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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.20 No.9 pp.76-83
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2021.20.09.076

Hexagonal Shape Characteristics according to the Change in Standoff Distance during Fine Particle Blasting

Hyoung-Tae Lee*, Sea-Han Lee**, Duck Hyun Wang**#
*Graduate School, Kyungnam Univ.
**School of Mechanical Engineering, Kyungnam Univ.
#Corresponding Author : dhwang@kyungnam.ac.kr Tel: +82-55-249-2712, Fax: +82-505-999-2160
08/07/2021 05/08/2021 19/08/2021

Abstract


This study examines the characteristics of spraying conditions based on the change in standoff distance during fine particle spraying while measuring the surface roughness, maximum depth, and maximum width of the sprayed surface. The processing shape of the sprayed surface is analyzed to understand the effects of injection pressure, nozzle diameter, standoff distance, processing shape, processing cycle, processing speed, and injection particles, which are the main factors of fine particle injection processing. Based on the derived characteristics, we attempt to determine the interrelationships of these major factors. The standoff distance is set as a variable factor and a spray machining experiment using a hexagonal shape (from among polygons) instead of square and circular shapes is conducted. Results reveal that research on the characteristics of spraying conditions could be expanded based on changes in the shapes of workpieces.



미세입자 분사가공 시 분사높이 변화에 따른 육각형 가공형상 특성

이 형태*, 이 세한**, 왕 덕현**#
*경남대학교 대학원
**경남대학교 기계공학부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (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

    미세입자 분사가공은 매우 작은 미세입자를 고 압의 공기압을 이용해 분사하여 일반적인 기계가 공으로서는 가공이 어려운 경도가 높고 취성이 강 한 세라믹 재료 또는 유리 등을 침식시켜 원하는 형태의 구조물을 만드는 마이크로 가공방법이다.

    초기의 미세입자 분사가공은 녹이나 도색의 제 거, 버 제거, 표면처리 등의 단순한 용도로 사용되 어 왔다. 그러나 최근 들어 PDP나 LCD에서 주로 사용되는 유리의 미세가공, 반도체 제작공정에서 의 미세가공 분야에서 주목받고 있다.[1-3]

    또한, 최근 금속 표면에 코팅, 이온주입 등 표 면 개질 기술이 발달함에 따라 금속표면에 폴리 머, 세라믹뿐만 아니라 이종금속 혹은 원소에 의 한 표면 특성향상이 더욱 요구되고 있다.[1]

    본 연구는 미세입자 분사가공 시, 실험계획법의 분산분석기법[4]으로 여러 실험을 통해 밝혀진 가 공조건의 주요인자인 분사압력(Blasting pressure), 노즐직경(Nozzle diameter), 분사높이(Standoff distance), 가공형상(Processing shape), 가공 사이클 (Blasting cycle number), 가공속도(Feedrate), 분사입 자(Al2O3, SiC)등을 고려하여 특히 그 중에서 압력 (Blasting pressure), 노즐직경(Nozzle diameter), 분사 높이(Standoff distance)의 변화에 따른 영향력을 파 악하고자 분사 가공면의 최대깊이와 최대 폭을 측 정하고 그 형상을 분석하여 그 특성들을 통해 분 사 조건의 주요인자들이 분사가공에 미치는 영향 을 연구하고자 한다.

    본 실험은 분사높이(Standoff distance)를 변동인 자로 설정해서 분사높이 변화를 포함한 분사조건 의 특성을 연구했다. 기존에 발표된 미세입자 분 사가공 실험논문들은 분사높이를 고정인자[2]로 주 어 얻은 결과치로서 분사높이 변화에 따른 분사조 건의 특성에 대한 연구가 다소 부족했다. 또한 가 공형상도 원형과 사각형상으로만 실험이 이루어져 서 더 다양한 형상의 실험이 요구되는바 본 실험 은 다각형 중에서 육각형상으로 분사가공실험을 수행하여 가공물 형상변화에 따른 분사조건의 특 성에 대한 연구를 진행하였다.

    2. 실험장치 및 방법

    압축 된 건조 공기와 연마재가 함께 혼합되어 분사되는 초정밀 분사가공장치를 Fig. 1(a)의 그림 에 나타낸 것처럼 Dual tank micro blaster MB1006(USA, Comco)을 사용하였다

    x축과 y축 방향으로 동시 이동하며 고속분사와 정밀한 분사 위치 제어가 가능한 미세입자 분사가 공용 미세구동장치는 평면 2 자유도 메커니즘 (Moving mechanism in 2 degree of freedom)으로 구현되는 실험장치를 사용하였다

    미세구동 장치는 회전운동을 직선운동으로 변 환하고 백래시가 없는 정밀한 위치제어 구동이 가 능하여 매우 작은 입자를 원하는 위치에 고속으로 분사가공을 할 수 있으며 한계(limit)센서의 접촉 으로 시스템 제어를 통하여 미세입자 분사가공이 가능한 구동장치로 구성하였다.[2]

    Fig. 1(b)는 x축과 y축 방향으로 단독 이동과 동 시 이동시 테이블 간의 간섭방지를 위해 직교방식 으로 스텝모터를 설치하여 정밀한 분사 위치 제어 가 가능하도록 제작한 미세입자 분사가공용 구동 장치이다.

    2.1 실험 방법

    시편은 순수알루미늄 1050-T2 소재를 사각으로 절단 후, 사면을 55 × 55 × 2(t)mm로 절삭가공하 고 상면은 평면 연삭가공을 통해 중심선 표면거칠 기, Ra값이 0.368μm가 되도록 제작하였다.

    미세입자 분사가공 시 가공형상에 영향을 미칠 주요 인자로 Table 1에 나타낸 것처럼 7개의 인자 가 고려되었다 분사가공 시 인자에 대하여 3가지 수준 비교 인자를 생성하고 생성된 인자들을 랜덤 배치 후 각각의 실험에 의해 데이터를 산출하여 인자에 따라 더 주요한 인자가 무엇인지를 찾아내 고자 하였다 (A)압력(Blasting pressure), (B)노즐직 경(Nozzle diameter), (C)분사높이(Standoff distance) 는 0과 1과 2로 하여 3수준의 인자로 설정하였고 D, E, F, G 인자는 수준을 나누지 않고 하나의 수 준으로 설정하여 최소의 실험으로 가공형상에 영 향을 미치는 조건을 찾기 위한 실험계획으로 3수 준계 직교배열표를 활용하였다 실험진행은 Table 2와 같이 다구찌 최적화 방법을 기반으로 한 직교 배열 실험계획법에 의한 실험 순서대로 진행하였으 며 분산분석[4]을 통한 데이터 분석을 진행하였다.

    시편 54개를 준비하여 실험의 신뢰도를 높이기 위해 2회 반복실험하여 결과값을 도출하였다 실 험조건은 Table 1에 나타내었듯 (A)분사압력 (B) 노즐직경 (C)분사높이를 주요인자로 선정하여 변 수 값으로 설정하였으며 (D)가공형상 (E)분사 사 이클 횟수 (F)분사 이송속도 (G)분사 입자는 고 정인자로 정하여 인자수준을 고정값을 주었다.

    노즐직경(Nozzle diameter, mm)은 0.46(Levels 0), 0.76(1), 1.16(2) mm 노즐을 사용하여 실험을 진행 하였다. Nozzle diameter의 Levels 0과 1의 직경차 이는 0.3 mm이고 Levels 1과 2의 직경 차이는 0.4 mm다. 분사높이(Standoff distance, mm)는 원래 실 험계획은 15, 25, 35로 계획했으나, 분사 높이 변 화에 따른 확실한 분사특성 연구를 위해서 15, 35, 55로 높이의 격차를 각 수준별 20 mm로 범위를 더 크게 하여 본 실험을 진행하였다. 분사압력 (Blasting pressure, kPa)은 400, 550, 700 kPa로 각 수준별 150 kPa의 압력차로 시험을 진행하였다.

    2.2 실험 시편

    실험은 시편 54개를 이용하여 다구찌 최적화 방법을 기반으로 한 직교배열 실험계획법에 의한 실험 순서대로 시편에 정육각형 분사가공 실험을 진행하였다. 27개의 시편을 이용해서 1차 실험을 완료 후, 1일 뒤 동일한 장소와 장비와 조건으로 27개의 시편을 이용해서 2차 실험을 진행하였다. Fig. 2는 시편의 미세입자 분사가공 전 모습과 가 공 후 모습을 각각 나타낸 사진들이다. Fig. 2의 그림(b)는 블라스팅 진행방향과 정육각형 한 변의 길이(L15 mm)를 나타내었다.

    Table 3은 실험계획법에 따라 54개의 시편을 이 용하여 정육각형 분사가공 실험을 실시한 분사가공 결과물들을 실제 사진으로 정리하였다.

    정확한 실험을 위해 각각의 사각 시편을 동일한 위치에 고정하고 분사하기 위해서 분사 노즐의 중 심과 시편의 분사면을 수직으로 일치시키고 분사 거리의 조정을 위하여 분사 노즐 고정용 가이드를 별도로 제작하여 실험을 진행하였다.

    2.3 실험 시편 측정방법

    Fig. 3은 촉침식 형상측정기를 이용하여 미세입 자(SiC, 50 μm)로 분사가공된 시편의 표면을 스캔하 여 분사깊이와 분사폭의 윤곽 형상을 측정하고 기 록하는 모습이다. 정육각형 6면의 분사폭을 각각 측정하여 평균치를 구해서 실험조건에 따른 분사 폭의 특성을 확인하였다. 최대 분사 깊이와 폭을 마이크로미터(μm) 단위로 측정하였다.

    Fig. 4는 표면 거칠기 측정기를 이용하여 시편 의 평활도를 측정하는 모습이다. 중심선 평균거칠 기(Ra)와 10점 평균거칠기(Rz) 값을 마이크로미터 (μm) 단위로 측정하였다. 본 실험에서는 Ra값으로 실험데이터를 정리하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    실험조건에서 변동인자인 분사압력, 노즐직경, 분사높이를 변화시켰을 경우 측정된 표면거칠기 (Ra), 최대 분사 깊이와 최대 폭의 값을 Table 4에 나타내었다. 본 실험은 실험계획법에 따라 54개의 시편을 이용하여 정육각형 분사가공 실험을 진행 하였다.

    실험결과로 동일 노즐 직경일 때의 표면거칠기 와 최대 분사 폭은 분사압력이 높을수록 분사표면 이 거칠어지고, 분사 폭은 넓어지는 경향을 보였 다. 최대 분사깊이는 예상한대로 분사높이가 낮을 수록 분사면의 깊이는 깊어지는 것이 증명되었다.

    Fig. 5는 분사 압력이 700kPa, 노즐 직경이 1.16mm, 분사 높이가 15mm 조건에서의 분사깊이 에 대한 분사가공 시편 형상을 형상측정기로 측정 한 결과로, 분사 가공면은 완만한 호 형태를 보였 으며 분사 가공면의 최대깊이는 0.1137mm로측정 되었다.

    분사노즐의 중심부의 소재표면은 깊게 가공이 되고 분사노즐 가장자리부는 분사깊이가 낮은 것 을 보아 분사입자와 소재표면의 접촉량이 차이가 있음을 알 수 있다. 노즐 중심부에 미세입자 분사 량이 많으며 분사압력도 높은 것으로 판단된다.

    Table 5는 표면거칠기(Ra)에 대한 인자별 분산 분석을 나타내었다. Ra에 대한 각 인자별 P값은 0.05보다 작으므로 모두 유의미한 인자로 나타났 다. 그 중에서도 Ra에 가장 많은 영향을 끼치는 인자를 기여도로 확인해봤을 때 노즐직경이 47.81%, 압력 24.64%, 분사 높이가 12.52%로 노즐 직경이 표면거칠기(Ra) 값에 영향을 가장 많이 끼 친 것으로 나타났다. 즉, 노즐직경이 커질수록 분 사 표면은 거칠어진다는 것을 알 수 있다. 이것은 노즐직경이 커질수록 미세입자의 산포도가 넓어진 결과라고 판단된다.

    Fig. 6은 표면거칠기(Ra)에 대한 수준별 인자의 주효과도 분석 그래프를 나타내었다. 분사 압력과 노즐 직경은 인자의 수준이 높을수록 분사 표면은 거칠었으나, 분사 높이는 수준이 낮을수록 표면의 거친 정도가 덜한 것을 그래프를 통해 확인할 수 있다. 분사압력 대비 노즐직경은 수준이 0수준에 서 2수준으로 올라갈수록 표면거칠기는 정비례의 형태로 거칠어지는 현상이 확연히 나타났다.

    Table 6은 분사 깊이에 대한 인자별 분산분석으 로서 분사압력의 P값이 0.014, 노즐직경의 P값이 0.005, 분사높이의 P값이 0.012로 나타났다.

    P값이 0.05이하의 값을 나타낼 경우 실험에 미 치는 영향이 유의하다고 판별한다. 그러므로 분사 압력, 노즐직경, 분사높이 등 모든 인자가 분사 깊 이에 비슷한 값으로 영향을 미치는 것으로 판단된 다. 그 중에서도 분사 깊이에 가장 많은 영향을 끼치는 인자를 기여도로 확인해봤을 때 노즐직경 이 24.07%, 압력 19%, 분사 높이가 19.89%로 노 즐 직경이 분사 깊이 값에 영향을 가장 많이 끼친 것으로 나타났다. 즉, 노즐직경이 커질수록 분사 깊이는 깊어진다는 것을 확인할 수 있다. 노즐직 경이 크면 미세입자량과 소재표면의 접촉횟수가 많아져서 나타나는 결과라고 판단이 된다.

    Fig. 7은 분사 깊이에 대한 수준별 인자의 주효 과도를 분석한 그래프이다. 수준으로 보면 분사압 력의 0수준은 400kpa, 1수준 550kpa, 2수준은 700kpa이고 노즐직경의 0수준은 0.46mm, 1수준 0.76 mm, 2수준은 1.16mm이며, 분사높이의 0수준 은 15mm, 1수준 35mm, 2수준은 55mm이다. 수준 별 인자를 분석하였을 때 분사압력은 2수준일 때 분사깊이에 대한 영향력의 증가폭이 컸고, 노즐직 경도 2수준일 때 급격히 효과가 증가하는 현상이 나타났다. 분사높이는 0수준일 때 영향력이 높게 나타났다. 즉, 분사압력과 노즐직경은 수준이 높아 질수록 분사 깊이가 컸으며, 분사 높이는 낮을수 록 분사 깊이가 커지는 것을 그래프를 통해 확인 할 수 있다. 그리고 주효과도 그래프 분석을 통해 서도 노즐직경이 커질수록 분사 깊이는 깊어진다 는 것을 확인할 수 있다.

    Table 7은 분사 폭에 대한 인자별 분산 분석을 나타내었다. 분사 폭에 대한 각 인자별 P값은 0.05보다 작으므로 모두 유의미한 인자로 나타났 다. 분사 폭에 가장 많은 영향을 끼치는 인자를 기여도로 확인해봤을 때 분사 높이가 73.81%, 분 사압력 15.15%, 노즐직경은 5.19%로 분사 높이가 분사 폭의 값에 월등히 영향을 가장 많이 끼친 것 으로 나타났다. 즉, 분사 높이가 높아질수록 분사 폭은 넓어지는 것으로 나타났다.

    그 이유는 미세입자의 분사형태가 일자형보다 는 방사형으로 분사되는 것으로 판단되며, 분사높 이가 높아질수록 더 큰 방사형의 궤적을 띄므로 분사 폭이 넓어지는 현상이 나타나는 것으로 판단 된다.

    Fig. 8은 분사 폭에 대한 수준별 인자의 주효과 도를 분석한 그래프이다. 수준으로 보면 분사압력 의 0수준은 400kpa, 1수준 550kpa, 2수준은 700kpa 이고 노즐직경의 0수준은 0.46mm, 1수준 0.76mm, 2수준은 1.16mm이며, 분사높이의 0수준은 15mm, 1수준 35mm, 2수준은 55mm이다.

    인자별 분산분석에서 기여도가 5.19%로 가장 낮았던 노즐직경은 0수준과 1수준에서는 분사 폭 에 미치는 영향력이 차이가 거의 없었다.

    반면에 인자별 분산분석에서 기여도가 73.81% 로 가장 높았던 분사 높이는 0수준에서 2수준으로 높아질수록 분사 폭에 미치는 영향력이 정비례의 경향성을 띄며 확장되는 것을 알 수 있다.

    분사 높이가 0수준에서 2수준으로 높아질수록 분사 폭은 정비례의 경향성을 띄며 상승하지만 노 즐 직경은 0수준에서 1수준으로 높아져도 분사 폭 에 큰 변화는 없었으며 분사 압력과 수준이 높아 지더라도 분사 폭에는 미미한 영향을 끼치는 것을 그래프를 통해 알 수 있다.

    4. 결 론

    본 연구는 미세입자 분사 가공시, 실험계획법의 분산분석기법으로 가공조건의 주요인자인 분사압 력, 노즐직경, 분사높이(Standoff distance), 가공형 상, 가공 사이클, 가공속도, 분사입자 등을 파악하 고 분사 가공면의 최대깊이와 최대 폭 측정과 분 사 가공면의 형상을 분석하여 각 인자들이 미세입 자 분사가공에 미치는 영향을 확인하였으며 다음 과 같은 결론을 얻었다.

    • 1. 주요인자 중에서 변수 값을 주어 가공조건을 설정한 분사압력, 노즐직경, 분사높이가 가공 면의 표면거칠기와 최대 분사깊이, 분사 폭에 유의한 영향을 미치는 인자로 판명되었으며, 절삭깊이를 미세하게 가공하면서 넓은 소재면 의 분사가공 처리 시의 최적의 가공조건은 분 사높이를 조정하여 찾을 수 있다. 동일 분사압 력과 노즐직경일 때 분사높이를 높여 줌으로 써 넓은 소재면을 단시간에 가공할 수 있다. 즉, 분사 높이가 높아질수록 분사 폭은 넓어졌 으며, 0수준에서 2 수준으로 높아질수록 분사 폭은 정비례의 경향성을 띄며 확장되는 것을 알 수 있다.

    • 2. 분사깊이에 가장 많은 영향을 끼치는 인자는 노즐직경으로 나타났다. 즉, 노즐직경이 커질 수록 소재 가공면의 분사 깊이는 깊어졌다.

      분사가공 시 동일 분사압력에서 깊이 방향에 대한 가공 절삭량을 높이려면 노즐직경을 키 워 최적의 가공조건을 설정할 수 있다.

    • 3. 동일 분사노즐 직경일 때의 가공소재의 표면거 칠기는 분사압력이 높을수록 값이 크게 나타 났다. 즉 분사압력이 커질수록 분사 표면은 거 칠어진다는 것을 알 수 있으며 고운 가공표면 을 얻기 위해서는 분사압력을 낮추는 것이 효 과적임을 알 수 있다.

    Figure

    KSMPE-20-9-76_F1.gif
    Micro particle blasting equipment and 2-axisorthogonal stage machine
    KSMPE-20-9-76_F2.gif
    Photographs of aluminum 1050-T2 specimens
    KSMPE-20-9-76_F3.gif
    Measurement device for measuring blasted depth and blasted width
    KSMPE-20-9-76_F4.gif
    Surface roughness measurement device for measuring smoothness
    KSMPE-20-9-76_F5.gif
    Measuring profile of spray depth
    KSMPE-20-9-76_F6.gif
    Main effect diagram for surface roughness (Ra)
    KSMPE-20-9-76_F7.gif
    Main effects plot for depth of blast surface
    KSMPE-20-9-76_F8.gif
    Main effects plot for blast surface width

    Table

    Seven factors of micro particle blasting experiment for experimental analysis
    Experimental conditions to find out main factors by using L27(313) in place of the seven factors
    Square injection processing experiment specimen
    Measured values of Ra and maximum injection depth and maximum width
    Analysis of variance by factor for surface roughness (Ra)
    Measurement of blasted surface depth
    Measurement of blasted surface width

    Reference

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    2. Hwang, C.-W., Lee, S.-H., Wang, D. H., “Selection of Main Factors by Experimental Analysis for Profile Blast Machining Based on Microparticle Blasting Equipment with a Two-Axis Sequence Control Stage”, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 19, No. 11, pp. 64~69, 2020.
    3. Choi, S.-Y., Hwang, C.-U., Kwon, D.-G., "Analysis of Machined Surface Morphology According to Changes of Surface Condition in Micro Particle Blasting", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 17, No. 5, pp.70~75, 2018.
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