분사의 균일화가 냉각 균일성의 향상에 미치는 영향을 실험적으로 확인하였다. 액체질소 기화가 분사압력에 미치는 영향을 감소시키기 위해 상 분리기를 적용하여 상 분리기 적용 여부에 따른 압력변화와 공구온도를 비교하였다.
- 액체질소 제트분사 시 기화에 의한 분사압력과 공구온도의 변화가 가공물 표면형상에도 영향을 미치는지 분석하기 위해 압력이 안정적인 경우와 강하하는 경우, 순간의 위치에서의 표면형상을 비교하였다. Fig.
- 액체질소 제트분사 시 탱크 및 이송관 내부에서 발생하는 기화에 의한 압력변화를 압력센서를 사용하여 실시간으로 측정하였다. Fig.
- 디지털 압력센서(PXM 409, OMEGA Engineering)는 분사노즐 직전에 연결 되었으며, 액체질소의 극저온 영향을 방지하기 위해 연장관을 통해 연결되었다. 액체질소 제트분사 압력 균일화를 위해 상 분리기를 제작하여 적용하였다.
- 극저온 선삭가공 실험을 위해 CNC 선반(HT1200, 두산공작기계)을 사용하였으며, Ti-6Al-4V 봉재(Φ 50 mm × L 100 mm)를 외경 가공 하였다. 코팅된 초경 인서트(CNMG 120412 SMR 1115,Sandvik)를 사용하였으며, 온도측정을 위한 열전대 삽입이 가능하도록 경사면 하단에 직경 0.5 mm의 구멍을 방전가공하였다. 열전대는 -200°C -1,200°C의 측정범위를 갖는 K-Type (OMEGA Engineering)을 사용하여 직경 0.
- 티타늄 합금의 선삭 가공에서 극저온 냉각을 위한 액체질소 제트분사 시, 분사압력의 균일화가 냉각 균일성의 향상에 미치는 영향을 분석하기 위해 분사압력과 공구온도를 측정하였다. 이송관과 탱크 내부에서 발생하는 액체질소의 기화는 가공 중 ‘기체’ 상의 간헐적 분사를 야기하고 이는 분사압력의 변화로 나타난다.
대상 데이터
- 5 mm의 프로브 형태로 제작 후공구 경사면 하단의 구멍에 삽입하였다.10,11 액체질소 제트분사냉각(Cryogenic Jet Cooing)을 위해 제트분사노즐이 장착된 홀더(PCLNR 2020K 12HP, Sandvik)를 사용하였다.
- 극저온 선삭가공 실험을 위해 CNC 선반(HT1200, 두산공작기계)을 사용하였으며, Ti-6Al-4V 봉재(Φ 50 mm × L 100 mm)를 외경 가공 하였다.
- 노란색 화살표가 가리키는 구멍이 경사면 온도 측정용 K-Type 열전대 삽입을 위한 구멍이다. 액체질소는 전용탱크(XL-45 HP, Taylor Wharton)를 사용하여 다양한 압력으로 분사하였으며, 이송과정에서의 기화를 억제하기 위해 진공단열관을 사용하였다.
- 열전대는 -200°C -1,200°C의 측정범위를 갖는 K-Type (OMEGA Engineering)을 사용하여 직경 0.5 mm의 프로브 형태로 제작 후공구 경사면 하단의 구멍에 삽입하였다.
성능/효과
- 6에서 상 분리기가 적용된 경우 초기의 압력 상승속도가 느린 이유는 탱크에서 나온 액체질소가 상 분리기의 작은 탱크를 채우는 시간이 필요하기 때문이다. 분사 압력이 안정되는 20 초 이후부터 비교한 결과, 상 분리기가 없는 경우에 비해 압력의 변화가 감소하면서 분사압의 균일성이 향상된다. 또한 상 분리기가 없는 경우에 발생하는 약 7 초 주기의 압력강하는 없는 반면, 약 20 초 주기의 압력강하가 발생하는데 이는 장착된 상 분리기에서 부유 스위치가 작동하여 기체 상태의 질소를 대기 중으로 배출하면서 순간적으로 압력강하가 발생하기 때문이다.
- 분사압력을 균일하게 하기 위해 극저온 분사 시스템에 액체질소의 ‘액체’ 상태와 ‘기체’ 상태를 분리해주는 상 분리기를 적용함으로써 액체질소의 기화에 의한 ‘기체’ 상태의 분사와 주기적인 분사압력의 강하를 방지할 수 있었다.
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