| 초록 |
□ 최종목표 ○ 팁형 아마추어(구동부) 가공공정 개발 - 고객사의 개발규격을 만족하면서 성능요구조건을 충족시킬 수 있는 팁형 아마추어를 개발하기 위하여 유동해석을 통한 설계안 도출 - 아마추어 끝단에 구 형태를 형성하기 위한 가공공정 개발 - 특수 DLC 코팅 전용 지그 및 가공공정 개발 ○ 팁형 아마추어의 품질과 밀폐 성능을 검사하는 장치의 요구조건의 제시 □ 개발내용 및 결과 1. 팁형 아마추어 설계 및 가공공정 개발 가. 팁형 아마추어 설계 ○ 기존 아마추어에서 발생되는 여러 가지 문제점을 해결하고 제작과정에서 볼 코킹 공정을 배제할 수 있도록 아마추어 끝단을 직접 구 모양으로 가공 ○ 팁형 아마추어가 적용되는 IDB용 제어밸브의 밸브 시트는 95도의 형상각도를 갖도록 (주)만도기계 담당자와 협의하여 결정하였기 때문에 밸브시트는 동일한 형상으로 유지하고 아마추어 끝단의 형상 변화에 따른 아마추어와 밸브 시트사이의 유동해석을 통해 설계 파라미터를 결정 ○ 아마추어와 밸브 시트는 대칭적인 형상을 갖고 있어 해석의 단순화를 위해 단면 형상을 기준으로 유동해석을 수행하였고 DOT 5.1 브레이크 오일의 물리적 성질을 해석에 적용 ○ 아마추어의 팁에는 정적압력에 의해 작용하는 힘과 수압면의 전단응력에 의한 힘 그리고 유동 반력이 종합적으로 작용하는데 이들 중 유동에 의해 발생되는 힘의 영향을 최소화하면 정적압력과 솔레노이드 구동력의 관계만 고려하여 밸브를 개폐하면 되므로 제어가 수월해짐 ○ 전단응력에 의한 힘은 아마추어에 작용하는 전체 힘의 2% 이내이므로 아마추어 형상 파라미터를 선정함에 있어 고려하지 않았고 유동 반력이 최소가 되고 정적 압력이 적게 작용하는 구의 반경을 유동해석의 결과를 분석하여 선정 ○ 밸브시트의 입구 직경을 1mm, 시트부의 높이를 2mm 그리고 각도를 95도 고정하고 아마추어 끝단의 구 반경을 0.8mm, 0.9mm, 1.0mm, 1.2m로 변화시키면서 밸브 시트와 끝단사이에서 발생하는 유속과 정적압력을 유동해석을 통해 구하였음 ○ 본 과제에서 개발하는 팁형 아마추어는 기존 볼 코킹의 아마추어를 대체하기 위한 부품이기 때문에 아마추어가 Z방향으로 움직이는 최대거리는 기존 제어밸브와 동일하게 설정하였고 밸브가 완전히 열린 상태로 가정하여 유동해석을 수행하였음 ○ 밸브에 작용하는 정적압력과 유동속도는 반비례한 관계(유동이 수월해지면 유동 저항이 적어 정적압력은 낮아짐)를 갖고 있고 유속이 빨라지면 유동 반력은 커지므로 두 요소가 적절하게 유지되도록 구의 반경을 선정하였음 ○ 구의 반경이 0.9mm까지는 유속의 변화가 완만하게 이루어지나 0.8mm 이하에서는 급속한 유속 변화가 발생(유동저항 없이 흐름)하였고 정적압력도 작용하지 않는 결과를 유동해석으로부터 얻었음으로 0.9mm로 선정하면 되었으나 제작의 편의성율 위해 실무자와 협의해서 구의 반경을 1.0mm 결정하였음 ○ 밸브 시트와 아마추어 끝단의 형상과 표면상태에 따라 밸브의 밀폐 성능도 영향을 받으므로 조도와 진원도 관리가 필요하여 다음과 같이 팁형 아마추어 개발규격을 결정하였고 선정한 설계 파라미터가 반영된 팁형 아마추어를 설계하였음 나. 아마추어 끝단에 구 모양의 형상을 가공하기 위한 공정 개발 ○ IDB용 제어밸브의 아마추어는 하부(bottom) 부품과 상부(top) 부품으로 구성되어 있으며 밸브시트와 접촉하는 하부 부품은 밸브의 밀폐 성능에 직접 영향을 주는 부품으로 표면의 조도는 개발 규격을 엄격히 준수해서 정밀 가공해야 하고 반복적인 접촉에도 표면의 손상이 발생하지 않는 표면 내구성도 필요함 ○ 하부 부품은 상부 부품과 조립되어 제어밸브 내에 장착되는데 두 부품의 동심이 일치하지 않은 상태로 조립이 되면 밸브시트와 접촉하는데 있어 밸브시트의 중심과 아마추어의 중심이 상이해져 밸브를 완전히 밀폐하지 못하고 누유가 발생할 수 있으므로 조립 후에는 항상 동심을 검사하여야 함 ○ 요구되는 소형 립의 표면상태에 적합한 표면처리를 위하여 표면소성변형을 일으키는 가압 다듬질 방법인 버니싱(burnishing) 가공을 수행하기로 결정하였고 팁의 개발규격에 적합한 표면처리공정을 개발하였음 ○ 또한 아마추어와 밸브시트와의 반복적인 접촉으로부터 팁 표면의 손상을 방지함과 동시에 내구성을 향상시키기 위하여 DLC 코팅을 진행하기로 하였고 코팅의 접착력 향상을 위하여 전처리 과정을 거쳐 균일한 코팅이 이루어지기 위한 지그를 설계 제작하였음 1) 소형 구 모양의 팁 표면처리를 위한 버니싱 가공공정 개발 ○ 표면소성변형공정으로 알려진 볼 버니싱은 금속표면 다듬질,표면 경도,치수 정밀도 등을 향상시키기 위한 방법으로 재료 제거가 수반되지 않는 냉간가공 공정으로 어느 정도까지 부품표면에 가공경화가 가능 ○ 버니싱 가공공정에서 버니싱 툴과 팁 사이의 각도와 버니싱 툴에 공급되는 오일의 압력이 팁의 조도에 영향을 주는 요소임 ○ 도면상에서 버니싱 툴과 팁 사이의 각도를 검토하여 버니싱 볼과 팁의 접촉이 주변의 지그에 영향을 받지 않는 30도로 결정하였고 버니싱 툴 지그에 각도를 주는 것 보다 팁과 만나는 볼 주변에 각도를 주는 방식으로 지그를 설계하여 탈부착의 용이함을 갖게 하였음 ○ 버니싱 전(선삭가공을 한 후)의 조도를 Rz 2~4, Rz 1.5~3, Rz 0.5~1로 시료를 가공한 후에 버니싱 툴에 공급되는 압력을 10kg f /cm 2 , 15g f /cm 2 , 20kg f /cm 2 ,25kg f /cm 2 별로 조정하고 버니싱을 수행하여 얻을 결과를 고찰해 보면 팁의 개발규격에 적합한 표면상태를 갖는 경우는 공급압력은 20kg f /cm 2 임을 알 수 있었음 ○ 25kg f /cm 2 로 공급압력을 설정했을 경우에도 팁의 조도 관리는 이루어지나 구면의 형상 변화가 발생했으므로 공급압력을 너무 높이는 것도 바람직하지 않음 ○ 버니싱 전 조도 Rz 2~4, Rz 1.5~3인 경우에는 공급압력을 높이더라도 버니싱 작업만으로는 표면상태를 개발규격에 적합하게 가공할 수 없었고 이는 버니싱 작업만으로 조도를 향상시킬 수 있는 한계가 분명히 존재하는 것을 확인할 수 있었으며 따라서 버니싱 전의 조도 관리가 필요함 2) DLC(Diamond-Like-Carbon) 코팅을 위한 전용 지그 설계 및 제작 ○ DLC 코팅 공정은 시료준비-->세척 준비-->세척-->검사-->테스쳐링(texturing)-->시료를 코팅 지그에 삽입-->코팅-->최종 검사1-->시료를 지그에서 꺼냄-->최종 검사2의 작업으로 이루어짐 ○ 코팅이 팁 표면에 고르게 분포되기 위해서는 팁에 이물질 제거가 선행되어야 하는데 일반적으로 초음파 세척을 통해 청정도를 유지하고 표면에 이물질 분포 정도를 검사하는 코팅 전처리를 수행하였음 ○ 코팅에 사용되는 일체형 지그는 자전하는 지그 8개가 지그 중심축올 기준으로 회전할 수 있는 구성이며 자전지그에는 8개의 봉이 설치되어 있고 하나의 봉에는 55개의 시료를 4세트 설치할 수 구조를 갖고 있어 총 1760개의 시료를 자전지그에 장착할 수 있음 ○ 또한 자전지그 8개가 회전하면서 코팅 공정율 수행하므로 한 번의 코팅 공정에서 시료 14,080개가 코팅이 이루어짐 ○ 앞에서 언급한 코팅 공정을 거쳐서 각각 팁형 아마추어에 입혀진 DLC 코팅의 두께는 5~8㎛이었고 대면적으로 균일한 코팅 두께를 얻었음을 라만분석기시험을 통해 확인하였음 2. 팁형 아마추어의 형상 품질과 밀폐 성능을 검사하는 장치 개발 ○ 팁형 아마추어는 제작 과정에서 발생하는 형상적 불량과 조립 불량에 의해 IDB용 제어밸브의 밀폐성능이 확보되지 않을 수 있으므로 제작된 아마추어의 품질을 전수 검사할 수 있는 장치를 개발할 필요가 있음 ○ 진구도와 동심도를 확인하는 형상 품질 검사는 비접촉식 검사인 비젼을 이용하였고 형상 크기를 측정하여 허용값 내에 존재하는지 유무로 불량을 감지하는 검사장치를 개발 ○ 형상 품질 검사를 통과한 제품이라도 표면의 불량으로 인하여 밸브를 밀폐할수 없는 경우가 발생할 수 있으므로 조립된 밸브 단위로 고압의 공기압을 작용하여 공기 공급부에 발생하는 압력의 변화를 통해 아마추어의 밀폐 성능의 불량을 선별할 수 있는 검사장치를 개발 ○ 형상 품질 검사와 밀폐 성능 검사를 하나의 장치에서 수행할 수 있도록 설계하였고 제작된 아마추어를 생산 현장에서 전수 검사할 수 있는 장치를 개발 ○ 외경 허용치(진구도) |
