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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.5 pp.1-7
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.5.001

Study of Turbine Module Design for Die Casting Mold Release Injection Robot System

Hyun-Jin Choi*, Young-Bum Son*, Chul-Woo Park*, Seung-Yong Lee*, Seong-Dae Choi**#
*Daegu Mechatronics & Materials Institute, Machinery & Robot Research Division

**School of Mechanical System Engineering Kumoh National Institute of Technology
Corresponding Author : sdchoi@kumoh.ac.kr
October 10, 2015 October 18, 2015

Abstract

Cleaning by injecting dry ice and water is a generally adopted trend these days to clean molds (injection, diecasting foundry, press, rubber mold, etc). This cleaning method is performed manually, or by installing multiple high pressure spray nozzles. We have manufactured a turbine cleaning module device that is able to clean diecasting modules at any position and angle in the space by mounting an articulated robot instead of the existing pipe type injection nozzle, to minimize lead time and enhance working yield of the cleaning process. In this paper, we analyzed process factors that are required to design the turbine module by reviewing number of revolution, and results according to different blade angles and thicknesses of the mold release injection turbine module, using computational fiuid dynamics (CFD).


다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템의 터빈 모듈 설계에 관한 연구

최 현진*, 손 영범*, 박 철우*, 이 승용*, 최 성대**#
*대구기계부품연구원

**금오공과대학교 기계시스템공학과

초록


    1. 서 론

    일반적으로 금형(사출, 다이케스팅, 주조, 프레스, 고무 금형 등)의 세척을 위한 방법은 드라이아이스 및 물을 분사하여 세척하는 방법이 보급되고 있는 경향이 있다. 이러한 세척 방법은 수동으로 하거나 고압 스프레이 노즐을 다량으로 설치하여 세척하고 있다. 고압 스프레이 노즐 방식은 80여개 이상의 분사노즐을 금형 형상에 따라 수작업으로 개별 조절하는 방식이라 금형이 변경 되면 분사노즐의 각도와 위치를 전면 재수정하는 작업이 선행되기 때문에 다품종의 자동차 부품 다이캐스팅 생산에서는 분사노즐의 각도와 위치 수정에 대한 시간이 과도하게 소요되어 생산성 향상의 가장 큰 장애요소 이다. 공정의 리드 타임을 최소화 하여 수율의 감소를 적용하기 위해서는 제작 공정의 프로세스에 일정한 세척 공정을 할 수 있는 모듈 장비가 필요하며 제작 후 금형에 부착된 불순물을 자동으로 세척해 주는 시스템이 필요하다. 따라서 기존 배관형 분사노즐을 대신해 다관절 로봇에 장착되어 다이케스팅 금형을 공간상 모든 위치와 각도에서 세척이 가능한 터빈 블레이드 세척 모듈 장치를 제작하였다[1]. 본 논문은 다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 모듈을 설계하기 위해 전산유체해석(CFD)을 통하여 회전수 및 블레이드의 각도, 두께에 따른 경향을 검토하여 터빈 모듈의 설계에 필요한 공정요인에 대하여 분석하였다[2][3]. Fig. 1은 기존 고압스프레이 노즐 방식 및 로봇시스템 터빈 모듈 방식을 보여준다.

    2. 터빈 블레이드 모듈

    다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 블레이드 모듈은 다관절로봇 핸드부에 장착되어 다이케스팅 금형에 이형재를 분사하여 세척하는 기능을 가지며 양방향으로 블레이드가 설치되고 최고 10,000 rpm의 고속회전에 대응하기 위한 세라믹 베어링을 적용하여 축이 지지되고, 내장형 모터(1.25 kW/1.2 Nm)가 그 중간에 위치하는 구조로 되어있다. 또한 이형재가 분사되는 노즐 12개를 좌우 각각 장착하였다. Fig. 2은 터빈 블레이드 모듈 구조 설계 도면을 보여준다.

    3. 유동 해석

    3.1 해석의 범위

    유동해석은 터빈 블레이드 모듈에 대하여 1차적으로 전체 시스템 분석을 통한 각 토출 공정에 필요한 주요 공정인자에 대하여 검토를 하고 유체의 미세 입자분사에 중요한 역할을 하는 노즐부의 분사형태를 검토하였다. 또한 터빈부의 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석하기 위하여 블레이드의 각도와 두께의 초기 설계사양 조건에서 해석을 수행하였다. 2차 해석은 1차에서 도출된 결과를 바탕으로 블레이드의 형상각도에 따른 영향에 대하여 분석하여 블레이드의 형상 최적각도를 도출하였다.

    3.2 수치해석 방법

    수치해석은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 라는 전산 유체역학이론을 기반으로 한 상용프로 그램인 FloEFD(Engineering Fluid Dynamics)를 활용하였으며 FloEFD는 유한 체적법 (Finite Volume Method)을 기초로한다. 이 방법은 운동량 및 질량보존법칙과 에너지보존법칙을 만족 시키기에 용이하도록 적분으로 기초방정식을 이산화하는 방법이며 이러한 법칙은 Navier-Stokes Equations으로 정의된다. 식(1)은 Navier-Stokes Equations의 수식표현이다[6][7].

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    위의 수식은 Navier-Stokes Eqations의 수식표현 이나 식 자체만으로 계산할 수 없으므로 Finite Volume Method (FVM)식 접근 방법이 필요하다. 식들은 비선형이면서 서로 연결되어 있으므로 식 (2)와 같이 반복계산에 의해 값을 구할 수 있으며 통상적으로 수치해석 S/W로 계산되어 진다. 이는 유체의 유동현상이나 에너지 이동이라는 물리적 현상을 나타내는 수학식에 특정한 조건을 대입하고 컴퓨터를 이용하여 이를 계산하고 시뮬레이션을 수행하는 것이다.

    HGKGB6_2015_v14n5_1_e902.jpg

    (α: 특정점에서의 값, φ: 특정점에서의 변화정도)

    3.3 시스템 공정요인 분석

    1차적으로 터빈 블레이드 모듈의 전체적인 시스템 분석을 통한 기본조건에서 각 토출 공정에 필요한 주요 공정인자에 대하여 검토하였다. Fig. 3은 해석모델을 보여준다. Fig. 4는 해석 경계조건을 나타낸다. 유체의 흐름은 층류 및 자연대류 난류로 내부유동 해석을 적용하였으며 환경온도와 압력은 각각 20.05˚와 101325 [Pa]이며 노즐입구 압력을 601325 [Pa]로 설정하였다[4][5]. 유동분포는 압력에 의해서 유체는 터빈부 이전으로 토출 되며, 토출된 유체는 터빈부의 회전에 의해서 전면의 Plate부로 토출되는 분포를 보이며 유동분포에서 가장 중요한 공정요인은 1차 토출부 노즐의 조건(PJ Fog Type Nozzle: 8mm), 2차 터빈부의 회전수(8,000/10,000 rpm) 및 블레이드 날개의 두께(5~9 mm)와 형상각도(15°/30°/45°)의 설계치수 이다. 유속은 공급되는 압력 입력부 보다는 토출이 진행되는 노즐부와 회전이 나타나는 터빈부에서 주변 보다 매우 높게 분포 되었다. 유속분포에서 주요 공정 인자는 1차 토출부의 노즐의 조건이므로 노즐부의 분사형태에 대한 분석이 필요하며 2차 터빈부의 회전수가 공정 인자이다. Plate부의 압력은 터빈에서 토출되는 유체의 압력에 의하여 벽면에 나타나는 압력분포이며 벽면의 압력은 중심보다 주변부에서 높은 형태를 보였다. 주요 공정인자로는 터빈 블레이드의 날개 두께와 형상각도 이다. Fig. 5Fig. 6은 유동흐름과 유속의 해석결과를 보여준다. 1차 해석은 전체 모델에 대한 전산유체해석을 적용하여 토출 공정에서 필요한 공정 요인에 대해서 분석 검토하였다. Table 1은 분사 및 토출공정에 필요한 공정요인 분석표를 보여준다.

    3.4 노즐 분석

    이형재가 분사되는 노즐은 오리피스 Type의 노즐로 유체의 미세 입자분사가 중요하므로 PJ Type(8 mm)를 선정하여 적용하였다. PJ Type 노즐은 안개분사 형태로 분사되어 유체를 매우 작은 입자의 형태로 분사하는 직접 가압 방식 노즐이다. Fig. 7은 PJ Type노즐 형상을 보여준다. 노즐부의 유동흐름을 보면 분사된 유체는 좁은 유로를 통과 후 박리되어 원형의 형태로 퍼지는 현상을 보이며 이때 유체는 미세하게 박리되는 현상을 보이며 박리된 유체는 하부로 퍼지면서 분사되었다. 노즐의 유속분포는 유체의 연속체 법칙을 기준으로 동일한 유량인 경우 두면의 유량은 불변한다는 기준으로 적용하였으며 Q1=A1V1 , Q2=A2V2 에서 Q1=Q2 일 때 A1V1=A2V2 이며 따라서 V2의 유속은 V2 = A1/A2 × V1 이다. 초기의 입력 유속이 V1=0.1m/s인 경우 노즐 관에서의 유속은 193 m/s이상의 유속분포를 보임을 알 수 있다. Fig. 8은 노즐부의 유속분포 해석결과이며 Fig. 9는 노즐 유로부의 유속분포와 계산치의 비교표를 보여준다.

    3.5 터빈 블레이드 분석

    다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 블레이드 모듈에서 가장 중요한 노즐에서 분사된 유체를 고속의 회전을 통하여 금형에 분사하는 역할을 수행하는 터빈 블레이드에 대하여 각 형상 특징에 따른 경향을 분석하기 위하여 우선 터빈 블레이드의 해석은 회전체 조건을 적용하여 블레이드 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석하였다. 터빈 블레이드의 1차 해석의 블레이드 각도와 두께는 초기 설계사양인 30°와 8 mm의 조건에서 수행 하였다. Fig. 10은 각도에 따른 터빈 블레이드 해석 모델을 보여준다. 터빈 회전수에 따른 영향은 회전수가 높은 부 분에서 압력 및 속도, 터빈 날개에 가해지는 힘 모두 높게 분포함을 볼 수 있으며 터빈의 회전수가 낮은 경우는 높은 경우 보다 난류의 영향이 높게 나타나는 경향을 보였다. 즉, 터빈 회전시 난류의 영향을 낮게하기 위해서는 높은 회전수를 적용하는 것이 타당하다고 판단되었다. 그러나 터빈의 회전수는 가변이 가능한 공정요인으로 고정된 값이 아닌 조건에 맞도록 조절하여 사용하는 것이 좋다. Table 2Fig. 11은 터빈 회전수에 따른 해석결과를 보여준다.

    터빈 블레이드의 두께에 따른 영향에 대한 해석 결과는 두께가 얇은 5.0~6.0 mm의 경우 압력 분포는 낮은 경향을 보이며 난류에너지는 높은 경향을 보였다. 초기 설계사양인 8.0 mm인 경우는 모두 높은 값으로 양호한 결과값이 도출되었다. 또한 기존 설계사양 보다 넓은 9.0 mm인 경우가 가장 양호한 상태라고 판단되어 터빈 블레이드의 두께를 9.0 mm로 설계수정이 타당하다고 사료되었다. Table 3Fig. 12은 터빈 블레이드의 두께에 따른 해석결과를 보여준다.

    4. 2차 유동 해석

    2차 유동해석은 1차 해석에서 도출된 결과를 바탕으로 터빈 블레이드의 형상 각도에 따른 영향에 대하여 분석하여 터빈 블레이드의 형상설계의 최적각도를 도출하였다. 터빈의 회전수는 증가 할수록 양호하므로 2차 해석은 최고 회전수 10,000 rpm으로 고정하여 분석하였으며 터빈 블레이드의 두께는 1차 해석결과 가장 양호한 9.0 mm로 고정하였다. 또한 터빈 블레이드의 각도는 15°, 30°, 45° 3가지 조건으로 해석 경우의 수로 해석을 하였다. Fig. 13은 2차 해석의 경계조건을 보여준다. 해석결과 터빈 블레이드의 유속분포, 전체 압력분포의 경우는 블레이드 각도가 작으면 작을수록 양호한 결과를 보였다. 전체 동압분포는 15°와 30°의 경우는 유사하였으나 45°와는 차이를 보였다. 또한 고정면의 Plate를 터빈 블레이드 모듈에서 분사되어 이형재가 부딪이는 다이케스팅 금형으로 가정하여 내부의 전단응력을 보면 15°인 경우는 중간을 제외하고 전체적으로 압력이 고르게 분포되어 있으며 30°와 45°의 경우는 압력이 15°에 비해 높은 분포를 보였다. 따라서 터빈 블레이드 형상두께는 9.0 mm, 각도는 30° 이하로 적용할 필요가 있다. Fig. 14는 유동흐름과 유속을 보여주며 Fig. 1516은 난류에너지 및 Plate에 작용되는 전단응력을 보여준다.

    5. 결 론

    본 논문은 다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 블레이드 모듈을 설계하기 위해 전산유체해석(CFD)을 통하여 이형재 분사 터빈 모듈의 회전수 및 블레이드의 각도 두께에 따른 경향을 검토하여 터빈 블레이드 모듈의 설계에 필요한 공정요인에 대하여 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    (1) 터빈 블레이드 모듈의 전체적인 시스템 분석을 통하여 토출부 노즐의 조건, 터빈 회전수, 터빈 블레이드의 두께와 형상각도를 각 토출 공정에 필요한 주요 공정인자로 도출하였다.

    (2) 유체를 매우 작은 입자의 형태로 분사하는 직접 가압방식 노즐에 대한 유속분포를 분석하였으며 노즐유로부의 유속분포와 계산치를 비교검토 하였다.

    (3) 터빈 블레이드의 각도와 두께의 초기 설계사양인 30° 와 8 mm의 조건에서 터빈의 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석한 결과 회전수가 높은 경우가 터빈 회전시 난류의 경향을 낮게 나타나는 경향을 보였다. 그러나 터빈의 회전수는 가변이 가능한 공정요인으로 고정된 값이 아닌 조건에 맞도록 조절하여 사용하는 것이 타당함을 알 수 있었다.

    (4) 터빈 블레이드의 두께에 따른 영향은 초기 설계사양인 8.0 mm인 경우는 압력 및 난류에너지가 양호한 결과 값이 도출되었으나 기존 설계사양 보다 넓은 9.0 mm인 경우가 가장 양호한 상태라고 판단되어 터빈 블레이드의 두께를 9.0 mm로 설계수정(안)을 제시하였다.

    (5) 터빈 최고회전수 10,000 rpm과 터빈 블레이드의 두께를 9.0 mm로 고정한 후 15°, 30°, 45° 3가지 각도 조건으로 해석을 한 결과 유속분포와 전체 압력분포는 블레이드각도가 작으면 작을수록 양호한 결과를 보였으며 고정면Plate의 전단응력은 15°의 각도인 경우가 전체적으로 압력이 고르게 분포 되어 터빈 블레이드의 형상각도는 30° 이하로 적용할 필요가 있음을 알 수 있었다.

    Figure

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    Existing pipe type injection nozzle and release injection robot system
    HGKGB6_2015_v14n5_1_f002.gif
    Structural design of the turbine blade modules
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    Analysis model of a turbine blade modules
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    Boundary conditions of the analysis
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    Fluid flow analysis(turbine rpm 8,000/10,000)
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    Fluid velocity results(turbine rpm 8,000/10,000)
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    The shape of the nozzle(PJ Type)
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    Velocity distribution of the nozzle part
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    Comparison of the nozzle part zone
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    Analysis of the turbine blade model
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    Analysis of the turbine blade rpm
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    Analysis of the turbine blade thickness
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    Boundary conditions of the 2nd analysis
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    Analysis of the fluid flow and fluid velocity
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    Analysis of the Flow path total TKE
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    Shear stress acting on the plate

    Table

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    Analysis directions of process factors
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    Analysis of results(Blade angle 30°, Thickness 8mm)
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    Analysis of results(Blade angle 30°, 10,000rpm)

    Reference

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