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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.2 pp.135-141
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.2.0135

A Statistical Study on the Blasting Conditions when Micro Blasting for Rotating Aluminum Rod

Dae Kyu Kwon*, Duck Hyun Wang**#
*Graduate School, Kyungnam Univ.,
**School of Mechanical Engineering, Kyungnam Univ.
Corresponding Author : dhwang@kyungnam.ac.kr, +82-55-249-2712, +82-505-999-2160
January 31, 2017 March 20, 2017 April 5, 2017

Abstract

An experimental study of micro blasting for a rotating aluminum rod was conducted through the statistical analysis of ANOVA to obtain the effect of blasting conditions. The rotating equipment was designed and constructed with forward and backward moving for helical blasting, but rotation was used in this study. The blasting condition factors were the type of abrasive particle, nozzle diameter, pressure, standoff distance, injection time, etc. The width of the surface, the maximum depth of the sprayed surface, and ANOVA were analyzed by statistical analysis. The results showed that the contributions of the main factors were pressure, nozzle diameter, and injection particle.


회전하는 알루미늄 환봉의 미세입자 분사가공시 통계적 방법에 의한 분사조건에 대한 연구

권 대규*, 왕 덕현**#
*경남대학교 대학원,
**경남대학교 기계공학부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-Noncommercial 3.0 License (CC BY-NC 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    알루미늄의 비중(2.7)은 철(7.8)이나 동(8.9)과 비교 하면 약 3 분의 1 수준이다. 경량화의 요구가 가속화되고 있는 지금 특히 자동차, 철도 차량, 항공기, 선박 컨테이 너 등의 수송기기 분야에 다량의 알루미늄이 사용되고 있다. 철에 비해 강도가 낮고 적절한 표면처리가 없어 구조용 재료로는 많은 제약이 있지만, 고강도화에 대 한 연구가 현재 실용화 단계로 다양하게 사용되고 있 다. 또한 경량성을 살려, 각종 기계의 고속 회전 부품의 작동 효율을 향상시킨다던지 장치의 대형화에 의한 중량 증가를 억제하는 등의 효과를 발휘하고 있다.

    알루미늄 합금은 일반적으로 융점이 높고 고경도이 며 내환경성이 우수하여 고온 구조용 재료로서 주목받 고 있다.1-2)

    알루미늄은 소성가공이 용이해 다양한 형상으로 성형 이 가능하다. 예를 들어 종이와 같이 얇은 박판이나 복잡한 형상의 압출 형재를 용이하게 제조 할 수 있다. 알루미늄은 공기 중에서는 치밀하고 안정한 산화피막 을 형성하여 부식을 방지한다. 내식성과 강도를 겸비 한 알루미늄 합금은 각종의 용도에 사용되고 있으며 특히 건축, 자동차, 선박, 해양 개발 등의 분야에서는 이 특성이 크게 활용되고 있다. 정밀 기계가공에서는 평활한 표면 거칠기를 요구하는 것이 일반적이나 최근 섬유강화 복합재료가 알루미늄 제품들을 대체하고 있고, 전자부품과 공학 분야에서 많이 사용하고 있지 만 다양한 분야에 사용되기 위해서는 코팅 혹은 이종 재료와의 접착력 향상에 대한 대책이 필요하다3-4).

    알루미늄 소재의 접착강도 향상을 위한 연구로는 eximer laser, CO2 laser, 아크열처리 그리고 cyroblasting5) 에 연구들이 진행되었다. 알루미늄 표면에 연마분사 가공 시 상당한 양의 접착강도(adhesive strength)가 향 상되었으며 또한 입자분사 가공은 시간 소모적으로 가공방식의 최적조건을 찾아내는 연구가 필요하다. 적절한 수준의 거친 표면 거칠기를 가져야 할 필요가 있으며 이를 위하여 기계적인 금속표면처리 방법인 입자분사가공과 화학적인 방법 등 다양한 연구들이 시도 되고 있다6). 연삭입자 분사가공이 산업현장에서 많이 사용되며, 연삭입자인 알루미나(Al2O3)나 탄화규 소(SiC) 마이크로 입자를 이용한 표면개질에 대한 통계 학적 해석 연구7)와 입자의 포켓 분사가공에 대한 실험 적 연구8)가 진행되었다. 또한 티타늄합금의 마이크로 블레스팅 기초연구와 원형단면을 위한 회전 연마 연구 가 진행되었다.9) 알루미늄의 입자분사 가공 시 표면형 상은 코팅과 이종재의 접촉강도에 큰 영향을 주고 있 다.

    본 연구는 원통형 시편을 회전시키면서 연마분사를 하는 경우 주요 실험조건들의 영향을 통계적 방법인 분산분석10)에 의하여 파악하고자 하였다. 주요인자로 는 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3) 와 같은 연마 제 종류, 노즐직경(Nozzle diameter), 압력(Pressure), 분 사높이(Standoff distance), 분사시간(Injection time)등 의 조건으로 하였으며, 분사 후 표면형상을 측정하여 분사면의 최대 폭, 최대 깊이 등에 대한 분산분석으로 주요인자들의 영향을 파악하고자 하였다.

    2.실험장치 및 방법

    2.1.실험장치

    본 연구에서는 미세입자 분사 가공을 위하여 사용된 장비는 Comoco사(USA) 제품인 Dual tank micro blast- er(MB1006)을 사용하였으며 가공 실험 중 발생하는 분진을 제거하기 위해서는 흡진 장치를 부착하였고, 정밀 미세 입자의 습기를 제거하여 건조한 상태를 유지 하기 위해서 공기 건조기를 부착하여 실험을 하였다. Fig. 1은 정밀 입자 분사 가공 장치의 작동시스템을 도식적으로 나타낸 것이다. 이 장치는 미세 입자분사 가공을 위하여 시편의 정확한 고정과 분사거리의 일정 한 조절이 가능하며, 2개의직류 스텝모터를 이용하여 회전축에 원형 시편을 부착하여 실험할 경우에 시편의 회전수와 전후 이송 속도를.

    Fig. 2와 Fig. 3은 실험 장치 중 원통형 시편 가공용 지그와 장치의 그림과 작동의 계통도를 나타낸 것이 다. 원통시편은 시편과 노즐의 고정, 분사거리의 정확 성, 노즐의 분사 높이 조절, 시편의 이송 및 회전의 속도를 조절하기 위하여 분사가공용 지그를 직접 제작 하여 사용하였다. 이 장치는 미세 입자분사 가공을 위하여 시편을 척에 고정하고, 분사거리의 일정한 조 절이 가능하게 만들었다. 2개의 소재 분사 저장소에서 호스를 연결하여 에어 드라이에서 건조된 공기가 나올 때 실험에 사용하는 분사소재를 각각 분사시키도록 하였다. 소재는 SiC, Al2O3 를 분사소재 밸브를 시퀸스 제어 통하여 일정량으로 분사하였다.

    시편에 나선형 분사를 설정하기 위해 모터 제어 컨트롤러를 이용하여 하단부 DC모터에서는 전후 움 직임을 상단부 DC모터에서는 회전운동을 주어 시편 에 나선형 분사를 시킬 수 있도록 스테이지를 구축하였 다. 사용된 분사소재는 집진기에 의해서 호스를 통하 여 밖으로 배출되도록 하여 분사되었던 분사소재가 작업에 영향을 미치지 않도록 시스템을 구축하였다. 전체 실험 장치는 제어기 우측상단에 있는 전원 스위치 를 활성화 시켜서 동작된다.

    2.2.실험 시편 제작

    본 실험에 앞서 원활한 실험 진행을 위해 실험시편을 설계 및 가공하였다. Fig. 4은 Auto CAD 프로그램을 사용하여 만든 시편의 2D 도면이다. 시편의 형상을 정의하여 실험 장치를 구상하였으며, 그에 따른 소재 정의를 하였다. 또한 2D형상을 3D형상으로 구현하여 형상의 모습을 알아보았다.

    Fig. 5(a)5(b)는 CATIA 프로그램을 사용한 3D Modeling과 실제 가공한 시편의 모습이다. 설계한 시편 의 소재는 알루미늄 6061소재를 선정하였다.

    시편의 제작은 알루미늄 6061소재를 구매한 뒤 선삭 가공을 통하여 환봉 형상의 시편을 제작하였으며, 원 통 연삭가공을 통해 표면 거칠기 Ra값을 0.386μm로 매끄럽게 제작 하였다. 시편의 표면이 매끄럽기 때문 에 분사 가공 시 분사가공면의 최대깊이, 분사가공면 의 회전면의 폭 변화 값을 쉽게 측정할 수 있도록 제작 되었으며, 표면 변화를 가시적으로 쉽게 알 수 있다.

    2.3.실험방법

    본 실험은 시편을 준비하여 실험계획법에 의한 실험 순서대로 마이크로 연마제인산화규소(SiC), 산화알루 미늄(Al2O3)의 입자크기는 50(μm)을 사용하였다.

    가공조건은 분사 높이를 30mm, 분당 이송거리는 1.5m/min, 지그 주축 회전수를 30rpm으로 고정하였고, 노즐의 직경, 분사압력, 분사입자 에 변화를 주었다. 그 값은 Table 1에 표시하였다.

    원통형 시편을 회전시키면서 미립입자분사가공을 한 후 분사 가공된 면의 측정을 위하여 표면 거칠기 및 윤곽형상 두 가지를 모두 측정할 수 있는 접촉식 3차원 형상 측정기(MITUTOYO, SV-C3000H4)를 사용 하였다. 특히 표면 거칠기 분석 프로그램인 SURFPAK-SV에는 다양한 파라메타 및 다양한 분석 기능이 갖추어져 있어 데이터 처리 능력 및 표면상태 분석과 윤곽측정에 대한 평가까지 자유자재로 실행할 수 있는 장점이 있다. 본 실험에서는 표면 거칠기 부분 보다 분사조건의 연구에 집중하기 위하여 형상측정을 실시하였다.

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.입자 분사된 회전면의 폭(Width)

    원통형 시편을 회전시키면서 미립 입자 분사가공을 한 후 시편의 입자분사 된 회전 운동면의 최대 깊이 측정하였다. 시편의 크기는 Ø6×50의 원통이며 미세 분사 가공을 실시하였다. 미립입자 가공을 실시하기 전에 예비 시편을 선정하여 원통연삭 하였다.

    Fig. 6(a)는 마이크로 연마제인산화규소(SiC), 의 입 자크기는 50(μm)을 사용하였다. 노즐의 직경 MB1520-29 ∅1.16mm, 분사압력 100KPa, 분사 높이를 30mm, 분당 이송거리는 1.5m/min, 지그 주축 회전수를 30rpm으로 실험을 실시하고 원통형 시편의 측정을 위해서는 접촉식 3차원 형상 측정기를 사용하였다. 그 결과 값은 입자분사 된 회전면의 폭(Width)은 6.3mm 이고, Fig. 6(b) 마이크로연마제인 산화알루미늄 (Al2O3)의 입자크기는 50(μm)을 사용하였다. 노즐의 직 경MB1520-29 ∅1.16mm, 분사압력 100KPa, 분사 높이 를 30mm, 분당 이송거리는 1.5m/min, 지그 주축 회전수 를 30rpm으로 실험을 실시하고 원통형 시편의 측정을 위해서는 접촉식 3차원 형상 측정기를 사용하였다. 입자분사 된 회전면의 폭(Width)은 5.9mm이다.

    Fig. 7(a)7(b)의 X축에 작동압력의 변화 값을 Y축 에는 입자분사 된 회전면의 폭을 노즐직경의 크기별로 변화량을 나타내었다. 마이크로 연마제인 산화규소 (SiC), 연마입자인 산화알루미늄 (Al2O3) 크기가 50(μm) 에서는 작동압력의 증가에 따라 입사가공분사면의 회전면의 폭이 증가하는 경향을 나타나고 있었다. 이 현상은 압력에 따라 회전면의 폭의 크기에 영향을 주고 있음을 보여준다.

    그러나 Fig. 7(a)그래프를 보면 nozzle size ∅0.46mm 일 때 25psi, 50psi, 75psi의 회전면의 폭 값이 거의 변화가 없었고, 100psi에서 회전면의 폭 값으로 증가함 을 나타내었다. 또한 nozzle size ∅1.5mm일 때, 75psi와 100psi에서 비슷한 회전면의 폭 값을 나타내었는데, 이를 통하여 압력의 증가에 따라 폭의 크기가 증가하 나, nozzle size의 크기에 더 많은 영향을 주는 것으로 판단된다.

    Table 2은 표면 미세 형상 측정 실험을 통하여 각각의 인자가 회전면의 폭에 미치는 영향에 대하여 분산분석 의 결과를 나타내고 있다. 분산분석표를 보면 세 개의 인자 중 노즐직경, 압력 두 인자가 0.05에서 유의하다. 그리고 기여도 측면으로 보면 압력, 노즐 직경, 입자의 순으로 회전면의 폭에 영향을 끼치는 것으로 볼 수 있다.

    Fig. 8은 인자의 주 효과를 나타내었다. 주효과도를 보면 회전면의 폭 값이 가장 큰 인자들의 수준을 정하 면 입자는 SiC이며, 노즐직경 ∅1.5이며 그리고 압력은 100KPa이다.

    3.2.입자분사 된 회전면의 최대 깊이(Depth)

    회전하는 원통형 시편에 미립 입자 분사 가공을 한후입자가공된면의앞서얻은 Fig. 6과같은표면형상 을 측정하면서 또한 최대 깊이를 측정하였다. 원통형 시편에 접촉식 3차원 형상 측정기를 사용하여 최대 깊이 값들을 파악하였다. SiC입자를 사용한 경우로 입자분사 된 회전 운동면의 최대 깊이는 Fig 6(a)에서 또한 얻을 수 있으며, 그 값은 74.994(μm) 이고, Al2O3 입자를 사용한 입자분사 된 회전 운동면의 최대 깊이는 Fig. 6(b)에서 34.958(μm) 값을 얻었다.

    Fig. 9(a)9(b)의 X축에는 작동압력의 변화 값을 Y축에는 입자분사 된 회전면의 깊이를 노즐직경의 크기별로 변화량을 나타내었다. 노즐직경과 작동압력 변화에 따른 최대 깊이 값들을 나타낸 그림으로 마이크 로 연마제인 산화규소(SiC), 연마입자인 산화알루미늄 (Al2O3) 크기가 50(μm)에서는 작동압력의 증가에 따라 입자분사 된 회전 운동면의 최대 깊이가 증가하는 경향을 보였다. 그러나 노즐직경과 100psi 압력에서 ∅0.7mm, ∅1.16mm, ∅1.5mm 분사 가공면의 최대 깊이 값들이 증가한다. 이는 작동압력의 증가와 노즐직경 증가에 의해 분사가공면의 최대 깊이가 항상 비례적으로 증가 하지 않는다는 것을 알 수 있다.

    Table 3은 표면 미세 형상 측정 실험을 통하여 각각의 인자가 분사가공면의 최대깊이에 미치는 영향에 대하 여 분산분석의 결과를 나타내고 있다. 분산분석표를 보면 세 개의 인자 모두 유의하다. 그리고 기여도 측면 으로 보면 압력, 노즐 직경, 입자의 순으로 분사가공면 의 최대깊이에 영향을 끼치는 것으로 볼 수 있다.

    Fig. 10은 인자의 주 효과를 나타내었다. 주효과도를 보면 분사가공면의 최대 깊이 값이 가장 큰 인자들의 수준을 정하면 입자는 SiC이며, 노즐직경 ∅1.16이며 그리고 압력은 100KPa이다.

    4.결론

    본 연구는 원통형 알루미늄 시편을 회전 시키면서 미립 입자 분사가공을 한 후 시편의 표면 형상을 측정 하였다. 시편의 크기는 Ø6×50으로 선삭가공을 한 후 원통연삭을 하였다. 주요 인자로 연삭입자인 알루미 나, 탄화규소 그리고 노즐직경, 압력, 분사높이, 분사시 간, 주축회전수. 이송으로 주요인자들을 파악하고자 입자분사 된 회전 운동면의 최대 깊이, 회전면의 폭을 측정하여 그 특성들을 통계적 기법을 통해 분사 분석을 실시하였다.

    1. 회전 분사 입자가공 시 최대 폭에 영향을 주는 인자 (factor)는 통계적 방법인 분산분석에 의하면 노즐직 경, 압력이 0.05에서 유의하고 기여도 측면으로 보면 압력, 노즐 직경, 입자의 순으로 최대 폭에 영향을 주고 있다.

    2. 회전 분사 입자가공 시 분사면 최대깊이에 영향을 주는 인자는 입자, 노즐직경, 압력 모두 유의하며, 기여도 측면으로 보면 압력, 노즐 직경, 입자의 순이 다.

    3. 주효과도를 보면 회전면의 최대 폭에 영향을 주는 인자들의 수준을 정하면 입자는 SiC이며, 노즐직경 ∅1.5이며 그리고 압력은 100KPa이다. 또한 분사가 공면의 최대깊이에 영향을 주는 인자들의 수준을 정하면 입자는 SiC이며, 노즐직경 ∅1.16이며 그리 고 압력은 100KPa이다.

    Figure

    KSMPE-16-2-135_F1.gif

    The schematic diagram of micro blasting system with rotating and straight movement system

    KSMPE-16-2-135_F2.gif

    Experimental jig forrotating andstraight movement

    KSMPE-16-2-135_F3.gif

    Experimental operation flowchart for rotating and straight movement system

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    Experiment specimen of 2D drawing

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    Experiment specimen 3D modeling

    KSMPE-16-2-135_F6.gif

    Measured surface profile aftermicro blastedfor max depth (Injection time: 20 sec, Standoff distance: 30mm, Revolutions: 30rpm, Travel distance: 1.5m/min)

    KSMPE-16-2-135_F7.gif

    Maximum width according to the different nozzle diameter (Injection time: 20 sec, Standoff distance: 30mm, Revolutions: 30rpm, Travel distance: 1.5m/min)

    KSMPE-16-2-135_F8.gif

    Main effects plot of width of micro blasted surface

    KSMPE-16-2-135_F9.gif

    Maximum depth according to the different nozzle diameter (Injection time: 20 sec, Standoff distance: 30mm, Revolutions: 30rpm, Travel distance: 1.5m/min)

    KSMPE-16-2-135_F10.gif

    Main effects plot of maximum depth of micro blasted surface

    Table

    Factor and levels for micro blasting experiment for aluminum 6061-T6 (unit: mm)

    The factoranalysis of variance forthe width of micro blasted surface

    The factor analysis of variance for the maximum depth of micro blasted surface

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