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문제 정의
- 본 연구개발에서는 칩 이송 장치, 절삭유탱크, 절삭유 냉각장치 및 절삭유 분리장치를 복합체 형상의 시스템으로 중앙에 스크류 타입의 칩 처리 장치를 설치하여 칩은 상부로 배출되며, 절삭유 분리장치 및 냉각 장치는 하단부에 설치하여 사용된 절삭유가 폐유 및 절삭유로 분리 및 냉각되어 배출되게 개발하고자 한다. 통합시스템 개발을 통하여 절삭유 사용기간을 향상시켜 배출되는 공업 폐유량을 저하시켜 환경오염을 줄일 수 있다.
- 본 연구는 공작기계 장치들 중 몇가지의 장치를 하나의 복합체형상 장치로 개발하여 효율성 증대를 목적으로 연구를 진행하였다. 개발품의 2D 및 3D 설계를 진행하고 파손을 우려하여 하중 및 변위해석을 진행하였다.
제안 방법
- 또한 고정 조건은 Fig. 9(c)에 보이듯 개발 장치와 바닥면이 닿게 되는 부분 면을 지정하여 고정시킨 뒤 응력해석을 진행하였다.
- 3. 간단한 LabVIEW 프로그래밍과 솔레노이드 벨브 및 수위센서를 통하여 절삭유 정제장치를 개발하여 절삭유를 정제시켰다. 이를 통하여 정제되지 않은 절삭유보다 절삭유의 사용기간을 늘렸다.
- 4. 지금까지 시행되지 않았던 물 분사 시스템을 적용한 냉각방식을 개발하여 비접촉식 공냉 시스템의 냉각방식의 효율을 2배 증가시킨 냉각방식을 개발하였다.
- 본 연구는 공작기계 장치들 중 몇가지의 장치를 하나의 복합체형상 장치로 개발하여 효율성 증대를 목적으로 연구를 진행하였다. 개발품의 2D 및 3D 설계를 진행하고 파손을 우려하여 하중 및 변위해석을 진행하였다. 또한 센서와 LabVIEW 프로그램을 작성하여 정제장치를 자동화 시켰으며, 시제품을 제작하여 칩 이송실험과 절삭유 냉각실험을 시행하였다.
- 센서의 가장 아랫단의 신호가 들어오면 상부 하부 밸브가 닫혀 하부 절삭유가 배출되는 밸브 쪽에서 폐유가 나가지 않게 하였다. 그리고 아래쪽 신호와 위쪽 신호가 둘 다 들어오지 않을 시 하부 밸브가 열려 냉각된 절삭유가 배출되며, 위쪽 신호가 들어오면 상부 밸브가 열리게 되어 절삭유 위쪽에 쌓이는 폐유를 배출시키도록 프로그램을 작성하였다.
- 냉각은 자연냉각(Natural cooling), 콤프레샤 공기 냉각(Compressor air cooling), 콤프레샤 공기와 물 분사 냉각(Compressor air and water injection cooling), 콤프레샤 공기와 에탄올 물 혼합용액 분사 냉각(16.6%)(Compressor air and ethanol water mixture injection cool-ing(16.6%)) 4가지 조건에 대하여 냉각실험을 하였으며 Table 1에 실험 조건을 나타내었다.
- 칩 제거가 가능한 절삭유 분리장치를 개발 초기 여러 장치들을 조립 설치를 생각하기 전에 구조의 단순화, 기계 비용 절감을 고려해서, 절삭유 냉각장치와 절삭유 분리장치를 융합시켰다. 또한 기계적 구동과 복잡하지 않은 구동원리로 기존 공작기계를 사용하는 사람들이 처음 접해도 사용하기 쉽게 구상하여 기본설계와 상세설계를 수행하였다.
- 개발품의 2D 및 3D 설계를 진행하고 파손을 우려하여 하중 및 변위해석을 진행하였다. 또한 센서와 LabVIEW 프로그램을 작성하여 정제장치를 자동화 시켰으며, 시제품을 제작하여 칩 이송실험과 절삭유 냉각실험을 시행하였다.
- 사용된 절삭유가 빠져나갈 때에 칩이나 미세 칩이 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 사용된 절삭유 배출구에 필터를 설치하여 칩의 배출을 막도록 하였다. 또한 절삭유가 순간적으로 과다 배출할 경우를 대비해서 배출부 구멍을 하단부에 한곳, 약간 상단에 양옆 두 곳에 배출구를 만들어 절삭유의 역류방지 및 원활한 배출이 되도록 설계하였다.
- 케이스의 형상을 경사를 주어 유입될 때 스크류가 있는 중앙부로 칩이 모이게 하였으며, 사용된 절삭유는 하단으로 배출되게 설계하였다. 사용된 절삭유가 빠져나갈 때에 칩이나 미세 칩이 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 사용된 절삭유 배출구에 필터를 설치하여 칩의 배출을 막도록 하였다. 또한 절삭유가 순간적으로 과다 배출할 경우를 대비해서 배출부 구멍을 하단부에 한곳, 약간 상단에 양옆 두 곳에 배출구를 만들어 절삭유의 역류방지 및 원활한 배출이 되도록 설계하였다.
- 중앙에 모인 칩은 스크류 컨베이어를 통하여 칩 배출부 상단으로 올라가게 된다. 상부로 올라온 칩들은 경사에 의해 칩이 배출하는 방법으로 설계하였다. 사용된 절삭유는 하단으로 떨어져 모이게 되며, 비중 차에 의해 폐유와 절삭유로 분리되게 된다.
- 또한 밸브부분은 솔레노이드 밸브로 수위 센서를 통하여 자동 제어될 수 있도록 하였다. 시제품 제작으로 인하여 ANSYS해석 데이터와 실물간의 비교분석하였다. 시제품을 이용하여 칩 이송실험과 절삭유 정제 및 냉각실험을 진행하였으며, 실제 냉각 데이터와 설계상 오류분석 및 수정작업을 진행하였다.
- 시제품 제작으로 인하여 ANSYS해석 데이터와 실물간의 비교분석하였다. 시제품을 이용하여 칩 이송실험과 절삭유 정제 및 냉각실험을 진행하였으며, 실제 냉각 데이터와 설계상 오류분석 및 수정작업을 진행하였다.
- 이때 가공에 사용된 절삭유는 공작물 제조 과정에서 공구와의 마찰에 의한 열과 고온의 칩과 접촉하여 초기 사용 온도보다 온도가 상승하게 된다. 온도가 상승한 절삭유를 냉각시키기 위하여 아랫부분에 냉각관을 설치하고 콤프레샤를 이용하여 관속에 공기를 불어넣어 비접촉식 공냉 방식으로 냉각하도록 설계하였다.
- 이는 제품을 가공할 때 절삭유의 온도는 3~5℃가 상승하지만 에어컨의 냉각 방식을 사용하고 있는 지금의 높은 냉각 비용 문제점을 저렴한 가격으로 온도를 낮추는 물 분사시스템을 제시하였다. 저렴한 비용으로 절삭유를 냉각시켜 유지비용을 줄일 수 있게 되며, 절삭유 냉각을 통한 절삭유의 온도 유지가 되어 공작물 제작 시 오차를 줄일 수 있다.
- 또한 스크류의 밑 부분을 고정을 시키지 못하여 스크류의 진동이 있었으며 모터의 회전속도가 낮아 배출 속도가 매우 느림을 알 수 있었다. 이를 통하여 설계 수정사항을 파악하였다.
- 절삭유-폐유 분리장치를 개발하고 제어하기 위해 수위센서를 사용하였으며 LabVIEW 프로그램을 통한 수위센서를 제어하도록 프로그램을 구성하였다. Fig.
-
2.4 개발 장치의 실물 시제품 제작
제품의 실제 모습과 실험을 통하여 그 성능을 알아보기 위해 Fig. 8과 같이 칩 처리 장치가 포함된 절삭유-폐유 분리시스템의 시제품을 제작하였다.
- 13은 Table 1의 조건으로 절삭유를 냉각 하였을 때 절삭유의 시간에 따른 온도분포를 그래프로 나타낸 것이다. 측정은 30초 간격으로 20분 동안 측정하였으며, 시간에 따른 4가지 경우의 냉각온도를 측정하여 나타내었다. 냉각 효율이 가장 저조한 방식은 자연냉각으로 20분 동안 0.
- 5(b)는 모터 고정부와 결합하여 스크류 컨베이어와 스크류 컨베이어 구동 모터를 고정하며, 스크류 컨베이어를 통하여 상부로 올라온 칩들의 배출을 시키는 역할을 한다. 칩이 스크류 컨베이어를 통하여 상부로 올라올 때에 칩에는 절삭유 및 폐유가 완전히 제거가 되지 않은 채 칩에 뭍어 올라오게 되는데, 배출부의 상측면에 V자 홈을 파서 칩에 뭍은 절삭유가 내부로 다시 유동될 수 있도록 추가 설계하였다.
- 4(b)은 케이스로써 유입구를 통하여 들어온 칩과 사용된 절삭유를 분리하는 역할을 한다. 케이스의 형상을 경사를 주어 유입될 때 스크류가 있는 중앙부로 칩이 모이게 하였으며, 사용된 절삭유는 하단으로 배출되게 설계하였다. 사용된 절삭유가 빠져나갈 때에 칩이나 미세 칩이 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 사용된 절삭유 배출구에 필터를 설치하여 칩의 배출을 막도록 하였다.
- 12(a)는 폐유-절삭유 분리 및 냉각 실험 장치다. 폐유-절삭유 분리 실험은 수위센서를 통한 솔레노이드 밸브제어 시스템을 적용시켜 컴퓨터 모니터링을 확인하고, 밸브를 통하여 폐유와 절삭유가 잘 배출이 되는지 확인하였다.
대상 데이터
- 외곽부분들에 사용된 폴리카보네이트의 물성치는 밀도(density)는 1200kg/m3, 탄성계수(Young’s mod-ulus)는 2000MPa, 포와송비(poisson's ratio)는 0.37을 사용하였다.
데이터처리
- 2. 3D 모델링한 데이터에 시제품의 제질과 경계조건을 적용하여 ANSYS해석을 진행하였다. 해석 결과를 이용하여 시제품 내부에 걸리는 응력과 시제품에 일어나는 변형을 살펴보았으며, 시제품에 제작에 결함 없이 제작할 수 있었다.
- 3D형상 설계를 실물과 가깝게 설정하여 실물을 제작하는 경우 그 전체 모습을 파악하기 위해서 KeyShot 프로그램을 이용하였다. Fig.
성능/효과
- 1. 칩 제거 장치, 절삭유탱크, 절삭유 냉각장치 및 절삭유 분리장치를 하나의 복합체형상 기계 장치로 만들어 공간 활용도 증가시키고 기계 가동의 효율성을 높였다.
- 8℃의 냉각 효과를 보였다. 가장 좋은 방식은 콤프레샤 공기와 에탄올 혼합액 분사 냉각으로 7.5℃의 온도가 내려갔지만 콤프레샤 공기와 물 분사 냉각방식의 냉각으로 7℃의 온도가 내려간 것과 비교하여 근소한 차이를 나타내고 있었다. 그리므로 콤프레샤 공기와 물 분사 냉각방식이 경제성을 고려하면 더 효과적으로 생각된다.
- 실험결과는 앞전 ANSYS해석 결과를 통하여 예측하였듯 파손이 일어나지는 않았지만, 스크류와 외벽의 공차가 너무 커 그 사이로 칩이 빠지는 현상을 볼 수 있었다. 또한 스크류의 밑 부분을 고정을 시키지 못하여 스크류의 진동이 있었으며 모터의 회전속도가 낮아 배출 속도가 매우 느림을 알 수 있었다. 이를 통하여 설계 수정사항을 파악하였다.
- 11은 칩 이송실험으로 수직 상 칩이 잘 이송되고 제품에 파손이 일어나지 않는지 판단을 위하여 실행하였다. 실험결과는 앞전 ANSYS해석 결과를 통하여 예측하였듯 파손이 일어나지는 않았지만, 스크류와 외벽의 공차가 너무 커 그 사이로 칩이 빠지는 현상을 볼 수 있었다. 또한 스크류의 밑 부분을 고정을 시키지 못하여 스크류의 진동이 있었으며 모터의 회전속도가 낮아 배출 속도가 매우 느림을 알 수 있었다.
- 이를 시제품을 제작한 폴리카보네이트(PC)판의 항복강도 값인 89.6 MPa과 해석결과를 비교하였을 때 변형 상태가 많지 않고, 파손우려가 없는 안전한 상태로 판단되었다.
- 3D 모델링한 데이터에 시제품의 제질과 경계조건을 적용하여 ANSYS해석을 진행하였다. 해석 결과를 이용하여 시제품 내부에 걸리는 응력과 시제품에 일어나는 변형을 살펴보았으며, 시제품에 제작에 결함 없이 제작할 수 있었다.
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