[논문]극저온 가스와 MQL(minimum quantity lubrication)의 복합 분사를 위한 하이브리드 노즐 설계에 관한 전산유체역학 해석

송기혁; 신봉철; 윤길상; 하석재

극저온 가스와 MQL(minimum quantity lubrication)의 복합 분사를 위한 하이브리드 노즐 설계에 관한 전산유체역학 해석
Analysis of computational fluid dynamics on design of nozzle for integrated cryogenic gas and MQL(minimum quantity lubrication) 원문보기

한국금형공학회지 = Journal of the Korea Society of Die & Mold Engineering, v.13 no.3, 2019년, pp.41 - 47

송기혁 (인하대학교 기계공학과) , 신봉철 (인하대학교 기계공학과) , 윤길상 (한국생산기술연구원 금형기술그룹) , 하석재 (한국생산기술연구원 금형기술그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

In conventional machining, the use of cutting fluid is essential to reduce cutting heat and to improve machining quality. However, to increase the performance of cutting fluids, various chemical components have been added. However, these chemical components during machining have a negative impact on the health of workers and cutting environment. In current machining, environment-friendly machining is conducted using MQL (minimum quantity lubrication) or cryogenic air spraying to minimize the harmful effects. In this study, the injection nozzle that can combined injecting minimum quantity lubrication(MQL) and cryogenic gas was designed and the shape optimization was performed by using computational fluid dynamics(CFD) and design of experiment(DOE). Performance verification was performed for the designed nozzle. The diameter of the sprayed fluid at a distance of 30 mm from the nozzle was analyzed to be 21 mm. It was also analyzed to lower the aerosol temperature to about 260~270K.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 분사 집중도를 향상시키기 위해 코안다 효과와 에어커튼을 적용한 하이브리드 타입의 CryoMQL 노즐을 설계하였다. 노즐의 기본 형상은 비행기의 날개 단면 형상인 Airfoil의 형상을 응용하였으며 공개 자료인 NACA2412를 적용하여 기본 설계를 수행하였다.
본 연구에서는 절삭유의 사용량을 최소화하기 위해 분사 집중도를 높인 CryoMQL 노즐을 개발하였다. 이를 위해 Airfoil 형상과 에어커튼을 노즐에 적용하였으며 해석 프로그램을 통해 노즐의 형상 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 친환경 가공 기술 중 하나인 MQL 방식의 부족한 효과를 증대시킬 수 있는 CryoMQL nozzle을 설계하고 분사 집중도를 위한 형상최적화를 수행하였다.

제안 방법

1) Airfoil 형상(NACA2412)과 에어커튼을 적용하여 CryoMQL 노즐을 설계하였으며 분사집중도를 향상시키기 위해 DOE와 CFD를 이용한 형상 최적화를 하였다.
2) 노즐 형상 중 4개의 인자에 대한 완전요인 분석을 하였다. 목적치는 분사거리 30mm에서의 분사 집중도를 CFD의 Velocity 결과를 통해 분석하였으며 최적화 결과 요인 A는 1mm, B는 65°, C는 14.
목적치를 기준으로 4개의 요인의 영향을 분석하고 인자의 수준에서 최적 값의 존재를 확인 할 수 있는 곡률(Curvature)을 분석하기 위해 2수준 완전요인 분석을 수행하였다. 4인자 2수준의 실험계획이기 때문에 2⁴의 실험 조건을 가지며 곡률 확인을 위한 블록 중앙점 1개를 추가하여 총 17개의 조건으로 실험계획을 하였다. Table 3은 각 요인의 수준표를 나타낸다.
Computational Fluid Dynamics(CFD)와 Design of Experiment(DOE)를 이용하여 CryoMQL 노즐에 대한 형상 최적화를 수행하였다. 또한 유동 해석 모델은 난류 모델 중 K-e 모델을 적용하였다.
2mm 이며 요소의 개수는 107408개 이다. 노즐의 형상이 축 회전 대칭 형상이므로 2D 및 대칭 해석으로 진행하였다. Table1은 해석의 경계 조건을 나타내고 Table2는 해석을 위한 물성치를 나타낸다.
다상 유동 해석을 통해 최적화된 노즐 형상에 대한 성능을 분석 하였다. Fig.
위의 실험 조건을 기준으로 총 17개의 노즐 디자인모델을 만들었으며 유동해석을 수행하였다. 또한 실제 분사거리인 30mm지점에서의 목적치(집중도) 를 기준으로 분석을 수행하였다. Table 4는 집중도에 대한 요인 분석표다.
이를 위해 Airfoil 형상과 에어커튼을 노즐에 적용하였으며 해석 프로그램을 통해 노즐의 형상 최적화를 수행하였다. 마지막으로 CFD를 통해 최적화된 노즐에 대한 검증 해석을 수행하였다.
기초 형상은 Airfoil 형상(NACA2412)을 적용 하였으며 변경 가능한 제어 인자는 Outlet1 Gap(A), Outlet2 Gap(B), Air Curtain Angle(C) 및 Inlet Position(D)로 선정하였다. 목적치를 기준으로 4개의 요인의 영향을 분석하고 인자의 수준에서 최적 값의 존재를 확인 할 수 있는 곡률(Curvature)을 분석하기 위해 2수준 완전요인 분석을 수행하였다. 4인자 2수준의 실험계획이기 때문에 2⁴의 실험 조건을 가지며 곡률 확인을 위한 블록 중앙점 1개를 추가하여 총 17개의 조건으로 실험계획을 하였다.
위의 실험 조건을 기준으로 총 17개의 노즐 디자인모델을 만들었으며 유동해석을 수행하였다. 또한 실제 분사거리인 30mm지점에서의 목적치(집중도) 를 기준으로 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 절삭유의 사용량을 최소화하기 위해 분사 집중도를 높인 CryoMQL 노즐을 개발하였다. 이를 위해 Airfoil 형상과 에어커튼을 노즐에 적용하였으며 해석 프로그램을 통해 노즐의 형상 최적화를 수행하였다. 마지막으로 CFD를 통해 최적화된 노즐에 대한 검증 해석을 수행하였다.
DOE 소프트웨어는 MINITAB을 사용하였으며 각 인자 조건에 따른 해석 결과를 기준으로 분석하였다. 형상 최적화의 목적 값은 실제 분사 노즐과 공구 사이의 거리인 30mm에서의 분사 집중도이며 Fig. 6과 같이 유체의 흐름을 분석 가능한 Velocity 해석 결과를 통해 분석하였다.

대상 데이터

7은 형상 최적화를 위한 인자를 나타낸다. 기초 형상은 Airfoil 형상(NACA2412)을 적용 하였으며 변경 가능한 제어 인자는 Outlet1 Gap(A), Outlet2 Gap(B), Air Curtain Angle(C) 및 Inlet Position(D)로 선정하였다. 목적치를 기준으로 4개의 요인의 영향을 분석하고 인자의 수준에서 최적 값의 존재를 확인 할 수 있는 곡률(Curvature)을 분석하기 위해 2수준 완전요인 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 분사 집중도를 향상시키기 위해 코안다 효과와 에어커튼을 적용한 하이브리드 타입의 CryoMQL 노즐을 설계하였다. 노즐의 기본 형상은 비행기의 날개 단면 형상인 Airfoil의 형상을 응용하였으며 공개 자료인 NACA2412를 적용하여 기본 설계를 수행하였다. Fig.
5는 해석을 위한 Mesh 및 경계 조건을 나타낸다. 요소의 크기는 0.2mm 이며 요소의 개수는 107408개 이다. 노즐의 형상이 축 회전 대칭 형상이므로 2D 및 대칭 해석으로 진행하였다.

데이터처리

DOE 소프트웨어는 MINITAB을 사용하였으며 각 인자 조건에 따른 해석 결과를 기준으로 분석하였다. 형상 최적화의 목적 값은 실제 분사 노즐과 공구 사이의 거리인 30mm에서의 분사 집중도이며 Fig.
또한 인자의 수준 내에서 곡률(최적 값)이 존재하는 것으로 분석되었다. 요인분석의 결과를 기반으로 요인 B를 1.2mm의 값으로 고정하고 집중도에 대한 형상 최적 값을 찾기 위한 표면반응분석법을 수행하였다.

이론/모형

또한 유동 해석 모델은 난류 모델 중 K-e 모델을 적용하였다. CFD 해석 소프트웨어는 ANSYS Fluent를 사용하였으며 해석 조건은 Multi-Phase 조건 중 Volume Of Fluid(VOF)를 적용하였다. Fig.
Computational Fluid Dynamics(CFD)와 Design of Experiment(DOE)를 이용하여 CryoMQL 노즐에 대한 형상 최적화를 수행하였다. 또한 유동 해석 모델은 난류 모델 중 K-e 모델을 적용하였다. CFD 해석 소프트웨어는 ANSYS Fluent를 사용하였으며 해석 조건은 Multi-Phase 조건 중 Volume Of Fluid(VOF)를 적용하였다.

성능/효과

3) 최적 형상에 대한 검증을 위해 CFD 중 해석을 하였으며 해석 결과 분사거리 30mm에서의 분사 집중도는 20mm로 분석되었으며 Phase2(CO₂)에 대한 Volume Fraction 결과를 통해 에어커튼이 분사 집중도를 높여주는 것으로 분석되었다. 또한 분사거리 30mm에서 저온의 CO₂가 노즐 중앙에 공급되는 에어로졸의 온도를 약 260~270K 까지 낮추는 것으로 분석되었다.
9는 Velocity에 대한 해석 결과이다. Velocity 결과를 통해 Inlet2를 통해 공급되는 기체가 두 방향으로 분리되며 하나의 줄기는 코안다 효과에 의해 노즐 표면을 따라 전방으로 분사되고 다른 줄기는 에어 커튼 부를 통해 전방으로 분사되고 있음을 확인 할 수 있다. 노즐을 통해 분사되고 있는 기체의 분사 형상은 퍼지지 않고 집중되어 분사되고 있다.
65K 이며 노즐 내부에서 저온을 유지하는 CO₂가 노즐 외부로 분사되며 온도가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한 Inlet1에서 공급되는 에어의 온도는 상온 인 296.15K 이며 노즐을 통과하며 진행할수록 온도가 최대 260K 까지 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 에어커튼 역할을 하는 CO₂의 온도에 의해 열 교환이 발생한 것으로 분석된다.
)에 대한 Volume Fraction 결과를 통해 에어커튼이 분사 집중도를 높여주는 것으로 분석되었다. 또한 분사거리 30mm에서 저온의 CO₂가 노즐 중앙에 공급되는 에어로졸의 온도를 약 260~270K 까지 낮추는 것으로 분석되었다.
목적치는 분사거리 30mm에서의 분사 집중도를 CFD의 Velocity 결과를 통해 분석하였으며 최적화 결과 요인 A는 1mm, B는 65°, C는 14.26mm 일 때 최적임을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti-6Al-4V의 단점은 무엇인가?	소재 경량화를 위해 사용되고 있는 소재 중 하나는 비강성이 매우 뛰어난 Ti-6Al-4V로 현재 사용 중인 모든 티타늄 합금의 50 % 이상을 차지한다3) . 하지만 뛰어난 물리적 특성에도 불구하고 낮은 열전도 특성으로 인한 빠른 공구마모 등의 문제로 기계 가공이 어렵다4-7) .
	절삭유의 문제점은 무엇인가?	하지만 절삭유에는 성능 향상을 위해 방부제, 녹 방지제, 산화억제제, 극압 첨가제 등의 20가지 이상의 화학합성물이 첨가되어 있으며 화학물질들은 흡입, 섭취 및 피부 접촉 등 다양한 경로를 통해 작업자에게 생물학적 피해를 입힐 수 있다. 또한 절삭유의 사용, 폐기 및 재활용 공정 과정에서 발생하는 누유로 인한 환경오염은 작업자의 작업환경 및 생태계에 나쁜 영향을 끼치고 있다9-12) .
	일반적인 절삭가공은 어떻게 이루어지는가?	일반적인 절삭가공에서는 절삭유를 이용하여 절삭부위에서 발생하는 마찰열을 냉각시키고 윤활작용을 통해 절삭에너지를 감소시켜 공구의 수명과 제품의 표면 품질을 증대 시킨다8) .

참고문헌 (21)

M'Saoubi, R., Axinte, D., Soo, S. L., Nobel, C., Attia, H., et al., "High Performance Cutting of Advanced Aerospace Alloys and Composite Materials", CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 64, No. 2, pp. 557-580, 2015.

상세보기
Veiga, C., Davim, J., and Loureiro, A., "Properties and Applications of Titanium Alloys: A Brief Review", Journal Reviews on Advanced Materials Science, Vol. 32, No. 2, pp. 133-148, 2012.
Technological and Sustainability Implications of Dry, Near-Dry, and Wet Turning of Ti-6Al-4V Alloy
Klocke, F., Kramer, K., Sangermann, H., and Lung, D., "Thermo-Mechanical Tool Load during High Performance Cutting of Hard-to-Cut Materials", Procedia CIRP, Vol. 1, pp. 295-300, 2012.

상세보기
Effects of the cutting edge microgeometry on tool wear and its thermo-mechanical load, B. Denkena, A. Lucas, E. Bassett CIRP, 60, S. pp. 73-76, 2011.
Gerez, J.M.; Sanchez-Carrilero, M.; Salguero, J.; Batista, M.; Marcos, M., "A SEM and EDS based Study of the Microstructural Modifications of Turning Inserts in the Dry Machining of Ti6A14V Alloy", AIP Conf. Proc., 1181, pp. 567-574, 2009.
Abele E, Frohlich B., "High speed milling of titanium alloys", Adv Prod Eng Manag 2008;3:131-40.
M. El Baradie Cutting fluids: Part I. characterisation J Mater Process Technol, 56 (1-4), pp. 786-797, 1996.

상세보기
D. U. Park, C. S. Yoon, S. K. Lee, "Critical Review on Carcinogenicity of Metalworking Fluids", Journal of the Korea Society of Precision Engineering, Vol. 20, No. 1, 2003.
U.S. Department of Health and Human Services, "Occupational Exposure to Metalworking Fluids", NIOSH Publication, No. 98-102, 1998.
F. Meza, L. Chen, N. Hudson, "Investigation of respiratory and dermal symptoms associated with metal working fluids at an aircraft engine manufacturing facility", Am J Ind Med, 56 (12) pp. 1394-1401, 2013.

상세보기
A. Shokrani, V. Dhokia, S.T. Newman "Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids", Int J Mach Tools Manuf, 57, pp. 83-101, 2012.

상세보기
V. P. Astakhov., "Ecological machining: near dry machining", Mechanics of machining: FEM simulation machining, pp. 195-223, 2009.
Pereira, O., Rodriguez, A., Fernandez-Abia, A., Barreiro, J., and De Lacalle, L. L., "Cryogenic and Minimum Quantity Lubrication for an Eco-Efficiency Turning of AISI 304", Journal of Cleaner Production, Vol. 139, pp. 440-449, 2016.

상세보기
Qinglong An1 . Jiaqiang Dang1 Cooling Effects of Cold Mist Jet with Transient Heat Transfer on High-Speed Cutting of Titanium Alloy
Octavio Pereira, Adrian Rodriguez, Joaquin Barreiro, Ana Isabel Fernandez-Abia, and Luis Norberto Lopez de Lacalle Nozzle Design for Combined Use of MQL and Cryogenic Gas in Machining.
Bradshaw. P, "Effects of Streamline Curvature on Turbulent Flow", AGARDograph, AG-169; 7, 1990.
Michele Trancossi, Subhash Maharshi, Diego Angeli "MATHEMATICAL MODELLING OF A TWO STREAMS COANDA EFFECT NOZZLE", ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition pp. 1-10 2013.
D. W. Lee, "A Study on the Flow Characteristics of Air Knife in Hot-Dip Galvanizing", Master's thesis, Kyungpook National University, 14pages, 2007.
J. G. Ahn, "Study on the Effect of Air-curtain Installed at the Entrance Door of Passenger Coach on the Blockage of Thermal Energy Transfer into the Cabin", Master's thesis, Seoul National University of Science&Technology, pp. 11-12, 2005.
Y.T. Ge, SA Tassou, "Simulation of the performance of single jet air curtains for vertical refrigerated display cabinets", Applied Thermal Engineering 21, pp. 201-219, 2001.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증